人—机—环境理念在喷流式挖藕机功能优化中的设计与实践

河北工程大学机器人工程系 杨大亮

莲藕是食用、药用价值均较高的水产农产品，其在国内分布广泛，种植区遍及长江、西南及华南等地区。近年来，随着农村产业结构调整及国家政策的倾斜，莲藕种植面积不断扩大，但由于莲藕生长环境较为特殊，其采收一直是影响农户收益的重要因素。目前，国内的莲藕种植户多依靠人工单喷枪采挖，该种采收方式虽然可以提升收获效率，但劳动量极大且对采藕人的熟练度要求较高。为了改变这种低效、繁重的采藕方式，日本在20 世纪80 年代发明了3 重喷流式挖藕机，近年来国内的设计者们也依据不同需求研制出浮筒、大型船式挖藕机。“人—机—环境”是钱学森先生在1981年提出的重要概念，是对未来人类技术发展的伟大构想[1]，即以“人”为核心，在产品开发中首先以使用者（即人）视角为出发点，考虑环境因素等客观隐私，以充分发挥人的能力和工作效能。本文则浅析了基于“人—机—环境”理念对传统喷流式挖藕机进行改良设计和应用，通过加强挖藕效率来提升藕农的经济效益。

1 挖藕机发展里程及我国挖藕机设计改良方向

市面上最早的喷流式挖藕机要追溯至20 世纪80年代，设计师依据不同用途分别研发喷流式Ⅰ型、宽幅式Ⅱ型和泵定式Ⅲ型3 种挖藕机。国内的挖藕机研发始于20 世纪80 年代武汉工学院李凡爱发表的挖藕机设计的文章。自1998 年武汉市科委研制出第一台水压力挖藕机到如今的20 多年间，经过优化改良，目前市面上的挖藕机能够满足各种环境、不同需求的挖藕需求。

纵观我国挖藕机研制的历程可以分为三个阶段，初始阶段设计师们考虑的较为复杂，在设计层面要求自动化程度必须满足要求；但是自动化程度越高实际应用中出现的问题就越多，且大多数情况下很多功能难以有效使用。第二阶段，设计师们开始通过改善其性能，如使用不同天气环境、适应不同水深、可以自动行走、操控的便利性和舒适性等进行改进。第三个阶段即基于“人—机—环境”体系的改良。机械工程师刘义满[2]连同其团队基于目前挖藕机的功能和性能，对未来采藕机械的设计提出了以下几点设想：首先，智能化、舒适性，减少或者不需要操作人员下水作业；其次，确保莲藕的完好率，尽量减少莲藕表皮、芽头等部位损坏；再者，功能的多样化。

2 传统喷流式挖藕机的缺点及改良思路

2.1 传统喷流式挖藕机

喷流式挖藕机主要用于藕田灌水在10cm~20cm深度下作业，整个机身由挖掘机、牵引设备组成。挖掘机又分为机体、泵体和喷流装置。机体主要起到浮舟作用，机体前中后部分分别安装了泵体、吸水水槽和喷管，两侧各安装土砂筛网。进水口位置有两个能够移动的涡轮泵，具体见图1 所示。传统喷流式挖藕机设计的初衷主要考虑到实用功能，以工程师的主导思想来处理挖耦机作业时如何高效挖出莲藕，但是对用户使用感受考量不足，并且也没有关注到设备与使用环境的相互关系，因而无法被市场接受。

2.2 基于“人—机—环境”理论对喷流式挖藕机的优化

2.2.1 “人—机”理论对喷流式挖藕机设计的启发

人机挖藕机的使用者，其对设备的操作不仅要完成采藕作业的任务，还要满足运输、维护简单易行等要求。单从“人”的角度来分析需要满足生理、心理两个层面:（1）生理层面。人或者使用者的活动与机械设备、时间/空间、环境密切相关。人体活动期间一般都是在确保效率、安全性的同时，缩短时间、提高精确度。带入到挖藕机操作方面可以化简至3 个类型，第一，搬运操作省时、省力；第二，挖藕作业时操作便捷，如各种功能按钮、挡杆易操作、易识别；手扶连杆尺寸、高度符合人体工程学；第三，便于维护，挖藕机是藕农在日常劳作生产中使用最频繁的工具之一，水下作业容易对金属设备造成锈蚀，需要及时更换零部件，这就要求设计整机可拆卸，活动零件易拆卸。（2）心理层面。对使用者而言其对挖藕机的心理感受有两个明显的阶段：使用前对设备表面的质感、形状、颜色、尺寸等的整体判断；对使用后的心理感受主要包括操作感、平衡感、行为结果感受等。在设计之处应该满足使用者这两方面的需求。

（1）挖藕机不同操作中使用者与部件的关系

挖藕机的搬运、挖藕作业及维护这3 种操作中人必定会和某一个部件发生直接关系。以喷流式挖藕机的部件（发动机、水泵、射流喷头、储水箱、浮筒、框架、手扶连杆、水管、高压水腔及滤网）的矩阵分析来体现在不同操作时与使用者直接关系的部件。与使用者操作直接关系的标“*”，未直接作用标“-”，见表1。通过分析显示，使用者“搬运”操作中分别浮筒、手扶连杆部件直接相关；挖藕作业时与框架、发动机、射流喷头和手扶连杆直接相关；而维护则与所有部件直接相关。

表1 使用者不同操作与设备部件的直接关系

（2）人体工程学在喷流式挖藕机改良中的应用

喷流式挖藕机搬运、挖藕作业和维护3 种操作技能需要使用者上下肢的操作，上肢包括手臂和手掌，下肢包括站姿要求等。因此需要依据我国成年男女人体尺寸（详见GB 10000-1988[3]）进行优化。①人体操作高度。依据GB 中的成年男女百分位数P90，考虑到挖藕作业水塘深度约25mm~45mm、操作高度应略高于站姿的肘部高度更省力，因此将作业时手臂操作高度与水面距离设置为660mm~1085mm 为宜。②手握把宽度。国人成年男女百分位数P90，手宽度为700mm，因此按照该标准设计可以提升操作的舒适度。③操作台面。研究发现，带倾角的操作台面方便使用者操作和观察，一般的使用者和操作面间高度的关系，其倾角在10°~45°最佳（见图2）；另外，为了方便搬运的便利性，可以在浮筒外侧增设副把手等。

图2 基于“人—机”理念对挖藕机的优化设计

2.2.2 “机—环境”理念对喷流式挖藕机优化的启发

（1）降阻和减震优化设计

按照国内的气候环境及莲藕生长特性，挖藕机的作业时间是每年的7 月到第二年的5 月间[4]。作业时挖藕机的移动靠使用者晃动、推动，但水阻力会导致作业的效率大幅下降。水阻力主要有波浪阻力和摩擦阻力两种类型，波浪阻力和机器的移动速度及形态相关，因此可以将浮筒的形态进行优化，流线型浮筒能够降低波浪阻力。摩擦阻力则与机械表面光滑程度及移速有关，因此尽量保证浮筒表面的光滑度。喷流式挖藕机在工作状态下发动机的抖动对使用者造成影响，这种抖动会导致手扶连杆和握把也会出现震动，长时间作业不仅会影响设备的使用年限，还会造成操作者手臂肌肉损伤。为了缓解设备的震动，可以通过增加减振装置、提高握把摩擦力的方式进行改进。

（2）射流喷头参数优化设计

喷流式挖藕机在工作状态时，由喷头喷射高压射流，将莲藕上层及表面覆盖或附着的泥土冲击带走（作业原理见图3），待莲藕充分显露于水下后受浮力作用漂在水面，然后打捞，整个采藕作业顺利完成。

图3 挖藕机射流喷头作业原理

优化思路即对射流喷头参数进行调整：①旋转管路设计。为降低管路对水泵扬程、流量等的影响，两根横管的横截面积相加之和应与水泵出水管横截面积相等，假设横管内径为d，而水泵出水管内径为D，则得出公式d=0.707D。传统喷流式挖藕机的水泵出水管内径D 约为70mm，因此可计算出横管内径约为49.49mm。

②建立泥土模型，确定喷嘴参数。鉴于荷塘泥土的湿润性、粘性特质，泥土颗粒间有范德华力存在，因此选择Hertz-Mindlin with JKR 模型对泥浆（泥土）建模。以**大学人工种植藕田测得的泥土堆积角、体积密度，经JKR 模型数据库查出动摩擦系数、静摩擦系数和恢复系数。查阅文献获得土壤弹性模量1143.2kPa，而泊松比为0.4[5]。获得弹性模量和泊松比的关系式G=E/2(1+v)，其中G 为剪切模量，E 为弹性模量，v 为泊松比，计算得出G 值（kPa）。分析出射流喷头水流速度、喷射角度对挖掘深度的影响。分析喷头形状、喷射角度对挖掘深度的影响。对比不同喷头性状对泥土的冲刷效果，结果发现圆形效果优于其他性状。在喷头喷射角度的分析中假设喷头方向和竖直方向夹角为θ（见图4），仿真实验结果显示，喷射角度越大则泥土更容易被水流冲刷，且能够缓解泥土回填的情况。本次对喷流式挖藕机喷头参数的设置共包括4 点：横管内径约为50mm，喷头为圆形，喷射水流速度为20m/s，喷射角度为45°的最佳组合。

图4 射流喷头喷射平面图

2.2.3 “人—机—环境”理念对喷流式挖藕机优化的思考

人与环境对挖藕机设计的影响侧重点不同，但又彼此相互影响。从人的角度分析，美观度是继适用性、舒适性和高效性之后重点考量的改良点之一。彩色的不单单指的是整体外观的颜色，还要体现其与功能的匹配性。色彩心理学理论认为，在社会活动、自然欣赏方面，从主观上来看色彩是对人的一种行为反应，客观上则是一种刺激和象征[6]。人们在日常生活中观察到的各种颜色会逐渐形成心理颜色视觉感，如天蓝色、叶绿色等等。因此在挖藕机色彩搭配时应该考虑到其对人心理的影响。本次对喷流式挖藕机的颜色优化主要体现在以下几点：①将挖藕机主体涂为金黄色，金色象征丰收和财富；②操作面板上以彩色展示，方便使用者识别不同的功能。

3 结语

“人一机一环境”理念是未来机械设备制造均遵循的一套先进体系，传统喷流式挖藕机在设计之初考量的因素较少，无法满足现阶段藕农的采藕需求。通过分析“人—机”“机—环境”以及“人—机—环境”在挖藕机设计的体现，从而对其结构功能及造型方面进行优化，在确保采收效率的同时，尽量提升使用者操作的便利性、舒适性。