智能除草收草机设计

徐 航,万志远,孙铭泽

(山东华宇工学院 机械工程学院,山东 德州 253072)

0 引言

农田杂草已成为危害农业生产的重要因素之一。我国传统的除草方式主要为人工除草和化学除草,人工除草不但需要消耗大量的体力、精力,而且除草效果十分有限;化学除草虽能对杂草生长起到抑制作用,但易造成环境污染,不符合可持续发展理念[1-2]。应用机械除草方式较为环保,效率一般为人工除草的10～15倍,减轻农民劳动强度、可有效节约劳动力成本、提高农民的经济收入[3-4]。农业机械化是农业现代化的重要组成部分,是农业可持续发展的重要推动力[5],运用科学的管理手段和先进适用的农机装备来提高农业生产效率、农产品质量和农民收入。

机械结构是机电一体化的基础,是机电一体化系统所有功能要素的主要支持结构。除草机器人的机械结构不仅决定着除草机器人的外观,还决定着除草机的功能、工作时的可靠性和灵活性[6-7]。目前,主流的除草机只有除草功能没有收草功能,且不能铲除多年生草本植物。针对此问题,设计了一种智能除草收草机,实现除草、收草的一体化流程,还能将回收的草进行再利用。对比传统除草方式,除草机的平均除草合格率为94.20%,平均粉碎率为92.29%[8],能有效提升农业除草的效率,减少化学药剂残留,适宜推广使用。

1 总体方案设计

智能除草收草机主要由4部分组成,制动结构、除草结构、铲草过滤结构和收集结构。在本文机器装置介绍中,去掉了制动结构的设计,因为此部分的内容没有进行改进,所以不再进行详细的赘述。具体的机器结构示意图如图1所示。

1.除草结构;2.铲草过滤结构;3.机架;4.收集结构;5.推块;6.第一伸缩杆; 7.滚动柱;8.圆柱锯齿;9.第四伸缩杆;10.压板;11.舱门;12.收集箱;13.输送带;14.第二伸缩杆;15.铲草刀;16.除草轮;17.除草刀图1 机器结构示意图

智能除草收草机中的除草结构位于机架前端,包括与机架固定的推块,一对结构相同的第一伸缩杆,第一伸缩杆下端转动连接着除草轮,除草轮外圆周均布有多个除草刀,除草刀为镰刀状结构。铲草过滤结构包括一对结构相同的第二伸缩杆、铲草刀、输送带、滚动柱,滚动柱外圆周均布有多个圆柱锯齿。收集机构位于机架的后端,包括第四伸缩杆(第四伸缩杆下端与压板固定连接)和收集箱组成。

智能除草收草机利用除草结构中的推块先将较高的杂草推倒,再通过第一伸缩杆将除草轮调制适宜除草的位置,除草轮滚动带动除草刀将杂草铲除,杂草铲除后通过铲草过滤结构内部的铲草刀将杂草铲起,并通过滚动柱辅助将杂草推送至输送带,通过输送带将杂草输送至收集箱中。在此过程中,输送带将传输中携带泥土的杂草进行过滤,杂草被输送至收集结构内,收集结构中的第四伸缩杆带动压板下压,将杂草压缩成块状,然后通过收集箱中的连杆结构相互配合将杂草送出收集箱。

2 机器结构设计

2.1 除草结构

除草结构位于机架前侧,包括与机架固定的推块,一对结构相同的第一伸缩杆、除草刀、除草轮(图2)。其位置及连接关系:推块可以是三角形的,也可以是其他形状,只要保持推块右前端为倾斜的面,且上端面大于下端面,能将较高的杂草推到即可;第一伸缩杆下端转动连接着除草轮,除草轮外圆周均匀分布多个除草刀,除草刀为镰刀状结构;除草轮可变速转动,通过电机驱动除草轮转动,带动除草刀转动,从而将杂草铲除。机架上固定的第一伸缩杆为电动推杆,其下端与除草轮转动连接,通过所处环境进行伸缩调节,从而去控制除草装置的竖直高度,达到铲除杂草的最佳高度。

1.第一伸缩杆;2.推块;3.除草刀;4.除草轮图2 除草结构示意图

2.2 铲草过滤结构

铲草过滤结构包括与机架铰接的铲草刀、一对结构相同的第二伸缩杆、滚动柱、圆柱锯齿、输送带和驱动电机(图3)。

1.铲草刀;2.圆柱锯齿;3.第二伸缩杆;4.滚动柱;5.输送带;6.驱动电机图3 铲草过滤结构示意图

其位置及连接关系:铲草刀右侧铰接第二伸缩杆,第二伸缩杆上端与机架铰接固定。通过铲草刀的上下摆动来控制与地面之间的距离,方便将杂草铲起,第二伸缩杆也采用电动推杆的形式,通过第二伸缩杆的伸缩实现铲草刀的摆动。滚动柱与机架转动连接,滚动柱位于铲草刀上方,滚动柱外圆周围均布有多个圆柱锯齿。电机驱动滚动柱转动,滚动柱转动带动杂草向上传输。输送带位于铲草刀左侧,且开设多个过滤孔,这样在输送杂草的过程中,杂草中夹杂的泥土可通过过滤孔被过滤掉,同时杂草随着输送带传输至收集装置中。

工作时,除草结构除掉杂草后,铲草过滤结构中的第二伸缩杆控制铲草刀放入地下,随着机器的前进,前端的铲草刀将杂草铲起,滚动柱在电机的驱动下带动输送带运动,在输送杂草的过程中,输送带上的过滤孔,将杂草带上来的泥土过滤掉,最后通过输送带将杂草运输至收集箱内,完成铲草过滤工作。

2.3 收集结构

收集结构包括收集箱、压板、第四伸缩杆(图4a)。收集箱主要构件包括舱门、第一连杆、第二连杆、第三伸缩杆和挡板(图4b)。输送带输送杂草至收集箱内,通过压板的竖直滑动将杂草压缩,第四伸缩杆下端与压板固定连接,上端与机架固定连接。收集箱左侧铰接舱门,舱门可摆动打开,当工作完成后,通过舱门打开收集箱,将收集后的杂草取出。

1.收集箱;2.压板;3.第四伸缩杆;4.舱门;5.第一连杆;6.第三伸缩杆;7.第二连杆;8.挡板图4 收集结构示意图

工作时,当输送带将杂草输送到收集箱后,收集箱上端的压板在第四伸缩杆的伸缩下竖直滑动压缩,使收集箱中的杂草变成草饼状,以此来增大空间。当收集箱中的杂草集满后,第三伸缩杆向下端伸缩较小的距离,带动第二连杆,第二连杆带动第一连杆,第一连杆带动收集箱向外移动。舱门设计成摆动结构,当连杆结构将收集箱送出后,舱门自动打开将杂草排出,完成收集工作。

2.4 控制系统

控制系统由用户界面(信息接收平板)、控制主机、各类传感装置和受控设备组成。传感装置连接控制主机,传感装置收到信息后向控制主机传输信号,从而信息接收平板对控制主机下达指令实现对受控设备进行相应的控制。信息接收平板能够对多路设备进行控制,用户只需要坐在信息接收平板前,就可以直观地操作智能除草收草机,包括控制机器行走、除草铲草等。整机启动后,由控制中心进行自检,若各个部位工作正常,智能除草收草机的工作部位由原来位置移动到工作位置,再开始工作,推块将杂草推倒,除草结构中第一伸缩杆的内置电机带有力反馈功能,当第一伸缩杆带动除草轮到达地面后,第一伸缩杆的内置电机给控制主机传输力反馈信息。控制主机分析后,控制除草轮转动,除草的同时铲草过滤结构开始运作,将杂草铲起进行运输。收集结构中的第四伸缩杆,在控制主机的控制下进行定时压缩,当收集箱中的杂草填满后,控制主机驱动连杆将杂草运出。

2.5 元件采用的种类及作用

第一伸缩杆采用的是电动推杆伸缩杆(深圳卓创传动科技有限公司,卓创传动科技品牌的ZCO1A型电动推杆)。ZCO1A型号的电动推杆(图5)可配对到PLC系统中,还可在里面加装压力传感器、配置编码器,通过变频器或控制器控制,实现精确定位,控制电动推杆的伸缩长度,当接触到地面后给予控制系统力反馈信息[9]。

图5 ZCO1A型电动推杆

控制器选用ESP32系列单片机的ESP32-S为主控制器,ESP32是由乐鑫公司(ESPRESSIF)推出的一款集成WiFi功能的微控制器(图6)。ESP32芯片具有主频32位双核处理器,CPU正常工作速度为80 MHz,最高可达240 MHz,其SRAM最大支持16 MB片外SPI Flash,WiFi协议支持多种协议,速度高达150 Mbps,蓝牙协议支持蓝牙v4.2完整标准,包含传统蓝牙(BR/EDR)和低功耗蓝牙(BLE),同时还具备丰富的外设接口,如GPIO、SPI、UART等常用接口,适用于智能除草收草机的控制主机要求[10-11]。

图6 ESP32控制器

3 结语

本文设计了一款智能除草收草机,通过此机器的除草结构、铲草过滤结构和收集结构,完成对田间地头、农业果园中杂草的铲除和收集工作。解决现在农业中农药残留、除杂草不彻底、杂草易再生等问题。对目前市面上只有除草功能没有收草功能的除草机进行了改造升级。本产品设计提升了农业除草效率,使杂草废物利用,减少农业杂草再生的烦恼,提高了农民生产效率。