独立三维空间果园多功能作业装备设计

摘要：针对当前果园规模化种植背景下对果树各项作业和生产实现高效机械化的实际需求，研究人员研发了一种电动自走双臂独立三维空间果园多功能作业装备，实现了打顶、抹芽、剪枝、喷药和果实采摘等作业多功能一体化。该装备能够提供双人同时、连续以及安全作业的自走式作业平台，并配备自动监测与操控系统以及采摘弧形柔性旋转运输滚道，达到降低劳动强度并保证人身安全，同时提高作业效率与果品质量的目的。

关键词：多功能；监控系统；弧形柔性旋转运输滚道；自动计量装置

1背景分析

1.1国内

根据观研报告网的《2021年中国水果种植产业分析报告-产业规模现状与发展趋势分析》，目前我国是全球水果第一生产大国[1]，果园面积不断扩大，2020年我国果园面积稳定在1333.333万公顷左右，2021年果园面积可达1369.846万公顷。果园机械化是果业高质量发展的重要组成部分[2]，而现阶段我国果园总体机械化水平相对较低，大部分果园还是依赖人工种植管理作业[3]。人工采摘管理作业不仅效率低下，还要来回搬运采摘工具上下攀爬，造成危险系数高、水果易损坏等问题，制约着水果产业的发展。因此，果业采摘作业与机械化的有效融合，不仅能够显著提高采摘效率[4-5]，节约生产成本，而且最大限度地降低了水果的损耗，提高了种植户的经济效益，对实现果园全机械化具有现实意义[6]。

1.2国外

相比国外，我国的采摘机械起步较晚[7]。欧美国家在20世纪40年代便开始进行对采摘机械的研究。20世纪60年代中期，美国针对不同果树的高度采摘，设计出了辅助水果采摘的水果采摘升降平台车[8]。20世纪90年代，日本研究出自走式采摘车，自走式采摘车具有较好的爬坡能力与回转能力，且机体摆动小、行走稳定。但只适合在坡度15°~30°的地区使用，不适合大规模自然生长的果园种植模式，实际应用十分受限。因此，结合上述果园采摘管理作业的发展现状，急需研究设计一款具有果树打顶、抹芽、剪枝、喷药以及果实采摘作业等多种用途的果园多功能装备，实现打顶、抹芽、剪枝、喷药、果实采摘等作业多功能一体化。

2整机设计方案

2.1主要设计内容

1）针对当前规模化种植果园作业机械化程度不足的问题进行分析，确定了一种果园多功能装备的总体最优方案，实现对果园果树的高效、高质、多功能与安全作业。2）设计了自走式电动底盘搭载可独立控制的三维空间双臂旋转升降工作台，平行四杆机构控制升降平台往垂直方向移动，液压系统控制平台升降旋转，实现不同高度多维度果园作业。3）设计了雷达自动监测系统，监测作业状态，并显示在驾驶室里，以适应果园复杂作业环境，保证了作业者安全作业，协助驾驶员完成协同作业。4）针对果实采摘作业，设计了弧形柔性旋转输送滚道、风机清选装置以及自动称重系统等，保证果实的品相和采摘质量。

2.2系统组成和功能

2.2.1驾驶行走转向系统。驾驶行走转向系统包括驱动电机、转向器、离合器等。通过驱动电机使小车获得在地面行走的动力，实现小车的行驶。当小车需要变速时，驾驶员踩下离合器可以阻止动力的传输来实现换挡；当小车换向时，转向器会使左右车轮实现差速，保证顺利转向。2.2.2动力驱动系统。动力驱动系统包括电瓶、动力输出机构、充电器等。电瓶向发动机提供动力源，通过动力输出机构可以将动力传输到车轮，而电瓶可以通过充电器进行电量的补充。2.2.3作业系统作业系统主要由旋转液压缸、平行四杆机构、作业平台、弧形柔性旋转运输滚道、控制平台、清选装置、自动计量装置、升降液压缸和液压控制装置组成。作业者进入作业平台，通过控制平台操作旋转液压缸和升降液压缸，完成作业平台的旋转和升降，到达作业位置。作业者可以通过弧形柔性旋转运输滚道、清选装置和自动计量装置完成对果实的采摘和除杂。2.2.4监控系统。监控系统主要由摄像头和显示装置组成。通过摄像头拍摄作业者作业情况和环境，将拍摄到的情况显示到驾驶室的显示装置上。方便驾驶员移动果园多功能管理机，完成协同作业，同时保障作业者安全作业。

3关键技术设计

3.1双臂旋转升降工作台

双臂旋转升降工作台由旋转液压缸、平行四杆机构、升降液压缸、液压控制系统以及旋转支座组成。项目研发的果园多功能装备采用了果树多种作业通用的双臂旋转升降平台，在结构上采用电动自走底盘搭载双臂液压双人独立旋转升降平台，配置作业人员安全保障机构，旋转升降平台的操纵装置位于作业平台一侧，由作业人员独立操纵；搭载电动自动底盘，可实现整机自走式连续双人作业，能够取代果农反复攀爬梯凳或者借助普通升降平台断点式作业的烦琐工况：装备的单臂外侧旋转可以达到90°，能够实现果树树冠打顶、抹芽、剪枝、喷药、嫁接扦插、人工授粉，以及宽幅、无死角的果实采摘作业；平行四杆机构则能保证作业平台始终为垂直地面状态，协同平台实时监测系统确保作业安全。旋转升降工作台如图1所示。图1旋转升降工作台

3.2振动输送道

振动输送道由作业平台、弧形柔性旋转滚道、清选装置、收集箱支架组成。在水果采摘期，将采摘下的果实通过弧形柔性旋转滚道输送，经除杂后进入收集箱，果实受到来自树叶杂质和果实果柄的阻力而停止。输送道通过内层的振动使它们的相对位置发生变化，使得杂质不再影响果实的通过，从而继续运动，到达收集箱。可以轻松实现较高效率的果实采摘和去杂工作，极大节省人力资源。振动输送道如图2所示。

3.3监控系统

监控系统由控制平台、自动计量装置系统等组成。装备集成了自动化的工作监控系统，作业平台的站立筒上方设置操控系统，方便作业人员自行控制调节平台升降和旋转到最佳作业位置；针对采摘作业平台还设置有自动称重计量系统，可以实现达到既定重量后报警，实现减少果实损伤、便于后期延长存储时间以及提高果实品相的目的。同时，装备设有多处监控装置，监控果树周围环境，保障作业人员人身安全。并将整机行走路线、整机工作状态显示于驾驶监控屏，包括整机行走状态、工作台位置与作业状况等，以方便控制工作路线和前进速度，完成协同作业，同时监测作业环境，确保作业人员人身安全。控制平台如图3所示，计量托盘如图4所示。

4主要技术指标

主要技术指标如表1所示。

5优势分析

5.1功能多

本文研发的果园多功能装备，是一种电动自走双臂独立三维空间运动果园多功能装备，采用电动自走底盘设计，实现双臂液压双人独立旋转升降。双臂旋转升降工作台通过液压系统独立实现旋转，液压缸控制平行四杆机构。实现了打顶、抹芽、剪枝、喷药、果实采摘、人工授粉等一系列精密作业的多功能一体化，解决了果农作业时需反复攀爬梯凳的问题。

5.2作业范围广

液压系统外侧可旋转180°，同时旋转升降工作台可以紧贴树干进行作业，实现半球面作业。在果树树冠打顶、抹芽、剪枝、喷药、果实采摘、人工授粉等作业实现无死角，控制平台升降旋转，实现不同高度多维度果园作业。液压系统提高了作业平台的稳定性，保证了作业的精密程度。双臂旋转升降工作台作业时均可独立控制，实现自主作业，提高了作业效率。

5.3自动化

设置弧形柔性旋转运输滚道、变速清选装置、自动称重计量、报警系统等。在水果采摘期将采摘下的果实通过弧形柔性旋转运输滚道，经筛选除杂后进入收集箱，避免了果实的磕碰，果实损伤小，便于延长存储期。同时，大大降低了后期果实清选的难度，减少了后期清选果实所需的人力物力。

5.4智能化

智能化显示工作状态。该机工作状态利用多个摄像头和传感器，通过不同位置的监控装置，将图像显示在驾驶室前方的显示屏上，显示变速清选状况、果箱中水果状态、自动称重计量、工作台位置及工作状况，使驾驶者更好地了解作业情况，便于控制工作线路和前进速度。

5.5效率高

整机在果园作业中取得了良好的效果，解决了以往果园作业存在的问题，大大提高了果园作业的工作效率。使用操作简单、应用范围广，可以应用于不同种类的果园，提高果园作业的机械化程度。同时，作业平台上搭载了作业站立桶，合理设置旋转臂高度和半径，在不影响果农作业便捷性的同时，为果农作业安全提供了保障。作业平台上可以放置果农的作业工具，为果农进行多项作业提供便利。

6结语

本研究介绍了一款可实现打顶、抹芽、剪枝、喷药、果实采摘等作业多功能一体化的装置，可以有效地解决果农在采摘管理作业过程反复上下登高、攀爬梯凳或普通升降平台，导致生产效率低、劳务成本高且人身安全得不到保障的问题，改善采摘过程以及采摘倒运过程出现的水果破损以及含杂率高等现象。本文所设计的装置具有多功能作业平台、安全作业站立桶、自动运输筛选装置，可三维空间作业、高空作业，能很好地适应果园特殊作业环境。随着高新技术的发展与国家政策支持，我国果园机械化及果园机械装备转型升级，果园机械采摘不断朝着自动化和智能化方向发展，果园采摘装备的应用将极大地提高采摘效率，促进果业经济的发展，推动乡村振兴的发展，更是增加果农收入、实现全面小康、助力乡村振兴的有效途径[9]。随着农业从业者的减少及老龄化趋势不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景[10]。因此该设备的设计对于果园采摘机械具有很大的意义。

作者:高磊 赵昕昱 谢雨轩 闫什 李京谦 蔡善儒 单位:山东理工大学