摘要：芋头是我国广西、山东等地广泛栽培的蔬菜及粮食作物，无论是风味还是营养都深受国人的喜爱，而且芋头具有一定的药用价值。针对传统人工种植芋头的生产效率低、劳动成本高等问题，设计了多功能化的芋头种植机。该种植机通过运动单元、挖土单元、运苗单元、种苗单元、覆土单元、浇水单元实现芋头种植机的移动、挖土、送苗、覆土、浇水的功能。仿真结果表明，研究设计的芋头种植机结构合理。

　　关键词：芋头种植机；全自动；多功能；设计

　　1.引言

　　芋头学名芋，是天南星科芋属多年生草本植物，其中以球茎为食用器官的芋头分为三种类型，即魁芋、多子芋和多头芋。芋作为一种重要的粮菜兼用作物，是世界上分布最广的作物之一，被称为第五大根茎作物，具有重要的食疗和医疗价值。近年来芋产业的发展对促进市县农业发展和农民增收起到重要作用，对芋种质资源保护和利用的研究也越来越受到重视。但近年我国芋头出口量逐年减少，国际竞争力正在下降。这个现象有极大的一部分原因来自芋头产业发展中存在品种退化、品质下降，病虫害严重，栽培技术落后、机械化程度低、劳动成本偏高、技术创新服务不足等主要问题。

　　芋头是在春季种植，秋季收获的作物。最佳的种植时间是在立春前后，即1月到3月之间。虽然通常在秋季收获，但早期栽种的芋头可以在8月底就开始收获，而较晚栽种的则需要等到10月份才能收获。人工种植芋头的缺点是生产效率低。农业机械化是实现芋头产业化的重要生产手段，是芋头生产向专业化、商品化、现代化发展的物质保证。提高芋头机械化水平有利于继续保持中国芋头高单产水平优势。研究设计了一款多功能芋头种植机，以满足芋头种植业的需求，进而实现芋头的机械化种植。

　　2.设计方案

　　芋的生长周期较长，一般为7个月。若受气候、管理等影响，其生长周期会延长到210—240d，晚熟品种的生长周期更是会达到270—300d[5]。如果采用传统的人工种植，不仅劳动强度大而且效率低，如果错过了芋头生长的最好时间段，可能会减少芋头的产量。农业机械化是实现农业现代化的关键，也是建设现代农业的重要物质条件保障。因此设计一台芋头种植机不仅有利于提高芋头的产量，更能推动中国农业的发展。

　　本研究设计的芋头种植机不仅结构简单，而且功能齐全，可以实现移动、挖土、送苗、浇水的功能，工作时会先移动到指定位置上，先开土，接着通过摄像头的视觉功能辅助机械手将芋头从苗箱移栽到土里，然后进行施肥和覆土，最后浇水，从而完成了种植芋头的全部过程。

　　3.工作原理

　　研究设计的芋头种植机主要零件为：架体、电机、轮子、开土器、苗箱、机械手、浇水装置、落苗机构。在控制上使用ROBO控制板来进行控制，它比常见的32系统编程更加简单，便于后续升级。整机结构如图1和图2所示。

　　根据设计，可以将种植机分为六大装置，分别为：由电机和车轮组成的运动单元、由挖土板和气泵组成的挖土单元、由手爪和立柱组成的机械手配合摄像头作为运苗单元、由落苗机构轮组成的种苗单元、由水箱和水管组成浇水单元、由木板组成的覆土单元。

　　全自动芋头种植机由车头的轮式传动机构牵引运动，由气泵7推动气体使挖土板8下落实现开土功能，使用高精度智能机械手3，对苗箱6中的芋头种子进行精准抓取，并将其平稳托起，随后通过机械臂5中的蜗轮蜗杆传动齿轮转向使其可以平稳转动，机械手在蜗轮蜗杆的传动下，将种子平稳传送至落苗机构10中的凸轮机构中。在种子还未送至凸轮机构固定位置时，凸轮机构通过急回功能与自由旋向的齿轮进行紧密配合，以达到存放种子时可承受种子的重力，然后落苗机构通过电机带动凸轮，使种子垂直缓速下降，直至到达种植位置；然后落苗机构上的气压装置开始工作，将种植机构的三角挡板打开；然后将种子平稳放入土壤中，此时底部的双侧覆土装置9开始下降到指定位置，再由横向的双侧齿轮齿条啮合机构进行内侧前推，完成覆土操作，此时浇水装置开始工作，通过U型管原理，随着水面高度差的不断扩大，完成浇水功能，此时全部工作均已完成，种植机前进到下一种植循环。

　　4.芋头种植机主要结构设计

　　4.1运动单元设计及工作原理

　　运动单元采用基于ROBO控制器，由四个电机和四个轮子组成，当工作开始时，控制器给两个电机发出前进信号，电机驱动使得整车前进。

　　4.2挖土单元设计及工作原理

　　纵向气压泵位于种植机的头部，主要由气压压下与扶直系统组成。气压泵在其前方装有半菱形机构，此机构在气压泵的作用下，并由其端部为尖端且受力面积小使其能插入土壤更深处，在种植机前进的同时，可挖出一条种植芋头种子的深土槽，并由于控制板的精密编程，使其在一条直线上，结构如图4所示。

　　4.3苗箱及其特点

　　苗箱主要由铝板构成，上下分为两层且每层均可拆卸，方便工人将种子放入存种板上，当种子插满时可将其放入箱体中，此箱体可使种子在机械运动过程中平稳运行，使下一步运苗过程顺利完成，结构如图5所示。

　　4.4运苗单元设计及工作原理

　　运苗单元我们采用三轴机械手结构，因为三轴机械手结构简单、高精度、成本低廉、占地面积较小，节省了劳动力,提升了工业智能化与生产效率。我们选择三轴机械手来作为运苗装置，正是看中三轴机械手稳定性强和效率高的特点。

　　机械手包括机械爪、机械臂、和立柱进而实现旋转和进给运动。机械手的立柱下方设有齿轮与平台上的齿轮进行啮合，进而实现机械手整体的旋转运动。而机械臂设有涡轮蜗杆结构，机械臂和机械手整体安装在蜗杆上，这样可以随着涡轮的旋转运动转换成直线运动，进而实现机械手的直线进给运动。通过机械手上方的摄像头，来识别芋头苗在苗箱的具体位置，进而给控制旋转的电机一个信号，使得机械手中心与芋头苗在一条直线上，之后根据距离，给实现进给运动的电机一个信号，使得机械手进给直到可以完全把芋头苗包裹住。最后给控制机械手张开闭合的电机一个信号，使得机械手抓住芋头苗。之后将苗运输到落苗装置的上方，配合其将芋头苗精准地种植到土里，结构如图6、7所示。

　　4.5种苗单元设计及工作原理

　　本装置主要由凸轮，电机，连杆，齿轮，气压装置组成，可平稳将机械手传输的芋头苗送至土里，也利用了凸轮的急回特性，增加了半菱形结构的精度。并且在此系统运行过程中，凸轮机构的半菱形会插入土壤中，此时半菱形机构会被气压装置打开将种子放入土壤中，待种子进入土壤后进行上升，此过程会保护种子完好无损地进入土壤中，并回到最初位置与齿轮进行配合迎接下一次的种植，结构如图8所示。

　　4.6覆土单元和浇水装置设计及工作原理
       覆土单元由两个覆土板和气泵构成，当第一个芋头苗完成种植之后，此时底部覆土单元借助气泵下降到指定位置，再由横向的双侧齿轮齿条啮合机构进行内侧前推，完成覆土操作。

　　浇水单元由水箱和水管构成，而水管连接在覆土板上，当覆土单元下降完成覆土工作之后，浇水单元通过U型管原理，水管因为随着覆土单元的下降而与水箱的水形成液面差，进而完成浇水功能。

　　5.应用前景

　　随着农业机械化水平的提高和农业劳动力短缺的加剧，芋头种植机的需求将不断增加。农民们越来越重视生产效益和劳动效率，他们需要更高效省力的农业机械设备来降低劳动强度。芋头种植机在实际应用中已经取得了较好的效果，得到了许多农民的认可和推广。研究设计的芋头种植机有以下优点：

　　5.1提高生产效率

　　我国的芋头大多都是广东、广西等地生产，因此目前现有的芋头种植机械基本相同。研究设计的芋头种植机与传统种植机相比较，能够自主完成移栽作业，具备快速、准确的移栽能力，可以显著提高生产效率。

　　5.2智能控制

　　控制系统简单明了，仅需按动开关，机器就会自行运动。

　　5.3降低劳动强度

　　人工种植芋头需要弯腰挖掘和种植，工作强度大且容易造成人体疲劳和损伤。使用芋头种植机可以减轻劳动强度，降低工人的体力消耗，提高工作舒适度。

　　总之，芋头种植机的推广应用能够提高生产效率、降低劳动强度、提高移栽质量，适应不同种植场地，并通过智能化控制和数据分析优化种植管理。它具有广阔的市场前景和推广应用价值，对于农业生产的现代化和智能化发展具有重要意义。

       参考文献：

　　[1]何芳练,刘莉莉,邱祖杨等.广西芋头产业现状与发展对策[J].中国瓜菜,2023,第36卷(9):151-156.

　　[2]郭巨先,尹艳,唐康等.芋种质资源研究进展与展望[J].广东农业科学,2021,第48卷(9):81-90.

　　[3]戴修纯,罗燕羽,黄绍力等.广东省芋头产业现状与发展对策[J].广东农业科学,2021,第48卷(6):126-135.

　　[4]李柏文,宗义湘,吴曼.世界芋头生产贸易形势分析[J].中国蔬菜,2022,(6):1-6.

　　[5]顾绘,陈赛男,李建.江苏省南通地区芋生产现状与发展对策[J].北方园艺,2016(8):181-184.

　　[6]杨印生,韦鑫.低碳农业机械化的发展逻辑、影响因素与实现路径[J].智慧农业(中英文),2023,第5卷(4):150-159.

　　[7]张书林.工业搬运三轴机械手的制作探究[J].机械管理开发,2021,第36卷(4):10-11，26.

　　[8]汤靖雯.基于慧鱼组合式智能多元一体化大葱机的研究[J].南方农机,2024,第55卷(3):142-145.

　　[9]任家汕,胡素影,应俊,等.组合式多功能大葱种植机的设计[J].中国农机装备,2024,(02):2-5.