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基本信息
- 項目名稱：
- 蝗口式仿生園藝剪的研究與開發(fā)
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品為一種用于修剪綠籬的園藝剪刀，特別是涉及了一種具有仿生幾何結(jié)構(gòu)的應(yīng)用于切割工作部件的刃口曲線形式。本作品以具有高效切割、咬斷植物莖葉的蝗蟲為仿生研究對象，基于耦合仿生思想，采用逆向工程技術(shù)和數(shù)控線切割設(shè)備制造，具有經(jīng)濟(jì)、修整枝條效率高、有效切割范圍廣等優(yōu)點，針對個人居住庭院及樓宇小區(qū)內(nèi)綠化帶的日常修整，具有廣闊的市場前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著城市化進(jìn)程的加快，人們對城市中自然環(huán)境的要求不斷提高，園林綠化如雨后春筍，遍布于城市的各個角落，點綴著城市。在園林機械當(dāng)中，對灌木的修剪要求切割設(shè)備具有優(yōu)越的切割性能，其切割形式與刃口的質(zhì)量，將直接影響裝置的作業(yè)效率。針對個人居住庭院及樓宇小區(qū)內(nèi)綠化帶的日常修整，蝗口式仿生園藝剪是一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保型園林剪。 由蝗蟲的優(yōu)越撕咬、切割能力獲得仿生靈感，深入研究蝗蟲進(jìn)食運動機理及其口器的結(jié)構(gòu)特征，提取有價值的仿生信息。利用三維激光掃描系統(tǒng)對蝗蟲口器進(jìn)行外形掃描，得到其三維數(shù)字模型，提高了獲取仿生特征的準(zhǔn)確度，用數(shù)字式線切割加工方式加工本作品的刀部刃口，保證了加工刃口與提取得到的具有仿生特征的刃口形式的最大吻合度，且通過實地觀察工人對綠籬的修剪動作習(xí)慣，與蝗蟲進(jìn)食機理相結(jié)合，構(gòu)建發(fā)明特征結(jié)構(gòu)，符合人體工程學(xué)要求。最后通過試驗，驗證了本項目所提取的蝗蟲口器的特征應(yīng)用于切割的思想的可行性。 本研究以仿生科學(xué)為主導(dǎo)思想，以生物科學(xué)、農(nóng)業(yè)物料學(xué)及園藝學(xué)為理論基礎(chǔ)，以力學(xué)、逆向工程技術(shù)、機械工程學(xué)及數(shù)控線切割等為實現(xiàn)手段，跨越了仿生工程、人因工程、機械工程、農(nóng)業(yè)工程、林學(xué)等多學(xué)科門類，是一個交叉綜合型的科研項目。通過本研究還有望拓展各學(xué)科門類的外延；擴(kuò)大各學(xué)科的應(yīng)用領(lǐng)域；增強學(xué)科之間的有效融合，是現(xiàn)代仿生應(yīng)用模式的一個縮影，為切割工具刃口的研究提供一個新的思路，也為提高我國城市綠化發(fā)展略盡綿力。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 針對個人居住庭院及樓宇小區(qū)內(nèi)綠化帶的日常修整，滿足迅速擴(kuò)大的綠化規(guī)模要求，從而減輕工人的勞動強度，提高工作效率。 基本思路： 由蝗蟲的優(yōu)越撕咬、切割能力獲得仿生靈感，深入研究蝗蟲進(jìn)食特點及其口器的結(jié)構(gòu)特征，提取有價值的仿生信息，并制造相關(guān)切割裝置。 ① 采用高速攝影技術(shù)獲得蝗蟲進(jìn)食過程的視頻信息。 ② 采用六自由度關(guān)節(jié)臂三坐標(biāo)激光掃描測量機，獲取蝗蟲口器的空間三維數(shù)據(jù)。 ③ 采用現(xiàn)代數(shù)字式線切割機床加工設(shè)備，完成具有仿生特征的部件加工，并通過試驗調(diào)試，使蝗口式仿生園藝剪的切割性能達(dá)到理想狀態(tài)。 創(chuàng)新點： ⑴ 本研究以耦合仿生科學(xué)為主導(dǎo)思想，為園林剪的仿生優(yōu)化奠定生物學(xué)基礎(chǔ)。 ⑵ 采用生物解剖技術(shù)與高速攝影、逆向工程、圖像處理等先進(jìn)的科技手段相結(jié)合的研究方法。 ⑶ 將關(guān)鍵特征指標(biāo)化、參數(shù)化。在保證高效切割的同時，使結(jié)構(gòu)部件加工方便、實現(xiàn)批量生產(chǎn)。 技術(shù)關(guān)鍵： ⑴ 通過提取有利的蝗蟲口器特征，深入研究特征機理，將特征參數(shù)化，揭示蝗蟲的切斷食物能力的本質(zhì)，為應(yīng)用到實際中的切割奠定基礎(chǔ)。 ⑵ 在試驗中，將解剖提取的蝗蟲口器形狀特征與口器內(nèi)各部分運動機理相結(jié)合，實現(xiàn)耦合仿生。 ⑶ 通過實地觀察工人對綠籬的修剪習(xí)慣，與分析得到的蝗蟲進(jìn)食特征相結(jié)合，構(gòu)建發(fā)明特征結(jié)構(gòu)，符合人體工程學(xué)要求。 主要技術(shù)指標(biāo)： ⑴ 剪刀的有效切割直線行程182 mm； ⑵ 與傳統(tǒng)園藝剪相比較，可降低切割功耗10%以上。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- ⑴ 蝗蟲剪的刀刃刃口部分具有明顯滑切效果. ⑵ 發(fā)明中的特征結(jié)構(gòu)符合人體勞動行為習(xí)慣。 ⑶ 蝗蟲剪有多種工作形態(tài)，可根據(jù)不同的切割作業(yè)環(huán)境，方便快捷地調(diào)整其結(jié)構(gòu)，更利于提高工作質(zhì)量。 ⑷ 既有經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、高效、節(jié)能環(huán)保、無污染等優(yōu)點。 ⑸ 針對修剪的綠籬樹枝枝條的平均直徑大小，決定發(fā)明的“蝗蟲剪”的刃口的具體形狀大小，具有針對性特點。 ⑹本作品針對現(xiàn)階段綠籬修整工具、機械的優(yōu)缺點，填補了市場上應(yīng)用于小面積修整園林樹枝缺少有效且經(jīng)濟(jì)的工具的空白。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、圖片、現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 本作品的使用操作簡單，與傳統(tǒng)手持式剪刀使用方法統(tǒng)一。作品提升了對綠籬修整的有效切割范圍，充分實現(xiàn)滑切效果，力求降低整體切割功耗，并可通過調(diào)節(jié)作品的結(jié)構(gòu)形態(tài)，來更好的應(yīng)對不同粗細(xì)的待切割木料。本作品主要應(yīng)用于個人居住庭院及小區(qū)內(nèi)小面積的綠籬日常修理維護(hù)，也可針對電動式綠籬剪處理后的部分修整，填補了市場上應(yīng)用于園林小面積修整樹枝缺少有效且經(jīng)濟(jì)環(huán)保的工具的空白。 基于農(nóng)業(yè)收獲機械、園林機械、日常生活等諸多行業(yè)中，都涉及了大量的用以切割物料的機械裝備，對傳統(tǒng)的切割作業(yè)模式及刃口幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理地優(yōu)化，對于提高相關(guān)作業(yè)裝備的效率有重要的影響，本作品的刀部具有蝗蟲口器特征的刃口形式的提出，為在其他領(lǐng)域中應(yīng)用于切割的工作部件（日常用刀，手拉鋸，機械圓鋸片等）的改良提供了參考，具有很好的市場開發(fā)價值和應(yīng)用價值?，F(xiàn)本作品已申請國家專利，為將作品轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，推廣發(fā)展、開辟市場空間做好前期基礎(chǔ)。
同類課題研究水平概述
- 1.國內(nèi)概況 1.1國內(nèi)現(xiàn)狀 目前，樹木整枝修剪機械有手持背負(fù)式、車載式和自動式等多種形式。手持背負(fù)式整枝機是現(xiàn)在主流使用工具，分為無動力和有動力兩種。車載式整枝機是在較大型拖拉機上側(cè)置液壓折疊臂，臂端配有可以往復(fù)運動的液壓剪，用于修剪大面積灌木。其中，手動綠籬剪主要用于剪掉綠籬植物新發(fā)的枝條，無法修剪粗大的枝干。在機動方面，對于城市的道路綠化，普遍采用的是手持式機動綠籬機，它依靠汽油機為動力帶動刀片切割轉(zhuǎn)動。機動綠籬剪雖比手動剪提高了效率，但也存在下列不可避免的缺點：① 機器較沉重，工人勞動強度大，需多人輪流進(jìn)行；② 噪聲大，影響正常的工作和學(xué)習(xí)；③ 浪費能源，空氣污染嚴(yán)重；④ 價格較昂貴。 1.2國內(nèi)先進(jìn)水平 孫坤龍、喬弘等設(shè)計的5XY-5便攜式液壓剪枝機，采用套裝式快速偏心鎖緊伸縮桿，以小型汽油機為動力，經(jīng)帶傳動減速，再由卸荷輪帶動高填充齒輪泵，將機械能轉(zhuǎn)化為液壓能，并通過聯(lián)動操縱機構(gòu)控制組合控制閥，推動執(zhí)行油缸使剪枝機構(gòu)動作，完成剪枝作業(yè)。該機型剪枝直徑可達(dá)30mm，剪枝高度5m。 SZDB-185A型便攜式電動園林整枝機采用汽油發(fā)電機組作為電源，機組設(shè)計成小車式，小車與整枝機分開，靠電纜連接，由操作人員牽引移動到固定位置，然后再操縱整枝機工作。 2.國外概況 美國和瑞典等國家生產(chǎn)的手動無動力整枝機基本上是在對常用魚頭鋸進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，增加一些簡單輔助構(gòu)件和安裝有伸縮功能的工作桿等，作業(yè)高度可達(dá)6m。其優(yōu)點是簡單、實用、造價低，對工人素質(zhì)要求也較低，但其存在夾鋸、勞動強度大、效率低和容易斷鋸等缺陷。 在機動型高枝修剪機械方面，主要有日本的愛麗斯（ARS）、小松、德國的斯蒂爾和瑞典的胡斯華納等公司生產(chǎn)的高枝鋸。優(yōu)點是振動小，切口平滑，效果好，修剪效率高，修剪高度可達(dá)5m，但造價較高，維修、保養(yǎng)以及對操作人員的素質(zhì)要求也都較高。 日本SEIREI公司生產(chǎn)的自動立木整枝機，采用密碼潛入數(shù)字式抗干擾無線遙控技術(shù)，具有反力裝置的鋸鏈?zhǔn)戒徢袡C構(gòu)和低壓輪胎爬樹機構(gòu)等，通過遙控器控制其爬上樹干進(jìn)行修剪工作，但此機型具有一定的局限性，對樹干通直度有較高的要求。
