基本信息
- 项目名称：
- 蝗口式仿生园艺剪的研究与开发
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品为一种用于修剪绿篱的园艺剪刀，特别是涉及了一种具有仿生几何结构的应用于切割工作部件的刃口曲线形式。本作品以具有高效切割、咬断植物茎叶的蝗虫为仿生研究对象，基于耦合仿生思想，采用逆向工程技术和数控线切割设备制造，具有经济、修整枝条效率高、有效切割范围广等优点，针对个人居住庭院及楼宇小区内绿化带的日常修整，具有广阔的市场前景。
- 详细介绍：
- 随着城市化进程的加快，人们对城市中自然环境的要求不断提高，园林绿化如雨后春笋，遍布于城市的各个角落，点缀着城市。在园林机械当中，对灌木的修剪要求切割设备具有优越的切割性能，其切割形式与刃口的质量，将直接影响装置的作业效率。针对个人居住庭院及楼宇小区内绿化带的日常修整，蝗口式仿生园艺剪是一种高效、经济、环保型园林剪。 由蝗虫的优越撕咬、切割能力获得仿生灵感，深入研究蝗虫进食运动机理及其口器的结构特征，提取有价值的仿生信息。利用三维激光扫描系统对蝗虫口器进行外形扫描，得到其三维数字模型，提高了获取仿生特征的准确度，用数字式线切割加工方式加工本作品的刀部刃口，保证了加工刃口与提取得到的具有仿生特征的刃口形式的最大吻合度，且通过实地观察工人对绿篱的修剪动作习惯，与蝗虫进食机理相结合，构建发明特征结构，符合人体工程学要求。最后通过试验，验证了本项目所提取的蝗虫口器的特征应用于切割的思想的可行性。 本研究以仿生科学为主导思想，以生物科学、农业物料学及园艺学为理论基础，以力学、逆向工程技术、机械工程学及数控线切割等为实现手段，跨越了仿生工程、人因工程、机械工程、农业工程、林学等多学科门类，是一个交叉综合型的科研项目。通过本研究还有望拓展各学科门类的外延；扩大各学科的应用领域；增强学科之间的有效融合，是现代仿生应用模式的一个缩影，为切割工具刃口的研究提供一个新的思路，也为提高我国城市绿化发展略尽绵力。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 针对个人居住庭院及楼宇小区内绿化带的日常修整，满足迅速扩大的绿化规模要求，从而减轻工人的劳动强度，提高工作效率。 基本思路： 由蝗虫的优越撕咬、切割能力获得仿生灵感，深入研究蝗虫进食特点及其口器的结构特征，提取有价值的仿生信息，并制造相关切割装置。 ① 采用高速摄影技术获得蝗虫进食过程的视频信息。 ② 采用六自由度关节臂三坐标激光扫描测量机，获取蝗虫口器的空间三维数据。 ③ 采用现代数字式线切割机床加工设备，完成具有仿生特征的部件加工，并通过试验调试，使蝗口式仿生园艺剪的切割性能达到理想状态。 创新点： ⑴ 本研究以耦合仿生科学为主导思想，为园林剪的仿生优化奠定生物学基础。 ⑵ 采用生物解剖技术与高速摄影、逆向工程、图像处理等先进的科技手段相结合的研究方法。 ⑶ 将关键特征指标化、参数化。在保证高效切割的同时，使结构部件加工方便、实现批量生产。 技术关键： ⑴ 通过提取有利的蝗虫口器特征，深入研究特征机理，将特征参数化，揭示蝗虫的切断食物能力的本质，为应用到实际中的切割奠定基础。 ⑵ 在试验中，将解剖提取的蝗虫口器形状特征与口器内各部分运动机理相结合，实现耦合仿生。 ⑶ 通过实地观察工人对绿篱的修剪习惯，与分析得到的蝗虫进食特征相结合，构建发明特征结构，符合人体工程学要求。 主要技术指标： ⑴ 剪刀的有效切割直线行程182 mm； ⑵ 与传统园艺剪相比较，可降低切割功耗10%以上。
科学性、先进性
- ⑴ 蝗虫剪的刀刃刃口部分具有明显滑切效果. ⑵ 发明中的特征结构符合人体劳动行为习惯。 ⑶ 蝗虫剪有多种工作形态，可根据不同的切割作业环境，方便快捷地调整其结构，更利于提高工作质量。 ⑷ 既有经济、结构简单、高效、节能环保、无污染等优点。 ⑸ 针对修剪的绿篱树枝枝条的平均直径大小，决定发明的“蝗虫剪”的刃口的具体形状大小，具有针对性特点。 ⑹本作品针对现阶段绿篱修整工具、机械的优缺点，填补了市场上应用于小面积修整园林树枝缺少有效且经济的工具的空白。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、图片、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品的使用操作简单，与传统手持式剪刀使用方法统一。作品提升了对绿篱修整的有效切割范围，充分实现滑切效果，力求降低整体切割功耗，并可通过调节作品的结构形态，来更好的应对不同粗细的待切割木料。本作品主要应用于个人居住庭院及小区内小面积的绿篱日常修理维护，也可针对电动式绿篱剪处理后的部分修整，填补了市场上应用于园林小面积修整树枝缺少有效且经济环保的工具的空白。 基于农业收获机械、园林机械、日常生活等诸多行业中，都涉及了大量的用以切割物料的机械装备，对传统的切割作业模式及刃口几何结构进行合理地优化，对于提高相关作业装备的效率有重要的影响，本作品的刀部具有蝗虫口器特征的刃口形式的提出，为在其他领域中应用于切割的工作部件（日常用刀，手拉锯，机械圆锯片等）的改良提供了参考，具有很好的市场开发价值和应用价值。现本作品已申请国家专利，为将作品转化为产品，推广发展、开辟市场空间做好前期基础。
同类课题研究水平概述
- 1.国内概况 1.1国内现状 目前，树木整枝修剪机械有手持背负式、车载式和自动式等多种形式。手持背负式整枝机是现在主流使用工具，分为无动力和有动力两种。车载式整枝机是在较大型拖拉机上侧置液压折叠臂，臂端配有可以往复运动的液压剪，用于修剪大面积灌木。其中，手动绿篱剪主要用于剪掉绿篱植物新发的枝条，无法修剪粗大的枝干。在机动方面，对于城市的道路绿化，普遍采用的是手持式机动绿篱机，它依靠汽油机为动力带动刀片切割转动。机动绿篱剪虽比手动剪提高了效率，但也存在下列不可避免的缺点：① 机器较沉重，工人劳动强度大，需多人轮流进行；② 噪声大，影响正常的工作和学习；③ 浪费能源，空气污染严重；④ 价格较昂贵。 1.2国内先进水平 孙坤龙、乔弘等设计的5XY-5便携式液压剪枝机，采用套装式快速偏心锁紧伸缩杆，以小型汽油机为动力，经带传动减速，再由卸荷轮带动高填充齿轮泵，将机械能转化为液压能，并通过联动操纵机构控制组合控制阀，推动执行油缸使剪枝机构动作，完成剪枝作业。该机型剪枝直径可达30mm，剪枝高度5m。 SZDB-185A型便携式电动园林整枝机采用汽油发电机组作为电源，机组设计成小车式，小车与整枝机分开，靠电缆连接，由操作人员牵引移动到固定位置，然后再操纵整枝机工作。 2.国外概况 美国和瑞典等国家生产的手动无动力整枝机基本上是在对常用鱼头锯进行改进的基础上，增加一些简单辅助构件和安装有伸缩功能的工作杆等，作业高度可达6m。其优点是简单、实用、造价低，对工人素质要求也较低，但其存在夹锯、劳动强度大、效率低和容易断锯等缺陷。 在机动型高枝修剪机械方面，主要有日本的爱丽斯（ARS）、小松、德国的斯蒂尔和瑞典的胡斯华纳等公司生产的高枝锯。优点是振动小，切口平滑，效果好，修剪效率高，修剪高度可达5m，但造价较高，维修、保养以及对操作人员的素质要求也都较高。 日本SEIREI公司生产的自动立木整枝机，采用密码潜入数字式抗干扰无线遥控技术，具有反力装置的锯链式锯切机构和低压轮胎爬树机构等，通过遥控器控制其爬上树干进行修剪工作，但此机型具有一定的局限性，对树干通直度有较高的要求。
