茄子缽苗全自動移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

劉 星 薛向磊 張衛(wèi)星 單伊尹 周脈樂

(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

移栽是茄子的主要種植方式。移栽可以縮短生長周期、提高土地利用率，移栽后根系發(fā)達、成熟一致、方便管理[1]。但目前我國茄子移栽大多采用人工方式，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。

國外對蔬菜缽苗移栽機的研究以歐美等國和日本為代表。歐美等國家采用信息化技術(shù)，由3套或4套裝置完成缽苗移栽的取苗、輸送、栽植3個動作，結(jié)構(gòu)復雜、成本高[2]。日本洋馬公司研制的蔬菜缽苗移栽機采用行星輪- 滑道式栽植機構(gòu)，由于增加了滑道機構(gòu)，移栽效率低，約60株/(min·行)[3]。王蒙蒙等[4]提出了曲柄擺桿式夾苗機構(gòu)，該機構(gòu)綜合取苗成功率可達95.8%，由于曲柄擺桿機構(gòu)本身的運動學特性，具有較大的角加速度和慣性力，工作效率僅為30株/min。陳建能等[5]提出了多桿式零速度缽苗移栽機構(gòu)，該機構(gòu)運動為環(huán)扣型軌跡，滿足蔬菜農(nóng)藝要求，且植苗時水平速度為0.03 m/s，實現(xiàn)低速度移栽，但是屬于往復式機構(gòu)，高速工作時機構(gòu)振動和慣性力較大。俞高紅等[6-7]提出了旋轉(zhuǎn)式穴盤苗取苗機構(gòu)和大株距行星輪系蔬菜缽苗栽植機構(gòu)，前者運動軌跡為鷹嘴型完成取苗動作，后者運動軌跡為環(huán)扣型完成栽植動作，缽苗直立度優(yōu)良率達85%，栽植效率可達100株/(min·行)。國內(nèi)應(yīng)用的蔬菜移栽機多為半自動移栽機，主要有導苗管式、吊杯式、鏈夾式、撓性圓盤式等機型，這類機型需要人工喂苗，勞動強度大，同時限制了移栽機的工作效率[8-12]。目前我國未見應(yīng)用于茄子缽苗的全自動移栽機構(gòu)，高效、輕簡化的全自動茄子缽苗移栽機構(gòu)是茄子大面積移栽作業(yè)機具的發(fā)展方向[2]。

本文提出一種全自動茄子缽苗移栽機構(gòu)——牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)，并通過農(nóng)藝與農(nóng)機的結(jié)合，探究茄子缽苗的育苗方案。通過建立機構(gòu)數(shù)學模型與參數(shù)優(yōu)化，得出滿足茄子移栽要求的軌跡與姿態(tài)，并進行軌跡驗證試驗、取苗試驗和栽植試驗。

1 移栽機構(gòu)設(shè)計要求與工作原理

1.1 茄子缽苗移栽設(shè)計要求

茄子缽苗根系發(fā)達，莖稈粗壯且不易夾傷，若采用取土式移栽方式，會對土缽內(nèi)的根系造成破壞，影響茄苗的后續(xù)生長，所以在設(shè)計茄子缽苗移栽機構(gòu)時選用夾苗式移栽方式。茄子缽苗夾苗式移栽要求所生成的軌跡能夠滿足在一個周期內(nèi)完成取苗、輸送、栽植3個動作。

茄子缽苗移栽時苗高達到150 mm，需選用大規(guī)格育苗缽盤(缽盤高度大于30 mm)，如圖1所示。要求相對運動(相對于機架)軌跡既滿足取苗長度大于土缽的高度，保證土缽完整取出，又滿足茄苗在輸送過程中不與秧箱發(fā)生干涉。

圖1 茄子生長狀態(tài)圖Fig.1 Diagram of eggplant seedling growth status

茄子種植需要滿足特定株距，即栽植株距300～400 mm[1]。要求絕對運動(相對于地面)軌跡不推倒已經(jīng)栽好的茄苗，并保證茄苗的直立度。

1.2 茄子缽苗移栽機構(gòu)工作原理

茄子缽苗移栽機構(gòu)由牛頓插值齒輪行星系和栽植臂部件兩部分組成。行星輪系由3個相互嚙合的牛頓插值齒輪和齒輪箱殼體組成，栽植臂部件由凸輪、撥叉、推秧桿、夾片等組成。

圖2 茄子缽苗移栽機構(gòu)簡圖Fig.2 Diagram of potted eggplant seedling transplanting mechanism1.傳動箱 2.傳動軸 3.上錐齒輪 4.下錐齒輪 5.齒輪箱殼體 6.中心軸 7.太陽輪 8.中間輪 9.中間輪軸 10.行星輪軸 11.行星輪 12.凸輪 13.撥叉 14.撥叉軸 15.載植臂殼體 16.后蓋

茄子缽苗移栽機構(gòu)簡圖如圖2所示，在變速箱兩側(cè)各布置一個移栽機構(gòu)，下面選取右側(cè)為研究對象說明其工作原理。傳動箱固接于機架，動力由傳動軸傳到上錐齒輪，上錐齒輪與下錐齒輪相互嚙合，下錐齒輪與中心軸固接，太陽輪空套在中心軸上，并通過牙嵌與傳動箱殼體固連，中心軸與齒輪箱殼體固連，齒輪箱殼體做圓周轉(zhuǎn)動，在齒輪箱殼體內(nèi)部，太陽輪與中間輪相互嚙合，中間輪與中間輪軸固接，中間輪與行星輪相互嚙合，行星輪與行星輪軸固接，同時行星輪軸與栽植臂殼體固接，凸輪與齒輪箱殼體固接，栽植臂殼體與后蓋固接，栽植臂殼體既隨著齒輪箱殼體做圓周運動又隨著行星輪軸相對于齒輪箱殼體轉(zhuǎn)動，撥叉繞撥叉軸擺動，以此來控制推秧桿運動，實現(xiàn)夾片的開閉，完成取苗和栽植動作。

2 茄子缽苗移栽機構(gòu)數(shù)學模型建立

2.1 牛頓插值齒輪節(jié)曲線成型方法

非圓齒輪成型方法是整個茄子缽苗移栽機構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵，以往的偏心齒輪、橢圓齒輪、卵形齒輪等非圓齒輪的節(jié)曲線變化范圍小，難以滿足設(shè)計要求[13]。本文運用牛頓插值法成型非圓齒輪節(jié)曲線，提高了非圓齒輪節(jié)曲線的調(diào)節(jié)范圍，使其能滿足茄子缽苗移栽機構(gòu)特定的軌跡要求。

牛頓插值法是通過插入曲線的節(jié)點來控制曲線形狀的變化。為了滿足非圓齒輪節(jié)曲線設(shè)計要求，對牛頓插值齒輪節(jié)曲線做如下改變：①將插入的第一個節(jié)點與最后一個節(jié)點重合，保證非圓齒輪節(jié)曲線始終封閉。②采用牛頓3次多項式插值，防止Runge現(xiàn)象[14]。③采用節(jié)點分段逐次生成，增加節(jié)曲線的調(diào)節(jié)范圍。由于非圓齒輪節(jié)曲線變化復雜，低次插值多項式無法形成復雜節(jié)曲線。為此本文采用分段線性插值的方式，將插值區(qū)間分成若干個區(qū)間，在每個區(qū)間做低次插值。牛頓插值公式為

Nn(x)=f(x0)+f(x0,x1)(x-x0)+
f(x0,x1,x2)(x-x0)(x-x1)+
f(x0,x1,x2,x3)(x-x0)(x-x1)(x-x2)

(1)

其中

根據(jù)上述成型方法，設(shè)計者只需給出控制點的坐標，即可計算出牛頓插值齒輪節(jié)曲線的各點坐標，牛頓插值齒輪節(jié)曲線公式為

(2)

式中fx(θ)——節(jié)曲線各點x坐標值關(guān)于θ函數(shù)

fy(θ)——節(jié)曲線各點y坐標值關(guān)于θ函數(shù)

2.2 運動學模型建立

茄子缽苗移栽機構(gòu)側(cè)面簡圖如圖3所示，建立以O(shè)為原點，X軸、Y軸為水平方向和垂直方向的坐標系，對牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)進行運動學分析[15]。

圖3 茄子缽苗移栽機構(gòu)側(cè)面簡圖Fig.3 Side view of potted eggplant seedling transplanting mechanism

在牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)工作過程中，行星架順時針勻速轉(zhuǎn)動，太陽輪與機架固接，以逆時針轉(zhuǎn)動為正，當行星架順時針轉(zhuǎn)過θ時有：

行星架的絕對轉(zhuǎn)角

εH(θ)=εH0-θ

(3)

式中εH0——行星架初始安裝角

太陽輪相對于行星架的轉(zhuǎn)角

α1(θ)=θ

(4)

中間輪相對于行星架的轉(zhuǎn)角

(5)

式中ro1(x)——太陽輪節(jié)曲線的極徑

Z——兩齒輪間的中心距

行星輪相對于行星架的轉(zhuǎn)角

(6)

式中ro2(x)——中間輪節(jié)曲線極徑

ε0——行星架拐角

太陽輪的絕對轉(zhuǎn)角

β1(θ)=εH0

(7)

中間輪的絕對轉(zhuǎn)角

β2(θ)=εH(θ)-α2(θ)

(8)

行星架拐角引進的行星輪初始安裝角

(9)

行星輪的絕對轉(zhuǎn)角

β3(θ)=εH(θ)+ε0-ε20+α3(θ)

(10)

3個齒輪的向徑ro1(θ)、ro2(θ)、ro3(θ)滿足公式

ro2(θ)=Z-ro1(θ)

(11)

ro3(θ)=Z-ro2(θ)

(12)

太陽輪轉(zhuǎn)動中心位置坐標

(13)

中間輪轉(zhuǎn)動中心位置坐標

(14)

行星輪轉(zhuǎn)動中心位置坐標

(15)

栽植臂夾片尖點坐標

(16)

式中ε1——栽植臂與行星架的夾角

lO2A1——栽植臂長度

3 茄子缽苗育苗方案

全自動茄子缽苗移栽涉及土壤、秧苗、機械等多方面，需要各方面相互適應(yīng)才能從根本上解決問題。單純從機械著手，則難以達到預期目標[16]。

在茄子缽苗移栽過程中，取苗機構(gòu)夾取莖稈、使缽苗脫離缽盤時，需要克服土缽自身重力及缽盤與土缽間的黏附力[17]。在栽植過程中，取苗機構(gòu)釋放缽苗使其栽植到土壤中，在與地面接觸碰撞時，會造成土缽基質(zhì)的損失[18]。本文研究缽盤規(guī)格、基質(zhì)體積比、土缽含水率對茄子缽苗的取苗力和土缽基質(zhì)損失率的影響，通過正交試驗尋找適合全自動機械化移栽的最佳育苗方案。

3.1 試驗條件

選用東北農(nóng)業(yè)大學園藝站的茄子缽苗，茄苗品種為“紫長茄”，苗齡60 d，育苗方式為缽盤育苗。為了便于幼苗管理和培育壯苗，采用溫室培育茄子缽苗。育苗穴盤選用3種市場上常見的蔬菜育苗缽盤，規(guī)格50、72、105穴，如表1所示。育苗基質(zhì)為蔬菜育苗營養(yǎng)土與原土混合使用，其營養(yǎng)土為徐州耀德化工有限公司生產(chǎn)的營養(yǎng)土，內(nèi)含有珍珠巖、蛭石、草炭、有機質(zhì)等，原土為東北地區(qū)黑土，基質(zhì)體積比為蔬菜育苗營養(yǎng)土與原土體積比值[1]。土缽含水率采用稱重法測定。試驗設(shè)備主要有YZC拉壓力傳感器、可移動矩形土槽、固定夾具、多通道拉壓測量儀、電子天平、直尺、套尺等。

表1 缽盤規(guī)格尺寸Tab.1 Size of pot tray mm

3.2 試驗方法

選取缽盤規(guī)格、基質(zhì)體積比、土缽含水率為3個試驗因素，每個因素選取3個水平，如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

取苗力試驗使用專用夾具夾取茄子缽苗莖稈下部，以v=5 mm/s的速度使茄子缽苗脫離缽盤，需要克服茄子缽苗自重、茄子缽苗與缽盤的黏附力。由于取苗速度非常小，忽略加速度的影響。

取苗力試驗為探究茄子缽苗在不同因素水平組合下從缽盤中拔出所需要的取苗力，如圖4所示。在試驗時每個組合進行10次重復試驗，求出10次重復試驗的取苗力平均值，以取苗力為試驗指標。本試驗的試驗指標越小越好。

圖4 取苗試驗 Fig.4 Test of picking seedling

缽苗落體試驗為探究茄子缽苗在不同因素水平組合下取苗機構(gòu)從距離穴口垂直高度100 mm處釋放缽苗到穴口中土缽基質(zhì)的損失率，每個組合進行10次試驗，求出10次試驗的土缽基質(zhì)損失率平均值，以土缽基質(zhì)損失率為試驗指標，本試驗的試驗指標越小越好。土缽基質(zhì)損失率θs計算公式為

(17)

式中m1——土缽未落體時總質(zhì)量

m2——土缽落體后總質(zhì)量

3.3 正交試驗結(jié)果與分析

采用正交試驗方法，試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示，A、B、C為因素水平值。

計算三因素三水平下兩種試驗指標的數(shù)據(jù)、平均值、極差R，如表4所示。根據(jù)極差大小列出兩種試驗指標下的因素主次順序。由表4可知，土缽含水率對取苗力的影響最大，其次為缽盤規(guī)格，基質(zhì)體積比的影響最小。缽盤規(guī)格對土缽基質(zhì)損失率的影響最大，其次為基質(zhì)體積比，土缽含水率影響最小。

表3 正交試驗方案與結(jié)果Tab.3 Plan and results of orthogonal test

表4 極差分析Tab.4 Range analysis

從表5中可知，對于試驗指標取苗力，B因素的影響較小，將其歸入誤差。重新計算得F0.05(2,4)=6.94<11.00，所以因素A對取苗力的影響顯著。F0.01(2,4)=18<26.97，所以因素C對最大取苗力的影響極顯著。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

注：** 表示極顯著(P<0.01)，*表示顯著(P<0.05)。

對于試驗指標土缽基質(zhì)損失率來說，C因素的影響較小，將其歸入誤差。重新計算得F0.01(2,4)=18<63.17，所以因素A對土缽基質(zhì)損失率的影響極顯著。F0.01(2,4)=18<21.64，所以因素B對土缽基質(zhì)損失率的影響也極顯著。

綜合平衡確定最佳缽盤育苗方案，以上兩指標單獨分析的優(yōu)化條件不一致，所以根據(jù)因素的影響主次和顯著程度，綜合考慮，確定最佳的育苗方案[19]。

因素A對于取苗力的影響顯著，對于土缽基質(zhì)損失率的影響極顯著，因素A對兩種試驗指標優(yōu)化的水平一樣，所以選取A3。因素B對于最大取苗力的影響不顯著，但對于土缽基質(zhì)損失率的影響極顯著，所以B選取土缽基質(zhì)損失率優(yōu)化的優(yōu)水平，因此選取B1。因素C對最大取苗力的影響極顯著。對土缽基質(zhì)損失率的影響不顯著，因此選取C3。優(yōu)組合為A3B1C3。

由于表4得出的取苗力最優(yōu)組合A3B3C3與土缽基質(zhì)損失率最優(yōu)組合A3B1C1不在設(shè)計的9個試驗中，所以需要進行對比驗證試驗。

從表6中可以看出，優(yōu)組合A3B1C3的取苗力比A3B3C3大3.84%，但土缽基質(zhì)損失率卻小了32.72%。優(yōu)組合A3B1C3的土缽基質(zhì)損失率比A3B1C1大4.83%，但取苗力卻小43.75%。從而可以得到優(yōu)組合A3B1C3是3組中最優(yōu)的，其它兩組只是單項試驗指標達到了最優(yōu)。由試驗驗證可知，缽盤規(guī)格、基質(zhì)體積比、土缽含水率的最優(yōu)組合為A3B1C3時，其取苗力和土缽基質(zhì)損失率最小，最有利于全自動茄子缽苗機械化移栽。

表6 試驗結(jié)果對比Tab.6 Test result comparison

4 茄子缽苗莖稈拉伸試驗

茄子缽苗移栽機構(gòu)在取苗時是剛性體(夾片)和柔性體(茄子莖稈)之間相互作用的過程。為了保證茄苗在取苗過程中不受破壞，對茄子缽苗莖稈進行拉伸試驗。

4.1 試驗條件

選用東北農(nóng)業(yè)大學園藝站的茄子缽苗，茄苗品種為“紫長茄”，苗齡60 d，育苗方式為缽盤育苗(穴盤規(guī)格為105穴、基質(zhì)體積比為1),茄苗莖稈(距土缽10 mm處)直徑均值為3.1 mm。試驗在東北農(nóng)業(yè)大學力學實驗室進行，試驗設(shè)備有萬能材料試驗機、拉力測試儀等。

4.2 試驗方法

從茄苗缽盤中隨機選取50株茄子缽苗。將茄子缽苗分別在距離缽體0、50 mm處使用剪刀剪斷。每株茄子缽苗做成拉伸試樣。

將茄子缽苗試樣放置于拉伸試驗臺上，為了防止試樣在拉伸時，夾持部位破壞，試驗采用紗布包裹夾持端，試驗機以5 mm/min的速度勻速運動，直到試樣莖稈韌皮部被拉斷時為止，記錄拉斷力的數(shù)據(jù)。

4.3 試驗結(jié)果與分析

茄子缽苗莖稈拉斷力為(38.19±4.59) N。在取苗過程時，茄子缽苗的拔取力應(yīng)小于其拉斷力。

5 茄子缽苗移栽機構(gòu)的多目標優(yōu)化

5.1 優(yōu)化目標分析

根據(jù)茄子缽苗農(nóng)藝要求、人工移栽動作，同時結(jié)合牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)運動情況,本文提出9個優(yōu)化目標，根據(jù)移栽機構(gòu)數(shù)學模型，建立各參數(shù)與各優(yōu)化目標的函數(shù)關(guān)系，將幾何目標數(shù)值化，同時給出了優(yōu)化目標的最優(yōu)范圍[20]。優(yōu)化目標如下：①移栽機構(gòu)在周期工作時，絕對軌跡不推倒秧苗。②取秧夾片不與秧箱發(fā)生干涉。③齒輪箱回轉(zhuǎn)運動最低點距地面大于25 mm。④取秧角介于5°～15°之間。⑤推秧角介于45°～60°之間。⑥角度差介于50°～60°之間。⑦軌跡高度大于240 mm。⑧齒輪模數(shù)大于2.5。⑨取苗高度大于土缽高度。

5.2 移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析軟件開發(fā)

牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)的優(yōu)化是一個多目標(9個目標)、多參數(shù)(33個參數(shù))、強耦合的復雜優(yōu)化問題。針對該類問題課題組提出了“參數(shù)導引”啟發(fā)式優(yōu)化算法[21]。根據(jù)茄子缽苗移栽機構(gòu)數(shù)學模型，開發(fā)牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析軟件，優(yōu)化軟件界面如圖5所示。

圖5 優(yōu)化軟件界面Fig.5 Optimize software interface

5.3 移栽機構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)以上分析，借助人機交互，運用優(yōu)化設(shè)計軟件[22]，并結(jié)合“參數(shù)導引”啟發(fā)式優(yōu)化算法進行快速優(yōu)化求解。最后得到了一組移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，即r1=41 mm，r2=33 mm，r3=28 mm，r4=27 mm，r5=29 mm，r6=33 mm，r7=37 mm，r8=37 mm，r9=31 mm，r10=26 mm，r11=22 mm，r12=21 mm，r13=22 mm，r14=25 mm，r15=31 mm，r16=39 mm，r17=44 mm，r18=43 mm，σ=20°，λ1=44°，λ2=49.5°，λ3=270°，λ4=249°，λ5=-5°，L1=76.6 mm，L2=160 mm，S=5 mm，X1=150 mm，Y1=96 mm，X2=317 mm，Y2=31 mm，X3=205 mm，Y3=68 mm。移栽機構(gòu)優(yōu)化的優(yōu)化目標(函數(shù)值)即M1=30 mm，M2=45 mm，M3=30 mm，M4=1.3°，M5=56.8°，M6=55.5°，M7=245 mm，M8=3 mm，M9=59 mm。

6 虛擬仿真與物理樣機試驗

6.1 虛擬仿真與絕對軌跡分析

根據(jù)牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析軟件所優(yōu)化得到的一組參數(shù)，完成茄子缽苗移栽機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。建立茄子缽苗移栽機構(gòu)各零件三維實體模型并進行虛擬裝配，運用ADAMS 2013軟件進行虛擬仿真，在虛擬仿真中得到牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)栽植臂夾片尖點的運動軌跡。

絕對運動軌跡下部為環(huán)扣型曲線，要求絕對運動軌跡既要滿足在載植臂推秧后，絕對運動軌跡繞開與茄苗接觸，又要滿足在下一次茄子缽苗栽植時不推倒已經(jīng)栽好的茄苗。

由優(yōu)化軟件可得，株距越小，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線水平距離越短，下部環(huán)扣曲線交點距軌跡最低點越長；株距越大，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線水平距離越長，下部環(huán)扣曲線交點距軌跡最低點越短。所以在株距為300 mm時，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線水平距離最短，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線交點距軌跡最低點最長；在株距為400 mm時，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線水平距離最長，絕對運動軌跡下部環(huán)扣曲線交點距軌跡最低點最短。

由虛擬仿真可得：軌跡最低點距地面為35 mm，栽植深度為50 mm。株距為300 mm絕對運動軌跡如圖6所示，當茄苗進入穴口后，茄苗最高點距離軌跡線為46 mm，載植臂在下一次茄子缽苗栽植時與已栽植的茄苗最近距離為50 mm；株距為400 mm絕對運動軌跡如圖7所示，當茄苗進入穴口后，茄苗最高點距離軌跡線為30 mm，載植臂在下一次茄子缽苗栽植時與已栽植的茄苗最近距離為126 mm，因此該移栽機構(gòu)的絕對運動軌跡滿足株距300～400 mm的移栽要求。

圖6 株距300 mm絕對運動軌跡Fig.6 Absolute motion trajectory of 300 mm plant spacing

圖7 株距400 mm絕對運動軌跡Fig.7 Absolute motion trajectory of 400 mm plant spacing

6.2 物理樣機試驗

6.2.1多功能缽苗移栽試驗臺

采用課題組研制的多功能缽苗移栽試驗臺進行樣機試驗，該試驗臺由電動機驅(qū)動，為Y100L1- 4型。采用變頻器實現(xiàn)調(diào)速，變頻器型號為3G3JV型。多功能缽苗移栽試驗臺有橫向移箱裝置和縱向送秧機構(gòu)，工作轉(zhuǎn)速為80～200 r/min。

6.2.2移栽機構(gòu)相對運動軌跡驗證試驗

采用3D打印技術(shù)完成茄子缽苗移栽機構(gòu)物理樣機的實體成型，對打印成型的零件模型進行組合裝配，完成物理樣機的試制。將茄子缽苗移栽機構(gòu)的物理樣機安裝到多功能缽苗移栽試驗臺上，茄子缽苗移栽機構(gòu)運行速度為100 r/min。通過Phantom v5.1高速攝像機對茄子缽苗移栽機構(gòu)的高速運動進行拍攝，分析出茄子缽苗移栽機構(gòu)夾片尖點的軌跡與姿態(tài)。物理樣機的軌跡與姿態(tài)(如圖8所示)與理論軌跡、虛擬樣機仿真軌跡(如圖9所示)基本一致。

圖8 物理樣機軌跡Fig.8 Trajectory of physical prototype

圖9 優(yōu)化軟件理論軌跡與虛擬仿真軌跡Fig.9 Trajectory of theoretical analysis and virtual simulation

6.2.3移栽機構(gòu)取苗試驗與栽植試驗

為了進一步驗證茄子缽苗移栽機構(gòu)的可行性，進行物理樣機的取苗試驗與栽植試驗，如圖10所示。采用課題組研制的多功能缽苗移栽試驗臺，設(shè)置試驗臺工作轉(zhuǎn)速為20 r/min。試驗設(shè)置茄子缽苗移栽機構(gòu)運行速度為20 r/min。穴盤采用105穴，缽盤長540 mm、寬280 mm。穴口上口徑40 mm×40 mm、下口徑15 mm×15 mm、高34 mm。由于試驗時間非茄苗移栽期，所以選用自制210株茄子假苗完成試驗，茄子假苗高度為150 mm，栽植上穴口半徑32 mm、下穴口半徑28 mm，深度50 mm。取苗效果以取苗成功率來衡量。栽植效果以直立度來衡量，即茄苗莖稈與土槽內(nèi)土的夾角大于70°并小于110°為優(yōu)良；40°～70°或110°～135°合格；其它為倒伏。

圖10 取苗與栽植試驗Fig.10 Test of picking seedling and transplanting

取苗試驗結(jié)果：對于茄子假苗的取苗成功率為91.42%，滿足取苗設(shè)計要求。根據(jù)栽植試驗結(jié)果，對于茄子假苗的栽植合格率為95.71%，其中栽植優(yōu)良為50.95%，倒伏率為4.29%。茄苗倒伏的原因主要有兩方面，一方面由于假苗的基質(zhì)較輕與實際茄苗存在差異，致使假苗重心上移；另一方面由于在完成茄苗移栽后，還需進行覆土鎮(zhèn)壓等過程。

7 結(jié)論

(1)提出了一種全自動茄子缽苗移栽機構(gòu)，并建立了茄子缽苗移栽機構(gòu)的數(shù)學模型。

(2)三因素三水平的正交試驗與驗證試驗結(jié)果表明：缽盤規(guī)格為105穴，基質(zhì)體積比為1，土缽含水率為70%～80%，茄子缽苗取苗力為2.70 N，土缽基質(zhì)損失率為2.94%，該組合使取苗力與土缽基質(zhì)損失率達到最優(yōu)，并進行了茄子缽苗莖稈的拉伸試驗，為后續(xù)的茄子缽苗全自動移栽機構(gòu)優(yōu)化提供了有利條件。

(3)根據(jù)茄子缽苗在移栽農(nóng)藝上對軌跡與姿態(tài)的要求，開發(fā)了牛頓插值齒輪茄子缽苗移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析軟件，并運用“參數(shù)導引”啟發(fā)式優(yōu)化設(shè)計算法與人機交互優(yōu)化方法優(yōu)化出一組滿足茄子缽苗移栽工作要求的設(shè)計參數(shù)。

(4)通過比較與分析理論軌跡、虛擬仿真軌跡、物理樣機試驗軌跡，驗證了茄子缽苗移栽機構(gòu)理論分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性與可行性。通過移栽機構(gòu)的取苗試驗與栽植試驗驗證了茄子缽苗移栽機構(gòu)的實用性。

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