基于Micro-CT的黃瓜苗坨夾取破損檢測(cè)及取苗參數(shù)優(yōu)化

劉 洋，毛罕平，韓綠化，徐靜云，馬國(guó)鑫，李亞雄

（1.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)裝備與智能化高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鎮(zhèn)江 212013；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，石河子 832000）

0 引 言

育苗移栽可以提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，在中國(guó)蔬菜種植過程中得到了重視[1-2]。為了提高蔬菜移栽效率和質(zhì)量，機(jī)械移栽技術(shù)得到了推廣應(yīng)用[3]，但是目前在生產(chǎn)中使用的都是半自動(dòng)移栽機(jī)，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽機(jī)的應(yīng)用，主要原因是自動(dòng)取苗時(shí)苗坨易夾碎破損，導(dǎo)致取苗成功率降低[4-5]。針對(duì)這個(gè)問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了研究。Ryu等[6]研究了針形、叉子形和鏟子形取苗爪的取苗效果。Choi等[7]設(shè)計(jì)了一種五桿取苗機(jī)構(gòu)，研究了苗齡、夾取角度和插入深度等因素與取苗成功率之間的關(guān)系。童俊華等[8]以夾針對(duì)苗坨的夾緊力為優(yōu)化目標(biāo)開展單因素試驗(yàn)，優(yōu)化了夾針夾持角度、夾針數(shù)量、苗坨含水率和基質(zhì)配比。王躍勇等[9]以取苗時(shí)苗坨完整率為指標(biāo)，試驗(yàn)研究了針形、壓舌板形和U形取苗爪的性能。高國(guó)華等[10]設(shè)計(jì)了一種斜入式取苗爪，研究了夾針插入苗坨點(diǎn)的距離、插入深度和角度等因素與苗坨極限破壞力之間的關(guān)系。這些研究討論了夾針的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)對(duì)取苗成功率的影響，為自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)起到了很好的推進(jìn)作用，但是沒有關(guān)注苗坨的破損是如何形成的。

夾取苗坨時(shí)，苗坨中新生孔隙和裂縫的形成是導(dǎo)致苗坨破損的主要原因[11]，這些現(xiàn)象都是在苗坨內(nèi)部發(fā)生，無法直觀的觀察到。本文以黃瓜穴盤苗為研究對(duì)象，利用X射線微型計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（Micro-CT）對(duì)處于夾取狀態(tài)的黃瓜苗坨進(jìn)行掃描，將根系和孔隙從苗坨中提取并三維重構(gòu)[12-13]，研究苗坨的破損行為，找到苗坨破損的表達(dá)方法，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化夾取參數(shù)，以期為自動(dòng)移栽機(jī)取苗爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃瓜穴盤苗用128孔穴盤育苗，穴孔的尺寸為高40 mm，上邊寬31 mm，下邊寬13 mm，體積為19.45 cm3；育苗基質(zhì)由草炭、珍珠巖和蛭石按3∶1∶1混合，1.2倍穴孔體積裝盤[14-15]。在江蘇大學(xué)智能溫室中進(jìn)行培育，試驗(yàn)時(shí)苗齡28 d。

試驗(yàn)用儀器為江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從瑞士SCANCO Medical AG公司引進(jìn)的Micro-CTμ100，該儀器額定分辨率0.5μm，圖像信息采集計(jì)算機(jī)采用HP Itanium 64位工作站，操作系統(tǒng)為OpenVMS，系統(tǒng)中有IPL（image processing language）圖像處理語言可用于體積和距離測(cè)量。

掃描時(shí)，黃瓜穴盤苗和取苗爪必須放置在內(nèi)徑和高為100 mm′120 mm的樣本容器中，為此設(shè)計(jì)了可用于Micro-CT掃描的夾取裝置（圖1a）。該裝置的取苗爪為兩指四針結(jié)構(gòu)[16]，由取苗臂和夾針組成，轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)位螺母，2個(gè)取苗爪可以對(duì)稱的橫向收縮。為了避免金屬偽影對(duì)根系和孔隙分割提取質(zhì)量的影響[17-18]，夾取裝置的底座、支撐柱、蓋板由PVC材料制成，夾針選用密度為2.08 g/cm3的玻璃纖維材料制成；放置穴盤苗的苗盒壁厚為2 mm（圖1b），密度為 1.01 g/cm3。

圖1 夾取裝置和苗盒示意圖Fig.1 Schematic diagram of pinch extraction device and seedling box

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)方案

為了研究取苗時(shí)苗坨的破損行為和優(yōu)化取苗爪夾取參數(shù)，安排試驗(yàn)方案為：

1）根系和孔隙的三維重構(gòu)。取苗爪夾取苗坨是一個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，但是Micro-CT只能對(duì)處于靜止?fàn)顟B(tài)的黃瓜苗坨進(jìn)行掃描。為此對(duì)同一個(gè)樣本分別在苗坨未插入夾針（T1）、夾針插入苗坨（T2）和夾針橫向收縮到最大位移（T3）3個(gè)狀態(tài)進(jìn)行掃描，并將根系和孔隙提取并三維重構(gòu)（圖2）。

2）苗坨破損行為的研究。用2.5 mm的圓針，在夾取初始角度α為9°（圖2b），夾針插入苗坨深度和收縮位移為35和5 mm的條件下掃描。為了研究根系和孔隙在苗坨中的分布，在垂直和水平方向?qū)⒚幺缍紕澐殖?等份（圖3）。將根系體積、孔隙的體積與苗坨體積的比值定義為根系密度、孔隙密度，用SPSS18軟件對(duì)體積和分布密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖2 夾針收縮運(yùn)動(dòng)分解示意圖Fig.2 Schematic diagram of pin contraction motion

圖3 苗坨劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of plug division

3）優(yōu)化取苗爪夾取參數(shù)。取苗爪的夾針形狀、直徑和夾取初始角是影響苗坨破損的關(guān)鍵參數(shù)[16,19]，以這3個(gè)參數(shù)為因素進(jìn)行試驗(yàn)。目前取苗機(jī)構(gòu)主要是多針結(jié)構(gòu)的取苗爪，為了將穴盤苗可靠的從穴孔中取出，夾針的形狀可以取圓形或者扁形[6,9]。為了保持夾針的強(qiáng)度，避免夾針在夾取苗坨時(shí)變形，夾針的直徑不能過細(xì)，試驗(yàn)中取夾針的直徑為2、2.5和3 mm。夾取苗坨的初始角度不應(yīng)大于穴孔壁面的夾角[16]，128孔穴盤的穴孔壁面夾角為11°，試驗(yàn)中取夾取初始角度為7°、9°和11°。具體的試驗(yàn)方法為，在夾針插入苗坨深度和收縮位移分別為35和5 mm的條件下[11]，首先取夾取初始角度為9°，改變夾針直徑進(jìn)行掃描，然后取夾針直徑為2.5 mm，改變夾取初始角度進(jìn)行掃描，研究苗坨的破損行為，找到苗坨低破損的夾取參數(shù)。共進(jìn)行12組掃描試驗(yàn)，每組掃描樣本5個(gè)，需要60個(gè)樣本。

4）用自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化的夾取參數(shù)。

1.2.2 掃描參數(shù)設(shè)置

掃描時(shí)，Micro-CT的參數(shù)設(shè)置為：電壓45 kV電流75mA，Al0.1過濾器，分辨率50mm，斷層圖片整合時(shí)間400 ms，每次掃描都設(shè)置相同的起始參照線[20]。苗坨的含水率取30%～35%[21]，此時(shí)苗坨的密度為1.72 g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玻璃纖維夾針適用性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證玻璃纖維夾針的適用性，用英國(guó)Stable Micro System 公司 TA-XT2i型號(hào)質(zhì)地分析儀對(duì)直徑為2.5 mm的鋼夾針和玻璃纖維夾針進(jìn)行懸臂壓縮，懸臂長(zhǎng)度為50 mm，壓縮量和壓縮速度為4 mm、1 mm/s，分別取10個(gè)樣本進(jìn)行測(cè)試。圖4是典型的壓縮量和抗壓力曲線，可以看到2條曲線都呈直線關(guān)系。韓綠化等[22]指出取苗爪夾取力應(yīng)大于苗坨屈服點(diǎn)的抗壓力，并測(cè)得黃瓜苗坨的屈服點(diǎn)抗壓力為6.33 N。此時(shí)，鋼和玻璃纖維夾針的平均壓縮量分別為0.863和0.917 mm，相差0.064 mm，誤差不顯著，可以用玻璃纖維夾針替代圓鋼夾針進(jìn)行夾取掃描試驗(yàn)。

圖4 壓縮量-抗壓力曲線Fig.4 Compressive amount-compressive force curve

2.2 根系和孔隙的三維重構(gòu)

圖5為苗坨掃描生成的斷層圖片，以及分割提取的根系和孔隙三維可視化圖形。

圖5 根系和孔隙的三維可視化圖形Fig.5 Three-dimensional visualization of root and pore

對(duì)黃瓜苗坨掃描后（圖5a），會(huì)生成多張?bào)w素尺寸為50mm的斷層圖片（圖5b），在斷層圖片中根系與育苗基質(zhì)的對(duì)比度很低，無法區(qū)分出所有根系，但是可以直觀的辨別出主根所在的位置。圍繞主根繪制封閉的邊界線，可以在OpenVMS系統(tǒng)中得到根系的閾值為93～102。對(duì)所有斷層圖片執(zhí)行閾值分割命令，并去除離散點(diǎn)，得到根系的三維圖（圖5c），在圖中包含有團(tuán)狀的育苗基質(zhì)，這是因?yàn)榫植康挠缁|(zhì)和根系的X射線衰減系數(shù)重疊在一起[23-24]，無法將育苗基質(zhì)完全從根系中分離出，但是生成的根系三維圖已經(jīng)可以清晰的表達(dá)根系的空間結(jié)構(gòu)。用同樣的方法在斷層圖片中圍繞孔隙繪制邊界線（圖5b），可以獲得孔隙的閾值為0～16，通過閾值分割和重構(gòu)得到孔隙的三維圖（圖5d）。

2.3 夾取過程根系的分布特性

圖6為夾取過程根系在垂直和水平方向的分布。

圖6 夾取過程根系的分布Fig.6 Root distribution in gripping process

在垂直方向，每種夾取狀態(tài)下根系體積VRV都是先減小然后增大（圖6a）。在T1狀態(tài)，V1到V6區(qū)域VRV分別為125.1、86.2、70.1、41.0、37.9和48.6 mm3。當(dāng)夾針收縮移動(dòng)到T3狀態(tài)時(shí)，與T1狀態(tài)相比較，V1、V3和V4區(qū)域的VRV分別減小1.67%、1.45%和3.21%，V2和V5區(qū)域的VRV分別增加1.77%和0.38%，每個(gè)區(qū)域的VRV變化不顯著；V6區(qū)域VRV增加8.02%，VRV變化顯著（P<0.05）。T1狀態(tài)時(shí)，垂直方向上根系的分布密度ρRV在 V1到 V6區(qū)域分別為 0.026、0.021、0.022、0.016、0.020和0.037（圖6b）。當(dāng)夾針收縮移動(dòng)到T3狀態(tài)時(shí)，與T1狀態(tài)相比較，V1到V4區(qū)域的ρRV變化范圍是0.38%～3.21%，且每個(gè)區(qū)域的ρRV變化不顯著，而V6區(qū)域ρRV增加8.37%，且ρRV變化顯著（P<0.05）。

在水平方向，每種夾取狀態(tài)下根系體積VRH都是先增大然后減小，近似的呈對(duì)稱分布（圖6c）。在T1狀態(tài)，H1到H6區(qū)域VRH分別為21.4、63.6、119.6、120.5、62.9和20.4 mm3。T3較T1狀態(tài)，H1、H3、H4和H6區(qū)域的VRH分別增加2.73%、2.29%、0.75%和1.66%，H2和H5區(qū)域的VRH分別減小4.32%和0.52%，每個(gè)區(qū)域的VRH變化不顯著。T1狀態(tài)時(shí)，水平方向上根系的分布密度ρRH在 H1到 H6區(qū)域分別為 0.027、0.018、0.025、0.026、0.018和0.026（圖6d）。T3較T1狀態(tài)，H1到H6區(qū)域的ρRH變化范圍是0.52%～4.32%，每個(gè)區(qū)域的ρRH變化不顯著。

在T1狀態(tài)，垂直方向上V1和V6分別是根系體積和分布密度最高的2個(gè)區(qū)域，這是因?yàn)檠椎纳隙碎_放，下端有漏水孔，這2個(gè)部位良好的透氣性促進(jìn)了根系的生長(zhǎng)[13,25]；水平方向上H3和H4區(qū)域根系體積和分布密度較高，這是因?yàn)橹鞲饕植荚谶@個(gè)位置，H1和H6區(qū)域的根系體積雖然很小，但是分布密度非常高，說明根系在這個(gè)位置聚集較多；根系分布的不均勻，會(huì)使苗坨夾取時(shí)易發(fā)生斷裂破損[25]。

以T1狀態(tài)的根系可視化圖形為例（圖7），側(cè)根從主根向四周發(fā)散生長(zhǎng)，當(dāng)側(cè)根接觸到穴孔壁面后，開始沿著穴孔壁面生長(zhǎng)，將苗坨纏繞包裹住。側(cè)根主要分布在苗坨外圍，夾取苗坨時(shí)，夾針沒有接觸外圍的根系，只擾動(dòng)部分發(fā)散生長(zhǎng)的側(cè)根。在T1和T3狀態(tài)，分別測(cè)量同一位置最外圍側(cè)根到主根的距離和兩根發(fā)散生長(zhǎng)的側(cè)根之間的距離，得到最外圍側(cè)根到主根的距離和兩根發(fā)散生長(zhǎng)的側(cè)根之間距離的位移分別為0.08和0.12 mm，根系的位移很小。

圖7 T1狀態(tài)根系的主視和俯視圖Fig.7 Main and top view of root at T1 state

2.4 夾取過程孔隙的分布特性

圖8為夾取過程孔隙的分布狀況。

圖8 夾取過程孔隙的分布Fig.8 Pore distribution in gripping process

在垂直方向，每種夾取狀態(tài)下孔隙體積VPV變化趨勢(shì)都不相同（圖8a）。在T1狀態(tài)，V1到V6區(qū)域VPV分別為213.1、40.2、53.5、84.6、55.7和37.7 mm3。當(dāng)夾針收縮到T3狀態(tài)時(shí)，與T1狀態(tài)相比，V1到V5區(qū)域VPV分別增加121.68%、336.82%、320.93%、235.58%和100.18%，而V6區(qū)域減少25.99%，每個(gè)區(qū)域的VPV變化非常顯著（P<0.05）。T1狀態(tài)孔隙的分布密度ρPV從V1到V6區(qū)域分別為0.052、0.011、0.018、0.036、0.031和0.032（圖8b）。T3狀態(tài)與T1狀態(tài)相比，V1到V5區(qū)域ρPV增加100.27%～337.03%，而V5區(qū)域ρPV減少25.43%，每個(gè)區(qū)域的ρPV變化非常顯著（P<0.05）。

在水平方向，每種夾取狀態(tài)下孔隙體積VPH都近似的呈對(duì)稱分布（圖8c）。T1狀態(tài)時(shí)，H1到H6區(qū)域VPH分別為15.3、75.7、142.4、155.5、80.8和14.4 mm3。當(dāng)夾針收縮到T3狀態(tài)時(shí)，與T1狀態(tài)相比，H1到H6區(qū)域VPH分別增加201.96%、383.35%、63.34%、44.82%、365.35%和263.19%，每個(gè)區(qū)域的VPH變化非常顯著（P<0.05）。T1狀態(tài)孔隙的分布密度ρPH從H1到H6區(qū)域分別為0.023、0.024、0.034、0.037、0.025和0.022（圖8d）。T3狀態(tài)與T1狀態(tài)相比，H1到H6區(qū)域ρPH增加44.85%～382.97%，每個(gè)區(qū)域的ρPH變化非常顯著（P<0.05）。

圖9清晰的表達(dá)了夾取過程中新生孔隙的形成過程。T1狀態(tài)時(shí)，在苗坨的頂端有孔隙聚集現(xiàn)象，其他部位孔隙離散的分布在苗坨中（圖9a）；T2狀態(tài)時(shí)，在夾針周圍開始有聚集的新生孔隙產(chǎn)生（圖9b）；當(dāng)夾針收縮到T3狀態(tài)時(shí)，在夾針周圍新生的孔隙擴(kuò)展并連接在一起，形成了裂縫（圖3c）。在T2和T3狀態(tài)的俯視圖可以看到，在夾針之間也有裂縫形成，這是因?yàn)閵A針在夾取苗坨時(shí)會(huì)產(chǎn)生剪切應(yīng)力，在剪切應(yīng)力方向育苗基質(zhì)發(fā)生滑移，形成裂縫[26]。

圖9 夾取過程孔隙的三維可視化圖形Fig.9 Three-dimensional visualization of pore in pinch process

2.5 苗坨破損評(píng)價(jià)指標(biāo)的制定

通過對(duì)夾取過程中根系和孔隙的分布特性分析可以得出，根系未發(fā)生顯著位移，根系的作用是將苗坨包裹住，防止苗坨散坨?？紫兜捏w積和分布密度變化非常顯著，可以得出新生孔隙的產(chǎn)生和裂縫的形成是導(dǎo)致苗坨破損的主要原因[11,27]。夾針直接接觸的H2和H5區(qū)域在水平方向孔隙體積和分布密度增加最大，這2個(gè)區(qū)域孔隙的聚集和擴(kuò)展會(huì)在苗坨中形成斷面，使夾針內(nèi)部的育苗基質(zhì)與苗坨分離，導(dǎo)致苗坨破碎[7,16]；V1區(qū)域在苗坨的最外端，沒有根系包裹，該區(qū)域孔隙的增加，會(huì)使育苗基質(zhì)發(fā)生散落；V4區(qū)域孔隙體積的增加量明顯大于V5區(qū)域，這會(huì)使苗坨在V4和V5區(qū)域之間發(fā)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致苗坨發(fā)生斷裂；破碎、散落和斷裂都是苗坨破損的表現(xiàn)形式。因此，可以用V1、V4、H2和H5區(qū)域孔隙體積的增加量ΔV作為評(píng)價(jià)苗坨破損程度的指標(biāo)，并認(rèn)為減小ΔV有利于減少苗坨破損。

2.6 夾取參數(shù)的優(yōu)化

圖10a是不同直徑條件下ΔV的分析值。夾針直徑為2、2.5和3 mm時(shí)，圓針的ΔV值分別為925.2、1 043.7和1 253.7 mm3，扁針的ΔV值分別為1 031.5、1 138.4和1 372.2 mm3。2種形狀?yuàn)A針的ΔV值都隨著夾針直徑的增大而增加。圖10b是不同夾取初始角條件下ΔV的分析值。夾取初始角為7°、9°和11°時(shí)，圓針的ΔV值分別為1 328.7、1 043.9和895.4 mm3，扁針的ΔV值分別為1 452.3、1 138.4和983.5 mm3。兩種夾針的ΔV值都隨著夾取初始角的增大而減小。

通過圖10的分析可知，減小夾針直徑和增大夾持初始角可以減小苗坨破損，在相同夾取條件下，圓針夾取苗坨的破損量始終小于扁針。但是，取苗爪在夾取苗坨時(shí)，不僅要減小苗坨破損量，還要保持一定的夾持力，使苗坨克服與穴孔壁面之間的粘附力[27-28]。

圖10 不同夾取直徑和夾取初始角條件下孔隙體積增量DV的分布Fig.10 Distribution of pore volume incrementDV under different pin diameters and initial pinch angle

在質(zhì)地分析儀上，分別用圓針和扁針壓縮苗坨，可以得到壓縮量-抗壓力曲線（圖11）?？梢钥吹?，2條曲線有相似的變化趨勢(shì)，在壓縮開始階段，抗壓力隨著壓縮量的增加緩慢增大；當(dāng)抗壓力為0.83 N（A點(diǎn)）時(shí)，抗壓力與壓縮量呈近似的直線增大；當(dāng)兩條曲線的抗壓力達(dá)到7.31N（B1和B2點(diǎn)）時(shí)，抗壓力與壓縮量之間不再呈近似的直線，苗坨表現(xiàn)出壓實(shí)硬化特性[29-30]。B1和B2點(diǎn)是苗坨壓縮屈服點(diǎn)，此時(shí)B1和B2點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓縮量分別為4.26和4.75 mm，在該壓縮量條件下扁針和圓針夾取苗坨的ΔV值分別為786.1和843.7 mm3。在相同的夾取力條件下，扁針夾取苗坨的破損量小于圓針。

圖11 壓縮量-抗壓力曲線Fig.11 Compressive amount-compressive force curve

3 取苗試驗(yàn)

為了驗(yàn)證2.6節(jié)討論得到的取苗爪夾取參數(shù)的性能，進(jìn)行取苗試驗(yàn)。試驗(yàn)用取苗機(jī)構(gòu)如圖12a所示，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)整排隔穴取苗，取苗爪為兩指四針結(jié)構(gòu)，由1個(gè)柱塞氣缸控制夾針的收縮運(yùn)動(dòng)（圖12b）[31]。

圖12 取苗試驗(yàn)裝備和取苗爪Fig.12 Experiments equipment and gripper of picking up plug seedlings

試驗(yàn)參數(shù)組合見表1，試驗(yàn)時(shí)取苗頻率設(shè)定為50株/min，每組參數(shù)取苗256株。認(rèn)為苗坨質(zhì)量損失大于25%為破損嚴(yán)重[1,7]，用下式計(jì)算苗坨破損率。

式中P是苗坨破損率，%；N1是取苗株數(shù)；N2是苗坨質(zhì)量損失大于25%的株數(shù)。

由表1中試驗(yàn)1、2、3、7、8和9可知，苗坨破損率隨著2種形狀?yuàn)A針直徑的增大而增加；由試驗(yàn)1、4、5、7、10和11可知，增大夾取初始角會(huì)減小苗坨破損率；相同的夾取力條件下，扁針的苗坨破損率小于圓針。由試驗(yàn)6和12可知，在相同夾針收縮量條件下，扁針夾取苗坨的破損率大于圓針；試驗(yàn)結(jié)果與苗坨中孔隙體積增加量ΔV的分析結(jié)果一致。可以得出，在滿足夾取力為7.31 N的條件下，用2 mm的扁針，在夾取初始角為11°時(shí)取苗，有利于減小苗坨破損。

表1 取苗試驗(yàn)參數(shù)與結(jié)果Table 1 Experiments parameters and results of picking up plug seedlings

4 結(jié)論

1）利用Micro-CT對(duì)黃瓜穴盤苗進(jìn)行無損檢測(cè)，可以將根系和孔隙提取并三維重構(gòu)。通過對(duì)根系和孔隙的體積和分布密度統(tǒng)計(jì)得出，夾取過程中，根系未發(fā)生顯著位移，根系的作用是將苗坨纏繞包裹住，防止苗坨散坨；裂縫是由新生孔隙的聚集和擴(kuò)展連接在一起形成的，它主要產(chǎn)在夾針周圍和夾針之間，孔隙的聚集和裂縫的形成是導(dǎo)致苗坨破損的主要原因；苗坨中V1、V4、H2和H5區(qū)域的孔隙體積和分布密度增量最大。

2）對(duì)孔隙體積增加量ΔV統(tǒng)計(jì)可得，減小夾針直徑和增大夾持初始角可以減小ΔV，在相同夾取收縮量條件下，圓針夾取苗坨的ΔV始終小于扁針，但是在夾取力等于苗坨屈服點(diǎn)的抗壓力7.31 N時(shí)，圓針夾取苗坨的ΔV大于扁針。以質(zhì)量損失25%作為判斷苗坨破損的指標(biāo)，進(jìn)行取苗試驗(yàn)，結(jié)果表明直徑為2 mm的扁針，在夾針收縮量和夾取初始角取4.26 mm和11°時(shí)，苗坨破損率為6.3%，小于其他參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，與Micro-CT掃描分析結(jié)論一致。

[1]Jin Xin,Ji Jiangtao,Huang Zizhai,et al.Seedling pick-up mechanism of five-bar combined with ordinary gear train[J].International Agricultural Engineering Journal,2017，26（2）:151－158.

[2]劉明峰，胡先朋，廖宜濤，等.不同油菜品種適栽期機(jī)械化移栽植株形態(tài)特征研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(增刊 1)：79－88.Liu Mingfeng, Hu Xianpeng, Liao Yitao, et al.Morphological parameters characteristics of mechanically transplanted plantin suitable transplanting period for differentrape varieties[J].Transactionsof the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(Supp.1):79－88.(in Chinese with English abstract)

[3]李華，曹衛(wèi)彬，李樹峰，等.2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)的研制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(15)：23－33.Li Hua，Cao Weibin，Li Shufeng，et al.Development of 2ZXM-2 automatic plastic film mulching plug seedling transplanter for vegetable[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE)，2017，33(15) ：23－33.(in Chinese with English abstract)

[4]韓綠化，毛罕平，繆小花，等.基于穴盤苗力學(xué)特性的自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(11)：260－265.Han Lühua,Mao Hanping,Miao Xiaohua,et al.Design of automatic picking up seedling end-effector based on mechanical properties of plug seedlings[J].Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery,2013,44(11)：261－265.(in Chinese with English abstract)

[5]Jin Xin,Du Xinwu,Ji Jiangtao,et al.Mechanical property experiment of plug seeding with pots gripping-picking[J].International Agricultural Engineering Journal,2015,24(4):24－33.

[6]Ryu K H,Kim G,Han J S.Development of a robotic transplanter for bedding planting[J].J Agric Engng Res,2001,78(2):141－146.

[7]Choi W C,Kim D C,Ryu I K,et al.Development of a seedling pick-up device forvegetable transplanters[J].Transaction of the ASAE,2002,45(1):13－19.

[8]童俊華，蔣煥煜，蔣卓華，等.缽苗自動(dòng)移栽機(jī)器人抓取指針夾持苗坨參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(16)：8－16.Tong Junhua,Jiang Huanyu,Jiang Zhuohua,etal.Experiment on parameter optimization of gripper needles clamping seedling plug for automatic transplanter[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(16):8－16.(in Chinese with English abstract)

[9]王躍勇，于海業(yè).穴盤幼苗機(jī)械手取苗基質(zhì)完整率影響因素試驗(yàn)與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(14)：65－71.Wang Yueyong,Yu Haiye.Experiment and analysis of impact factors for soil matrix intact rate of manipulator for picking-up plug seedlings[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(14):65－71.(in Chinese with English abstract)

[10]高國(guó)華，馮天祥，李福.斜入式穴盤苗移栽手爪工作參數(shù)優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(24)：16－22.Gao Guohua,Feng Tianxiang,Li Fu.Working parameters optimization and experimentalverification ofinclinedinserting transplanting manipulator for plug seedling[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(24):16－22.(in Chinese with English abstract)

[11]韓綠化，毛罕平，胡建平，等.溫室穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(11)：59－67.Han Lühua,Mao Hanping,Hu Jianping,et al.Design and test of automatic transplanter for greenhouse plug seedlings[J].Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery,2016,47(11):59－67.(in Chinese with English abstract)

[12]Mooney S J,Pridmore T P,Helliwell J,et al.Developing X-ray Computed Tomography to non-invasively image 3-D root systems architecture in soil[J].Plant Soil,2012,352:1－22.

[13]Saoirse T,Colin R B,Jeremy A R,et al.Quantifying the impact of soil compaction on root system architecture in tomato(Solanum lycopersicum)by X-ray micro-computed tomography[J].Annals of Botany,2012,110:511－519.

[14]Kumi F,Mao H,Li Q,et al.Assessment of tomato seedling substrate-root quality using X-ray computed tomography and scanning electron microscopy[J].American Society of Agricultural and Biological Engineers,2016,32(6):1－11.

[15]Kumar G V Prasanna,Raheman H. Volume of vermicompost-based potting mix for vegetable transplants determined using fuzzy biomass growth index[J].International Journal of Vegetable Science,2010,16(4):335－350.

[16]韓綠化，毛罕平，嚴(yán)蕾，等.穴盤育苗移栽機(jī)兩指四針鉗夾式取苗末端執(zhí)行器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(7)：23－30.Han Lühua,Mao Hanping,Yan Lei,et al.Pincette-type end-effector using two fingers and four pins for picking up seedlings[J].Transactions of the Chinese society for Agricultural Machinery,2015,46(7):23－30.(in Chinese with English abstract)

[17]李銘，盧彥飛，袁剛，等.應(yīng)用先驗(yàn)插值校正CT金屬偽影[J].液晶與顯示，2015，30(6)：1032－1039.Li Ming,Lu Yanfei,Yuan Gang,et al.Metal artifact reduction in computed tomography based on prior interpolation[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2015,30(6):1032－1039.(in Chinese with English abstract)

[18]Patrick T.L,William P.P,Mary B P,et al.Metal artifact reduction image reconstruction algorithm for CT of implanted metal orthopedic devices:A work in progress[J].Skeletal Radiol,2009,38：797－802.

[19]蔣卓華，蔣煥煜，童俊華.穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2017，51(6)：1119－1125.Jiang Zhuohua,Jiang huanyu,Tong Junhua.Optimal design of end-effector on automatic plug seedling transplanter[J].Journal of Zhejiang University:Engineering Science,2017,51(6):1119－1125.(in Chinese with English abstract)

[20]Susan Z,Jonathan R H,Saoirse R T,et al.Effects of X-Ray dose on rhizosphere studies using X-ray computed tomography[J].Plos One,2013,8(6):1－8.

[21]Susan Z,Stefan M,Saoirse T,et al.Quantifying the effect of soil moisture content on segmenting root system architecture in X-ray computed tomography images[J].Plant Soil,2013,70:35－45.

[22]韓綠化，毛罕平，胡建平，等.穴盤苗自動(dòng)移栽缽體力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(2)：24－28.Han Lühua,Mao Hanping,Hu Jianping,et al.Experiment on mechanical property of seedling pot for automatic transplanter[J].Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(2):24－28.(in Chinese with English abstract)

[23]Stefan M,Craig S,Darren M W,et al.On the evaluation of methods for the recovery of plant root systems from X-ray computed tomography images[J].Functional Plant Biology，2015，42:460－470

[24]Stefan M,Susan Z,Saoirse R,et al.Rootrak:Automated recovery of three-dimensional plant root architecture in soil from X-ray microcomputed tomography images using visual tracking[J].Plant Physiology,2012,(158):561－569.

[25]Richard JF,ChristopherN G,Matthew T,etal.Non-destructive quantification of cereal roots in soil using high-resolution X-ray tomography[J]. Journal of Experimental Botany,2012,63(7):2503－2511.

[26]Sun Wei,Hou Kepeng,Yang Zhiquan,et al.X-ray CT three-dimensional reconstruction and discrete element analysis of the cement paste backfill pore structure under uniaxial compression[J].Construction and Building Materials,2017,138:69－78.

[27]Yang Y,Ting K,GiacomelliG A.Factorsaffecting performance of sliding-needles gripper during robotic transplanting of seedlings[J]. American Society of Agricultural and Biological Engineers,1991,7(4)：493－497.

[28]Han Lühua,Mao Hanping,Hu Jianping,et al.Development of a doorframe-typed swinging seedling pick-up device for automatic field transplantation[J].Spanish Journal of Agricultural Research,2015,13(2):1－14.

[29]王英，陳建能，吳加偉，等.用于機(jī)械化栽植的西蘭花缽苗力學(xué)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(24)：1－10.Wang Ying,Chen Jianneng,Wu Jiawei,et al.Mechanics property experimentof broccoliseedling oriented to mechanized planting[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(24):1－10.(in Chinese with English abstract)

[30]劉姣娣，曹衛(wèi)彬，田東洋，等.基于苗坨力學(xué)特性的自動(dòng)移栽機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(16)：32－39.Liu Jiaodi,Cao Weibin,Tian Dongyang.et al.Optimization experiment of transplanting actuator parameters based on mechanical property of seedling pot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(16):32－39.(in Chinese with English abstract)

[31]胡建平，楊麗紅，常航，等.一種自動(dòng)移栽機(jī)取苗控制系統(tǒng)及其控制方法：201610913731.4[P].2017-04-19.