穴盤移栽指鏟式末端執(zhí)行器苗缽基質抓取仿真與試驗

童俊華 石虎峰 武傳宇 丁煜華 趙 雄 王榮揚

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室， 杭州 310018)

0 引言

工廠化穴盤育苗的成苗率為80%～95%，穴盤內存在未發(fā)芽和漏播的孔穴，為避免后續(xù)機械化批量移栽出現(xiàn)空栽、漏栽等現(xiàn)象，需剔除劣質苗缽、再補進健康的新苗。末端執(zhí)行器的結構特性直接影響缽苗的提取效果，20世紀80年代，KUTZ等[1]率先進行溫室缽苗移栽機的研究，許多國內外學者對此加以研究，末端移栽機械手成為研究的重點[2-4]，提出了頂出式[5]、插入式[6-8]、頂出夾取式[9]、氣力式[10]等取苗機構方案。

苗缽基質屬于離散狀單元，末端執(zhí)行器在作業(yè)過程中會破壞苗缽原有的穩(wěn)定形態(tài)而導致缽苗基質殘留。因此，在穴盤苗移栽作業(yè)中提高對劣質苗缽穴孔內基質的剔凈率，對該穴孔內補栽的穴盤苗成活率具有重大意義。移栽取苗末端執(zhí)行器的機構參數(shù)和缽苗基質的物理特性都會影響基質抓取的效果，國內外眾多學者對該問題進行了研究。RYU等[11]對其設計的末端執(zhí)行器進行缽苗提取實驗，發(fā)現(xiàn)該末端執(zhí)行器在室內靜態(tài)取苗的成功率可達90%，但在土壤含水率較低或較高時提取成功率不高。SAITO等[12]對苗缽的緊實程度、含水率和根系發(fā)達程度進行分析，發(fā)現(xiàn)通過調整影響苗缽強度的因素可改善蔬菜苗缽的提取效果，提高缽苗基質的剔凈率。高國華等[13-15]設計斜入式穴盤苗移栽手，并對其工作參數(shù)進行優(yōu)化及試驗驗證，在最佳參數(shù)組合條件下，移栽周期為4 s時的成功率可達98%。又針對盆花移栽過程中出現(xiàn)的基質斷層現(xiàn)象，結合EDEM軟件和離散單元分析方法分析盆花移栽過程中出現(xiàn)的基質斷層現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)根本原因在于基質提離總阻力大于基質內部所能提供的最大凝聚力，并通過增加揉盆機構、減小基質提離總阻力解決基質斷層的問題，改善了剔凈效果。童俊華等[16]對末端執(zhí)行器的抓取指針夾持苗坨的參數(shù)進行參數(shù)優(yōu)化實驗。以指針對苗坨的夾緊力為優(yōu)化目標，取指針夾持角度、夾持指針數(shù)、苗坨含水率、缽苗長勢和苗坨基質配比5個影響因素進行單因素分析實驗，得到各影響因素對夾緊力單獨影響的較優(yōu)項，為指針式末端執(zhí)行器設計和提出適合機械移栽的缽苗農藝提供參考。韓綠化等[17]設計了一種兩指四針鉗夾式夾缽取苗末端執(zhí)行器，進行取苗效能的正交試驗，分析發(fā)現(xiàn)苗缽含水率水平顯著影響根土破壞程度，在含水率為55%～60%時，所設計的取苗末端執(zhí)行器對苗缽根土破壞程度最小，有效提高了對苗缽基質的剔凈率。

為解決末端執(zhí)行器抓取苗缽后穴孔的基質殘留問題，本文設計一款指鏟式末端執(zhí)行器，結合EDEM軟件對劣質缽苗的提取進行仿真分析，確定影響提取效果的因素。設計一種力學測試平臺，利用組合測盤測量在不同基質配比和含水率的組合條件下的穴盤間粘附力和基質間內聚力，確定適合劣質苗缽剔除的基質配比和含水率條件，減少提取劣質苗缽后基質殘留。通過指鏟式末端執(zhí)行器劣苗基質提取試驗驗證優(yōu)化效果，以期為末端執(zhí)行器的設計和缽苗培育農藝提供參考。

1 指鏟式末端執(zhí)行器設計

1.1 穴盤劣苗苗缽的物理特性

作業(yè)對象為杭州市蕭山區(qū)雷東村農場培育的一串紅幼苗，培育周期為4周，培育溫度為28.5℃，種植于外圍尺寸為540 mm×280 mm的128孔穴盤內。其中劣苗苗缽的標準物理尺寸如圖1所示，測得苗缽高H1為45 mm，底邊寬L為10 mm，上邊寬C1為25 mm。育苗基質由泥炭、蛭石和珍珠巖組成，相對含水率在50%～72%之間。劣質苗缽的根系不發(fā)達，基質松散易碎。

圖1 穴盤中的劣苗苗缽Fig.1 Inferior seedling in plug tray

1.2 指鏟式末端執(zhí)行器工作原理

針式移栽機械手是目前最常見的末端執(zhí)行器，具有驅動簡單、體積小的優(yōu)點，但提取苗缽時，由于與苗缽接觸面積小易破壞苗缽的完整性，影響苗缽基質的剔凈率，造成基質殘留過多的現(xiàn)象。為改善對劣苗基質的剔凈效果，給補進的健康苗提供空間，設計了一種包裹式作業(yè)的指鏟式末端執(zhí)行器，結構如圖2所示。

圖2 執(zhí)行器結構示意圖Fig.2 Structure schematic of end effector1.固定平板 2.活動平板 3.活動滑塊 4.鏟片 5.雙作用氣缸 6.可固定滑塊 7.方形槽塊 8.十字塊 9.擋塊

該指鏟式末端執(zhí)行器主要由固定平板、活動平板、活動滑塊、鏟片、雙作用氣缸、可固定滑塊、方形槽塊、十字塊和擋塊組成。驅動源為SDA25型雙作用氣缸，設計行程50 mm。氣缸桿穿過固定平板與下方的十字塊固連，氣缸底座固接于活動平板，而鏟片上端與活動平板上的活動滑塊通過頂絲固連，通過氣缸的伸縮帶動指鏟式末端執(zhí)行器的鏟片上下移動，實現(xiàn)對苗缽的抓取和釋放。鏟片與可固定滑塊構成滑動副，調節(jié)可固定滑塊的傾角及與活動滑塊的相對位置可改變鏟片的插入角度和插入點位置。針對128孔穴盤的尺寸規(guī)格，鏟片插入角度調節(jié)至與內壁傾角相同，插入點貼近穴孔口邊緣，此時，鏟片與豎直方向的夾角為10°，插入點間距為25 mm。鏟片選用長度為280 mm、寬度為10 mm、厚度為1 mm的65Mn彈簧鋼制作，在受一定彎曲力作用下仍可恢復原狀，避免鏟片彎折變形，鏟片插入苗缽深為45 mm。鏟片末端為等腰梯形，對應穴孔側壁形狀，梯形上邊寬為10 mm，下底寬為5 mm，梯形高度為15 mm。4個鏟片沿穴孔內壁插入，對缽苗基質形成包裹狀態(tài)。鏟片上端擋塊在鏟片釋放缽苗回收時可清除鏟面附著的基質，避免粘連影響二次作業(yè)。

剔苗作業(yè)時，指鏟式末端執(zhí)行器由二維移栽平臺帶動至目標穴孔上方(圖3b)，豎直絲杠機構帶動指鏟式末端執(zhí)行器下降至苗缽上表面5 mm處(圖3c)，指鏟式末端執(zhí)行器的氣缸動作帶動鏟片插入穴孔苗缽(圖3d)，豎直絲杠組件再帶動指鏟式末端執(zhí)行器整體上升，完成基質提取動作(圖3e),最后氣缸動作帶動鏟片縮回完成苗缽的投放動作(圖3f)。

圖3 末端執(zhí)行器剔苗動作示意圖Fig.3 Schematics of action of end-effector to remove bad seedling

1.3 鏟片插入苗缽受力分析

被抓取苗缽的受力分析如圖4所示。4個均布的鏟片沿穴孔側壁插入，實現(xiàn)對苗缽形成包裹式抓取，且穴孔側壁與苗缽基質由于鏟片的存在被隔離開來，因此穴孔側壁對苗缽基質不存在粘附作用力。由于4個均布的鏟片受力相同，為簡化分析，僅分析兩個對稱的鏟片對苗缽的作用力。

圖4 苗缽受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram of seedling1.鏟形指 2.苗缽

根據(jù)苗缽受力分析圖，由受力平衡原理列出公式

(1)

FZ

(2)

式中Ff——鏟片對苗缽的摩擦力，N

FN——鏟片對苗缽的支持力，N

G——苗缽自身重力，N

Fj——苗缽底部與穴盤之間的粘附力，N

θ——鏟片與垂直線的夾角，(°)

FT——總拔取力，N

μ——鏟片對基質的靜摩擦因數(shù)

FZ——總阻力，N

Fαmax——基質內部所具有的最大內聚力，N

總阻力FZ是苗缽自身重力G和苗缽底部與穴盤的粘附力Fj的合力，作用力方向豎直向下；總拔取力FT為4個鏟片對苗缽的摩擦力Ff及支持力FN在豎直方向上的分力之和，作用方向豎直往上。由公式(2)可知，苗缽被完整提取出穴孔的條件是總拔取力FT大于總阻力FZ。但是，如果總阻力FZ大于基質內部所具有的最大內聚力Fαmax時，苗缽基質就會在提取過程中出現(xiàn)斷層、塌陷、滑落等破壞現(xiàn)象，影響穴盤苗的移栽效果。

2 苗缽剔除仿真分析

機械手提取穴孔內基質的情況無法直接觀測，本文借助EDEM 軟件對指鏟式末端執(zhí)行器提取基質的過程進行離散元仿真，以定性分析基質間內聚力的變化對末端執(zhí)行器抓取基質的影響。

2.1 顆粒接觸模型

顆粒離散元方法是一種建立在基本的牛頓第二運動定律上的數(shù)值方法，顆粒離散元的模擬方法可較方便測得難以實測的離散物質顆粒運動規(guī)律和數(shù)據(jù)，能更好的解決實際問題。對于溫室穴盤苗生長基質而言，其構成成分為泥炭、蛭石、珍珠巖和水分，顆粒間、顆粒和水間相互作用的情況復雜，顆粒之間存在粘結，選用Hertz-Mindlin with Bonding模型，該模型為Hertz-Mindlin顆粒模型下的粘結模型，可用于模擬小顆粒粘結成大塊物料時破碎、斷裂等離散對象問題。這種模型可以阻止顆粒切向和法向之間的運動，當達到最大切法向應力后，這種結合就會被破壞，產(chǎn)生破裂等。顆粒間粘結力微觀示意圖如圖5所示。

圖5 顆粒間粘結力微觀示意圖Fig.5 Microscopic diagram of cohesive force between particles

基質顆粒若在某一時刻tα后產(chǎn)生粘連,基質顆粒間會產(chǎn)生法向和切向粘結力和力矩，法向和切向粘結力分別表示為Fn、Ft，法向和切向力矩分別表示為Tn和Tt，表達公式為

(3)

(4)

(5)

式中A——粘連部分橫截面面積，m2

RB——粘結半徑，m

J——截面極慣性矩，m4

Kn——顆粒接觸法向剛度，N/m

Kt——顆粒接觸切向剛度，N/m

t——時間步長，s

vn——顆粒法向速度分量，m/s

vt——顆粒切向速度分量，m/s

ωn——顆粒法向角速度分量，rad/s

ωt——顆粒切向角速度分量，rad/s

當外部對離散顆粒作用力超過內部應力臨界值，顆粒之間會產(chǎn)生破裂。臨界值為

(6)

式中σmax——顆粒接觸最大正應力，Pa

τmax——顆粒接觸最大切應力，Pa

2.2 參數(shù)選取

穴盤基質顆粒物質間存在復雜、多向的力鏈網(wǎng)絡，它們相互交錯，非均勻的布置在顆粒物質內，很難依靠現(xiàn)有技術手段對其進行準確的參數(shù)標定。而穴盤基質力學形態(tài)近似于土壤，選用土壤參數(shù)對其標定。查閱文獻[18-19]確定其泊松比、剪切模量、彈性恢復系數(shù)、摩擦因數(shù)、接觸法向和切向剛度。同時根據(jù)EDEM的Hertz-Mindlin with Bonding 模型的需要，設置臨界法向應力和臨界切向應力。設置參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Data of simulation parameters

2.3 EDEM離散元仿真

用SolidWorks軟件對指鏟式末端執(zhí)行器和穴孔進行建模裝配，鏟片沿穴孔邊緣并與豎直方向呈10°插入苗缽。將其保存為STP文件導入EDEM軟件，得到邊界模型。在EDEM軟件中，以穴孔作為顆粒生成容器，穴孔上端面作為基準虛擬平面。設置顆粒半徑為1 mm，粘結半徑為1.5 mm，可適顆粒數(shù)量為11 000個。施加真實平面適當壓迫顆粒，使顆粒之間達到粘結半徑后產(chǎn)生粘結，模擬基質在穴孔中的自然沉降。穴孔內基質的顆粒模擬生成情況如圖6所示。

圖6 穴孔內基質模擬顆粒生成圖Fig.6 Simulation of particles formation in cell

在EDEM軟件中添加鏟片的運動方向，以模擬指鏟式末端執(zhí)行器對穴孔內基質的作用。鏟片沿著穴孔內壁往下插入基質，實現(xiàn)對基質的包裹式抓??；提升時，鏟片與基質苗缽無相對運動，由上端的絲杠組件帶動鏟片和被抓基質豎直向上運動。故設置鏟片進出的運動方向如圖7所示。設置鏟片的行程為40 mm。

圖7 鏟片提取基質示意圖Fig.7 Schematics of extraction matrix by flake shovel

利用EDEM仿真軟件定性分析不同作用力條件下的基質提取效果，逐步增加臨界法向應力和切向應力來增加顆粒間作用力的臨界值，仿真效果如圖8所示。

對比仿真效果，發(fā)現(xiàn)隨著顆粒間作用力的增加，苗缽在指鏟式末端執(zhí)行器的作用下不易產(chǎn)生斷裂、塌陷的情況，基質的提取效果隨之改善。

仿真結果表明，指鏟式末端執(zhí)行器對基質實現(xiàn)包裹抓取后，增大基質間的內聚力可減少穴孔內基質殘留。因此可進一步研究增大基質間的內聚力和減小基質與穴孔間粘附力的機理方法，從而提高末端執(zhí)行器對穴孔基質的剔凈率。

3 基質內聚力和粘附力測量及分析

在末端執(zhí)行器抓取苗缽過程中，基質與穴盤的粘附力、基質間的內聚力受到基質含水率和基質配比的影響，本文在EDEM仿真基礎上進一步通過組合測盤試驗分析不同含水率和基質配比下這兩個力的變化情況，得出最佳含水率和基質配比值，為劣苗基質的剔除作業(yè)提供指導。

3.1 測力平臺搭建

試驗平臺的搭建以上海松頓機械設備有限公司的LDW-1型微機控制電子萬能材料試驗機為基礎，該試驗機搭載500 N力程的HBM力傳感器，精度等級0.01%，靈敏度為3 mV/V。傳感器下方加裝自行設計的組合測盤，試驗平臺的整體結構如圖9a所示。

圖9 組合測盤試驗平臺Fig.9 Test platform with combined test plates1.HBM力傳感器 2.組合測盤 3.基質

試驗過程中，萬能材料試驗機帶動組合測盤自下而上壓縮基質，加載速度為5 mm/min，壓緊狀態(tài)的保持時間為1 h，壓緊時用薄膜封閉基質，防止水分散失。

根據(jù)土壤應力變化曲線，測盤下表面壓迫基質時，測盤中心較外圈對基質的壓迫力要小得多，因此測盤內圈較外圈不容易粘附基質[20]，為精準測得粘附力，設計了一種組合測盤，測盤主要由內盤和外盤組成，兩部分可相互配合成為一體，其結構如圖9b所示。測量粘附力時，在測盤下表面粘貼與穴盤材料相同的PVC塑料，由于測盤中心的基質難以被粘起，故僅提起未粘連基質的內盤可近似測得內盤下表面上的總粘附力。測量內聚力時，提升整個測盤，被粘貼的基質與下端基質被拉斷脫離，即測得整個測盤下表面上的基質間總內聚力。

3.2 測力平臺工作原理

在加裝組合盤測力平臺后，通過試驗機所帶軟件SongDun將力程傳感器的輸出值調零，消除組合盤測力平臺自重的影響。在組合測盤壓迫基質和提升的過程中，軟件SongDun可實時輸出力程傳感器的感應曲線及力值數(shù)據(jù)。組合盤測力平臺的工作過程如圖10所示。

圖10 測力平臺工作原理圖Fig.10 Working principle diagram of force measuring platform

萬能拉壓試驗機在組合測盤對基質的壓緊力達到50 N時停止，1 h后萬能拉壓試驗機帶動組合測盤提升。若不存在基質間的內聚力或基質與穴盤材料間的粘附力作用，測力平臺的輸出曲線會直接回歸到平衡狀態(tài)下的零值，而正是由于內聚力和粘附力的作用，組合測盤在提升過程中，輸出的傳感器感應曲線先有一個向下的階躍再恢復至零值，階躍極值設為Fε，是用于計算基質粘附力和內聚力的主要測量值。傳感器的理論感應曲線如圖11所示。

圖11 傳感器輸出曲線Fig.11 Sensor output curve

測量基質與穴盤的粘附力時，輸出曲線的階躍極值Fε1可近似作為內盤面上的基質與穴盤間的總粘附力。測量基質間內聚力時，輸出曲線的階躍極值Fε2即為整個測盤下表面上的基質間內聚力?？紤]到作用面積的差異，可比較單位面積上的內聚力和粘附力，即比較粘附壓強和內聚壓強。基質與穴盤的粘附壓強p1與測量值Fε1的關系以及基質間內聚壓強p2與測量值Fε2的關系式為

A1p1=Fε1

(7)

A2p2=Fε2

(8)

式中A1——內盤下表面面積，m2

A2——組合測盤下表面總面積，m2

4 試驗結果與分析

測力試驗是通過組合盤測力平臺測量基質在不同條件下的基質間內聚力以及基質與穴盤間粘附力的變化情況，找出基質間最大內聚力Fαmax大于基質與穴盤粘附力Fj的條件，用于指導指鏟式末端執(zhí)行器的穴盤劣苗提取作業(yè)，改善對苗缽的提取效果。

4.1 試驗變量設置

影響基質粘附力和內聚力的重要因素是基質配比和含水率，選取兩者作為變量進行試驗研究。根據(jù)調研結果選取3種常見的基質配比，育苗基質按泥炭∶蛭石∶珍珠巖的體積配比分別為6∶3∶1、6∶2∶2和7∶2∶1。而在選定基質含水率水平時，需考慮到自然狀態(tài)下基質本身所含的水分，一般裸土土壤的含水率在3%～30%[21]，以此作為參考，精確測量基質在自然狀態(tài)下的含水率。在室溫為20℃，相對濕度為65%的條件下，利用稱重法測量自然狀態(tài)下基質本身的含水率。為防止高溫使基質內的草木灰碳化，利用干燥箱以80℃干燥基質20 h并稱量干燥前后基質的質量[22]，計算得到自然條件下基質本身的絕對含水率約為9%。通過稱量基質補水前后的質量來計算基質中的相對含水率，相對含水率的計算式為

(9)

式中η——相對含水率，%

Ms——加水后基質的總質量，g

mj——自然狀態(tài)下基質的質量，g

試驗過程中，通過計算得到達到對應相對含水率水平所需的水分后再對基質進行定量補水測試。由于穴盤底部有漏水孔，且劣質苗缽內沒有幼苗或幼苗根系不發(fā)達，難以保持水分，根據(jù)實際測試發(fā)現(xiàn)在農場溫室環(huán)境下，劣質缽苗在澆透后所能達到的相對含水率上限為72%，靜置2 d后，相對含水率將降到50%左右。溫室農場的澆水頻率為1～2 d/次，劣質缽苗的相對含水率保持在50%～70%。因此在后續(xù)試驗中，在基質的相對含水率范圍內設置5組相對含水率，分別是50%、55%、60%、65%和70%。

取每組基質的總質量為20 g，將3組基質配比和5組相對含水率進行組合，組成雙因素組合，如表2所示。在試驗中，每組組合均采用3次樣本試驗，若發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，分析原因并重新試驗，取所測數(shù)據(jù)平均值為該組合最終試驗結果。累計45個樣本量，每個樣本均進行基質間內聚力及基質與穴盤材料間粘附力的測量試驗，共進行90次試驗。

表2 試驗變量組合樣本編號Tab.2 Sample number of combination of test variables

4.2 測量結果及分析

將傳感器輸出曲線根據(jù)式(7)、(8)進行換算處理，得到基質與穴盤的粘附壓強p1和基質間的內聚壓強p2的變化曲線。以相對含水率為50%時不同基質配比條件下的粘附壓強和內聚壓強變化曲線為例。如圖12所示，曲線往下的階躍值即為所要求得的粘附壓強和內聚壓強。

圖12 粘附壓強和內聚壓強測量曲線Fig.12 Measurement curves of adhesion pressure and cohesion pressure

根據(jù)各曲線的階躍值可計算在不同相對含水率和基質配比組合條件下的基質與穴盤粘附壓強和基質間內聚壓強。為減少試驗誤差和偶然性造成的影響，將每個因素組合下測得的3個數(shù)據(jù)取平均，計算后得到的平均值分別如表3和表4所示。

為更直觀地比較在各變量組合條件下的粘附壓強和內聚壓強，找到內聚壓強大于粘附壓強(p2>p1)的條件。根據(jù)表3和表4的數(shù)據(jù)繪制兩者的曲線對比圖，如圖13所示。

從圖13中可以發(fā)現(xiàn)，粘附壓強p1和內聚壓強p2的變化曲線具備一定的線性規(guī)律，同一基質配比的情況下，粘附壓強隨著含水率的增加而增加，而內聚壓強隨著含水率的增加先增加后趨于穩(wěn)定。內聚壓強p2明顯大于粘附壓強p1的組合條件有4組，分別是含水率達到55%且基質配比為7∶2∶1和含水率為60%下的所有3組基質配比條件，其中基質配比為6∶3∶1時，這兩個壓強的差值達到最大，配比為7∶2∶1時次之，配比為6∶2∶2時最小。

表3 粘附壓強試驗結果Tab.3 Experimental results of adhesion pressure Pa

表4 內聚壓強試驗結果Tab.4 Experimental results of cohesion pressure Pa

圖13 粘附壓強和內聚壓強曲線對比Fig.13 Comparison diagram of curves of adhesive pressure and cohesive pressure

4.3 壓強差值的顯著性分析

對內聚壓強與粘附壓強的差值(p2-p1)的顯著性影響進行分析，并分辨影響因素間是否存在交互作用。計算相同條件下的內聚壓強與粘附壓強的差值，再對同一條件下的3組壓強差值進行可重復雙因素方差分析，給定檢驗水平α=0.05，得到F值、F臨界值F0.05和P值，分析結果如表5所示。

表5 兩因素對壓強差值的方差分析Tab.5 Variance analysis of pressure difference between two factors

在可重復雙因素方差分析中，若F大于對應的F0.05，說明兩組數(shù)據(jù)對比出了差異。再結合P值，若P<0.01，表示差異極顯著；若0.010.05，表示兩組數(shù)據(jù)無差異，此時F值也必然小于對應的F0.05。通過方差分析表，發(fā)現(xiàn)相對含水率的P值小于0.01，而基質配比和交互作用的P值均大于0.05，故相對含水率對內聚壓強和粘附壓強間差值的影響極顯著，而基質配比對壓強差值沒有顯著性影響，且兩影響因素之間沒有交互作用。

綜上，在指鏟式末端執(zhí)行器對溫室穴盤劣苗提取作業(yè)中，含水率是重要的可控影響因素，結合圖13的分析得到理論最佳作業(yè)相對含水率為60%。而由于基質配比對壓強差值的影響不顯著，故基質配比仍可選用較為常用的6∶3∶1進行試驗。

4.4 劣苗基質提取試驗

劣苗基質提取試驗是為了驗證上述分析得到的理論最佳移栽作業(yè)條件(相對含水率為60%，基質配比為6∶3∶1)。相比于存在根系的苗缽，末端執(zhí)行器在作業(yè)時更易于破壞未生長出根系的苗缽基質，從而造成更多的基質殘留，因此劣苗基質提取試驗是對無苗孔穴進行基質提取。將草木灰、蛭石、珍珠巖按6∶3∶1配比進行混合，均勻分為5組并利用SF-550型天平稱量，按相對含水率為50%、55%、60%、65%、70%比例加入純凈水充分攪拌，攪拌完畢后的基質填充入128孔穴盤的穴孔中，再次稱量并做好標記，將穴盤密封防止水分散失。為模擬溫室中的基質在穴盤中的沉降，將這5組裝有基質的穴盤放在室溫為25℃的條件下靜置7 d，每天對穴盤稱量并補水，試驗前，再次稱量并補充水分。劣苗基質提取試驗的環(huán)境溫度為25℃，相對濕度為49%。

在各相對含水率條件下利用指鏟式末端執(zhí)行器對標準穴盤中的20個穴孔內的基質進行單獨提取作業(yè)，劣苗提取試驗如圖14所示。

圖14 劣苗(無苗基質)提取試驗Fig.14 Experiment of extracting inferior seedlings

稱量指鏟式末端執(zhí)行器每次作業(yè)提取的基質質量和穴孔內剩余基質質量，計算剔凈率，剔凈率公式為

(10)

式中T——穴孔內基質剔凈率，%

mT——單次提取出的基質質量，g

MA——穴孔內基質的總質量，g

為便于比較指鏟式末端執(zhí)行器在不同含水率條件下的實際提取效果，將不同相對含水率條件下的20個穴孔基質的剔凈率曲線繪制在同一幅圖中，如圖15所示。

圖15 不同含水率下20孔內基質剔凈率曲線Fig.15 Curves of removal rate of matrix in 20 cells at different moisture contents

對各相對含水率條件下20孔內基質的剔凈率取平均值和標準差，結果如表6所示。

表6 不同含水率下20孔內基質平均剔凈率和標準差Tab.6 Mean removal rate and standard deviation of matrix in 20 cells at different moisture contents

結合圖15和表6數(shù)據(jù)可知，在基質相對含水率50%～70%的范圍內選定的5組水平測試，指鏟式末端執(zhí)行器對劣苗基質的平均剔凈率先升高后降低，在相對含水率為60%時達到最大值，對20個穴孔內基質的剔凈率在63.6%～78.8%之間浮動，平均剔凈率達到70.8%。在相對含水率55%和65%下劣苗基質的平均剔凈率分別為63.8%和54.7%，在相對含水率50%和70%下，平均剔凈率達到62.3%和51.3%，每次所得數(shù)據(jù)標準差極小，數(shù)據(jù)無異常。

通過劣苗基質提取試驗可以發(fā)現(xiàn)，在相同基質配比條件下，基質相對含水率為60%時，指鏟式末端執(zhí)行器對基質的剔凈率明顯高于其他含水率條件，平均剔凈率達70.8%，而在其它含水率條件下，平均剔凈率均有所下降。

5 結論

(1)設計了一種可對穴盤苗進行包裹式抓取的指鏟式末端執(zhí)行器，能有效提取劣苗苗缽。

(2)利用EDEM軟件仿真分析了指鏟式末端執(zhí)行器對苗缽的抓取過程，定性分析得出，基質間內聚力增加有利于基質提取的效果。

(3)借助組合測盤測力平臺，在不同含水率和基質配比條件下測試基質與穴盤的粘附壓強和基質間內聚壓強變化，得出指鏟式末端執(zhí)行器理論最佳的作業(yè)條件為相對含水率為60%、基質配比6∶3∶1。劣苗基質提取試驗表明，在該作業(yè)條件下，基質平均剔凈率為70.8%，優(yōu)于其他作業(yè)條件，可為末端執(zhí)行器的劣苗剔除作業(yè)提供參考。