缽苗高速移栽機器人夾苗裝置的設(shè)計

成泰洪，申允德，尹海燕，李 勇，黃慶林

（溫州大學機電工程學院，浙江溫州 325000）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)。2008 年金融危機以來，我國農(nóng)業(yè)勞動力不斷向建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動力階梯型短缺以及人口老齡化已成為我國社會的熱點問題。為解決上述問題，我國在“十二五”規(guī)劃中提出，需調(diào)整目前不合理的農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，并運用現(xiàn)代科學技術(shù)發(fā)展高產(chǎn)量、優(yōu)品質(zhì)、高效率的農(nóng)業(yè)。新時代下，我國農(nóng)用設(shè)備發(fā)展智機化、數(shù)據(jù)化、細微化的要求更加緊迫［1］。目前，國內(nèi)農(nóng)用設(shè)備依然處于較低水平，設(shè)備的開發(fā)能力以及后續(xù)產(chǎn)業(yè)化能力也較弱。

因此，要推進農(nóng)用科技自主建設(shè)，構(gòu)建標準化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，推動農(nóng)用新技術(shù)的推廣和集成應(yīng)用，這對于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、降低生產(chǎn)費用、改善農(nóng)民物質(zhì)生活水平具有深遠意義。為解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，我國大力推進設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，而溫室花卉和蔬菜的自動化栽培是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分。在穴盤育苗過程中，幼苗生長在密度較高的育苗穴盤中，隨著幼苗逐漸長大，為了確保其有充足的生長空間與足量的養(yǎng)分，需要將幼苗從密度較大的育苗穴盤中轉(zhuǎn)移至密度相對較小的育苗穴盤或者直接移至植苗花盆中，這一過程被稱為“移栽”。目前，移栽工作在我國主要由人工完成，因此也存在許多弊端，更是難以滿足工廠以及農(nóng)戶批量化育苗生產(chǎn)的要求。雖然目前有很多新聞及文獻報道了諸多自動化的幼苗移栽設(shè)備，但大多數(shù)還處于研究階段或試驗階段，較成熟的幼苗移植機一般為半手動式，實用性也相對較低［2-5］?；诖耍Y(jié)合缽苗栽培的規(guī)范及手工移栽的要求，對缽苗高速移栽壓土機器人中的夾苗裝置進行方案分析及選擇。

1 裝置的功能分解

實際移栽步驟為取出育苗穴盤內(nèi)的幼苗，將其移至植苗花盆內(nèi)，隨后輸送至壓土工位進行壓土。所以將缽苗高速移栽壓土機器人的工作流程分為夾苗、輸送、植苗和壓土等步驟。如圖1 所示，為穴盤育苗移栽工作流程分解圖。

圖1 穴盤育苗移栽工作流程分解圖

2 夾苗裝置的夾爪選型

夾苗裝置的作用是夾取育苗穴盤內(nèi)的幼苗至植苗花盆內(nèi)。育苗穴盤中穴盤孔之間的距離要比植苗花盆之間的距離小很多，因此夾苗機構(gòu)夾爪位于育苗穴盤上方與位于植苗花盆上方的間距是不同的，即要求4 個夾苗機構(gòu)夾爪與夾爪間的距離是可變的?，F(xiàn)對夾苗裝置提出如下3 種方案進行比較。

2.1 剪叉機構(gòu)與夾爪相結(jié)合

剪叉機構(gòu)水平放置，在各中心關(guān)節(jié)下安裝夾爪。剪叉機構(gòu)的伸縮使夾爪之間的距離發(fā)生變化，夾爪的打開或關(guān)閉實現(xiàn)缽苗的松開或夾緊。優(yōu)點是制造簡單、成本低，剪叉中心間距變化范圍廣，適用性強；缺點是剪叉機構(gòu)連接處易磨損。

2.2 分散板與夾爪結(jié)合

分散板小口端位于育苗穴盤上方，大口端位于移植花盆上方，夾爪位于分散板下方。不同夾爪在分散板下的運動實現(xiàn)了夾爪之間距離的變化，夾爪的開或閉實現(xiàn)松開或夾緊缽苗。優(yōu)點是有一定的創(chuàng)新性，每次運行精確平穩(wěn)；缺點是專用性較強，通用性較差，不利于后續(xù)改造。

2.3 多級氣缸與夾爪相結(jié)合

多個氣缸前后對接且水平放置，在各氣缸的端口下安裝夾爪。各氣缸的伸縮實現(xiàn)夾爪之間距離發(fā)生變化，夾爪的開閉實現(xiàn)松開或夾緊缽苗。優(yōu)點是機構(gòu)簡單、運動速度較快；缺點是成本高、重量大、工作時能源消耗大、經(jīng)濟性與適用性差。

經(jīng)過對比分析，夾苗裝置選用剪叉機構(gòu)與夾爪相結(jié)合的方式。當育苗穴盤或植苗花盆規(guī)格變化時（即間距發(fā)生改變），分散板與夾爪相結(jié)合的方式中，分散板的規(guī)格也需全部改變，以適應(yīng)新的間距與運動路徑。同理，多級氣缸與夾爪相結(jié)合的方式中，氣缸型號也需進行一定的改變。若采用剪叉機構(gòu)與夾爪相結(jié)合的方式，由于剪叉機構(gòu)各中心關(guān)節(jié)的間距本身就具有一定的調(diào)整距離，故適應(yīng)能力更強。此外，如需增加夾爪數(shù)量，可將二級剪叉機構(gòu)擴展成三級剪叉機構(gòu)，將三級剪叉機構(gòu)擴展成四級剪叉機構(gòu)等。采用此種方法調(diào)整對整機影響小，故夾苗裝置采用剪叉機構(gòu)與夾爪相結(jié)合的方式。

3 夾苗裝置主要參數(shù)確定

3.1 夾爪最小間距

如圖2所示，采用32孔育苗穴盤，其總長約為535 mm，總寬約為275 mm，穴盤孔上端口徑為60 mm，下端口徑為30 mm，高為50 mm，孔間距為65 mm。夾爪與夾爪之間的距離由育苗穴盤孔間距決定，因此取苗時夾爪最小間距為65 mm。

圖2 育苗穴盤示意圖

3.2 夾爪最大間距

植苗花盆盆口直徑約為103 mm，底盤直徑約為80 mm，盆身總高約為85 mm。植苗花盆在輸送線上挨個有序地排列，所以植苗花盆之間的最小間距為103 mm，即植苗時夾爪的間距為103 mm?？紤]到傳動帶與花盆底部的摩擦以及花盆間距存在誤差，設(shè)計中將植苗時夾爪的間距設(shè)定為107 mm。其中，花盆間距的誤差后期可通過花盆定位裝置調(diào)整。

3.3 叉架連桿長度

如圖3 所示，此處設(shè)短叉架連桿的長度為x，長叉架連桿長度2x，叉架伸張時存在角度β以及長度a與長度b。假設(shè)叉架連桿伸出時，β=30°，則而此時夾爪間距為107 mm，即b=53.5 mm，因此有x=61.78 mm。叉架連桿收縮時，角β=60°，則，此時夾爪間距107 mm，即b=32.5 mm，因此有x=65 mm。

參考以上數(shù)據(jù)，并綜合考慮育苗穴盤類型中存在更大間距的育苗孔以及更大尺寸的植苗花盆類型，此處將短叉架連桿長度設(shè)為70 mm，因此長叉架連桿長度為140 mm。

圖3 叉架連桿簡圖

4 夾苗裝置氣缸選型分析

4.1 平移雙軸氣缸選型

平移裝置雙軸氣缸的作用主要是實現(xiàn)剪叉機構(gòu)的伸縮，從而達到夾爪間距的變化。如圖4 所示，此設(shè)計中夾爪最大間距xmax=107 mm，最小間距xmin=65 mm，故總行程變化為xmax與xmin差值的3 倍，即126 mm。因此，雙軸氣缸的行程為125 mm（注：此處誤差1 mm 可忽略）。

圖4 機構(gòu)簡圖

根據(jù)剪叉機構(gòu)叉架連桿之間往復旋轉(zhuǎn)運動的摩擦力，確定雙軸氣缸活塞桿的軸向負載力為F=15 N，移動行程為s=125 mm，往復時間t設(shè)定為2.5 s，移動的平均速度為50 mm·s-1，查表知氣缸的工作氣壓P為0.4 MPa，負載效率η為0.5。故理論上氣缸的輸出力F1根據(jù)公式（1）計算為30 N，氣缸的缸徑D根據(jù)公式（2）計算為9.77 mm。

查閱相關(guān)資料后，此處選擇雙軸氣缸的缸徑是16 mm，行程是125 mm，氣缸采用水平安裝方法。根據(jù)這些基本要素，選擇AirTAC 公司型號為TN16×125-S的雙軸氣缸。

4.2 垂直雙軸氣缸選型

負載效率為垂直雙軸氣缸的用途是使整個夾苗機構(gòu)實現(xiàn)豎直方向的升降。根據(jù)幼苗栽培情況，正常生長下幼苗葉片高度不超過55 mm，綜合考慮間隙等因素，確定氣缸行程為100 mm。根據(jù)SolidWorks 功能中的質(zhì)量屬性分析，可知氣缸最大的負載力約50 N，移動行程s為100 mm，往復時間t設(shè)定為2.5 s，移動的平均速度為40 mm·s-1，查表知氣缸的運作氣壓P為0.4 MPa，負載效率η為0.5。故理論上氣缸的輸出力F1根據(jù)公式（1）計算為100 N，氣缸的缸徑D根據(jù)公式（2）計算為17.85 mm。

為了保證整個裝置工作平穩(wěn)，此處采用兩個雙軸氣缸推動。查閱相關(guān)資料后，選擇雙軸氣缸的缸徑為20 mm，行程選用100 mm，氣缸采用豎直安裝方式。根據(jù)這些基本要素，選用AirTAC 公司型號為TN20×100-S 的雙軸氣缸。

4.3 氣動手指選型

正常生長幼苗莖的距離不超過5 mm，綜合考慮間隙等因素，確定氣動手指的行程為10 mm。由于夾苗力度不宜太大，故采用6 mm 的缸徑。根據(jù)這些基本要素，選擇AirTAC 公司型號為MHZ2-6 的氣動手指，其工作時氣壓范圍為0.15～0.70 MPa，工作環(huán)境溫度為-10～60 ℃。

5 夾苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

利用雙軸氣缸推動剪叉機構(gòu)，實現(xiàn)夾爪相對距離變化的原理。如圖5 所示，1）平移雙軸氣缸4 處于收縮狀態(tài)，叉架（由8 和10 組成）處于打開狀態(tài)，各夾爪（由5、6、7 組成）的間距最大，此時為移苗剛結(jié)束的狀態(tài)，整個裝置處于植苗花盆上方；2）平移雙軸氣缸5 推動叉架中間軸11，使叉架沿著導軌滑塊4 滑動收縮，同時整個夾苗裝置移動至育苗穴盤上方；3）豎直雙軸氣缸1 推動連接型材3，使裝置下半部分下降至最低狀態(tài)，之后氣動手指6 帶動夾爪手指5 收縮，從而夾緊缽苗；4）夾緊后豎直雙軸氣缸1 收縮，裝置下半部分上升，此后平移雙軸氣缸4收縮，同時整個夾苗裝置移動至植苗花盆上方，豎直雙軸氣缸1 打開，使裝置下半部分下降，氣動手指6帶動夾爪手指5 打開，缽苗落入植苗花盆。

圖5 夾苗裝置結(jié)構(gòu)圖

如圖6 夾苗裝置建模圖所示：在同一氣動手指的兩個夾爪內(nèi)側(cè)粘接硅膠片，不僅可以增加手指與缽苗接觸時的摩擦力，還可以有效保護缽苗不受夾持力的傷害。此處采用4 個夾爪進行夾苗，后續(xù)如有需要可進行相應(yīng)改造。此外，叉架連桿之間安放墊片，以盡可能減小運動過程中的摩擦力。叉架中間軸最外側(cè)用外卡環(huán)對叉架連桿進行固定。圖6 中（a）圖為叉架打開時的狀態(tài)，即原始狀態(tài)或移苗（植苗）時的狀態(tài)；（b）圖為叉架收縮時的狀態(tài)，即夾苗（取苗）時的狀態(tài)。

圖6 夾苗裝置建模圖