穴盤苗自動移苗設(shè)備設(shè)計與試驗系統(tǒng)分析與試驗＊

朱春燕，李 偉，顧小小，解安東，李長興，張樣平

（1.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海 201106；2.安徽工業(yè)大學(xué)智能裝備技術(shù)研究院，安徽馬鞍山 243002；3.上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上海 201210）

近年來，隨著育苗技術(shù)的迅速發(fā)展，穴盤育苗技術(shù)可實現(xiàn)集中管理溫室育苗，移栽幼苗無損傷，復(fù)種指數(shù)高，經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]，在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應(yīng)用。穴盤苗移栽是設(shè)施工廠化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)[2]，可以縮短作物的生長發(fā)育期，錯開成熟期，提高產(chǎn)量[3]。在蔬菜工廠化生產(chǎn)中，穴盤苗移栽屬于勞動密集型作業(yè)，通常需要花費(fèi)較多的人工與時間成本，作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也相對較為嚴(yán)格。自動移苗設(shè)備的研發(fā)能有效解決目前生產(chǎn)中存在的成本高、效率低、可靠性差等問題，對提升蔬菜工廠化生產(chǎn)水平具有重要意義。移苗機(jī)構(gòu)作為自動移苗設(shè)備的關(guān)鍵執(zhí)行部件，對設(shè)備的移苗效果及工廠化生產(chǎn)的效率有著決定性的影響。

發(fā)達(dá)國家對移栽機(jī)的研究起步較早[4]。1987年，L.J.Kutz 等[5]科研團(tuán)隊研發(fā)設(shè)計第一個被應(yīng)用到苗圃植物移栽項目的機(jī)器人。1991 年，Yang Y 等人[6]設(shè)計四自由度SCARA 工業(yè)機(jī)器人，配置配備力學(xué)傳感器的滑動針夾持器。1996 年，Takashi 等[7]發(fā)明了一套自動化移栽系統(tǒng)，并引入托杯轉(zhuǎn)移過渡缽苗。2001 年，K.H.Ryu 團(tuán)隊設(shè)計的全自動移苗機(jī)搭配了視覺系統(tǒng)對穴孔秧苗生長狀態(tài)進(jìn)行檢測[8]。美國RAPID 公司生產(chǎn)的RTW 系列穴盤苗全自動移苗機(jī)可實現(xiàn)多穴盤同時抓取[9]。20 世紀(jì)90 年代，國內(nèi)開始溫室缽苗移栽機(jī)械的研究。吉林工業(yè)大學(xué)研制出針對空氣整根營養(yǎng)缽育苗移栽系統(tǒng)[10]。1996 年，范云翔等[11]研制可將空氣整根秧盤育出的秧苗自動移栽到生長用的塑料大盤中的溫室全自動移栽機(jī)。2009年，邱立春等[12]發(fā)明了一種采用輸送帶傳輸，機(jī)械臂末端并聯(lián)安裝多個移栽機(jī)械手進(jìn)行移栽作業(yè)的穴盤苗移栽機(jī)。2015 年，韓綠化等[13]設(shè)計了一種穴盤苗移栽機(jī)兩指四針錯夾式取苗末端執(zhí)行器。然而，受定位精準(zhǔn)度，抓取效率，生產(chǎn)成本等因素的制約，國內(nèi)穴盤苗移栽裝備自動化程度低、成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，尚無法適應(yīng)蔬菜工廠化生產(chǎn)的實際要求，因此未獲得廣泛應(yīng)用[14-17]。

移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)和工作原理

整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理

自動移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示，采用單元模塊化設(shè)計，主要包括種植盤庫、轉(zhuǎn)接裝置、輸送裝置和移苗裝置，其中移苗裝置為關(guān)鍵部件，通過桁架結(jié)構(gòu)連接在種植盤庫與轉(zhuǎn)接裝置之間。根據(jù)蔬菜工廠化生產(chǎn)移苗作業(yè)要求，確定移苗設(shè)備系統(tǒng)主要工作參數(shù)和性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 設(shè)備系統(tǒng)主要工作參數(shù)和性能指標(biāo)

圖1 自動移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備啟動前，人工將種植盤擺放至種植盤庫中，使種植盤均勻地填充在種植盤隔槽中。設(shè)備啟動后雙臂機(jī)械手復(fù)位到原點；種植盤庫中托架升降機(jī)構(gòu)工作，將最底層種植盤送至轉(zhuǎn)接臺中的種植盤輸送裝置上；種植盤輸出裝置接到信號后將種植盤運(yùn)輸?shù)较尬谎b置處等待機(jī)械手抓??；育苗盤輸送裝置運(yùn)送育苗盤到指定位置；直線模組工作，驅(qū)動雙臂移動至限定位置；調(diào)距氣缸保持縮的狀態(tài)，驅(qū)動抓手移動至育苗盤處；夾爪氣缸伸縮，夾爪夾住種植杯；直線模組驅(qū)動雙臂將抓手移至輸送裝置上的種植盤處；調(diào)距氣缸伸長，分配盤沿軌跡向上運(yùn)動，調(diào)整夾爪間距，夾爪氣缸伸長，夾爪松開種植杯，將種植杯放至種植盤限位裝置處的種植盤中。

移苗裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

移苗裝置由抓手和直線模組組件構(gòu)成。其中抓手由滑軌、抓手連接板、抓杯連接板、夾爪氣缸、夾爪、調(diào)距氣缸、氣缸連接、抓手分配盤、Z 軸連接板組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。直線模組組件由X1 軸、X2 軸、Y1 軸、-Y2 軸、Z1 軸、Z2 軸、桁架組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示，單軸直線模組由同步帶、直線導(dǎo)軌、滑臺、電機(jī)、光電開關(guān)等組成。

圖2 抓手結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 桁架直線模組結(jié)構(gòu)示意圖

用螺栓和螺釘?shù)染o固件將所有相關(guān)零件進(jìn)行裝配，構(gòu)成抓手部件；沿抓手連接板長度方向安裝滑軌，多個滑塊配合安裝在滑軌上；每個滑塊固定連接一個抓杯連接板，每個抓杯連接板連接一個夾爪氣缸，每個夾爪氣缸連接一對夾爪，夾爪氣缸伸縮控制夾爪松開和夾緊種植杯。調(diào)距氣缸的頂端連接氣缸連接塊，氣缸連接塊與抓手分配盤固定連接，抓手分配盤上設(shè)置多組滑道，相鄰滑道間距離一致，相鄰的抓杯連接板通過抓手分配盤的上下運(yùn)動實現(xiàn)橫向運(yùn)動，以實現(xiàn)一次性多個種植杯的精準(zhǔn)移栽。用螺栓將Z 軸直線模組通過Z 軸滑臺固定于Y 軸直線導(dǎo)軌；用螺栓將Y軸和X 軸直線模組通過軸Y 軸、X 軸滑臺固定于桁架，構(gòu)成桁架直線模組組件。抓手部件通過-Z軸連接板用螺栓固定于Z 軸模組導(dǎo)軌，構(gòu)成移苗設(shè)備移苗裝置，對種植杯進(jìn)行精準(zhǔn)移位、夾持和投放。

空氣壓縮機(jī)提供氣源，啟動設(shè)備，雙臂機(jī)械手、育苗盤、種植盤復(fù)位；Y 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Y 軸相向運(yùn)動至育苗盤上方；夾爪氣缸收縮，夾爪夾住種植杯；Z 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Z+軸運(yùn)動，種植杯離開育苗盤；先X 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿X+軸運(yùn)動，后Y 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Y 軸相向運(yùn)動，機(jī)械手定位至種植盤上方；抓手氣缸（調(diào)距氣缸）收縮，進(jìn)行種植杯等距調(diào)整，調(diào)整后種植杯中心距與種植盤孔穴中心距保持一致；Z 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Z-軸運(yùn)動，種植杯底部距種植盤上方8 mm；夾爪氣缸收縮，夾爪投放種植杯；抓手氣缸（調(diào)距氣缸）收縮，將種植杯間距調(diào)還原至初，還原后種植杯中心距與育苗盤孔穴中心距保持一致；Z 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Z+軸運(yùn)動40 mm；先Y 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿Y 軸相背運(yùn)動，后X 軸電機(jī)驅(qū)動雙臂機(jī)械手沿X-軸移動至育苗盤下一組孔穴定位點。

移苗過程運(yùn)動學(xué)分析

移苗臂運(yùn)動學(xué)模型

移苗過程中，為保持設(shè)備作業(yè)的同步性和平衡性，設(shè)計雙臂機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖如圖4 所示。根據(jù)移苗軌跡，X、Y、Z 模組形成的機(jī)械臂進(jìn)行有序直線運(yùn)動。

圖4 雙臂機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖

如圖5 所示，裝置主要完成從96 穴育苗盤到8 穴種植盤的自動移苗。參照蔬菜工廠化生產(chǎn)栽培床單元布局?jǐn)[放育苗盤和種植盤，左機(jī)械臂對應(yīng)#Ⅰ育苗盤及#Ⅰ-1、#Ⅰ-2、#Ⅰ-3 種植盤，右機(jī)械臂對應(yīng)# Ⅱ育苗盤及# Ⅱ-1、# Ⅱ-2、# Ⅱ-3 種植盤。

圖5 移苗布局圖

取苗進(jìn)程與回程，投苗進(jìn)程與回程所形成的相對運(yùn)動軌跡分別相同。機(jī)械臂處于育苗盤上方時，抓手對種植杯進(jìn)行夾持；機(jī)械臂處于種植盤上方時，抓手對種植杯進(jìn)行投放。三維空間運(yùn)動軌跡如圖6 所示，實線為取苗投苗路徑，取苗與投苗進(jìn)程，移苗機(jī)械臂形成的偏角為0°或180°；虛線為取苗與投苗回程，偏角與取苗點和投苗點位置相關(guān)。

圖6 機(jī)械臂三維空間運(yùn)動軌跡

以左機(jī)械臂為例，xy 平面，投苗階段，# Ⅰ育苗盤位置(取苗點) 為A，# Ⅰ-1 種植盤位置（初投苗點）C。如圖7 所示，建立矢量封閉方程，。

圖7 矢量位移圖

建立坐標(biāo)系，將矢量式轉(zhuǎn)換為解析式，得出移苗臂位移方程與偏角θ。

如圖5 所示，d 為育苗盤穴孔中心距，D 為種植盤穴孔中心距，D’為相鄰種植盤穴孔中心距。

移苗臂結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

根據(jù)位移方程及運(yùn)動軌跡，移苗過程中，機(jī)械臂需完成X、Y、Z 方向直線運(yùn)動，選用線性模組，根據(jù)育苗盤及種植盤位置確定線性模組形程≤1000 mm，對移苗設(shè)備進(jìn)行三維建模，不斷緊湊優(yōu)化直線行程，確定X 軸和X+軸沿托盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Y1軸和Y2 軸沿垂直于托盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Z1 軸和Z2 軸沿豎直方向上下直線運(yùn)動行程為700 mm。

通過物性分析計算得出，X 軸需承受負(fù)載4.82 kg，Y 軸需承受負(fù)載 6.77 kg，Z 軸需承受負(fù)載29.47 kg。根據(jù)以上參數(shù)，選擇本體寬度為80 的同步帶直線模組，技術(shù)參數(shù)見表2。X 軸電機(jī)直連，Y1、Z1 軸和Y2、Z2 軸電機(jī)分別采用電機(jī)右折和電機(jī)左折方式連接。

表2 80 型同步帶直線模組技術(shù)參數(shù)

移苗過程動力學(xué)模型

夾持力力學(xué)模型

抓手設(shè)計最重要的是夾爪夾持力大小的控制，夾持力過大會導(dǎo)致種植杯受損，夾持力過小會導(dǎo)致無法取出種植杯或在夾持輸送過程中種植杯掉落。在抓手夾爪移苗過程中，夾持力的分析可以分為兩個階段：第1 階段是夾爪定位后將種植杯從育苗盤孔穴中拔起時的夾持力，這一階段受力比較復(fù)雜，種植杯受到夾爪的夾持力、拔起過程中的慣性力、種植杯本身的重力和育苗盤孔穴內(nèi)壁對種植杯的阻力，根據(jù)拔起過程中種植杯的運(yùn)動特點建立力學(xué)模型如圖8 所示；第2 階段是種植杯完全脫離育苗盤孔穴并在夾爪輸送時的夾持力，這一階段受力比較簡單，種植杯僅受到夾爪的夾持力和種植杯本身的重力，且此時的夾持力小于第1 階段的夾持力。如果第1 階段的夾持力滿足工作需求，則此夾持力肯定滿足第2 階段的工作需求，因此只研究第1 階段的夾持力。

圖8 夾持力力學(xué)模型

通過力學(xué)模型進(jìn)行受力分析可得，

式中，F(xiàn)1——夾持力

F2——拔起力

F3——孔穴壁阻力

Fa——慣性力

G——種植杯重力（帶苗）

μ——種植杯與夾爪之間摩擦系數(shù)

種植杯取出時孔穴壁與種植杯之間的摩擦力計算比較復(fù)雜,因此將孔穴壁與種植杯之間的最大靜摩擦力作為孔穴壁與種植杯之間的摩擦力。取孔穴深度h 一半徑為r 的微圓盤,則摩擦力為

式中，d ——種植杯直徑

μ——種植杯與孔穴壁最大靜摩擦因數(shù)

γ——育苗盤材料的比重

ν——泊松比

h——孔穴深度

z——孔穴深度

種植杯為圓管狀，種植杯與孔穴相交處直徑作為種植杯直徑；育苗盤材料的比重指的是塑料的相對密度，ν為10780 N/m3；泊松比指的是塑料橫向變形的彈性常數(shù)，查詢得ν取0.394；種植杯與孔穴壁最大靜摩擦因數(shù)μ取0.18。

由式（1）和（3）聯(lián)立得：

由夾持力公式計算，得出夾爪取苗夾持力2 N。

取苗末端執(zhí)行器參數(shù)分析

基于蔬菜工廠化生產(chǎn)模式，移苗主體為種植杯，設(shè)計圓管狀種植杯，杯沿直徑35 mm，杯沿下方直徑約27 mm，確定夾爪夾持點為杯沿下方，故夾爪開閉行程差 Δ S ≤8 mm，；根據(jù)夾爪尺寸設(shè)計，夾持點距離L 為30 mm，偏心距距離H 為24.5 mm。綜上所述，確定夾爪氣缸ATC-HFZ 型復(fù)動型氣動手指氣缸，主、側(cè)試圖如圖9 所示。

圖9 取苗夾爪工作狀態(tài)

查閱ATC-HFZ 系列產(chǎn)品概覽可知，當(dāng)氣動手指氣缸缸徑為16 時，理論閉合夾持力34 N，張開夾持力45 N；開閉行程（兩側(cè)）為6 mm，符合夾爪開閉行程差 設(shè)計要求；氣壓為0.5 MPa時，手指氣缸提供的理論夾持力為34 N，滿足夾持力2 N 需求，且對種植杯的夾持負(fù)載程度相對較輕，因此選取夾爪氣缸缸徑16 mm。

育苗盤和種植盤尺寸如表3，移苗裝置從育苗盤中取苗移至種植盤，需對穴孔中心距進(jìn)行調(diào)整即等距調(diào)整夾爪距離。調(diào)距氣缸控制抓杯連接板在抓手分配上做小于120 mm 豎直方向往復(fù)運(yùn)動，實現(xiàn)夾爪水平方向等距調(diào)整。綜上所述，選擇ATC-MA 型不銹鋼迷你氣缸，氣缸帶動抓杯連接板運(yùn)動軌跡示意圖如圖10 所示。

圖10 抓杯連接板運(yùn)動軌跡示意圖

表3 育苗盤、種植盤尺寸規(guī)格

移苗設(shè)備運(yùn)行速度0.3 m/s，查詢氣缸負(fù)載率和氣缸運(yùn)動速度關(guān)系表，取負(fù)載率為40%?？諌簷C(jī)額定排氣壓力0.7 MPa，氣缸工作壓力P 取0.5 MPa。調(diào)距氣缸垂直安裝，取安全系數(shù)k為2，調(diào)距氣缸主要推動連接塊和抓手分配盤運(yùn)動，物性計算得質(zhì)量為1.25 kg。

氣缸負(fù)載力

氣缸理論推力

氣缸缸徑

查閱ATC-MA 系列產(chǎn)品概覽可知，當(dāng)迷你氣缸缸徑為20 mm 時，標(biāo)準(zhǔn)行程有小于120 mm，符合抓手分配盤尺寸要求；氣壓為0.5 MPa 時，押側(cè)及拉側(cè)力大于184.7 N、219.8 N，滿足推押力大于125 N 需求，且對等距機(jī)構(gòu)作用程度相對較輕，因此選取調(diào)距氣缸缸徑20 mm。

試驗與分析

試驗條件及方法

在上海孫橋現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)進(jìn)行移苗效果測試，測試速度和成功率。測試環(huán)境溫度23.6～26.6 ℃，環(huán)境濕度44.2%～49.4%。移栽植株品種為生菜，苗齡為14 天，單株平均重量（含種植杯和基質(zhì)）為4.8 g，尺寸（高度× 寬度）為37 mm×33 mm。利用秒表對移苗設(shè)備的執(zhí)行情況做連續(xù)觀測。抓手精準(zhǔn)夾取種植杯，準(zhǔn)確投入種植盤穴孔內(nèi)視為移栽成功。

試驗結(jié)果與分析

試驗測試移苗裝置得速度及成功率，即從左右機(jī)械臂完成定位開始，至設(shè)備完成育苗盤中48個種植杯（單機(jī)械臂完成3 組種植盤）的抓取、移位、投放動作作為一個測試周期，測試在不同的調(diào)速脈沖參數(shù)值下的移苗速度，每種調(diào)速脈沖值下測試3 次，取算術(shù)平均值（表4）。

表4 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下平均移栽速度及移栽成功率測試結(jié)果表

由測試可知，隨著脈沖參數(shù)的提升，移栽速度幾乎呈線性上升，在調(diào)速脈沖值為80000 的情況下，移栽速度最快，平均可達(dá)90 棵/min。所有調(diào)速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。移栽成功率與移栽速度之間沒有顯著相關(guān)性，在調(diào)速脈沖值為60000 的情況下，移栽成功率最高。移苗設(shè)備在不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下，移苗裝置運(yùn)行速度穩(wěn)定、平穩(wěn)，沒有異常振動，設(shè)育苗盤、種植盤定位準(zhǔn)確，抓手能精準(zhǔn)抓取種植杯，種植杯能精準(zhǔn)投入種植盤孔穴內(nèi)。

結(jié)論

（1）設(shè)計了一種線性模組與抓手組合結(jié)構(gòu)，根據(jù)育苗盤、種植盤要求，確定移苗裝置各構(gòu)建尺寸關(guān)系，構(gòu)建移苗臂運(yùn)動模型，得出位移方程即運(yùn)動軌跡，確定線性模組運(yùn)動參數(shù)：X 方向水平直線行程為800 mm，Y 方向水平直線行程為800 mm，Z 方向上下直線運(yùn)動行程為700 mm，選型80 型同步帶直線模組。

（2）構(gòu)建夾持力力學(xué)模型，確定種植杯夾持力2 N，取苗末端執(zhí)行器調(diào)距氣缸缸徑為16 mm，夾爪氣缸缸徑為20 mm。

（3）根據(jù)試驗分析，設(shè)備在不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下，平均移栽成功率97.27%，移苗速度的最大誤差為+2 s，在誤差允許范圍±3 s 內(nèi)，滿足設(shè)計要求，驗證移苗裝置設(shè)計得可行性。