張 青，呂亞軍，初 麒，黎 波，王躍文，楊艷麗，辜 松

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幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 青1,2，呂亞軍1，初 麒1，黎 波1，王躍文1，楊艷麗3，辜 松1※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 2. 滁州學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，滁州 239000； 3. 廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642）

幼苗氣力拾取機(jī)構(gòu)是育苗生產(chǎn)裝備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，拾取機(jī)構(gòu)采用氣力拾取方法撿拾剛性平臺(tái)上的幼苗時(shí)，由于幼苗存在個(gè)體差異，氣力拾取手固定的吸附位置難以同時(shí)適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長耗能多的問題。針對以上問題，該文提出了一種由氣力拾取手與彈性苗托構(gòu)成的幼苗氣力柔性拾取方法，設(shè)計(jì)了采用直徑為0.32 mm鋼絲進(jìn)行緩沖的彈性苗托，對彈性苗托的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，并對剛性平臺(tái)與彈性苗托的拾取性能進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：彈性苗托的兩根緩沖鋼絲支撐間距為9 mm，苗托槽口深度為6 mm，鋼絲固定邊距為4 mm的條件下，可保證對2.8～5.1 mm范圍內(nèi)茄子接穗苗的吸附成功率達(dá)到90%以上。在保證吸附直徑4 mm茄子接穗苗成功的情況下，采用剛性平臺(tái)時(shí)，平均幼苗損傷率為21%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間為0.08 s；采用結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的彈性苗托時(shí)，平均幼苗損傷率降至5%，相對于剛性平臺(tái)時(shí)損傷率減少16%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間減少至0.03 s，相對于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少62.5%。該研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)機(jī)器人幼苗拾取裝置的開發(fā)提供了參考。

機(jī)械化；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；幼苗；氣力拾??；彈性苗托；剛性平臺(tái)；負(fù)壓

0 引 言

設(shè)施園藝生產(chǎn)是勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)[1-3]，據(jù)美國農(nóng)業(yè)部USDA園藝專項(xiàng)調(diào)查2014數(shù)據(jù)顯示，在園藝生產(chǎn)中勞動(dòng)力成本達(dá)到總生產(chǎn)成本的40%[4]。中國設(shè)施園藝生產(chǎn)機(jī)械化率僅在32.5%的低水平[5-7]，與歐美發(fā)達(dá)國家相比有著很大的差距，近年中國人工成本也迅速攀升，2001年至2010年，增長了237.3%，年均上漲14.6%[8-9]。因此在勞動(dòng)力成本增加和機(jī)械化程度低的2個(gè)因素作用下，中國設(shè)施園藝生產(chǎn)對自動(dòng)化裝備需求大幅增加[10-11]。

園藝生產(chǎn)的育苗環(huán)節(jié)作業(yè)量大，對生產(chǎn)裝備的需求最緊迫[12-14]。對于育苗生產(chǎn)裝備而言如嫁接機(jī)器人、組培機(jī)器人等，幼苗拾取機(jī)構(gòu)（嫁接機(jī)器人拾取接穗苗、組培機(jī)器人拾取待移栽幼苗）是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要部件[15-17]，相對于工業(yè)零件整齊均一化，幼苗拾取機(jī)構(gòu)適應(yīng)幼苗個(gè)體差異帶來的尺寸和形態(tài)變化一直以來是育苗生產(chǎn)裝備開發(fā)的技術(shù)難題[18-20]。

針對幼苗拾取機(jī)構(gòu)適應(yīng)幼苗個(gè)體差異的問題，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種形式的柔性拾取方法[21-23]。東芝公司在研制組培機(jī)器人時(shí)，開發(fā)出一種應(yīng)變片柔性夾持手；東京大學(xué)開發(fā)出一種鈦鎳記憶合金柔性夾持手，以上2種力定位形式的柔性夾持手可實(shí)現(xiàn)柔性夾持拾取幼苗，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，至今沒有得到推廣應(yīng)用[24]。國內(nèi)學(xué)者針對上述柔性夾持手結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出了氣力柔性拾取方法，該拾取法是利用負(fù)壓吸附幼苗，實(shí)現(xiàn)對幼苗的柔性撿拾與夾持。樓建忠等在開發(fā)嫁接機(jī)時(shí)，提出了利用吸頭吸附接穗幼苗子葉的方法[25-26]。楊艷麗等[27]提出了利用負(fù)壓吸附砧木子葉的方法，實(shí)現(xiàn)砧木定位。賈冬冬等[28]設(shè)計(jì)了一種吸附幼苗莖稈的負(fù)壓夾持手。李愷等[29]針對柔嫩組培苗設(shè)計(jì)了采用硅橡膠管制成的負(fù)壓拾取手。分析以上氣力拾取研究結(jié)果可知，現(xiàn)有研究雖然采用了氣力柔性拾取機(jī)構(gòu)，但針對托放被拾取幼苗的剛性平臺(tái)，吸嘴固定的吸附位置難以同時(shí)適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長耗能多的問題。

本文提出一種由氣力拾取手與彈性苗托構(gòu)成的幼苗氣力柔性拾取方法，采用彈性苗托放置幼苗，配合氣力拾取手柔性吸附幼苗莖桿的方式拾取幼苗，以期解決現(xiàn)有拾取機(jī)構(gòu)依托剛性平臺(tái)難以適應(yīng)幼苗個(gè)體差異性的問題。

1 氣力拾取特性分析

氣力拾取機(jī)構(gòu)依托剛性平臺(tái)拾取幼苗時(shí)，存在難以適應(yīng)幼苗尺寸和形態(tài)變化的問題。為了解決這一問題，本文首先對幼苗進(jìn)行剛性平臺(tái)上的氣力拾取特性分析。氣力拾取機(jī)構(gòu)由氣力拾取手、機(jī)械手和剛性平臺(tái)等組成，如圖1a所示。氣力拾取手為固定于機(jī)械手末端的負(fù)壓吸嘴，利用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，茄苗擺放在剛性平臺(tái)上，由可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）控制機(jī)械手和真空發(fā)生器，進(jìn)行拾取幼苗作業(yè)。試驗(yàn)時(shí)真空發(fā)生器供給負(fù)壓值設(shè)為32 kPa；考慮到幼苗的個(gè)體差異性，茄苗為苗徑在3.8～4.2 mm范圍內(nèi)的茄苗。試驗(yàn)考察不同吸附距離（圖1a）情況下成功拾起幼苗時(shí)的耗時(shí)情況。吸附距離為幼苗平置于剛性平臺(tái)上負(fù)壓吸嘴距莖稈上表面的高度，分別設(shè)為0，1，2，3 mm。試驗(yàn)考察指標(biāo)為拾取耗時(shí)情況以吸附響應(yīng)時(shí)間來衡量，其測定方法為：啟動(dòng)真空發(fā)生器為負(fù)壓吸嘴提供負(fù)壓，通過PLC控制氣力拾取手到達(dá)吸附位置（避開茄苗真葉），到達(dá)吸附位置后PLC啟動(dòng)其一內(nèi)置計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，接著利用真空壓力傳感器感知吸嘴內(nèi)部達(dá)到的負(fù)壓值，當(dāng)茄苗被吸附后吸嘴內(nèi)真空壓力定會(huì)達(dá)到設(shè)定值32 kPa以上，這時(shí)真空壓力傳感器會(huì)向PLC傳遞信號停止內(nèi)部計(jì)時(shí)，所記錄時(shí)間即為吸附響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)吸附距離分別進(jìn)行10次拾取試驗(yàn)。

1.機(jī)械手 2.負(fù)壓吸嘴 3.茄苗 4.剛性平臺(tái)

1.Manipulator 2.Negative pressure sucker 3.Eggplant seedlings 4.Rigid platform

注：為吸附距離即幼苗平置于剛性平臺(tái)上吸嘴與幼苗莖稈上表面之間的高度，mm。

Note:is adsorption distance, i.e., the height between the sucker and the upper surface of the seedling stem when the seedling placed on the rigid platform, mm.

圖1 氣力拾取手吸附示意圖

Fig.1 Adsorption of negative pressure pick-up finger

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，當(dāng)吸附距離從0增至2 mm時(shí)，平均吸附響應(yīng)時(shí)間由0.08增至0.4 s，響應(yīng)時(shí)間增加了5倍，大大降低了生產(chǎn)效率，吸附距離增至3 mm時(shí)，已無法成功拾取幼苗。

表1 吸附響應(yīng)時(shí)間與吸附距離的關(guān)系

吸附距離為0時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為0.03，說明吸附響應(yīng)時(shí)間分布較集中，拾取作業(yè)較穩(wěn)定，當(dāng)吸附距離增大時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變大，拾取作業(yè)的不穩(wěn)定性隨之增加，這是由于幼苗真葉的存在，幼苗置于剛性平臺(tái)上時(shí)處于一端高，一端低的狀態(tài)，而吸附距離設(shè)置為幼苗平置在剛性平臺(tái)上時(shí)吸嘴與莖稈表面之間的高度，當(dāng)吸嘴拾取幼苗時(shí)，易出現(xiàn)拾取手未到達(dá)既定的吸附距離吸嘴就已經(jīng)接觸到幼苗了，導(dǎo)致幼苗在剛性平臺(tái)上的位置發(fā)生變動(dòng)，當(dāng)拾取手到達(dá)既定的吸附距離時(shí)，吸嘴無法與幼苗莖稈對位吸附，影響吸附響應(yīng)時(shí)間，并存在吸嘴擠壓幼苗的情況，對幼苗造成損傷。

綜上所述，吸附距離顯著地影響吸附響應(yīng)時(shí)間，而依托剛性平臺(tái)拾取時(shí)拾取手固定的吸附距離無法適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，這是氣力拾取機(jī)構(gòu)在剛性平臺(tái)上拾取幼苗時(shí)，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長耗能多的根本原因。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了彈性苗托，如圖1b所示，幼苗放置于彈性苗托中的緩沖鋼絲上，由緩沖鋼絲的彈性變形來緩沖吸附不同苗徑幼苗時(shí)的壓力，從而避免對幼苗造成剛性擠壓損傷，因此對于吸附不同苗徑幼苗時(shí)，彈性苗托均可保證吸附距離為0；并且彈性苗托上設(shè)有V形槽口，槽口對幼苗有定位作用，解決放置于剛性平臺(tái)上的幼苗在拾取時(shí)幼苗位置易發(fā)生變動(dòng)，無法定位難以拾取的問題。

2 彈性苗托設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)條件

本文以茄子嫁接用接穗為作業(yè)對象，研究氣力柔性拾取特性。選取100株嫁接期茄子接穗苗（真葉5～7片），采用千分尺對其幾何形態(tài)特征值進(jìn)行測量，結(jié)果如表2所示。其中苗徑取距茄苗根部第一片真葉與距根部最近第二片真葉中間位置處莖桿直徑，吸附長度為距茄苗根部第一片真葉與距根部最近第二片真葉之間的莖桿長度即吸附位置處莖桿的長度，葉跨度為垂直于茄苗莖桿方向上，真葉之間最大的間距，如圖2所示。

表2 茄苗幾何形態(tài)特征值

由表2可知，茄苗吸附長度為1=9.1～15.3 mm。為了在不損傷茄苗的情況下，拾取手拾取所有茄苗，則拾取長度應(yīng)小于9.1 mm，但考慮到便于拾取手結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，拾取長度取為9 mm。

采用力學(xué)特性萬能試驗(yàn)臺(tái)（ZP-20N）對30株茄苗力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測試，測試樣本取為吸附位置處莖桿，統(tǒng)計(jì)出茄苗莖桿的徑向壓縮屈服點(diǎn)壓力為(2.14±0.60) N，超過茄苗屈服點(diǎn)壓力，茄苗將被壓壞。拾取手作業(yè)時(shí)對茄苗的壓力簡化為作用在兩緩沖鋼絲中間位置處的集中力，為確保所有茄苗不會(huì)被壓壞，茄苗承受的壓力應(yīng)小于茄苗屈服點(diǎn)壓力的最小值1.54 N。

根據(jù)李愷等[29]的研究，本文所采用的負(fù)壓吸嘴由壁厚為0.5 mm硅橡膠管制成，吸嘴長度為9 mm，吸嘴寬度為1.5 mm，導(dǎo)苗唇高為1.5 mm，其中導(dǎo)苗唇可起到導(dǎo)向的作用，增大吸嘴與幼苗的接觸面積，從而提高拾取手的吸附力，有利于吸附苗托中傾斜幼苗和小尺寸幼苗，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 苗托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)氣力拾取特性分析，拾取手利用負(fù)壓吸嘴柔性拾取苗托中的茄苗，由此可見苗托結(jié)構(gòu)形式將會(huì)影響拾取手的拾取效果。

彈性苗托由置苗板、緩沖鋼絲和固定板組成，如圖4所示，其中置苗板與緩沖鋼絲成對設(shè)置，置苗板上設(shè)有V形槽口，用于對幼苗進(jìn)行定位，緩沖鋼絲與置苗板鉸連接，一端設(shè)計(jì)為固定鉸支座，另一端設(shè)計(jì)為滑動(dòng)鉸支座。茄苗的直徑為2.8～5.1 mm，為了適應(yīng)直徑范圍內(nèi)的全部茄苗，苗托寬度（圖4b）應(yīng)設(shè)計(jì)為可適應(yīng)最大直徑的茄苗，同時(shí)考慮到便于結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)=5 mm。放入苗托中的茄苗由兩根緩沖鋼絲支撐，由于拾取長度為9 mm，設(shè)計(jì)兩根緩沖鋼絲之間的距離即支撐間距t為9 mm，考慮到置苗板厚度，鋼絲固定點(diǎn)到置苗板的距離即邊距（圖4c）設(shè)計(jì)為3 mm，后續(xù)將通過試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化。由于茄苗最大葉跨度100.3 mm，葉跨度近似以莖稈為軸線呈對稱分布，故苗托高度0設(shè)計(jì)為50 mm。

1.茄苗 2.置苗板 3.緩沖鋼絲 4.固定板

1.Eggplant seedlings 2.Plate to put seedling 3.Buffering steel cable 4.Fixing plate

注：為拾取手拾取作業(yè)時(shí)吸嘴對茄苗的壓力，N；t為兩根緩沖鋼絲之間的距離即支撐間距，mm；為苗托寬度，mm；為鋼絲固定點(diǎn)與置苗板之間的距離即邊距，mm；為置苗板V形槽口上邊緣與底邊緣之間的距離即槽口深度，mm；0為苗托總高，mm。

Note:is pressure on surface of seedling when picking hand picking up seedlings, N;tis support spacing which is distance between buffering steel cables, mm;is width of seedling seat, mm;is side distance which is distance between fixation point to plate, mm;is notch depth which is distance between top and bottom edges of V-notch of plate, mm;0is height of seedling seat, mm.

圖4 彈性苗托示意圖

Fig.4 Schematicdiagram of flexible seedling seat

拾取作業(yè)時(shí)由人工將茄苗放置于置苗板V形槽口中，茄苗莖稈由兩根緩沖鋼絲柔性支撐。置苗板V形槽口在直徑方向?qū)τ酌邕M(jìn)行定位，克服了現(xiàn)有拾取機(jī)構(gòu)幼苗放置于剛性平臺(tái)上時(shí)無法定位，拾取困難等問題；彈性苗托具有一定的高度，幼苗在緩存鋼絲上處于平置的狀態(tài)，解決了幼苗置于剛性平臺(tái)上由于真葉的存在處于一端高、一端低的狀態(tài)，導(dǎo)致拾取作業(yè)不穩(wěn)定的問題；在緩沖鋼絲的彈性變形作用下，當(dāng)吸嘴接觸幼苗時(shí)，鋼絲彎曲變形幼苗隨之下沉，從而避免對幼苗剛性擠壓，并可保證吸附不同直徑幼苗時(shí)，吸附距離為0，從而解決了采用剛性平臺(tái)時(shí)固定的吸附距離吸嘴擠壓幼苗造成損傷的問題。

2.3 緩沖鋼絲受力分析

緩沖鋼絲的彎曲變形特性直接影響拾取作業(yè)效果，變形過小，拾取時(shí)將對幼苗造成擠壓損傷，變形過大，吸嘴與幼苗莖稈之間存在一定的吸附距離，無法使吸嘴負(fù)壓腔封閉，導(dǎo)致對幼苗的吸附力不足，影響拾取效果。

由于緩沖鋼絲與置苗板之間鉸連接，并且一端為固定鉸支座、另一端為滑動(dòng)鉸支座，將單根緩沖鋼絲簡化成簡支梁，其受力分析的簡化模型如圖5所示。根據(jù)材料力學(xué)理論[30]，可知承受集中力簡支梁的中點(diǎn)撓度計(jì)算公式為

式中為緩沖鋼絲兩端鉸接點(diǎn)、之間的距離，mm；c為緩沖鋼絲彎曲變形后的中點(diǎn)撓度值，mm；1為吸嘴對幼苗的壓力分解到其中一根鋼絲上的分壓力，N；為緩沖鋼絲的慣性矩；為緩沖鋼絲的彈性模量。

注：,為緩沖鋼絲兩端鉸接點(diǎn)；為吸嘴對幼苗壓力作用點(diǎn)；c為緩沖鋼絲彎曲變形后的中點(diǎn)撓度值，mm；為鉸接點(diǎn)、之間的距離，mm；1為吸嘴對幼苗的壓力分解到其中一根鋼絲上的分壓力，N。

Note:andare hinge points at end of buffering steel cable;is action pointof sucker pressuring on seedling;cis deflection of buffering steel cable after bending, mm;is distance between hinge pointsand, mm;1is the pressure of sucker pressuringon seedling decomposition to one of the steel cable, N.

圖5 緩沖鋼絲受力分析圖

Fig.5 Diagram of force analysis of buffering steel cable

由2.1節(jié)分析可知，茄苗承受壓力應(yīng)小于1.54 N，設(shè)計(jì)時(shí)取1.54 N，將壓力分解到兩根緩沖鋼絲上，則其中一根鋼絲承受壓力1為的一半即1=0.77 N（茄苗苗質(zhì)量相對于壓力較小，不予考慮）；受拾取手結(jié)構(gòu)尺寸限制，設(shè)計(jì)為20 mm；作業(yè)時(shí)為達(dá)到較好的吸附效果，吸嘴與最小苗徑2.8 mm茄苗接觸時(shí)吸附距離為0 mm，此時(shí)要求緩沖鋼絲撓度|c|≥1.15 mm，才能保證拾取最大直徑5.1 mm茄苗時(shí)不損傷幼苗，取|c|=1.15 mm，進(jìn)一步分析撓度的方向可知，c=?1.15 mm；為了獲得較好的變形性能，選用常用的碳素彈簧鋼絲（65 Mn），其彈性模量為210 GPa。

通過式（1）可知緩沖鋼絲的慣性矩為=5.31′10-16m4。對于截面形狀為圓形的鋼管其慣性矩計(jì)算公式為式（2）。通過式（2）確定緩沖鋼絲直徑為0.32 mm。

3 幼苗氣力拾取試驗(yàn)

拾取試驗(yàn)一是探究采用彈性苗托后的拾取作業(yè)特性及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，二是對剛性平臺(tái)和彈性苗托2種工況下的拾取特性進(jìn)行對比。

3.1 彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料與方法

如圖4所示，幼苗由兩根緩沖鋼絲兩點(diǎn)支撐，故支撐間距t影響拾取效果，由于拾取手拾取長度為9 mm，拾取手拾取位置為兩根緩沖鋼絲之間的幼苗莖稈位置即吸附位置（圖2），故支撐間距t三水平取為7，9，11 mm。放入彈性苗托中的幼苗由置苗板V形槽口限位，故鋼絲固定點(diǎn)到置苗板的距離即邊距與置苗板槽口深度影響拾取性能，過大會(huì)導(dǎo)致幼苗限位不佳，而過小會(huì)導(dǎo)致苗托兩端幼苗懸空，同樣不能較好定位幼苗；由于幼苗端頭有真葉，過大會(huì)導(dǎo)致真葉受到擠壓，影響后續(xù)作業(yè)，過小達(dá)不到限位的作用。根據(jù)前期設(shè)計(jì)，邊距三水平分別取為2，3，4 mm；由于最大苗徑為5.1 mm，為容納所有嫁接用茄苗三水平分別為4，5，6 mm。試驗(yàn)考察t、和變化下的拾取作業(yè)性能，包括吸附成功率和幼苗損傷率，其中幼苗被成功拾取后并向上提起5 mm離開苗托時(shí)牢固吸附在負(fù)壓吸嘴上為吸附成功；幼苗莖桿表面出現(xiàn)明顯壓傷破損、真葉折斷統(tǒng)稱為幼苗損傷。試驗(yàn)時(shí)苗徑為平均苗徑4 mm（實(shí)際包括苗徑3.8～4.2 mm），真空度為32 kPa，吸附響應(yīng)時(shí)間為0.08 s，采用三因素三水平全排列方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共計(jì)27組，為了測得吸附成功率和幼苗損傷率，每組試驗(yàn)重復(fù)30次，試驗(yàn)氣路連接如圖6所示[29]。

3.1.2 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。支撐間距t，邊距和槽口深度的極差分別為60，20和46，故3個(gè)因素對吸附成功率影響顯著性為支撐間距t>槽口深度>邊距。

根據(jù)表3，支撐間距影響最顯著。這是因?yàn)橹伍g距過小，負(fù)壓吸嘴接觸幼苗時(shí)，幼苗移動(dòng)，與吸嘴產(chǎn)生對位偏差，無法形成封閉負(fù)壓腔，導(dǎo)致吸附失敗，進(jìn)一步分析可知，支撐間距為7 mm時(shí)，吸附成功率為0～37%。而支撐間距過大，吸嘴接觸幼苗時(shí)，易導(dǎo)致幼苗莖桿發(fā)生較大彎曲，同樣影響吸附成功率，可知支撐間距為11 mm時(shí)，吸附成功率為7%～77%。

槽口深度對吸附成功率影響較顯著，兩者之間呈單調(diào)上升的關(guān)系，主要反映在槽口深度太小，拾取時(shí)幼苗彎曲變形易偏至槽口外，不利于幼苗定位，當(dāng)槽口深度約等于最大苗徑5.1 mm時(shí)，仍有部分幼苗彎曲變形偏至槽口外，無法定位，試驗(yàn)顯示最佳槽口深度為6 mm。邊距總體上對吸附成功率影響較小。

由表3可知，支撐間距對幼苗損傷率影響較顯著，支撐間距為7和11 mm時(shí)，幼苗損傷率相對于支撐間距為9 mm時(shí)較大。極差分析結(jié)果顯示，支撐間距為9 mm，邊距為4 mm，槽口深度為6 mm為最佳吸附作業(yè)參數(shù)組合，此時(shí)可保證對2.8～5.1 mm范圍內(nèi)嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率達(dá)到90%以上，幼苗損傷率10%以下。

表3 彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

注：以吸附成功率為指標(biāo)對各因素進(jìn)行極差分析。

Note: Success ratio of adsorption as an indicator is used to analyze the range of various factors.

3.2 拾取方式比較試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料與方法

為比較彈性苗托和剛性平臺(tái)2種工況下的拾取性能，進(jìn)行拾取方式比較試驗(yàn)，如圖7所示。根據(jù)彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)，彈性苗托的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)均設(shè)為最佳參數(shù)，選取苗徑為4 mm的茄苗，通過變化供給負(fù)壓和苗質(zhì)量，保持吸附距離為0的情況下，分別考察采用彈性苗托和剛性平臺(tái)時(shí)的拾取作業(yè)特性。供給負(fù)壓分別為10，32，54 kPa，苗質(zhì)量分別為1，2，3 g，考察指標(biāo)為幼苗損傷率和吸附響應(yīng)時(shí)間?？紤]到茄子接穗苗個(gè)體差異性，苗徑為4 mm的茄苗包括3.8～4.2 mm范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為1 g的茄苗包括在0.8～1.2 g范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為2 g的茄苗包括在1.8～2.2 g范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為3 g的茄苗包括在2.8～3.2 g范圍內(nèi)茄苗。采用兩因素三水平全排列方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共計(jì)9組，為了測得幼苗損傷率，每組試驗(yàn)重復(fù)30次。

3.2.2 比較試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，采用剛性平臺(tái)時(shí)，平均幼苗損傷率為21%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間為0.08 s；而采用彈性苗托后，平均幼苗損傷率降至5%，相對于剛性平臺(tái)時(shí)損傷率減少16%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間減少至0.03 s，相對于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少62.5%。

表4 比較拾取試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)表4可知，采用剛性平臺(tái)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間與供給負(fù)壓呈單調(diào)下降的關(guān)系，當(dāng)供給負(fù)壓為10 kPa時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間為0.1～0.15 s，增至32 kPa時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間減少至0.05～0.1 s，供給負(fù)壓繼續(xù)增長，吸附響應(yīng)時(shí)間始終大于0.05 s。分析其原因可知：由于負(fù)壓吸嘴從剛性平臺(tái)上拾取幼苗，作業(yè)時(shí)吸附距離設(shè)置為0，而大部分茄苗由于有真葉的存在，當(dāng)吸嘴接觸茄苗時(shí)，茄苗發(fā)生偏移，導(dǎo)致吸附響應(yīng)時(shí)間較長。

改用彈性苗托后，由于置苗板的限位作用，始終保持較小的吸附響應(yīng)時(shí)間，其平均吸附響應(yīng)時(shí)間為0.03 s，相比剛性苗座平均吸附響應(yīng)時(shí)間0.08 s，減少了62.5%。

采用剛性平臺(tái)時(shí)，幼苗損傷率為13%～30%。試驗(yàn)時(shí)吸附距離為0 mm，即吸嘴與苗徑上表面接觸，但是由于茄苗端頭真葉的存在，實(shí)際茄苗在剛性平臺(tái)上時(shí)并不是平置，而是一端高一端低（圖7a），故拾取作業(yè)時(shí)定會(huì)對幼苗造成一定損傷，嚴(yán)重時(shí)將幼苗從中折斷，由于真葉大小、形狀不同，導(dǎo)致擠壓時(shí)間不同以及茄苗幼嫩程度不同等等造成了損傷率的變化。進(jìn)一步分析可知，供給負(fù)壓從10增至32 kPa時(shí)，損傷率呈減小的趨勢，當(dāng)供給負(fù)壓繼續(xù)增大時(shí)，損傷率基本保持在13%～23%之間。改用彈性苗托后，幼苗損傷率較剛性平臺(tái)時(shí)大大降低，損傷率均小于10%。

響應(yīng)時(shí)間與苗質(zhì)量呈單調(diào)遞增的關(guān)系。幼苗損傷率與苗質(zhì)量之間無較明顯單調(diào)關(guān)系，呈現(xiàn)隨機(jī)變化。

4 結(jié) 論

1）采用氣力拾取手輔助以彈性苗托拾取幼苗，可以克服在剛性平臺(tái)上由于固定的吸附位置難以適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，并降低拾取作業(yè)時(shí)幼苗損傷率和提高吸附成功率。

2）彈性苗托的兩根緩沖鋼絲支撐間距為9 mm，苗托槽口深度為6 mm，鋼絲固定邊距為4 mm的條件下，可保證對2.8～5.1 mm范圍內(nèi)嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率達(dá)到90%以上。

3）對直徑為4 mm嫁接用茄子接穗苗在剛性平臺(tái)與彈性苗托2種工況下的拾取作業(yè)性能進(jìn)行比較：采用彈性苗托時(shí)幼苗損傷率降至5%，相對于剛性平臺(tái)時(shí)幼苗損傷率減少16%；平均吸附響應(yīng)時(shí)間為0.03 s，相對于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少62.5%，大幅提高生產(chǎn)率，降低耗氣量。

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Design and experiment on flexible seedling seat of pneumatic pick-up for seedlings

Zhang Qing1,2, Lü Yajun1, Chu Qi1, Li Bo1, Wang Yuewen1, Yang Yanli3, Gu Song1※

(1.,,510642,; 2.,,239000,; 3..,,510642,)

In recent years, under the dual pressures of labor and mechanization, the demand for gardening equipment in the facility is increasing in China. Especially the nursery part has the heavy workload, and there is the most urgent demand for automatic production equipment. Pick-up mechanism is a key part of most nursery production equipment, the pneumatic pick-up is a flexible clamping technology, and it is developed for the seedling clamping job in recent years, but the existing flexible pneumatic pick-up method is based on a rigid platform to pick up seedlings. Because there are individual differences of seedlings, the existing pick-up mechanism is difficult to adapt to the changes of seedlings size and morphology, which results in the stationary adsorption distance that makes it difficult to adsorb all the seedlings on the rigid platform. In the pick-up operation, the negative pressure sucker is set to contact with the seedlings, but the seedlings with true leaves on the rigid platform are not kept at the horizontal state, which will lead to the problems of being difficult of adsorbing seedlings, long operating time, and consuming energy. To solve the above problems, based on vacuum adsorption principle, the study comes up with a flexible pneumatic pick-up method for seedlings. The method is constituted by the negative pressure pick-up finger and flexible seedling seat. The flexible seedling seat designed in this study consists of the plate to put seedling, the buffering steel cable and the fixing plate. The eggplant seedlings are manually placed on the plate with the V-notch, so the eggplant seedlings are limited by the V-notch in the diameter direction. The flexible seedling seat has a certain height, and the seedlings is in the horizontal state on the buffering steel cable, thus solving the problem that the pick-up operation is unstable because it is one end high and one end low for the seedlings due to the existence of the true leaves. At the same time the seedlings are supported by the buffering steel cable. The seedlings on buffering steel cable can avoid rigid extrusion when they are on the rigid platform. By the stress analysis, buffering steel cable diameter is calculated to be 0.32 mm. Because the maximum leaf span is 100.3 mm, the height of seedling seat is designed as 50 mm. In summary, the flexible seedling seat is better than the rigid platform on locating seedlings. The flexible seedling seat can correct the seedling place position. Because of the buffering effect of the flexible seedling seat, it can resolve the problem that the rigid platform is difficult to adapt to the size and morphology of seedlings. On this basis, the experiment is performed to optimize the structural parameter of flexible seedling seat. And the comparison test of the pick-up performance between the rigid platform and the flexible seedling seat is carried out. Test shows that: The support spacing between 2 buffering steel cables of the flexible seedling seat is 9 mm, the notch depth to holding seedling is 6 mm, and the side distance between the fixation point of buffering steel cable and the plate is 4 mm. At the above conditions, the adsorption pick-up success rate can be guaranteed to be over 90% within 2.8-5.1 mm range for eggplant seedlings. On the base of absorbing eggplant seedlings scion successfully with the diameter of the seedling of 4 mm (the diameter of the seedling between 3.8 to 4.2 mm also is classified as the diameter 4 mm), when it is on the rigid platform, the average seedling injury rate is 21%, the average response time for the adsorption is 0.08 s; when it is on the flexible seedling seat with the best combination of structural parameters, the average seedling injury rate is 5%, which is decreased by 16% compared with the rigid platform, the average adsorption response time reduces to 0.03 s, and the productivity increases by 62.5% compared with that on the rigid platform. The findings will provide an important reference for the development of picking device for agricultural robot.

mechanization; optimization; design; seedlings; pneumatic pick-up; flexible seedling seat; rigid platform; negative pressure

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010

S233.74

A

1002-6819(2017)-04-0069-07

2016-06-19

2016-12-25

國家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2013AA10240603）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20124404110004）

張 青，女（漢），安徽安慶人，助教，主要從事智能裝備的研究與教學(xué)。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。 Email：qingzhang416@sina.com

辜 松，男（漢），廣東廣州，教授，博士，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)智能裝備的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。 Email：sgu666@sina.com

張 青，呂亞軍，初 麒，黎 波，王躍文，楊艷麗，辜 松. 幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：69－75. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 http://www.tcsae.org

Zhang Qing, Lü Yajun, Chu Qi, Li Bo, Wang Yuewen, Yang Yanli, Gu Song. Design and experiment on flexible seedling seat of pneumatic pick-up for seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 69－75. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 http://www.tcsae.org