胡建平 潘 杰 張晨迪 張思偉 費(fèi)衛(wèi)征 潘浩然

(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)

0 引言

蔬菜生產(chǎn)是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大，制約了蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。蔬菜育苗移栽是蔬菜生產(chǎn)的主要方式，實(shí)現(xiàn)蔬菜自動(dòng)化移栽已成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的迫切需求和未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。栽植機(jī)構(gòu)是自動(dòng)移栽機(jī)的核心工作部件之一，不論是由人工將苗缽?fù)度朐灾沧爝M(jìn)行移栽作業(yè)的半自動(dòng)移栽機(jī)械，還是能同時(shí)自動(dòng)完成取苗和植苗動(dòng)作的全自動(dòng)移栽機(jī)械，均需要一套栽植機(jī)構(gòu)來完成最終的植苗動(dòng)作。作為將穴盤苗植入大田的直接作業(yè)機(jī)構(gòu)，栽植機(jī)構(gòu)的性能直接決定著穴盤苗的移栽立苗率和移栽機(jī)整機(jī)性能[3-4]。

常見的栽植機(jī)構(gòu)有鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式、吊籃式、鴨嘴式等。鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式需配合開溝器使用，與我國(guó)蔬菜起壟種植的農(nóng)藝要求不符[5]。吊籃式和鴨嘴式可直接進(jìn)行壟上打穴移栽，但吊籃式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，多用于國(guó)外大型農(nóng)場(chǎng)[6]。

日本的洋馬公司最早研制出行星輪-滑道式栽植機(jī)構(gòu)，作業(yè)時(shí)鴨嘴在行星輪系和滑道的共同作用下，按照設(shè)計(jì)的軌跡和姿態(tài)打穴移栽，將缽苗植入土中。該栽植機(jī)構(gòu)受滑道限制，只能安裝一個(gè)栽植器，且行星輪的轉(zhuǎn)速不能過快，限制了該栽植機(jī)構(gòu)的作業(yè)效率[7]。胡建平等[8-9]提出一種行星輪多轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)，以行星輪單轉(zhuǎn)臂為對(duì)象，仿真分析了在不同特征參數(shù)λ下的前、后鴨嘴末端運(yùn)動(dòng)軌跡及缽苗栽植狀態(tài)，得到了缽苗直立度較好的λ值，但未對(duì)栽植機(jī)構(gòu)主要參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。金鑫等[10]以缽苗栽植過程中位于栽植器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)階段為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)缽苗運(yùn)動(dòng)過程動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，得出了栽植器最佳初始位置及結(jié)構(gòu)參數(shù)，但未對(duì)栽植軌跡進(jìn)行優(yōu)化。俞高紅等[11]設(shè)計(jì)了行星輪系旋轉(zhuǎn)式栽植機(jī)構(gòu)，構(gòu)建了一種能夠滿足大株距移栽作業(yè)軌跡的非圓齒輪傳動(dòng)比函數(shù)，通過人機(jī)交互方法優(yōu)化出一組符合要求的較優(yōu)機(jī)構(gòu)參數(shù)，但其僅針對(duì)單一株距。

針對(duì)不同作物移栽時(shí)的不同株距問題，本文在前期研究基礎(chǔ)上，以行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。通過對(duì)栽植機(jī)構(gòu)前后栽植點(diǎn)軌跡的理論研究，由計(jì)算機(jī)輔助分析進(jìn)行機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，得出一組能夠適用于自走式多行移栽機(jī)、滿足多株距移栽要求的栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)。并進(jìn)行田間植苗驗(yàn)證試驗(yàn)，以改善行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)栽植性能，提高其適用性及通用性。

1 移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 栽植部件傳動(dòng)方案Fig.1 Transmission method of planting device1.栽植單體 2.鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 3.T型減速機(jī) 4.底盤動(dòng)力輸出軸 5.液壓提升裝置 6.底盤架 7.栽植支架

自走式移栽機(jī)行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)的動(dòng)力傳輸如圖1所示。主要由底盤動(dòng)力輸出軸、T型減速機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成；作業(yè)時(shí)，栽植機(jī)構(gòu)隨移栽機(jī)整體向前運(yùn)動(dòng)，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力由動(dòng)力輸出軸經(jīng)T型減速機(jī)由鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞至栽植單體帶動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)栽植鴨嘴在土里打穴移栽，將穴盤苗植入田中。

每組栽植單體可實(shí)現(xiàn)兩行蔬菜移栽，通過組合栽植單體可實(shí)現(xiàn)多行作業(yè)；底盤液壓提升裝置可以實(shí)現(xiàn)栽植部件升降，可根據(jù)壟高調(diào)節(jié)栽植部件整體高度以保證移栽深度，使移栽機(jī)能夠適應(yīng)不同壟高及平地移栽。

行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由行星輪轉(zhuǎn)臂平動(dòng)機(jī)構(gòu)和鴨嘴開合機(jī)構(gòu)2部分組成。行星輪轉(zhuǎn)臂平動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括行星輪驅(qū)動(dòng)部件、行星架和栽植臂，其中行星輪驅(qū)動(dòng)部件由一個(gè)中心輪、兩組對(duì)稱的惰輪和行星輪組成；鴨嘴開合機(jī)構(gòu)主要包括鴨嘴式栽植器、凸輪、頂桿、滑槽、后轉(zhuǎn)板和前轉(zhuǎn)板，其中鴨嘴式栽植器由前鴨嘴、后鴨嘴、前鴨嘴固定板、后鴨嘴固定板、接苗斗和拉簧組成。

圖2 栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of planting mechanism1.前轉(zhuǎn)板 2.后轉(zhuǎn)板 3.頂桿 4.滑槽 5.行星輪 6.惰輪 7.中心輪 8.拉簧 9.接苗斗 10.行星架 11.凸輪 12.栽植臂 13.后鴨嘴固定板 14.前鴨嘴固定板 15.前鴨嘴 16.后鴨嘴 17.中心輪軸 18.固定架

圖3 栽植機(jī)構(gòu)作業(yè)過程Fig.3 Working process of planting mechanism

作業(yè)時(shí)，栽植機(jī)構(gòu)隨移栽機(jī)整體向前運(yùn)動(dòng)，底盤動(dòng)力經(jīng)分動(dòng)箱由鏈傳動(dòng)傳遞至從動(dòng)鏈輪的中心輪軸帶動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)惰輪和行星輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，惰輪與中心輪軸同向轉(zhuǎn)動(dòng)，行星輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)。作業(yè)過程如圖3所示，由于齒輪嚙合作用，行星輪帶動(dòng)安裝在其轉(zhuǎn)軸上的栽植臂一起繞中心輪中心轉(zhuǎn)動(dòng)，且栽植臂始終保持水平；行星架帶動(dòng)凸輪繞其旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，與頂桿擠壓碰撞推動(dòng)頂桿按一定運(yùn)動(dòng)規(guī)律移動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)后轉(zhuǎn)板帶動(dòng)后鴨嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，后轉(zhuǎn)板推動(dòng)前轉(zhuǎn)板帶動(dòng)前鴨嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鴨嘴的打開動(dòng)作,且鴨嘴打開時(shí)，前后鴨嘴末端應(yīng)位于同一水平線，拉簧的彈力保證頂桿和凸輪始終接觸，實(shí)現(xiàn)鴨嘴的閉合回位。如此循環(huán)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鴨嘴的循環(huán)開合，完成鴨嘴栽植器打穴、移栽作業(yè)。

2 行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1 理論模型

由于栽植機(jī)構(gòu)兩組轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，因此取其中一組轉(zhuǎn)臂進(jìn)行建模分析。由栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理可知，其由行星輪轉(zhuǎn)臂平動(dòng)機(jī)構(gòu)和鴨嘴開合機(jī)構(gòu)兩部分組成，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 栽植機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematics of planting mechanism

圖4a為行星輪轉(zhuǎn)臂平動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，A為以中心輪中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，其固連在固定架上，隨底盤向前運(yùn)動(dòng)；B為以行星輪中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系，其整體繞A旋轉(zhuǎn)，行星架AB為原動(dòng)件。圖4b為鴨嘴開合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，即B坐標(biāo)系圖，凸輪固接于行星架上隨其轉(zhuǎn)動(dòng)；C點(diǎn)為后鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心，D點(diǎn)為前鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心；E、F為前、后兩轉(zhuǎn)板鉸接點(diǎn)位置，將其與后鴨嘴轉(zhuǎn)軸C點(diǎn)間關(guān)系簡(jiǎn)化為桿CE、CF，P、Q為前后鴨嘴栽植點(diǎn)[12-13]。

當(dāng)移栽機(jī)向前行駛時(shí)，底盤動(dòng)力由鏈傳動(dòng)帶動(dòng)行星架AB順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鴨嘴開合機(jī)構(gòu)即B坐標(biāo)系整體繞A坐標(biāo)系轉(zhuǎn)動(dòng)；凸輪隨行星架AB轉(zhuǎn)動(dòng)角度φ后產(chǎn)生推程推動(dòng)頂桿FG平動(dòng)，從而推動(dòng)后鴨嘴部件ECFQ繞C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而在E點(diǎn)滑槽作用下帶動(dòng)前鴨嘴部件EDP繞D點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，使前后鴨嘴兩栽植點(diǎn)P、Q作開合運(yùn)動(dòng)，完成栽植動(dòng)作。

2.2 運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

如圖4，以中心輪中心為原點(diǎn)建立A坐標(biāo)系，以行星輪中心為原點(diǎn)建立B坐標(biāo)系，移栽機(jī)前進(jìn)方向與x軸正向相同。令xB表示參數(shù)在B坐標(biāo)系中的x方向分量表達(dá)式，yB表示參數(shù)在B坐標(biāo)系中的y方向分量表達(dá)式，通過建立栽植器前后鴨嘴栽植點(diǎn)P、Q運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，來優(yōu)化栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。在B坐標(biāo)系中，當(dāng)前后鴨嘴CQ、DP位于初始位置時(shí)，Q、P重合，可求得

(1)

式中θo1——初始位置后鴨嘴CQ與豎直線夾角，(°)

θo2——初始位置前鴨嘴DP與豎直線夾角，(°)

xBH——前后鴨嘴閉合時(shí)的重合點(diǎn)H位于xB軸上的坐標(biāo)值

xBC——C點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

xBD——D點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

L4——后鴨嘴末端點(diǎn)至后鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心的距離，mm

L5——前鴨嘴末端點(diǎn)至前鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心的距離，mm

為使栽植點(diǎn)位于栽植器中間，則XBH為XBCXBD中點(diǎn)，可求得

(2)

可求得

(3)

當(dāng)行星架AB轉(zhuǎn)動(dòng)使凸輪頂桿推動(dòng)ECFQ轉(zhuǎn)動(dòng)θ1角至E′CF′Q′位置、EDP轉(zhuǎn)動(dòng)θ2角至E′DP′位置時(shí)，由

(4)

式中α——初始位置CF與水平線夾角，(°)

s(φ)——滾子G的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與某時(shí)刻行星架轉(zhuǎn)過的角位移φ的關(guān)系函數(shù)

L1——FG的長(zhǎng)度，mm

L2——CF的長(zhǎng)度，mm

可求得

(5)

由LCE=LCE′=L3(LCE、LCE′表示CE、CE′的長(zhǎng)度),可求得

(6)

式中LEE′——EE′的長(zhǎng)度，mm

E點(diǎn)的位移坐標(biāo)方程為

(7)

式中xBE——E點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

yBE——E點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

β——初始位置CE與水平線夾角，(°)

E′點(diǎn)的位移坐標(biāo)方程為

(8)

式中xBE′——E′點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

yBE′——E′點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

由式(7)、(8)可求得EE′的長(zhǎng)度，由D點(diǎn)坐標(biāo)(xBD,yBD)可求得DE、DE′的長(zhǎng)度LDE、LDE′。

由公式

(9)

可求得

(10)

則P點(diǎn)在B坐標(biāo)系中的位移坐標(biāo)方程為

(11)

式中xBP——P點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

yBP——P點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

Q點(diǎn)在B坐標(biāo)系中的位移坐標(biāo)方程為

(12)

式中xBQ——Q點(diǎn)位于xB軸上的坐標(biāo)值

yBQ——Q點(diǎn)位于yB軸上的坐標(biāo)值

若移栽機(jī)前進(jìn)速度為ve，行星架旋轉(zhuǎn)角速度為ωd，則B點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(13)

式中xB——B點(diǎn)位于x軸上的坐標(biāo)值

yB——B點(diǎn)位于y軸上的坐標(biāo)值

Rd——行星架旋轉(zhuǎn)半徑，即行星輪與中心輪旋轉(zhuǎn)中心的距離，mm

則前后鴨嘴栽植點(diǎn)P、Q的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(14)

(15)

根據(jù)以上幾何關(guān)系及P、Q點(diǎn)軌跡方程，利用Matlab對(duì)該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行編程，建立其分析程序模型，將一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期分解為若干個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，求解出前后鴨嘴栽植點(diǎn)(P、Q)在每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的坐標(biāo)值，擬合為運(yùn)動(dòng)軌跡曲線輸出，并用圖形表示出來。

3 主要參數(shù)對(duì)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性影響分析

根據(jù)所建立數(shù)學(xué)模型，基于Matlab GUI設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，如圖5所示。該界面主要包括凸輪滾子運(yùn)動(dòng)規(guī)律調(diào)入?yún)^(qū)、參數(shù)初值輸入?yún)^(qū)、軌跡分析區(qū)、運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)、軌跡對(duì)比區(qū)、實(shí)時(shí)參數(shù)返回區(qū)和參數(shù)組合寄存區(qū)等。該優(yōu)化設(shè)計(jì)界面通過可視化設(shè)計(jì)，將行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)前后鴨嘴栽植點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)展現(xiàn)在設(shè)計(jì)者面前[14-16]，綜合考慮幾何關(guān)系及布置空間，以栽植機(jī)構(gòu)Rd、L3、β、L4為變量參數(shù)。結(jié)合缽苗葉冠直徑及實(shí)際作業(yè)工況，初選一組結(jié)構(gòu)參數(shù)L1=83 mm，L2=22 mm，L3=38 mm，L4=145 mm，Rd=120 mm，α=82°，β=8°，C(105，-22)，D(165，-17)，分別在3個(gè)適應(yīng)于大多數(shù)蔬菜的株距下，分析變量參數(shù)對(duì)栽植軌跡的影響趨勢(shì)，由此通過人機(jī)交互逐步調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)，使栽植軌跡達(dá)到作業(yè)要求[17-18]。

圖5 輔助優(yōu)化工具人機(jī)交互界面Fig.5 Human-computer interaction interface

3.1 行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd對(duì)栽植軌跡的影響

對(duì)比圖6中的栽植軌跡可以看出，特征參數(shù)λ一定時(shí)，隨著行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd的增大，后鴨嘴形成的環(huán)扣形狀變大，后鴨嘴避苗空間變大，且前鴨嘴軌跡向環(huán)扣靠攏，前鴨嘴的避苗空間減小；前后鴨嘴軌跡與壟面交點(diǎn)尺寸變化不大，對(duì)軌跡形成的穴口影響不大；隨著Rd的增大，栽植軌跡逐漸向下向右偏移，栽植深度逐漸增大。在保證栽植深度一定時(shí)，Rd越小則軌跡輪廓高度越小，且實(shí)際作業(yè)時(shí)支架距壟面過低會(huì)在壟面上推土。綜上分析，行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd尺寸的選取需要充分考慮栽植鴨嘴尺寸、前后避苗空間和實(shí)際作業(yè)安裝位置的需求。

圖6 行星架旋轉(zhuǎn)半徑與栽植軌跡的關(guān)系Fig.6 Relationship between radius of rotation of planet frame (Rd) and planting trajectory

3.2 后鴨嘴擺桿CE長(zhǎng)度L3對(duì)栽植軌跡的影響

在中間株距310 mm下分析CE長(zhǎng)度L3對(duì)栽植軌跡的影響，如圖7所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時(shí)，行走速度ve=310 mm/s，其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為：L1=83 mm，L2=22 mm，L4=145 mm，Rd=120 mm,α=82°，β=8°，C(105，-22)，D(165，-17)。

圖7 CE長(zhǎng)度與栽植軌跡的關(guān)系Fig.7 Relationship between length of CE (L3) and planting trajectory

對(duì)比圖7中的栽植軌跡可以看出，隨著L3的增大，前鴨嘴的運(yùn)動(dòng)開合幅度增大，即前鴨嘴的避苗空間增大，可通過適當(dāng)增大L3來消除由前鴨嘴避苗空間不足導(dǎo)致前鴨嘴對(duì)苗缽的掛帶現(xiàn)象；但隨著L3的增大，前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大，因此在滿足前鴨嘴避苗空間的前提下，L3的取值應(yīng)盡量小。綜上分析，L3的變化主要影響前鴨嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)后鴨嘴運(yùn)動(dòng)所形成的環(huán)扣形狀沒有影響，L3的選取應(yīng)充分考慮前鴨嘴避苗空間和穴口尺寸的大小。

3.3 CE初始位置與水平線夾角β對(duì)栽植軌跡的影響

在中間株距310 mm下分析CE初始位置與水平線夾角β對(duì)栽植軌跡的影響，如圖8所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時(shí)，行走速度ve=310 mm/s，其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為：L1=83 mm，L2=22 mm，L3=38 mm，L4=145 mm，Rd=120 mm,α=82°，C(105，-22)，D(165，-17)。

圖8 β與栽植軌跡的關(guān)系Fig.8 Relationship between value of β and planting trajectory

對(duì)比圖8中的栽植軌跡可以看出，β對(duì)栽植軌跡的影響與L3相反；隨著β的增大，前鴨嘴的運(yùn)動(dòng)開合幅度減小，即前鴨嘴的避苗空間減小，可通過適當(dāng)減小β來消除由前鴨嘴避苗空間不足導(dǎo)致前鴨嘴對(duì)苗缽的掛帶現(xiàn)象；但隨著β的減小，前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大，因此在滿足前鴨嘴避苗空間的前提下，β的取值應(yīng)盡量大。綜上分析，β的變化主要影響前鴨嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)后鴨嘴運(yùn)動(dòng)所形成的環(huán)扣形狀沒有影響，β的選取應(yīng)充分考慮前鴨嘴避苗空間和穴口尺寸的大小。

3.4 后鴨嘴末端點(diǎn)至鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心距離L4對(duì)栽植軌跡的影響

在中間株距310 mm下分析后鴨嘴末端點(diǎn)至鴨嘴轉(zhuǎn)軸中心距離L4對(duì)栽植軌跡的影響，如圖9所示。移栽頻率f為60株/min(即ωd=π rad/s)時(shí)，行走速度ve=310 mm/s，其他結(jié)構(gòu)及位置參數(shù)選定為：L1=83 mm，L2=22 mm,L3=38 mm，Rd=120 mm,α=82°，β=8°，C(105，-22)，D(165,-17)，對(duì)比圖9中的栽植軌跡可以看出，隨著L4的增大，栽植軌跡相對(duì)旋轉(zhuǎn)中心安裝位置逐漸向下；前后鴨嘴的開合距離均變大，總的開合變大，且前后鴨嘴軌跡在壟面處形成的穴口尺寸增大；在行星架旋轉(zhuǎn)半徑Rd一定時(shí)，L4過大會(huì)使兩栽植鴨嘴干涉，L4過小會(huì)使鴨嘴末端點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)中心安裝架距離較小，作業(yè)時(shí)栽植支架與壟面距離過近會(huì)影響作業(yè)效果。L4尺寸的選取決定著栽植鴨嘴的尺寸，鴨嘴尺寸需滿足栽植深度要求，其取值應(yīng)充分考慮穴盤苗的尺寸、開合距離、栽植深度和實(shí)際作業(yè)安裝位置的需求。

圖9 L4與栽植軌跡的關(guān)系Fig.9 Relationship between length of L4 and planting trajectory

4 參數(shù)優(yōu)選

通過以上分析，得到各變量參數(shù)對(duì)前后栽植點(diǎn)軌跡曲線的影響趨勢(shì)。為使栽植機(jī)構(gòu)能滿足3種株距下的較高直立度要求，保證穴盤苗的栽植質(zhì)量，在確定栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)時(shí)應(yīng)滿足以下優(yōu)化目標(biāo)：

(1)后鴨嘴軌跡在最低處應(yīng)形成環(huán)扣，且環(huán)扣高度應(yīng)大于苗缽高度。

(2)后鴨嘴軌跡回程要有向上趨勢(shì)，避免太過向前與苗缽干涉使苗缽前傾。

(3)前鴨嘴軌跡回程要有向前趨勢(shì)，避免向后推苗。

(4)前后鴨嘴軌跡與壟面交點(diǎn)處形成的穴口尺寸較小。

(5)軌跡整體高度要遠(yuǎn)大于穴盤苗高度，以防鴨嘴拖苗、壓苗，軌跡高度應(yīng)大于200 mm。

(6)鴨嘴長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)大于穴盤苗的高度且兩轉(zhuǎn)臂鴨嘴間不能干涉[19]。

通過以上分析，得到各參數(shù)對(duì)前后栽植點(diǎn)軌跡曲線的影響趨勢(shì)，并結(jié)合優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。首先由經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定各個(gè)參數(shù)的初始值，然后根據(jù)得到的各參數(shù)對(duì)栽植點(diǎn)軌跡的影響趨勢(shì)，不斷調(diào)整各參數(shù)數(shù)值，尋找符合優(yōu)化目標(biāo)要求的運(yùn)動(dòng)軌跡。綜合考慮各組軌跡的優(yōu)劣，最終通過人機(jī)交互優(yōu)選出一組較優(yōu)參數(shù)組合為：L1=83 mm，L2=22 mm，L3=38 mm，L4=145 mm，Rd=120 mm，α=82°，β=8°，C(105，-22)，D(165，-17)。

在3種株距下由該組參數(shù)得到的栽植軌跡如圖10所示。圖中虛線為穴盤苗投苗時(shí)在豎直方向的位置，實(shí)線為植苗后穴盤苗定植的位置。由圖中可測(cè)出穴盤苗的栽植傾角。由圖可以看出，在3個(gè)栽植擋位下，前鴨嘴均不帶苗，在株距280 mm和株距310 mm下，后鴨嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡在植苗段形成環(huán)扣，且環(huán)扣高度大于苗缽高度。前后鴨嘴避苗空間充足，穴盤苗的栽植傾角為0°，滿足直立度要求。在株距345 mm時(shí)，后鴨嘴軌跡形成的環(huán)扣形狀減小，后鴨嘴軌跡回程與穴盤苗豎直位置發(fā)生輕微干涉，產(chǎn)生回帶苗現(xiàn)象使穴盤苗前傾。當(dāng)穴盤苗完全脫離后鴨嘴被定植時(shí)，由圖可測(cè)得穴盤苗栽植傾角為3°，可知該組結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠滿足3種株距下移栽作業(yè)的直立度要求。

圖10 不同株距下的栽植軌跡Fig.10 Trajectory under different planting distances

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試制樣機(jī)實(shí)物及試驗(yàn)效果如圖11所示，對(duì)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其實(shí)際栽植情況。田間試驗(yàn)選擇沙壤土進(jìn)行，事先用拖拉機(jī)帶動(dòng)旋耕裝置進(jìn)行松耕，松耕后土壤平均碎土率不小于60%，含水率不大于20%，松耕深度不低于200 mm。隨后用起壟機(jī)進(jìn)行開溝起壟，壟寬為1 100 mm，壟高為200 mm，溝寬為300 mm，起壟后壟面平整，無雜草及碎石等障礙物；田壟0～200 mm土層平均含水率為16.2%，平均緊實(shí)度為12.7 N/cm2。選用72孔穴盤培育的黃瓜苗為試驗(yàn)對(duì)象，苗齡為35 d左右，穴盤苗平均高度126.42 mm，平均質(zhì)量20.58 g，苗缽含水率60%左右，育苗基質(zhì)配比為草炭、蛭石、珍珠巖體積比為3∶1∶1。

圖11 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.11 Prototypes for testing

整機(jī)田間試驗(yàn)時(shí)，自走式移栽機(jī)的行走輪在溝底行走，栽植機(jī)構(gòu)在壟面上作業(yè)，控制栽植鴨嘴的栽植深度為80 mm；根據(jù)實(shí)際壟長(zhǎng)，每組移栽2盤共144株蔬菜苗。測(cè)試不同栽植頻率時(shí)3個(gè)擋位株距下的栽植性能，統(tǒng)計(jì)田間數(shù)據(jù)時(shí)將前后24株蔬菜苗去除，測(cè)量中間120株區(qū)域的栽植狀態(tài)，結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)時(shí)測(cè)量穴盤苗間的株距，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差和平均值

得株距變異系數(shù)

SX——株距標(biāo)準(zhǔn)差，mm

CX——株距變異系數(shù)，%

試驗(yàn)時(shí)測(cè)量穴盤苗與地面夾角A，將植株與地面夾角A≤30°判定為倒伏，30°70°視為優(yōu)良[20]。

結(jié)果分析：

(1)栽植機(jī)構(gòu)在3個(gè)擋位株距下作業(yè)時(shí)，蔬菜苗栽植直立度優(yōu)良率均能達(dá)到81%以上，總的優(yōu)良合格率達(dá)94.8%以上，能夠較好地滿足栽植要求；由表2中趨勢(shì)可看出，直立度優(yōu)良率隨著栽植頻率的增加而減小，主要原因是隨著栽植頻率增加，栽植時(shí)投苗時(shí)間過短，蔬菜苗與鴨嘴脫離時(shí)間過短有被鴨嘴往上帶的趨勢(shì)，從而影響栽植狀態(tài)，導(dǎo)致栽植優(yōu)良率有所下降。

(2)每組株距變異系數(shù)均較小，且不同株距及栽植頻率下變化差異不大，原因是栽植機(jī)構(gòu)由底盤動(dòng)力以一定傳動(dòng)比輸入，栽植機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速隨底盤前進(jìn)速度的變化而相應(yīng)改變，因此株距不受栽植頻率的影響，具有較好的株距穩(wěn)定性。

(3)表2中有效測(cè)定株數(shù)指實(shí)測(cè)有效株數(shù)，小于理論測(cè)定值的情況是因?yàn)榇嬖谝欢ǖ穆┰詳?shù)，這是由于作業(yè)時(shí)機(jī)器震動(dòng)較大，苗缽由導(dǎo)苗筒落入鴨嘴時(shí)狀態(tài)不穩(wěn)定導(dǎo)致苗缽落至鴨嘴外側(cè)。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)不同作物有不同株距栽植要求，以自制行星輪轉(zhuǎn)臂式栽植機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，構(gòu)建栽植機(jī)構(gòu)理論模型，分析建立了栽植機(jī)構(gòu)前、后鴨嘴栽植點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型，并基于該模型建立Matlab仿真分析輔助程序。

(2)基于Matlab GUI設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，分析各主要參數(shù)對(duì)前后栽植點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響規(guī)律，對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，由人機(jī)交互優(yōu)化得出一組滿足優(yōu)化要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合：L1=83 mm，L2=22 mm，L3=38 mm，L4=145 mm，Rd=120 mm，α=82°，β=8°，C(105，-22)，D(165，-17)。

(3)以72孔黃瓜穴盤苗為試驗(yàn)對(duì)象，直立度和株距變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)研制的移栽機(jī)栽植機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間植苗試驗(yàn)。結(jié)果表明：在3個(gè)株距下作業(yè)時(shí)，蔬菜苗栽植直立度優(yōu)良率均能達(dá)到81%以上，總優(yōu)良合格率94.8%以上，能夠較好滿足直立度和多株距移栽要求，驗(yàn)證了理論建模和優(yōu)化方法的正確性和可行性。