成泰洪，申允德，尹海燕，李 勇，黃慶林

（溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州 325000）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。2008 年金融危機(jī)以來，我國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力不斷向建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，勞動(dòng)力階梯型短缺以及人口老齡化已成為我國社會(huì)的熱點(diǎn)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(yùn)用現(xiàn)代科學(xué)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(shí)代下，我國農(nóng)用設(shè)備發(fā)展智機(jī)化、數(shù)據(jù)化、細(xì)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(jìn)農(nóng)用科技自主建設(shè)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，推動(dòng)農(nóng)用新技術(shù)的推廣和集成應(yīng)用，這對(duì)于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、降低生產(chǎn)費(fèi)用、改善農(nóng)民物質(zhì)生活水平具有深遠(yuǎn)意義。為解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，我國大力推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，而溫室花卉和蔬菜的自動(dòng)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(zhǎng)在密度較高的育苗穴盤中，隨著幼苗逐漸長(zhǎng)大，為了確保其有充足的生長(zhǎng)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(duì)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(xiàn)報(bào)道了諸多自動(dòng)化的幼苗移栽設(shè)備，但大多數(shù)還處于研究階段或試驗(yàn)階段，較成熟的幼苗移植機(jī)一般為半手動(dòng)式，實(shí)用性也相對(duì)較低［2-5］。基于此，結(jié)合缽苗栽培的規(guī)范及手工移栽的要求，對(duì)缽苗高速移栽壓土機(jī)器人中的夾苗裝置進(jìn)行方案分析及選擇。

1 裝置的功能分解

實(shí)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(jìn)行壓土。所以將缽苗高速移栽壓土機(jī)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(jī)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(gè)夾苗機(jī)構(gòu)夾爪與夾爪間的距離是可變的。現(xiàn)對(duì)夾苗裝置提出如下3 種方案進(jìn)行比較。

2.1 剪叉機(jī)構(gòu)與夾爪相結(jié)合

剪叉機(jī)構(gòu)水平放置，在各中心關(guān)節(jié)下安裝夾爪。剪叉機(jī)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(shí)現(xiàn)缽苗的松開或夾緊。優(yōu)點(diǎn)是制造簡(jiǎn)單、成本低，剪叉中心間距變化范圍廣，適用性強(qiáng)；缺點(diǎn)是剪叉機(jī)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(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了夾爪之間距離的變化，夾爪的開或閉實(shí)現(xiàn)松開或夾緊缽苗。優(yōu)點(diǎn)是有一定的創(chuàng)新性，每次運(yùn)行精確平穩(wěn)；缺點(diǎn)是專用性較強(qiáng)，通用性較差，不利于后續(xù)改造。

2.3 多級(jí)氣缸與夾爪相結(jié)合

多個(gè)氣缸前后對(duì)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(shí)現(xiàn)夾爪之間距離發(fā)生變化，夾爪的開閉實(shí)現(xiàn)松開或夾緊缽苗。優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)動(dòng)速度較快；缺點(diǎn)是成本高、重量大、工作時(shí)能源消耗大、經(jīng)濟(jì)性與適用性差。

經(jīng)過對(duì)比分析，夾苗裝置選用剪叉機(jī)構(gòu)與夾爪相結(jié)合的方式。當(dāng)育苗穴盤或植苗花盆規(guī)格變化時(shí)（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(yùn)動(dòng)路徑。同理，多級(jí)氣缸與夾爪相結(jié)合的方式中，氣缸型號(hào)也需進(jìn)行一定的改變。若采用剪叉機(jī)構(gòu)與夾爪相結(jié)合的方式，由于剪叉機(jī)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(qiáng)。此外，如需增加夾爪數(shù)量，可將二級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)擴(kuò)展成三級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)，將三級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)擴(kuò)展成四級(jí)剪叉機(jī)構(gòu)等。采用此種方法調(diào)整對(duì)整機(jī)影響小，故夾苗裝置采用剪叉機(jī)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(zhǎng)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(shí)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(gè)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(shí)夾爪的間距為103 mm?？紤]到傳動(dòng)帶與花盆底部的摩擦以及花盆間距存在誤差，設(shè)計(jì)中將植苗時(shí)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(zhǎng)度

如圖3 所示，此處設(shè)短叉架連桿的長(zhǎng)度為x，長(zhǎng)叉架連桿長(zhǎng)度2x，叉架伸張時(shí)存在角度β以及長(zhǎng)度a與長(zhǎng)度b。假設(shè)叉架連桿伸出時(shí)，β=30°，則而此時(shí)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(shí)，角β=60°，則，此時(shí)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(zhǎng)度設(shè)為70 mm，因此長(zhǎng)叉架連桿長(zhǎng)度為140 mm。

圖3 叉架連桿簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)剪叉機(jī)構(gòu)的伸縮，從而達(dá)到夾爪間距的變化。如圖4 所示，此設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)剪叉機(jī)構(gòu)叉架連桿之間往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，確定雙軸氣缸活塞桿的軸向負(fù)載力為F=15 N，移動(dòng)行程為s=125 mm，往復(fù)時(shí)間t設(shè)定為2.5 s，移動(dòng)的平均速度為50 mm·s-1，查表知?dú)飧椎墓ぷ鳉鈮篜為0.4 MPa，負(fù)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(jì)算為30 N，氣缸的缸徑D根據(jù)公式（2）計(jì)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(hào)為TN16×125-S的雙軸氣缸。

4.2 垂直雙軸氣缸選型

負(fù)載效率為垂直雙軸氣缸的用途是使整個(gè)夾苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)豎直方向的升降。根據(jù)幼苗栽培情況，正常生長(zhǎng)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?dú)飧鬃畲蟮呢?fù)載力約50 N，移動(dòng)行程s為100 mm，往復(fù)時(shí)間t設(shè)定為2.5 s，移動(dòng)的平均速度為40 mm·s-1，查表知?dú)飧椎倪\(yùn)作氣壓P為0.4 MPa，負(fù)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(jì)算為100 N，氣缸的缸徑D根據(jù)公式（2）計(jì)算為17.85 mm。

為了保證整個(gè)裝置工作平穩(wěn)，此處采用兩個(gè)雙軸氣缸推動(dòng)。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(hào)為TN20×100-S 的雙軸氣缸。

4.3 氣動(dòng)手指選型

正常生長(zhǎng)幼苗莖的距離不超過5 mm，綜合考慮間隙等因素，確定氣動(dòng)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(hào)為MHZ2-6 的氣動(dòng)手指，其工作時(shí)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(jì)

利用雙軸氣缸推動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)夾爪相對(duì)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(shí)為移苗剛結(jié)束的狀態(tài)，整個(gè)裝置處于植苗花盆上方；2）平移雙軸氣缸5 推動(dòng)叉架中間軸11，使叉架沿著導(dǎo)軌滑塊4 滑動(dòng)收縮，同時(shí)整個(gè)夾苗裝置移動(dòng)至育苗穴盤上方；3）豎直雙軸氣缸1 推動(dòng)連接型材3，使裝置下半部分下降至最低狀態(tài)，之后氣動(dòng)手指6 帶動(dòng)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(shí)整個(gè)夾苗裝置移動(dòng)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(dòng)手指6帶動(dòng)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(dòng)手指的兩個(gè)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(shí)的摩擦力，還可以有效保護(hù)缽苗不受夾持力的傷害。此處采用4 個(gè)夾爪進(jìn)行夾苗，后續(xù)如有需要可進(jìn)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(yùn)動(dòng)過程中的摩擦力。叉架中間軸最外側(cè)用外卡環(huán)對(duì)叉架連桿進(jìn)行固定。圖6 中（a）圖為叉架打開時(shí)的狀態(tài)，即原始狀態(tài)或移苗（植苗）時(shí)的狀態(tài)；（b）圖為叉架收縮時(shí)的狀態(tài)，即夾苗（取苗）時(shí)的狀態(tài)。

圖6 夾苗裝置建模圖