趙曉琪，楊啟志，2，黃冠龍，赫明勝，毛罕平

(1.江蘇大學 農(nóng)業(yè)工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇大學 智能機器人研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

據(jù)統(tǒng)計，2019年我國蔬菜種植面積已突破3億畝，產(chǎn)量在7億t以上[1]，發(fā)展蔬菜種植機械自動化作業(yè)勢在必行，且我國蔬菜種植面積中，移栽種植占四分之一，移栽種植是未來國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方向[2-3].取苗裝置作為自動移栽機的標志性部件[4]，已經(jīng)成為自動移栽領域研究中的熱點[5],綜合國內(nèi)外對蔬菜移栽機的研究現(xiàn)狀，對取苗機構(gòu)已經(jīng)有所研究.歐美日等發(fā)達國家，在20世紀80年代已經(jīng)開始自動取苗的研究.近年來，隨著自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)及機器視覺技術(shù)在取苗裝置中的應用，取苗自動化程度也越來越高，已有成熟產(chǎn)品應用于實際生產(chǎn)中[6-7].雖然國內(nèi)對取苗機構(gòu)的研究起步較晚，但目前已經(jīng)取得一定的成果.葉秉良等[8-9]提出了2種非圓齒輪行星系旋轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu)，這2種取苗機構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)相對簡單，取苗效率高，但制造成本高，作業(yè)時有剛性沖；2015年南京農(nóng)業(yè)機械化研究所的倪有亮等[10]設計了一種缽苗自動移栽機取送苗系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠自動實現(xiàn)缽苗盤的固定和移位，能夠自動完成頂苗、夾苗、接苗、撥苗、輸苗和落苗等工作，為移栽機自動化取苗提供了參考；2017年西南大學趙鐳[11]研制了一種穴盤苗取投送苗裝置，主要由斜面移盤裝置、斜插取投苗裝置、循環(huán)送苗裝置及安裝平臺組成，采用兩斜插取投苗裝置并聯(lián)的方式進行取投苗，一次能取投2株穴苗.通過PLC控制實現(xiàn)了斜面移盤裝置、斜插取投苗裝置與循環(huán)送杯裝置的協(xié)調(diào)配合.

目前，我國溫室蔬菜種植以中小型拱棚和塑料大棚穴盤苗移栽種植為主[12-13].中小拱棚肩高1.2～1.5 m，脊高1.6～2.5 m，塑料大棚肩高1.0～1.8 m，脊高1.8～3.2 m[14]，均存在肩高和脊高的尺寸限制，大田移栽機械很難直接使用，溫室穴盤苗移栽時完全靠人力，效率低.國內(nèi)目前尚未出現(xiàn)適用于空間低矮狹小的中小型設施蔬菜移栽的全自動移栽機械.

針對以上問題，文中設計一種小型全自動的蔬菜移栽機以節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)效率，該全自動蔬菜移栽機采用氣動式翻轉(zhuǎn)取苗，剎車線柔性變距投苗的取苗機構(gòu)，與直動往復式分苗機構(gòu)配合使用.優(yōu)勢在于用氣動加剎車線柔性變距，機構(gòu)簡單，可以有效地減少沖擊振動，除此之外整個機構(gòu)可以實現(xiàn)靜態(tài)投苗、靜態(tài)接苗，提高投苗成功率，防止出現(xiàn)掛苗現(xiàn)象.

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

該移栽機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 整機結(jié)構(gòu)圖

移栽機整機高度約1.45 m，寬度約1.3 m，尺寸較小，可用于中小型拱棚與塑料大棚中，主要由移箱進給部件、取苗部件、分苗部件、栽植部件、移栽機底盤和控制系統(tǒng)組成.空壓機在使用時安裝在移箱進給部件下方，用于給移栽機各氣缸提供能源；電池盒安裝在移栽機底盤后方電氣柜旁，用于給整機供電.該移栽機工作時通過移箱進給部件完成對穴盤的輸送和定位，實現(xiàn)自動供苗功能.再由取苗部件將缽苗從穴盤中取出并帶苗運動到分苗部件的上方，完成對缽苗的投放.分苗部件采用齒輪齒條往復移動式分苗方式，可以將缽苗分批次通過導苗筒投入到栽植部件中.最后通過栽植部件完成開溝、覆土和鎮(zhèn)壓工作.為避免使用內(nèi)燃機驅(qū)動在較封閉的溫室大棚內(nèi)產(chǎn)生廢氣污染蔬菜的品質(zhì)，本設計采用鋰電池作為動力源，節(jié)能環(huán)保.且采用無人乘坐的無線遙控自走式底盤，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工駕駛，大大減小了整機質(zhì)量，增加移栽機的續(xù)航能力并降低了整機高度，同時也降低了勞動強度.

取苗部件的主要功能是從移箱進給部件夾取缽苗，然后投苗到分苗部件的分苗杯中，是連接移箱進給部件和分苗部件的關(guān)鍵部件.目前移栽機所使用的取苗機構(gòu)的取投苗方式大多為將缽苗從穴盤取出之后，投到旋轉(zhuǎn)運動的分苗杯中.由于取投苗過程中不可避免的會出現(xiàn)振動沖擊，當取投苗速度提高時振動沖擊會更加強烈，會出現(xiàn)缽苗遺落和損傷的情況.在投苗的瞬間，缽苗與分苗杯之間存在相對運動，易出現(xiàn)掛苗的現(xiàn)象，當移栽的缽苗較大時，掛苗的概率會極大地增加.針對以上問題，設計一種取苗之后變距投苗的取苗機構(gòu)，配合直動式分苗機構(gòu)實現(xiàn)靜態(tài)取投苗，降低掛苗的概率；且取苗之后的變距由變距氣缸與剎車線配合實現(xiàn)，可以有效減少沖擊振動對取投苗成功率的影響.

2 取苗機構(gòu)的設計

2.1 取投苗運動軌跡分析及變距參數(shù)要求

設計的取苗機構(gòu)采用門架式翻轉(zhuǎn)取苗的方式，其運動軌跡如圖2所示，當小門架帶動滾動軸承運動到滑槽右邊最低處時，取苗爪垂直于苗盤對缽苗進行夾取動作；隨后滾動軸承沿滑槽運動直至滑槽左邊最高處時，取苗爪帶苗運動到垂直分苗杯的位置；滾動軸承在滑槽中的運動由氣缸提供動力，帶動取苗門架進行翻轉(zhuǎn)運動的同時使軸承沿著滑槽運動.

圖2 取苗部件翻轉(zhuǎn)軌跡

本設計配合直動往復式分苗機構(gòu)使用.為防止掛苗直動式分苗機構(gòu)的托杯間距設置較大，而穴盤孔間距較小，故取苗機構(gòu)需要間隔取苗，變距后再投苗.其間隔取苗示意圖如圖3所示，相鄰取苗抓之間間隔133.5 mm，對應3個穴盤孔之間的距離.變距投苗示意圖如圖4所示，相鄰兩分苗杯間隔225.0 mm，所以取苗爪取苗之后要使兩取苗抓之間的距離變?yōu)?25.0 mm才可以進行投苗.故該取苗機構(gòu)應有變距裝置，使取苗爪之間的距離在133.5～225.0 mm變化.

圖3 間隔取苗示意圖

圖4 變距投苗示意圖

2.2 取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計

通過上述對移栽機取苗機構(gòu)的運動分析和設計要求，設計了一種翻轉(zhuǎn)取苗、變距投苗的取苗機構(gòu).整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，主要由支撐板、取苗裝置、變距裝置和門架式翻轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成.門架式翻轉(zhuǎn)裝置由翻轉(zhuǎn)氣缸帶動取苗門架沿滑槽軌跡運動，取苗門架的翻轉(zhuǎn)運動可實現(xiàn)取苗爪取苗與投苗時的運動軌跡，當取苗門架運動到滑槽底部時，取苗爪處于垂直苗盤的位置，當取苗門架運動到滑槽最高處時，取苗爪帶苗運動到分苗機構(gòu)的正上方.變距裝置由變距氣缸和剎車線構(gòu)成，滿足取苗與投苗時的距離變化，實現(xiàn)靜態(tài)取苗與靜態(tài)投苗，同時減少沖擊振動，提高取投苗的成功率.

圖5 取苗機構(gòu)示意圖

取苗機構(gòu)所采用的翻轉(zhuǎn)氣缸與變距氣缸均為圓形氣缸，在氣缸運行到位時，速度突然降為0，會帶來嚴重的沖擊振動.因此在翻轉(zhuǎn)氣缸和變距氣缸運行的末端增加油壓緩沖器，使高速運動的翻轉(zhuǎn)氣缸和變距氣缸在運動到位時有足夠的緩沖，減少氣缸速度突變帶來的沖擊振動.

2.3 柔性變距機構(gòu)設計

為滿足移栽機移栽速度的要求，取苗和投苗所用時間應在保證取投苗成功率的基礎上盡可能少，要求取苗機構(gòu)翻轉(zhuǎn)與變距的速度足夠快，這使得沖擊振動加強，影響取投苗成功率，故設計一種柔性變距機構(gòu)來減少氣缸速度突然降為0時的沖擊振動.該取苗機構(gòu)中所設計的柔性變距機構(gòu)由氣缸和剎車線構(gòu)成，由氣缸提供取苗爪變距的動力，且在兩滑塊之間使用剎車線連接實現(xiàn)動力傳遞與定位的功能.當取苗機構(gòu)進行翻轉(zhuǎn)取苗動作時，變距氣缸收縮，各個取苗爪之間的間距柱合并在一起，確保取苗爪之間的間隔符合穴盤孔的間距，如圖6a所示；當取苗機構(gòu)進行變距投苗動作時，變距氣缸推出，各個取苗爪之間的剎車線拉直，使每個取苗爪對準分苗機構(gòu)的托杯，如圖6b所示.

圖6 變距機構(gòu)取投苗狀態(tài)

變距機構(gòu)采用氣動加剎車線柔性變距的方式，一方面可以減輕取苗機構(gòu)中心部位的重量，減輕翻轉(zhuǎn)取苗時的慣性力沖擊振動；另一方面，由于剎車線為柔性體，有一定的彈性，在變距到位時，變距機構(gòu)的速度會有所緩沖，可減輕取苗機構(gòu)的左右晃動.兩滑塊之間剎車線的安裝示意圖如圖7所示，剎車線一端的穿孔接頭與滑塊通過螺栓固定安裝，另一端螺桿通過雙螺母固定在L型安裝板上.由于剎車線的安裝位置處于兩滑塊的邊緣，當取苗爪之間保持225.0 mm時測得剎車線兩安裝孔之間的距離為170.0 mm.因此設計所使用的剎車線的穿孔接頭長度大約30.0 mm，鋼絲繩長度為120.0 mm，螺桿長度為50.0 mm.安裝剎車線時，通過調(diào)節(jié)螺桿的安裝位置改變?nèi)∶缱χg的間距，直到4個取苗爪均對準分苗部件的分苗杯時，擰緊雙螺母防止螺桿轉(zhuǎn)動.

圖7 剎車線安裝圖

變距氣缸作為取苗部件進行變距運動的主要驅(qū)動元件，在選型和設計時需要考慮其驅(qū)動力的大小、行程大小和安裝位置等.其中氣缸所需的驅(qū)動力大小，可根據(jù)實際測量變距機構(gòu)運動所需的推拉力得出，利用拉力計對變距機構(gòu)的變距銷進行測試，測得變距機構(gòu)推拉所需驅(qū)動力約為20 N.氣缸行程的選擇根據(jù)氣缸所連接的末端滑塊位移來確定，當4個取苗爪并攏時取苗爪之間間距為135.5 mm，變距分開時取苗爪之間間距為225.0 mm.因此末端滑塊位移為

ΔS=3l分-3l合=274.5 mm.

(1)

根據(jù)末端滑塊位移距離可得出所選氣缸的最小行程應為274.5 mm.

變距氣缸安裝位置的設計需要考慮氣缸的固定方式.利用Solidworks軟件對變距機構(gòu)進行三維建模，如圖8所示.

圖8 變距氣缸安裝位置圖

變距氣缸通過配套的氣缸支架將兩端固定，氣缸支架通過螺栓連接固定在兩塊鋼板上并將鋼板固定在滑塊的相應位置.取苗爪并攏時變距氣缸處于收縮狀態(tài)，將變距氣缸活塞桿一端通過變距銷和魚眼接頭與末端滑塊連接.

3 變距機構(gòu)動力學分析

通過理論分析和三維建模，初步選擇一款圓柱形的氣缸作為變距氣缸后，為保證所制作的樣機能實現(xiàn)既定的運動要求，需要利用Adams軟件對變距機構(gòu)進行動力學仿真分析.通過Adams仿真得出變距機構(gòu)在要求運動狀態(tài)的情況下氣缸運行的速度及加速度，進一步驗證初選氣缸是否滿足使用要求，同時通過Adams動力學仿真得到取苗機構(gòu)末端運動的速度與加速度曲線，驗證滑塊運動是否滿足設計要求，是否存在沖擊等，為取苗機構(gòu)氣缸選型的確定與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù).

3.1 仿真模型的建立與導入

文中采用solidworks軟件對變距機構(gòu)進行三維模型的建立，檢查是否存在干涉之后需要對模型進行簡化處理，將不參與運動的機構(gòu)去掉，減少仿真的計算時間.然后將建立的簡化模型導入到Adams軟件中，進行動力學仿真.導入Adams軟件后的模型如圖9所示.

圖9 Adams模型圖

將模型的屬性設置好之后，需根據(jù)實際在模型各零件之間添加運動副約束.包括最右側(cè)滑塊與導軌之間的固定副、導軌與地面之間的固定副、其他滑塊與導軌之間的移動副、滑塊與剎車線之間的固定副、氣缸推桿與滑塊之間的固定副等.最后給氣缸添加位移驅(qū)動.為了檢驗移栽機取苗部件的變距機構(gòu)能夠適應不同的移栽頻率，對氣缸施加兩種頻率的位移驅(qū)動.為提高移栽速率，達到高速移栽的要求，取苗機構(gòu)完成取苗后帶苗返回，當缽苗完全脫離穴盤時，變距氣缸開始進行變距運動，實現(xiàn)翻轉(zhuǎn)與變距復合運動.當移栽機以40 株·min-1·行-1的移栽頻率工作時，取苗部件一個工作循環(huán)需要在3.0 s內(nèi)完成.其中變距氣缸運行總耗時2.2 s，其具體過程為氣缸推桿推出1.0 s，投苗動作0.2 s，氣缸推桿縮回1.0 s.根據(jù)設定的參數(shù)在Adams中編寫驅(qū)動函數(shù)，如圖10所示.

圖10 位移驅(qū)動函數(shù)

當移栽機以60 株·min-1·行-1的移栽頻率工作時，取苗部件一個工作循環(huán)在2.0 s內(nèi)完成.其中變距氣缸運行總耗時1.7 s，具體過程為氣缸推桿推出0.8 s ，投苗動作0.1 s，氣缸推桿縮回0.8 s，根據(jù)設定的參數(shù)在Adams編寫驅(qū)動函數(shù)進行仿真分析.

3.2 仿真結(jié)果分析

當移栽機以40 株·min-1·行-1的移栽頻率工作時，氣缸桿的位移變化如圖11所示，末端滑塊位移變化如圖12所示.

圖11 氣缸桿位移變化

圖12 末端滑塊位移

由圖11可知氣缸桿的最大位移量為274.5 mm，可以確定所需氣缸的行程最小為274.5 mm，仿真結(jié)果和理論分析計算的結(jié)果相符，可知初選氣缸的行程滿足設計要求.

氣缸運行的速度如圖13所示，加速度變化如圖14所示.由仿真結(jié)果可看出，當栽植頻率為40株·min-1·行-1時，氣缸速度最高為410 mm·s-1，加速度最高為1 600 mm·s-2.

圖13 氣缸運行速度變化

圖14 氣缸運行加速度

當移栽機以60 株·min-1·行-1的移栽頻率工作時，末端滑塊的速度變化情況如圖15所示，加速度變化情況如圖16所示，末端滑塊運行的最大速度為510 mm·s-1，最大加速度為2 500 mm·s-2.

圖15 末端滑塊速度變化

圖16 末端滑塊加速度

通過動力學分析可知，此變距機構(gòu)在運動過程中速度曲線未出現(xiàn)尖點，運行平穩(wěn)，速度變化均勻，振動較小,變距氣缸行程至少為274.5 mm，根據(jù)標準氣缸行程可選擇氣缸內(nèi)徑為16 mm，行程為275 mm的氣缸.

3.3 變距氣缸選型

單桿氣缸推拉力計算公式：

(2)

式中：F為理論氣缸推力；P為空氣氣壓；d為活塞桿直徑.

移栽機上空壓機的正常工作氣壓選定為P=0.5 MPa，根據(jù)推拉力的計算公式與標準氣缸缸徑尺寸，選擇了一款亞德客型不銹鋼氣缸，具體參數(shù)如下：安裝形式為擺尾型；氣缸內(nèi)徑為16 mm；活塞桿直徑為6 mm；行程為275 mm；工作氣壓為0.5 MPa.

4 控制系統(tǒng)設計

本設計采用PLC作為控制系統(tǒng)，實現(xiàn)取苗抓取苗后變距投苗，具體的程序流程圖如圖17所示.

圖17 取苗裝置程序流程圖

當移箱進給部件將穴盤運送到位后，移箱上的對射式光電傳感器接收到信號，PLC通過控制電磁閥的開合實現(xiàn)取苗部件上的翻轉(zhuǎn)氣缸推出，進行取苗動作.翻轉(zhuǎn)氣缸上有3個磁性開關(guān)，分別對應翻轉(zhuǎn)氣缸最高點、取苗爪即將接觸穴盤、取苗爪接觸缽苗底部3個位置，變距氣缸上安裝有2個磁性開關(guān)，分別裝在變距氣缸的左右2個極限位置.通過判斷各磁性開關(guān)接收信號的情況來決定氣缸的動作，進而控制取苗機構(gòu)各部件的運動.

5 取苗機構(gòu)取投苗試驗與分析

5.1 試驗過程

取苗機構(gòu)主要完成全自動移栽機的自動取苗和投苗工作.文中所研制的移栽機取苗機構(gòu)可適應不同品種的缽苗，為了驗證其機械性能，故通過試驗測試該取苗機構(gòu)在不同栽植頻率下的取投苗成功率，以此驗證移栽機取苗機構(gòu)設計的合理性和運動協(xié)調(diào)性.試驗選擇72孔標準穴盤的黃瓜苗和辣椒苗2種不同的缽苗，其具體參數(shù)如表1所示.

表1 缽苗參數(shù)

選擇不同的栽植頻率對黃瓜苗和辣椒苗的取投苗成功率進行試驗，包括：在栽植頻率為40、50、60株·min-1·行-1時，試驗黃瓜苗的取投苗成功率;在栽植頻率為60株·min-1·行-1時，試驗辣椒苗的取投苗成功率.取投苗試驗如圖18所示.

圖18 取投苗試驗圖

5.2 試驗結(jié)果與分析

取苗機構(gòu)的取投苗成功率對后期的分苗和栽植至關(guān)重要，是衡量全自動移栽機性能的重要指標.文中定義取投苗成功率為成功投入分苗杯中的缽苗數(shù)量與穴盤中缽苗總數(shù)的比值，以S表示；取苗成功率為成功夾取的缽苗數(shù)與缽苗總數(shù)的比值，用S1表示；投苗成功率為成功投入分苗杯的缽苗數(shù)與總投苗數(shù)的比值，用S2表示.統(tǒng)計試驗過程中未取出缽苗數(shù)量a，未投入分苗杯缽苗數(shù)量b，運送過程中缽苗損傷數(shù)量c，以N表示試驗缽苗的總數(shù)，則取投苗成功率為

(3)

取苗成功率為

(4)

投苗成功率為

(5)

通過對移栽機設定不同的栽植頻率，對取苗機構(gòu)進行連續(xù)取投苗成功率試驗，記錄未取出數(shù)、未入分苗杯數(shù)、損傷數(shù)，試驗結(jié)果如表2所示.

表2 取投苗成功率試驗結(jié)果

當栽植頻率為40株·min-1·行-1時，黃瓜苗的取苗成功率為99.31%，投苗成功率為99.31%，綜合取投苗成功率達到98.61%，在此栽植頻率下，取苗機構(gòu)的取投苗成功率較高.當栽植頻率為60株·min-1·行-1時，黃瓜苗的取苗成功率為98.61%，投苗成功率為99.29%，綜合取投苗成功率97.22%.由于栽植頻率的越高，取苗機構(gòu)完成一個循環(huán)所允許的時間減少，要求氣缸的速度加快，并且各個動作之間的停頓時間逐漸減少，使取苗機構(gòu)所產(chǎn)生的振動增加，影響取投苗的質(zhì)量，會導致移栽機的取投苗成功率下降.通過試驗數(shù)據(jù)表也可以發(fā)現(xiàn)，取苗機構(gòu)的取投苗成功率隨著栽植頻率的提升而降低.通過同頻率下黃瓜苗與辣椒苗的試驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)辣椒苗在栽植頻率為60株·min-1·行-1時，取投苗成功率為95.83%，滿足蔬菜穴盤苗移栽要求，因此說明該取苗機構(gòu)可以適用于不同品種缽苗的取投苗.

6 結(jié) 論

1)針對國內(nèi)低矮溫室和蔬菜大棚的尺寸限制問題，設計了一種小型全自動移栽機.

2)設計的取苗機構(gòu)采用氣動加剎車線柔性變距的方式來實現(xiàn)取苗機構(gòu)翻轉(zhuǎn)取苗、柔性變距投苗的功能，可有效減小氣缸高速運行到位時產(chǎn)生的沖擊振動.利用Adams軟件對變距機構(gòu)進行動力學仿真分析，得出氣缸運行的位移、速度和加速度曲線，以此選擇合適的氣缸，并驗證了末端滑塊運動的合理性.

3)通過在不同栽植頻率下的取投苗試驗，得出當栽植頻率為60 株·min-1·行-1時，黃瓜苗的取投苗成功率為97.22%，辣椒苗的取投苗成功率為95.83%，滿足蔬菜穴盤苗移栽要求，且黃瓜苗和辣椒苗屬于不同根系的植物，說明本移栽機取苗機構(gòu)可以適用于不同品種缽苗的取投苗.