周海麗 劉 珂 童俊華 李 振 饒益成
(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 杭州 310018; 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018)
溫室蔬菜、花卉等穴盤缽苗培育技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)相比具有苗株生長品質(zhì)好、產(chǎn)量高等多種優(yōu)點。溫室穴盤缽苗成苗后,需進(jìn)一步移植分栽到生長空間更大的培育盆或槽孔中,該過程工作任務(wù)繁重,研發(fā)相應(yīng)移栽機(jī)具有重要意義[1-3]。
國外對穴盤缽苗移栽技術(shù)研究起步早,文獻(xiàn)[4-7]以工業(yè)機(jī)器人為主體,驅(qū)動移植手進(jìn)行移栽作業(yè),實現(xiàn)穴盤苗移栽到目標(biāo)容器中;文獻(xiàn)[8-10]設(shè)計了一種工業(yè)用的SCARA四自由度機(jī)器人,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步設(shè)計了一種具有專用傳感器Sliding-needles with sensor(SNS)的末端執(zhí)行器,并通過試驗驗證了其可行性,該機(jī)器最高移栽效率為2.62 s/株,整體成功率為50%~95%;CHOI等[11]設(shè)計一種簡單、高效的五連桿取苗機(jī)構(gòu),搭配一個末端執(zhí)行器,曲柄轉(zhuǎn)速為30~40 r/min,移栽效率為30株/min,成功率為97%;VIKAS等[12]基于3-DOF串行機(jī)械臂設(shè)計出一款自動移栽紙缽機(jī),通過傳感器檢測是否存在紙缽,進(jìn)行移栽作業(yè),其移栽效率為20株/min。近年,國內(nèi)學(xué)者也加強(qiáng)對移栽器械的研究,針對移栽作業(yè)情況研發(fā)了多種移栽機(jī)。周婷等[13-14]設(shè)計了一種斜楔杠桿式末端執(zhí)行器,適用于多規(guī)格穴盤缽苗的移栽,移栽成功率為76.11%;韓綠化等[15-16]設(shè)計了一種輕簡型自動移栽機(jī),采用兩指四針式移植手,分別對72孔和128孔穴盤進(jìn)行移栽試驗,移栽效率分別達(dá)到1 025、1 221株/h,平均移栽成功率為90.70%;崔永杰等[17]設(shè)計了一種基于圓柱凸輪的株距可調(diào)式取苗末端執(zhí)行器,可適應(yīng)多種穴盤苗間距的稀植移栽作業(yè),移栽成功率為93.33%,移栽效率為22株/min。上述國內(nèi)外研究主要針對移栽可行性進(jìn)行研究,所設(shè)計的大多數(shù)移栽機(jī)械搭配單末端執(zhí)行器。針對目前農(nóng)業(yè)機(jī)械高速、高效作業(yè)要求,學(xué)者提出采用多末端執(zhí)行器進(jìn)行分栽,然而,由于目前的單末端執(zhí)行器普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜且體積較大,簡單配置多個單末段執(zhí)行器無法適用于目前的高速、高效作業(yè)環(huán)境。
為滿足高速移栽作業(yè)需求,國外學(xué)者開展了上游分栽環(huán)節(jié)搭配多末端執(zhí)行器的移栽器械研究,并且實現(xiàn)了移栽機(jī)產(chǎn)品化。荷蘭Visser公司[18]研制的PIC-O-Mat BL型移栽機(jī)主要用于將缽苗移栽至花盆內(nèi),結(jié)構(gòu)緊湊,適應(yīng)多種穴盤和花盆尺寸,移栽效率可達(dá)10 000株/h;意大利Urbinati公司[19]研制的RW64型自動移栽機(jī)搭配多種控制程序,可實現(xiàn)對穴盤缽苗的整排移栽,最大移動距離為2 100 mm,移植手最小移栽間距為21 mm,通過無線控制電機(jī)動作,可搭配雙排共80個移植手同時作業(yè),其最高效率達(dá)到56 000株/h,但該移栽機(jī)主要是適應(yīng)本國作物種植模式及其農(nóng)藝要求,與中國的農(nóng)藝國情不相適應(yīng)且價格昂貴。為了設(shè)計適合我國園藝生產(chǎn)的移栽器械,國內(nèi)研究人員開展了研究。TIAN等[20]設(shè)計一種搭配4移植手工作的移栽機(jī),移栽效率為1 800~2 400株/h,移栽成功率為81.2%;文獻(xiàn)[21-22]設(shè)計一種8個手爪的高效缽苗移栽機(jī),最佳移栽效率為80株/min,移栽成功率達(dá)到94.1%;黎波等[23-24]針對椰糠基質(zhì),分別設(shè)計了一種4伸縮針式移植機(jī)械手和一種片式收縮移植手,試驗發(fā)現(xiàn)最佳參數(shù)組合下取苗成功率為100%,爪片收縮3.2 mm、根系分布率為92%,成功率為96.67%;俞高紅等[25]設(shè)計了一種八行同步取苗機(jī)構(gòu),適用于密植移栽農(nóng)藝,移栽成功率為95%;孟青新[26]研制了一種小空間二次夾緊取苗移植手,移栽平均效率為 4 320株/h,移栽成功率可達(dá)97.22%。
本文基于溫室穴盤缽苗高速移栽作業(yè)需求,設(shè)計一種可在小空間成排取放苗的爪片插入式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu),基于ADAMS開展剛?cè)狁詈戏抡?、力學(xué)分析,以及移植作業(yè)參數(shù)正交分析,以期為成排取苗移植手部件的設(shè)計提供參考。
穴盤缽苗成排取苗移植手部件需要將穴盤中穴盤缽苗成排取出,分栽至栽培槽內(nèi)進(jìn)行后續(xù)培育,設(shè)計的成排移植手部件結(jié)構(gòu)如圖1所示。移植部件主要由機(jī)架、穴盤安裝定位板、左右橫移模組、同步軸、步進(jìn)電機(jī)、升降氣缸、升降導(dǎo)桿、成排移植手等組成。
成排取苗移植手部件工作原理:穴盤放在穴盤安裝定位板上固定位置,升降氣缸下降(氣缸升降速度通過氣流調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)氣量來調(diào)節(jié)),通過升降導(dǎo)桿進(jìn)行垂直方向?qū)蜻M(jìn)而帶動成排移植手整體下降,移植氣缸伸出取苗,然后升降氣缸上升,左右橫移模組通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動整體橫向移動到固定位置,移植氣缸收縮、放苗。整體反向橫移到下一列穴盤缽苗位置,復(fù)位,以此類推直到穴盤中穴盤缽苗全部移栽完為止,更換穴盤實現(xiàn)循環(huán)移栽作業(yè)。
穴盤缽苗選用杭州市蕭山區(qū)蕭苗農(nóng)場培育的“浙茄一號”茄子苗,基質(zhì)塊由泥炭、蛭石與珍珠巖基質(zhì)配比6∶3∶1組成[27],種植于72孔PVC材質(zhì)專用穴盤內(nèi),育苗穴盤如圖2所示。穴盤上口徑38 mm,底部18 mm,高度為55 mm,6×12孔穴盤,單容積40 mL。穴盤缽苗如圖3所示,結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。
圖3 茄子苗株結(jié)構(gòu)尺寸
移植手爪片直接與穴盤缽苗基質(zhì)接觸,其結(jié)構(gòu)形狀和夾緊力直接反映取放苗質(zhì)量。目前,國內(nèi)移植手主要采用斜插入結(jié)構(gòu)和斜插入夾緊式結(jié)構(gòu)。相對于斜插入結(jié)構(gòu),斜插入夾緊式結(jié)構(gòu)在斜向下插入時同步向內(nèi)收縮,對穴盤缽苗形成預(yù)緊力,可提高移栽穩(wěn)定性。同時,從爪片形式看,相比于2爪式、3爪式結(jié)構(gòu),4爪式移植手的4個苗爪片抓取時對基質(zhì)的包裹性更強(qiáng),取苗更可靠。綜上,為了實現(xiàn)穩(wěn)定、高效移栽作業(yè),本文確定移植手結(jié)構(gòu)為4苗爪片插入式夾緊取苗結(jié)構(gòu),進(jìn)而設(shè)計了一種爪片插入式夾緊成排移植手。
成排移植手結(jié)構(gòu)如圖4所示,主要由固定背板、移植氣缸、固定座、爪座、苗爪片、導(dǎo)向板、撐開固定座和撐開片等組成。移植氣缸缸體和固定背板通過固定座固連,移植氣缸推桿與均勻分布的4個苗爪片通過爪座固連,苗爪片從導(dǎo)向板的導(dǎo)向孔穿入,導(dǎo)向板與固定背板下端固連,撐開片與導(dǎo)向板通過撐開固定座固連,撐開片下部焊接撐開片導(dǎo)向孔,并保證苗爪片在撐開片導(dǎo)向孔內(nèi)部運動。該裝置相鄰兩移植手中心距與72孔穴盤相鄰穴孔中心距一致,均為42.5 mm。
圖4 成排移植手結(jié)構(gòu)
取苗工作時,移植部件為初始狀態(tài)(圖5a),移植氣缸處于收縮狀態(tài),4個苗爪片由于撐開固定座的限位,苗爪片端部張開;當(dāng)移植部件整體在穴盤正上方下降到最佳取苗位置(圖5b)時,移植氣缸推桿伸出,推動爪座與4個苗爪片一起向下運動,苗爪片向內(nèi)折彎并合攏,完成取苗(圖5c);移植部件整體上升,將穴盤缽苗取出且上升高度大于穴盤缽苗最大高度,不影響其他穴盤缽苗(圖5d);缽苗被取出穴盤后到達(dá)預(yù)定高度,水平移動到預(yù)定位置,整體下降至最佳放苗高度(圖5e);移植氣缸收縮,在撐開片輔助下帶動苗爪片張開、回位,在撐開片導(dǎo)向孔的輔助下實現(xiàn)苗爪片與缽苗分離,完成放苗動作(圖5f);移植部件整體上升,返回缽苗正上方復(fù)位(圖5g),進(jìn)入下一次取苗循環(huán)。
圖5 移植手取苗動作圖
移植手在取苗過程中,苗爪片直接與基質(zhì)接觸,苗爪片對基質(zhì)的受力情況直接影響移植成功率。本文在移植手安裝空間和動力氣缸推力相對較大情況下,初步確定移植手插入角α1為80°,使得移植時穴盤缽苗損傷較小,且保證缽苗基質(zhì)抓取完整性。
取苗時,移植手在穴盤缽苗正上方通過4個苗爪片斜插入進(jìn)行作業(yè),對移植手提取苗株過程進(jìn)行受力分析,如圖6所示。圖中α1為插入角,Ff為苗爪片對基質(zhì)塊的摩擦力,Fn為苗爪片對基質(zhì)的法向支撐力,Fg為穴盤-基質(zhì)塊間黏附力的豎直分力與缽苗重力的合力,M為基質(zhì)塊重心,O為坐標(biāo)軸原點。
圖6 移植手取苗作業(yè)受力分析
為保證移植手成功夾取穴盤缽苗,取苗作業(yè)時各作用力應(yīng)滿足
(1)
式中μ——基質(zhì)與苗爪片間摩擦因數(shù)
忽略基質(zhì)和穴盤缽苗根的影響,可得缽苗在兩側(cè)受到對稱力作用,即
(2)
由式(1)、(2)得出,移植手取苗作業(yè)時所受作用力應(yīng)滿足
4Ff1sinα1+4Fn1cosα1≥Fg
(3)
Ff與Fn的計算式為
(4)
式中FT——移植手動力氣缸推力
本文選用亞德客MA25型移植手氣缸,缸徑為25 mm,行程為50 mm。取苗移植氣缸推力為
FT=0.85pD2π/4
(5)
式中p——輸入氣體平均壓力,取0.7 MPa
D——氣缸缸徑,mm
根據(jù)式(5)可求出FT為291.9 N,以此可求出Ff為286.58 N,Fn為50.53 N,由式(3)左側(cè)可知取苗手拉拔力總和為1 164 N。根據(jù)課題組前期試驗研究,豎直方向穴盤缽苗重力以及黏附力之和不大于10 N,因此所設(shè)計結(jié)構(gòu)滿足移栽要求。
穴盤缽苗移植作業(yè)時,采用固定角度斜插入進(jìn)行移植作業(yè)。當(dāng)成排移植手并行作業(yè)時,則在相同取苗深度下,若移植手苗爪片垂直插入基質(zhì)塊中,易發(fā)生基質(zhì)塊破損、移栽輸送過程穴盤缽苗掉落等現(xiàn)象。因此移植手設(shè)計時,需優(yōu)先考慮苗爪片插入角度接近穴盤傾角。本文選取插入角為80°。
本文所設(shè)計的苗爪片一端固定,中間受到導(dǎo)向板控制并保持相同位置導(dǎo)向,另一端受撐開片導(dǎo)向孔擠壓作用,因此,苗爪片初始動作類似外伸梁的彎曲變形[28]。移植手放苗和取苗的結(jié)構(gòu)簡圖如圖7所示。分析可知,苗爪片折彎在撐開片導(dǎo)向孔作用下張開,此時苗爪片變形最大。隨著苗爪片伸出扎取穴盤缽苗的過程,苗爪片在折彎恢復(fù)變形作用下對穴盤缽苗產(chǎn)生收縮夾緊作用,以保證取苗過程中移植手的穩(wěn)定性。
圖7 移植手取、放苗結(jié)構(gòu)簡圖
移植手苗爪片材質(zhì)為65Mn鋼,苗爪片固定連接折彎至90°;再向內(nèi)折彎一定角度后,經(jīng)過900℃淬火和8 h中溫回火熱處理,從而提高苗爪片韌性,并保持表面硬度及耐磨性,不改變折彎件形狀。厚度為1 mm的彈簧鋼苗爪片折彎后熱處理的彎曲效果符合取苗移栽要求,因此選擇苗爪片厚度為1 mm。
針對苗爪片寬度,選取寬度2、4、6 mm苗爪依次安裝于移植手爪座上,開展缽苗移栽試驗,試驗對象為一般狀態(tài)的缽苗。試驗結(jié)果表明,2 mm苗爪片易彎曲,剛性差,易斷折,接近爪針移植手取苗效果,不利于穩(wěn)定抓取種苗;寬4 mm苗爪片移植手無法對基質(zhì)形成包裹性抓取,導(dǎo)致基質(zhì)易破損掉落。考慮到苗爪片采用螺栓固定時安裝孔位置的強(qiáng)度,本文移植手初選用寬度6 mm苗爪片。根據(jù)韋康成[29]穴盤苗夾持裝置綜合性能指標(biāo)研究,發(fā)現(xiàn)缽苗莖葉正好位于末端執(zhí)行器下落軌跡處時,缽苗的莖和葉會產(chǎn)生彈性變形而滑開,因此爪片對于苗株移栽存活率影響不大。在后續(xù)整機(jī)試驗測試中, 6 mm爪片對苗葉和缽體根系的損傷率并沒有明顯提高,因此確定苗爪片寬度為6 mm。
成排移植手取苗過程中,通過撐開片向外撐開苗爪片變形,撐開片下方苗爪片由于自身折彎角度向內(nèi)彎曲變形,當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定位置時,苗爪片不產(chǎn)生剛性變形,因此考慮苗爪片柔性變形,對移植手進(jìn)行剛?cè)狁詈戏治鲇袑嶋H工程意義。
在SolidWorks中建立苗爪片三維模型,并輸出為x_t格式文件,將其導(dǎo)入到ANSYS中,設(shè)置材料屬性:材質(zhì)65Mn鋼,密度ρ為7 810 kg/m3,彈性模量E為2.1×1011Pa,泊松比ν為0.288。實現(xiàn)爪片柔性化,并導(dǎo)出中間MNF格式文件,如圖8所示。
圖8 剛?cè)狁詈戏抡婺P?/p>
在ADAMS中對移植氣缸推桿添加驅(qū)動,推桿移動距離為50 mm,對移植手剛?cè)狁詈夏P瓦M(jìn)行仿真。由于4個苗爪片和撐開片均相同,故隱藏其他3個,僅對其中一個進(jìn)行顯示。在苗爪片尖點添加一個標(biāo)記點,如圖9所示,其中紅色箭頭顯示接觸力大小。
圖9 移植手仿真效果
對苗爪片取苗過程進(jìn)行仿真分析,結(jié)果如圖10所示。在取苗過程中,苗爪片向內(nèi)平穩(wěn)收縮。取苗深度為0時,單苗爪片撓度為-7.5 mm。到達(dá)取苗深度時,苗爪片撓度接近0,表明此過程中兩個苗爪片向內(nèi)運動的水平距離略小于15 mm。上述兩個位置對應(yīng)的穴盤缽體上下邊長之差為19.33 mm。表明苗爪片運動軌跡始終在缽體內(nèi),未扎到穴盤側(cè)壁,符合使用要求。
圖10 取苗過程中苗爪片尖點軌跡仿真曲線
穴盤缽苗移栽方式主要分為按行移栽和按列移栽。穴盤孔中心距較小,而栽培槽孔中心距較大,且相鄰兩排栽培槽孔中心距相比相鄰兩排穴盤大很多。為減小移栽過程中缽苗之間間距頻繁變換的位移,穴盤和栽培槽輸送方向相同時,穴盤至栽培槽移栽方案選擇按列移栽,此時移栽效率最高。
成排移植手成功提取“浙茄一號”茄子苗,且穴盤缽苗不掉落,同時成排移植手放苗能夠順利推落穴盤缽苗,即為試驗成功。移植部件取放苗成功率Y1計算式為
(6)
式中N——穴盤缽苗總數(shù)量
N1——未取和帶出穴盤缽苗數(shù)量
N2——移栽過程中穴盤缽苗掉落數(shù)量
N3——基質(zhì)塊散落質(zhì)量大于移植后基質(zhì)質(zhì)量30%的穴盤缽苗數(shù)量
在穴盤缽苗發(fā)育狀況和移植結(jié)構(gòu)等條件相同的情況下,以移植手取苗深度A、基質(zhì)含水率B、升降速度C和水平橫移速度D為試驗因素。以取放苗成功率為評價指標(biāo),開展正交試驗。
移植手取苗深度越大,苗爪片向內(nèi)運動位移越大,有利于提取穴盤缽苗,但取苗深度達(dá)到一定值時,基質(zhì)壓縮變形增加,整體橫移運動時,易導(dǎo)致基質(zhì)散落,影響移植手放苗作業(yè)。根據(jù)剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果,選擇取苗深度為44、46、48 mm,通過調(diào)節(jié)移植氣缸行程控制取苗深度。
基質(zhì)含水率影響基質(zhì)物理特性,當(dāng)基質(zhì)含水率過低時,基質(zhì)孔隙相對較大、透氣性好,基質(zhì)較干燥,導(dǎo)致基質(zhì)粘附力降低、蠕變性能小,在相同夾取力下基質(zhì)易破損散落,不利于移植手夾取和投放,移植效果較差。反之,當(dāng)基質(zhì)含水率過大時,會導(dǎo)致基質(zhì)軟化,不利于基質(zhì)固結(jié),不利于移植手取放苗。根據(jù)前期研究,選擇基質(zhì)含水率為59.9%、69.9%、80%。
移植部件在垂直方向移動過程中,升降氣缸推動成排移植手整體向上運動時,開始為加速運動,接近預(yù)定高度開始減速運動,變加速變減速過程使穴盤缽苗與苗爪片間產(chǎn)生局部沖擊振動,易導(dǎo)致基質(zhì)散落。選取升降速度為0.16、0.20、0.24 m/s。
移植部件水平方向移動過程中,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動左右橫移模組,帶動移植部件水平移動至固定位置,變加速變減速過程使得在初始位置與放苗末位置,移植部件產(chǎn)生一定的碰撞沖擊,易使穴盤缽苗掉落。選取水平橫移速度為0.30、0.35、0.40 m/s。
采用Design-Expert設(shè)計四因素三水平BBD(Box-Behnken design)正交試驗[30],對移植部件進(jìn)行移栽性能分析。正交試驗因素編碼如表2所示,試驗結(jié)果如表3所示,A、B、C、D為編碼值。
表2 移植部件正交試驗因素編碼
表3 移植部件正交試驗結(jié)果
根據(jù)表3中試驗結(jié)果,對移植部件取放苗成功率進(jìn)行方差分析(表4),回歸模型極顯著(P<0.01),擬合效果好。
表4 取放苗成功率試驗結(jié)果分析
對模型進(jìn)行進(jìn)一步分析,結(jié)果表明,對移植部件取放苗成功率回歸方程影響成功率的主次順序為A、B、C、D、AB、AC、BC、D2,影響顯著的為A2、B2、C2,對移植部件取放苗成功率分析結(jié)果進(jìn)行F檢驗,剔除不顯著項(P>0.05),得到二次回歸方程為
Y1=92.52+2.44A+1.73B-2.09C-1.75D+3.65AB-3.15AC-4.17BC-2.08A2-2.09B2-2.08C2-3.64D2
(7)
圖11a為升降速度為0.20 m/s、水平橫移速度為0.35 m/s時,取苗深度和基質(zhì)含水率對取放苗成功率的影響。取苗深度較小,基質(zhì)含水率較高時,基質(zhì)不易抓取,成功率較低。取苗深度較大,基質(zhì)含水率較低時,基質(zhì)間粘結(jié)力弱,基質(zhì)易破損,成功率亦較低。取苗深度和基質(zhì)含水率最大時,成功率最高。
圖11 各因素對移植部件取放苗成功率的影響
圖11b為基質(zhì)含水率為69.9%、水平橫移速度為0.35 m/s時,取苗深度和升降速度對取放苗成功率的影響。取苗深度一定時,成功率隨升降速度增大而減小;升降速度一定時,成功率隨取苗深度增大而增大。
圖11c為取苗深度為46 mm、水平橫移速度為0.35 m/s時,基質(zhì)含水率和升降速度對取放苗成功率的影響?;|(zhì)含水率一定時,成功率隨升降速度增大而減小;升降速度一定時,成功率隨基質(zhì)含水率增大而增大。
以移植部件最大取放苗成功率和表2中4個影響因素范圍為約束條件,建立移植部件參數(shù)組合優(yōu)化模型為
(8)
綜合考慮移栽效率,在對取放苗成功率影響不大的情況下,選擇最優(yōu)升降速度和水平橫移速度。通過試驗對比,得出最佳參數(shù)組合為:取苗深度48 mm、基質(zhì)含水率69.9%、升降速度0.24 m/s和水平橫移速度0.35 m/s。圖12為優(yōu)化試驗后的成排移植手移栽作業(yè)過程。最佳參數(shù)組合時取放苗成功率為97.9%,效率為10 322株/h。
圖12 成排移植手移栽作業(yè)過程
(1)根據(jù)穴盤缽苗移栽作業(yè)要求,設(shè)計了一種成排取苗移植手部件,可自動完成取苗、放苗作業(yè)環(huán)節(jié)。
(2)設(shè)計了一種爪片插入式取苗移植手,并進(jìn)行設(shè)計分析與剛?cè)狁詈戏抡?驗證了移植手伸出抓取穴盤缽苗的軌跡符合使用要求。
(3)以取苗深度、基質(zhì)含水率、升降速度和水平橫移速度為試驗因素,以取放苗成功率為試驗指標(biāo),進(jìn)行四因素三水平正交試驗,并對結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。影響成功率的因素主次順序為取苗深度、基質(zhì)含水率、升降速度和水平橫移速度。對移植部件相關(guān)參數(shù)進(jìn)行試驗,得到最佳參數(shù)組合為取苗深度48 mm、基質(zhì)含水率69.9%、升降速度0.24 m/s、水平橫移速度0.35 m/s,最佳參數(shù)組合時取放苗成功率為97.9%,效率為10 322株/h,滿足高速、高效移栽要求。