自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

余偉芬，田玉鳳，劉海彬，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌　712100)

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自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)

余偉芬，田玉鳳，劉海彬，崔永杰

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌712100)

摘要：蔬菜嫁接栽培是克服連茬病害和低溫障礙的有效途徑。為了實(shí)現(xiàn)瓜科嫁接供苗工序的自動(dòng)化，根據(jù)穴盤和嫁接用苗的實(shí)際尺寸，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器，并介紹了其工作原理，闡述了各部分的組成及各部分部件的設(shè)計(jì)方案。該方案采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)氣缸運(yùn)動(dòng)到穴盤的穴孔中心位置，通過(guò)電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攏苗定位手指的閉合，完成嫁接用苗的攏苗、定位和剪切作業(yè)。

關(guān)鍵詞：嫁接；取苗；末端執(zhí)行器

0引言

蔬菜嫁接栽培是克服連茬病害和低溫障礙的有效途徑，也是提高蔬菜優(yōu)質(zhì)、穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)的重要措施之一[1-3]。2014年，我國(guó)蔬菜嫁接面積達(dá)134.5萬(wàn)hm2，嫁接苗總數(shù)量約160.39億株(第一屆國(guó)際學(xué)會(huì)蔬菜嫁接研討會(huì))。隨著嫁接苗需求的增多，實(shí)現(xiàn)嫁接全自動(dòng)化十分必要。

在已有的嫁接機(jī)器人研究中，研究嫁接過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)與方法較多，大部分的蔬菜嫁接可以通過(guò)半自動(dòng)嫁接機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；但是，存在嫁接作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題[4]，對(duì)自動(dòng)供苗技術(shù)與方法的研究較少，實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能供苗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手工上苗十分迫切。嫁接幼苗胚軸柔弱，砧木胚軸直徑約為3～4mm，接穗胚軸直徑更小。根據(jù)供苗要求，考慮到幼苗的柔弱特性，本文以白籽南瓜嫁接砧木幼苗為研究對(duì)象，采用斷根貼接法，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器，能夠?qū)崿F(xiàn)嫁接用苗的取苗自動(dòng)化。

1自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器總體方案

1.1整機(jī)結(jié)構(gòu)

自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器主要由三軸氣缸、連接板、兩軸氣缸、攏苗夾持器、電機(jī)、攏苗定位手指、剪切手指、剪切定位手指，以及氣動(dòng)手爪等機(jī)構(gòu)組成。如圖1所示。

1.刀片　2.剪切手指1　3.攏苗定位手指1　4.攏苗定位手指2

1.2工作原理

自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器的工作原理是將已經(jīng)培育好的嫁接用苗，通過(guò)攏苗、定位、剪切作業(yè)，完成嫁接用苗的取苗作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)供苗工序自動(dòng)化。

首先，在三軸氣缸的作用下，攏苗定位剪切機(jī)構(gòu)向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)穴盤嫁接用苗生長(zhǎng)的穴孔的位置；接著，電機(jī)旋轉(zhuǎn)通過(guò)攏苗夾持器使攏苗定位手指閉合，嫁接用苗的莖稈限制在攏苗定位手指閉合的區(qū)域內(nèi)，兩軸氣缸帶動(dòng)攏苗定位機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，完成攏苗作業(yè)；然后，電機(jī)再次旋轉(zhuǎn)，使幼苗的莖稈定位在攏苗定位手指的中心；最后，氣動(dòng)手爪閉合，帶動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)完成幼苗的剪切作業(yè)，完成嫁接用苗的取苗作業(yè)。

自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器的電氣控制原理如圖2所示。其中，電磁閥為3位5通4v110-06，繼電器采用HHG1-0/032F-20，輸入電壓5～32V，輸出電壓12～250V；其輸出端與電磁閥相連并直接連接到DC24V電源，輸入端連接到系統(tǒng)總線，由工控機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制。氣動(dòng)手爪采用MHC2-10D，兩軸氣缸采用TN16*40，三軸氣缸采用MGPM12-75，磁性開關(guān)1采用D-Z73，磁性開關(guān)2采用CS1-J，分別檢測(cè)三軸氣缸和兩軸氣缸是否到達(dá)指定位置，將檢測(cè)信號(hào)通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)以CAN總線方式傳輸給工控機(jī)，電機(jī)采用伺服舵機(jī)RB-150MG。

圖2　末端執(zhí)行器電氣控制原理圖

2關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

嫁接用苗選用京欣砧六號(hào)(黃瓜專用嫁接砧木)白籽南瓜種子。對(duì)種子進(jìn)行浸泡催芽，種子露白后，胚根朝下，用50(5×10)眼的穴盤進(jìn)行培育，內(nèi)裝7∶3(質(zhì)量比)比例混合草炭和蛭石營(yíng)養(yǎng)土放置于30℃溫室中培育12～15天；嫁接前將苗床澆透水，用500～700倍的多菌靈溶液對(duì)嫁接用苗及周圍環(huán)境進(jìn)行消毒[5]，在陜西楊凌新天地農(nóng)業(yè)示范園現(xiàn)代溫室中培育。

2.1攏苗剪切定位手指的設(shè)計(jì)

攏苗剪切定位手指主要包括攏苗定位手指和剪切定位手指，主要功能是實(shí)現(xiàn)嫁接用苗的精確攏苗定位作業(yè)，保證取苗過(guò)程能夠順利完成，且不能夾傷胚軸，否則會(huì)影響嫁接的成活率和嫁接苗的成活率。

本文設(shè)計(jì)的攏苗定位手指由左側(cè)攏苗定位手指和右側(cè)攏苗定位手指組成，根據(jù)穴盤尺寸，設(shè)計(jì)手指寬20.5mm，長(zhǎng)42mm，夾角θ取110°，如圖3所示。

攏苗定位手指夾角θ直接影響傷苗的程度，為了不傷嫁接用苗，要滿足以下要求

其中，f是嫁接用苗與攏苗定位手指材料的摩擦因數(shù)，f≤0.7。

取摩擦因數(shù)為0.7，選用鋁合金材料[7]。由于左右兩個(gè)攏苗定位手指對(duì)嫁接用苗攏苗定位容易造成嫁接用苗攏苗定位不穩(wěn)定，且容易造成嫁接用苗被切傷。因此，左右各取兩個(gè)攏苗定位手指交錯(cuò)疊放，對(duì)嫁接用苗進(jìn)行攏苗定位。

圖3　攏苗定位手指結(jié)構(gòu)圖

2.2攏苗夾持器設(shè)計(jì)

攏苗夾持器的主要功能是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為攏苗定位手指的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)攏苗定位作業(yè)，主要由滑塊、連接桿、電機(jī)及支撐板組成，如圖4所示。

1.滑塊1　2.連接桿5　3.支撐板　4.連接桿4　5.連接件

2.2.1機(jī)構(gòu)自由度分析

攏苗夾持器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，如圖5所示。其由曲柄滑塊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，活動(dòng)構(gòu)件數(shù)為5個(gè)，低運(yùn)動(dòng)副數(shù)7個(gè)，高運(yùn)動(dòng)副數(shù)0個(gè)，即n=5,PL=7,PH=0，則

F=3n-(2PL+PH)=1

因此，該機(jī)構(gòu)的自由度為1個(gè)[8]。

圖5　機(jī)械手夾持器機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.2.2機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析[9]

曲柄OA1勻速運(yùn)動(dòng)，α=ωt，則有

根據(jù)工作過(guò)程可知，攏苗夾持器中電機(jī)旋轉(zhuǎn)兩次，初始位置為x1：第1次轉(zhuǎn)動(dòng)，攏苗夾持器使攏苗定位手指閉合，到達(dá)位置x2；然后，電機(jī)再次旋轉(zhuǎn)，使幼苗的莖稈定位在攏苗定位手指的中心，到達(dá)位置x3。已知：x1=0,x2=12,x3=22,l1=16,l2=26帶入公式

化簡(jiǎn)得

求解得

α1=0,α2=π/3,α3=π/2

攏苗夾持器的電機(jī)采用伺服舵機(jī)RB-150MG，通過(guò)單片機(jī)作為控制單元。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。其內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出；最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。

單片機(jī)采用STC12C5A60S2，舵機(jī)控制程序如下：

舵機(jī)調(diào)試程序：

#include "stc12c5a60s2.h"http://STC12C5A系列單片機(jī)

typedef unsigned int uint;

typedef unsigned char uchar;

sbit pwm=P2^7; //輸出PWM信號(hào)

uint pwm_value=1500; // 初值為1.5ms

voiddelay_ms(uint x)// 延時(shí) 1 ms

{

uint i;

while(x--)

for(i=0;i<1000;i++);

}

voidInitTimer(void)

{

TMOD=0x11; // 開定時(shí)器0,1

TH0=-18463/256; // 定時(shí)20MS,20MS為一個(gè)周期

TL0=-18463%256;

TH1=-1500/256; // 定時(shí)1.5MS,這時(shí)舵機(jī)處于0度

TL1=-1500%256;

EA=1;//開總斷

TR0=1; // 開定時(shí)器0

ET0=1;

TR1=1; //開定時(shí)器1

ET1=1;

}

void timer0(void) interrupt 1//定時(shí)器0中斷函數(shù)

{

pwm=1;

TH0=-18463/256;

TL0=-18463%256;

TR1=1;

}void timer1(void) interrupt 3//定時(shí)器1中斷函數(shù)

{

pwm=0;

TH1=-pwm_value/256;

TL1=-pwm_value%256;

TR1=0;

}

void main(void)//主函數(shù)

{

P2M1 = 0X00;// 將P0口設(shè)成強(qiáng)推免輸出，提高帶負(fù)載能力

P2M0 = 0XFF;

delay_ms(10);

InitTimer();

while(1)

{

delay_ms(1000);

}

}

2.3氣壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖6所示。其包含氣動(dòng)執(zhí)行元件兩軸氣缸A、三軸氣缸B和氣動(dòng)手爪C，各氣動(dòng)執(zhí)行元件均由二位五通電磁閥控制，并分別由節(jié)流閥調(diào)節(jié)速度。

2.4自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器實(shí)驗(yàn)

設(shè)計(jì)制作的自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器樣機(jī)由夾持器、兩軸氣缸、三軸氣缸、電機(jī)、氣動(dòng)手爪等組成，如圖7所示。

采用末端執(zhí)行器樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置由直流穩(wěn)壓電源、氣動(dòng)三聯(lián)件、繼電器、機(jī)架、末端執(zhí)行器、單片機(jī)、電磁閥等組成，如圖8所示。結(jié)果表明：自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器能夠滿足嫁接用苗定位、夾持、剪切自動(dòng)取苗要求。

J為節(jié)流閥 DT0～DT2為二位五通電磁閥 N為消聲器

1夾持器　2兩軸氣缸　3三軸氣缸　4電機(jī)　5氣動(dòng)手爪

1.直流穩(wěn)壓電源　2.氣動(dòng)三聯(lián)件　3.氣源　4.繼電器　5.機(jī)架

3結(jié)論

1)結(jié)合穴盤幼苗出芽點(diǎn)的分布情況，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器。

2)確定了其結(jié)構(gòu)和參數(shù)，并試制了樣機(jī)，進(jìn)行了試驗(yàn)。結(jié)果表明：該自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器能夠滿足供苗要求。

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Design Study on the End-effector of Fetch Seedling

Yu Weifen, Tian Yufeng, Liu Haibin, Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northwest Agriculture & Forest University,Yangling 712100,China)

Abstract：Grafting cultivation of vegetables is an effective way to overcome even stubble diseases and hypothermia losses .In order to achieve grafting feed seedling process automated, developed an end-effector of fetch seedling，introduced its working principle，and described some parts of the composition of the various parts of the design．

Key words：grafting; fetch seedling; end-effector

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0087-05

中圖分類號(hào)：S233.74

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：余偉芬(1990-)，女，安徽黃山人，碩士研究生，(E-mail)yuweifen2011@163.com。通訊作者：崔永杰(1971-)，男，吉林圖們?nèi)?，副教授，博士?E-mail)cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA10A506)

收稿日期：2015-04-27