植物工廠省力搬運系統(tǒng)

Minoru TOKIMASA

近文介紹一種自動栽培架運輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完成栽培單元移出栽培架、調(diào)整栽培架內(nèi)栽培單元位置、移出栽培架等作業(yè)，工人只需在栽培室入口處裝卸定植好的栽培單元即可。此外，該系統(tǒng)還配置了最新的網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，不僅可對作業(yè)情況進行實時監(jiān)控，還可遠程排除故障。該系統(tǒng)可有效解決由于工人在栽培室內(nèi)作業(yè)而帶來的病菌污染、高空作業(yè)安全隱患和勞動力成本上升等問題，為實現(xiàn)植物工廠大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

搬運系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為自動搬運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。該系統(tǒng)主要包括1個穿梭運輸機器人和2臺升降機。2臺升降機分別位于栽培架的收獲側(cè)（飄浮板移出側(cè)）和移栽側(cè)（栽培單元移入側(cè)）。穿梭運輸機器人可沿著栽培架在水平方向進行自由移動。升降機則可將穿梭機器人從地面抬升至指定位置。在移入栽培單元時，首先在入口處由人工將定植好的栽培單元裝到穿梭運輸機器人上，然后穿梭機器人進入升降機，并抬升至指定位置，將栽培單元安放在指定位置。在收獲時，穿梭運輸機器人將栽培單元從栽培架移出，然后由升降機運送回地面后，再將栽培單元放置在傳動帶上。

圖2為自動運輸系統(tǒng)將栽培單元移入栽培架的作業(yè)過程。開始時，在入口處將栽培單元放置在穿梭運輸機器人上，然后穿梭運輸機器人進入升降機（步驟1），被提升（步驟2）至指定位置（步驟3）。隨后穿梭運輸機器人進入栽培架，將栽培單元運送到指定位置（步驟4），并安放在栽培架上（步驟5）。最后，穿梭運輸機器人返回升降機，并回到入口處，完成作業(yè)（步驟6）。

圖3為自動運輸系統(tǒng)將栽培單元移出栽培架的作業(yè)過程。首先，穿梭運輸機器人從下方將要收獲的栽培單元托起，然后移動至收獲側(cè)升降機（步驟1和2），并將栽培單元卸在升降機上（步驟3），隨后穿梭運輸機器人返回到栽培架（步驟4），而栽培單元則由升降機運送至地面上的傳送帶，并運送至加工和包裝車間（步驟5）。

穿梭運輸機器人的特征

圖4是穿梭機器人的運行過程。穿梭機器人不僅能像圖1那樣水平運動，還配置了短程提升裝置，可完成栽培單元的抬升和放置作業(yè)。首先，穿梭機器人在栽培單元下方運動，在到達指定位置后停止，然后通過短程提升裝置將栽培單元抬升即可載著栽培單元自由移動。由于穿梭運輸機器人可隨著升降機移動至任何栽培架的任何指定位置。所以，數(shù)個栽培架可共用一個穿梭運輸機器人。圖5所示的穿梭運輸機器人有2個驅(qū)動系統(tǒng)，可完成垂直提升和水平移動。每套驅(qū)動系統(tǒng)包含一個高效無刷直流電動機（24 V），最小輸出功率為80 W。穿梭運輸機器人動力來自蓄電池，不需要電線。另外，由于電動機的輸出功率較低，當故障出現(xiàn)時，如電路短路或碰撞等，可通過人力將其強行停止。

穿梭運輸機器人的控制系統(tǒng)

穿梭運輸機器人的控制系統(tǒng)、倉儲控制系統(tǒng)（WCS）包括：升降機控制器（用于指揮栽培床的裝卸過程）、穿梭機器人運行控制器和收獲傳輸帶控制器。通過該系統(tǒng)不僅可共享來自辦公室終端和工廠終端的信息，對栽培單元的位置和裝卸過程進行全程監(jiān)控，還能及時探測并排除故障。比如在移動栽培單元的過程，必須要停止其營養(yǎng)液循環(huán)，若在運輸過程中出現(xiàn)震動或撞擊的話，栽培單元內(nèi)的營養(yǎng)液將會灑出。

穿梭機器人運輸過程模擬

水平和垂直運輸測試裝置及其特征

本系統(tǒng)擬應(yīng)用于位于大阪府立大學的植物工廠。該植物工廠每天擬生產(chǎn)生菜5000株。栽培單元為1200 mm×700 mm，重10 kg。生菜種苗在栽培單元上生長18天。栽培單元裝載在6排栽培架中，其中4排栽培架有18層，長25 m；另外2排栽培架有16層，長25 m。每一層有36個栽培單元。該植物工廠每天要移出200個栽培單元，然后對3600個栽培單元進行調(diào)整，為新移入的200個栽培單元騰出空間。

在運輸過程中，首先要停止栽培單元的營養(yǎng)液循環(huán)，排干內(nèi)部營養(yǎng)液，然后開始運輸。運輸完成后，再重新啟動營養(yǎng)液循環(huán)。在上述植物工廠中，停止營養(yǎng)液循環(huán)的時間為30 min，營養(yǎng)液排干時間為10 min，栽培單元移出及移入栽培架的時間約31 min，栽培架內(nèi)栽培床位置調(diào)整為

21 min。為了防止營養(yǎng)液灑出、栽培床滑落，穿梭機器人的運行速度設(shè)置為2.9 m/min（其最大速度是14 m/min），升降機速度設(shè)置為20 m/min?；谏鲜隹紤]，該植物工廠總共需要配置28個穿梭機器人。

穿梭機器人的電力消耗

從減少勞動力和能耗的觀點出發(fā)，需要對標準傳送帶和穿梭運輸機器人的電力消耗進行比較。在本研究中，植物工廠內(nèi)標準傳送帶的電力消耗是每天29.3 kW·h，而穿梭運輸機器人的電力消耗是每天4.8 kW·h，僅為標準輥子傳動帶的0.164倍。因此，該穿梭機器人的節(jié)能效果明顯。

運輸裝置的安全性

當穿梭機器人發(fā)生任何碰撞的時候，傳送系統(tǒng)將會被強行停止。本研究使用推拉力計對強行停止穿梭運輸機器人所需要的力進行了測量。結(jié)果表明，當穿梭運輸機器人以20 m/min的速度運動時，強行使其停止所需要的力為110 N。因此，在實際中，穿梭機器人很容易由人工強行停止。

應(yīng)用前景

該自動運輸系統(tǒng)可應(yīng)用于多層栽培架，從而可以解決植物工廠內(nèi)病原菌污染、勞動力成本和作業(yè)安全的問題。對于每天生產(chǎn)5000株生菜的常規(guī)植物工廠，需要雇傭25～33個工人，每天工作8 h，也就是說總工時為200～264 h。其中有63～83 h用于搬運工作，占總工時的31%。使用本系統(tǒng)將則會顯著減少勞動強度，降低勞動成本。