馬鈴薯組培苗氣力引導(dǎo)式移植手設(shè)計與試驗

初 麒，辜 松,2，楊 意，黎 波，呂亞軍，胡俊生，楊艷麗

?

馬鈴薯組培苗氣力引導(dǎo)式移植手設(shè)計與試驗

初 麒1，辜 松1,2※，楊 意1，黎 波1，呂亞軍1，胡俊生1，楊艷麗3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642； 3. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州510642）

多手并行移植作業(yè)可有效提高接種效率，而現(xiàn)有組培苗接種移植手結(jié)構(gòu)復(fù)雜、占用空間大，不適于狹小空間內(nèi)多移植手并行接種作業(yè)，且對組培苗個體差異適應(yīng)性較差，存在夾苗不穩(wěn)或傷苗的情況，針對上述問題該文設(shè)計了一種負壓引導(dǎo)式氣力把持移植手，通過負壓氣流對馬鈴薯組培苗進行引導(dǎo)與把持，強化對組培苗個體差異的適應(yīng)能力，實現(xiàn)組培苗的柔性容偏把持。該文對移植手吸嘴進行了三維建模及流體仿真分析，確定移植手吸嘴形式為外徑5 mm、內(nèi)徑 4 mm圓管狀，前端設(shè)置90°夾角引導(dǎo)翅，引導(dǎo)翅頂點間距為10 mm。針對移植手引導(dǎo)性能進行正交試驗，結(jié)果表明：對于平均苗徑為(1.23±0.21) mm接種期馬鈴薯組培苗，當(dāng)吸嘴真空度為8.6×10-3MPa時，對組培苗容偏引導(dǎo)半徑為4 mm。在移植手吸嘴真空度為8.6×10-3MPa條件下進行莖段切割及扦插作業(yè)性能試驗，結(jié)果表明：當(dāng)利用厚度0.3 mm、直徑45 mm圓盤切割刀以7 r/s以上轉(zhuǎn)速切割莖段時，保證正常切割效果的進給速度可達0.03 m/s；對于直徑為（0.7±0.1）、（1.1±0.1）、（1.5±0.1）mm條件下莖段，扦插速度為0.01 m/s時，莖段扦插成功率可達100%。該研究可為馬鈴薯組培苗自動移植設(shè)備開發(fā)提供技術(shù)參考。

組培；機械化；自動化；馬鈴薯組培苗；負壓引導(dǎo)；移植手

0 引 言

馬鈴薯連年種植種薯會產(chǎn)生病毒，導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而脫毒組培育種技術(shù)可快速繁殖優(yōu)良種苗[1-3]，是解決馬鈴薯減產(chǎn)的主要手段[4-6]。發(fā)達國家脫毒組培種薯覆蓋率多在90%以上，中國在生產(chǎn)技術(shù)要求高、種植面積大雙重壓力下，脫毒種薯種植覆蓋率卻僅為20%～25%[7-8]。馬鈴薯種薯培育過程中，以接種環(huán)節(jié)技術(shù)難度最大、消耗人工最多，21世紀(jì)初的數(shù)據(jù)顯示組培生產(chǎn)人工成本占生產(chǎn)總成本的比例印度為13%～41%，美國達到60%～85%，歐洲約為70%[9]。隨著勞動力成本不斷提高，目前中國組培生產(chǎn)人工成本已占到總成本的50%～60%[10-12]。此外，人工接種作業(yè)存在生產(chǎn)率低、作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，嚴(yán)重制約馬鈴薯組培生產(chǎn)的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代初，日本、英國、荷蘭、德國、澳大利亞等先進國家相繼針對條狀類、鱗球類和叢生類植物組培苗接種機器人展開了研究[13-15]。對于條狀類組培苗，日本東芝公司采用單移植手串行作業(yè)方式，順序完成接種各環(huán)節(jié)作業(yè)的單循環(huán)耗時為10～15 s[16]，接種效率有待提高；日本Komatsu公司對群體條狀組培苗采用等高切割、集中鋪放至培養(yǎng)基上的模式進行接種，一次可鋪放數(shù)百個莖段[17]，該方法無需視覺定位苗的位置，生產(chǎn)率高；2003年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)也進行了單移植手串行接種作業(yè)研究[18-19]；楊麗等[20-21]以廣口瓶為培養(yǎng)容器進行了等高切割、培養(yǎng)基上鋪放接種模式的研究。但是，條狀組培苗單移植手串行接種模式生產(chǎn)率不理想，等高切割接種模式難以保證切下的單莖段含有生長點，易造成接種苗長勢不均、成活率不穩(wěn)定。據(jù)此，本研究提出一種3移植手并行接種作業(yè)模式，在保證接種作業(yè)質(zhì)量的同時提高接種效率。采用3移植手進行馬鈴薯組培苗并行接種作業(yè)，受組培苗生長點間距限制，相鄰移植手間作業(yè)空間較小，現(xiàn)有接種移植手多為夾持形式[22-23]，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，難以適應(yīng)小空間內(nèi)作業(yè)要求。針對上述問題，本文設(shè)計了一種利用負壓氣流對馬鈴薯組培苗進行引導(dǎo)與把持的氣力移植手，強化對組培苗個體差異的適應(yīng)能力，實現(xiàn)小空間內(nèi)對組培苗莖稈的柔性容偏把持。

1 移植手工作原理

組培苗人工接種流程如圖1所示，操作人員在無菌凈化環(huán)境下由源培養(yǎng)容器內(nèi)取出單株組培苗后將其分割成僅含一個生長點的莖段，再將莖段扦插到目標(biāo)培養(yǎng)容器內(nèi)[24]。

圖1 組培苗人工接種作業(yè)流程

借鑒人工及現(xiàn)有自動化接種作業(yè)流程[25]，本研究提出的3移植手并行接種作業(yè)模式原理如圖2。

圖2 3移植手并行接種作業(yè)原理

3個移植手及1個組培苗拾取手分別安裝在4組直線運動單元上，組培苗拾取手從培養(yǎng)容器內(nèi)撿拾1株組培苗后，將其送至生長點識別定位區(qū)域，機器視覺系統(tǒng)判斷該株組培苗莖段間彎曲偏差是否達到自動移植要求（圖2b），對整株苗莖段間彎曲偏差均在移植手容偏引導(dǎo)半徑范圍內(nèi)的組培苗進行生長點空間高度坐標(biāo)識別定位，將坐標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸給3個移植手機構(gòu)及莖段切割機構(gòu)，將莖段間彎曲偏差超出移植手容偏引導(dǎo)半徑范圍的組培苗放置指定位置，人工處理。組培苗拾取手將符合移植要求的組培苗送至移植手把持作業(yè)位置，根據(jù)獲得的把持點高度坐標(biāo)，3個移植手對應(yīng)不同高度坐標(biāo)上的3個生長點，從組培苗根部向頂端逐段對組培苗進行引導(dǎo)與把持（圖2c），移植手將組培苗把持穩(wěn)定后，組培苗拾取手撤回進行下一輪作業(yè)。莖段切割機構(gòu)根據(jù)獲得的切割點高度坐標(biāo)，由下至上將組培苗切割成僅帶有一個生長點的莖段（圖2d），3個移植手分別將各自把持的莖段扦插至各自對應(yīng)的目標(biāo)培養(yǎng)容器中（圖2e）。3個移植手并行作業(yè)，加快了扦插環(huán)節(jié)的作業(yè)節(jié)奏，可顯著提高接種效率。參考現(xiàn)有馬鈴薯組培苗生產(chǎn)接種扦插分布技術(shù)要求，莖段扦插間距定為10 mm[26]。

2 氣力引導(dǎo)移植手設(shè)計

2.1 移植手結(jié)構(gòu)設(shè)計

在3移植手并行接種作業(yè)模式中，移植手作業(yè)對象為直立馬鈴薯組培苗，移植手到達把持作業(yè)位置時，組培苗由于自身彎曲且具有個體差異，導(dǎo)致其與移植手吸嘴口間存在不同程度的位置偏差，要求移植手具有容偏能力。如圖3所示，各移植手利用負壓氣流將彎曲組培苗由下至上逐段引導(dǎo)至與移植手吸嘴口貼合，并利用負壓氣流產(chǎn)生的吸附力把持組培苗，進行組培苗莖段切割與扦插作業(yè)。

注：h為莖段長度，mm；Δh為移植手可把持長度，mm；w為插入培養(yǎng)基長度，mm。

如圖3e所示，根據(jù)對接種期馬鈴薯組培苗幾何參數(shù)測定，其子葉間莖段長度在10～15 mm范圍內(nèi)，包含移植手可把持長度和插入培養(yǎng)基長度，為保證扦插后組培苗莖段穩(wěn)定性，莖段插入培養(yǎng)基長度需 5 mm[6]，因此移植手可把持高度應(yīng)不大于5 mm。

如圖4所示，移植手主要由移植手吸嘴、氣路連接部件及真空氣路組成。移植手對組培苗引導(dǎo)與吸附動力來自真空風(fēng)機。根據(jù)移植手可把持長度要求，長圓形吸嘴口高度定為5 mm，吸嘴口寬度需根據(jù)流體仿真效果確定。設(shè)置在移植手吸嘴口前端的引導(dǎo)翅，在引導(dǎo)組培苗時起輔助導(dǎo)向作用，由于組培苗扦插間距為 10 mm，為避免與已完成扦插的組培苗莖段發(fā)生干涉，引導(dǎo)翅頂點間距離設(shè)計為10 mm。對于引導(dǎo)翅夾角，為減少組培苗在引導(dǎo)翅上的摩擦力，應(yīng)盡量減小角，但在引導(dǎo)翅頂點間距定為10 mm條件下，角過小將使引導(dǎo)翅變長，增大作業(yè)空間，綜合兩方面因素，引導(dǎo)翅夾角設(shè)計為90°。

1. 真空氣路 2. 連接部件 3. 移植手吸嘴 4. 組培苗 5. 引導(dǎo)翅

1. Vacuum air tube 2. Connected components 3. Suckerof transplanting hand 4. Tissue culture seedlings 5. Guide wing

注：為引導(dǎo)翅夾角，(°)；為吸嘴高度，mm；為引導(dǎo)翅頂點間距離，mm；為吸嘴寬度，mm。

Note:is angle of guide wing, (°);is height of sucker, mm;is distance between two guide wing vertexs, mm;is width ofsucker, mm.

圖4 移植手結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.4 Sketch diagram of structure of transplanting hand

2.2 移植手吸嘴流場分析

移植手吸嘴是引導(dǎo)與把持組培苗的關(guān)鍵部件，對接種作業(yè)效果起著至關(guān)重要的作用，為此對吸嘴尺寸進行設(shè)計優(yōu)化確定吸嘴寬度。吸嘴管壁厚取0.5 mm，由于引導(dǎo)翅頂點間距為10 mm，吸嘴寬度取5、7.5、10 mm 3個工況進行流場分析。

利用Solidworks軟件對上述3個工況吸嘴建立三維模型，使用Gambit軟件分別對3個模型進行網(wǎng)格劃分，由于引導(dǎo)翅對稱分布，截取1/2吸嘴模型作為仿真對象，計算時采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型，近壁區(qū)的流動模擬采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)[27-29]。將吸嘴與真空氣路連接處截面設(shè)置為壓力進口，利用KITA KP43V型真空壓力傳感器測得MideaQB60D型、功率0.6 kW真空風(fēng)機空載時壓力進口真空度值為9.9×10-3MPa，吸嘴口處設(shè)為自由流動出口，空氣密度為1.29 kg/m3，環(huán)境壓力為1.01×105Pa，環(huán)境溫度為298 K，動力黏度為1.78×10-5kg/(m·s)，獲得流速云圖如圖5。

組培苗的引導(dǎo)作業(yè)主要依靠吸嘴口前引導(dǎo)翅區(qū)域的負壓氣流推送完成，通過仿真結(jié)果可看出，吸嘴寬度為 5 mm時，引導(dǎo)翅區(qū)域大部分氣流沿引導(dǎo)翅流向吸嘴口中心，這有助于組培苗沿引導(dǎo)翅導(dǎo)向吸嘴口中心。隨著吸嘴寬度增加，氣流流向沿引導(dǎo)翅導(dǎo)向趨勢減弱，當(dāng)吸嘴寬度為10 mm時，氣流流向幾乎不受引導(dǎo)翅影響而直接進入吸嘴腔內(nèi)，易將組培苗推向引導(dǎo)翅，使組培苗與引導(dǎo)翅間產(chǎn)生較大摩擦，不利于組培苗引導(dǎo)。

為進一步判斷氣流引導(dǎo)效果，如圖6所示，采用定點對比方法對3個工況吸嘴引導(dǎo)翅區(qū)域內(nèi)相同選定點的流速值進行對比。由于吸嘴相對軸對稱，選取1/2區(qū)域為研究對象。根據(jù)對接種期100株馬鈴薯組培苗參數(shù)測定，其直徑平均值為(1.23±0.21) mm，為便于對比分析，假定組培苗苗徑為1 mm，組培苗與吸嘴口中心位置偏差設(shè)為3 mm。取吸嘴口中心處組培苗中心為點，在以點為中心的半徑3 mm處選擇、兩點（見圖6）。

圖5 不同寬度吸嘴速度場分布圖

根據(jù)流場分析結(jié)果獲得3個吸嘴模型引導(dǎo)翅區(qū)域、、3點流速值如表1所示。

由表1可知，吸嘴寬度為5 mm時、、3點流速均大于其他2個吸嘴對應(yīng)位置點流速，綜合氣流流向與流速對比結(jié)果，移植手吸嘴口寬度取為5 mm。

表1 不同吸嘴寬度流速定點對比

根據(jù)上述設(shè)計與流體仿真分析結(jié)果，移植手吸嘴設(shè)計為外徑5 mm、內(nèi)徑4 mm圓管狀，前端設(shè)置夾角為90°引導(dǎo)翅，引導(dǎo)翅頂點間距為10 mm。

3 移植手作業(yè)性能試驗

3.1 移植手引導(dǎo)性能試驗

為了解移植手在組培苗引導(dǎo)環(huán)節(jié)作業(yè)性能，對移植手進行引導(dǎo)性能試驗，以確定移植手合理作業(yè)參數(shù)。

3.1.1 試驗方法

組培苗引導(dǎo)過程中，當(dāng)組培苗相對移植手吸嘴口中心偏差距離較大或與引導(dǎo)翅發(fā)生干涉時，易導(dǎo)致負壓氣流對組培苗引導(dǎo)失敗，因此組培苗把持點所在空間位置是影響移植手引導(dǎo)效果的重要因素。另一方面，移植手吸嘴真空度過小難以引導(dǎo)組培苗，真空度過大易導(dǎo)致組培苗出現(xiàn)吸附損傷，因此吸嘴真空度大小是影響移植手引導(dǎo)效果的另一個重要因素。

移植手引導(dǎo)性能試驗以移植手對組培苗的引導(dǎo)成功率作為考核指標(biāo)，以組培苗把持點空間位置及吸嘴真空度為影響因素，選用L9(33)正交表安排試驗。

組培苗把持點空間位置選擇時坐標(biāo)原點及方向如圖6所示，由于移植手吸嘴相對軸對稱，試驗時僅在軸正向取點。因引導(dǎo)翅頂點間離為10 mm，為保證組培苗把持點位置在原點5 mm半徑內(nèi)，避免組培苗因無法進入引導(dǎo)翅范圍內(nèi)而導(dǎo)致引導(dǎo)失敗，組培苗把持點在軸方向偏差分別選擇0，2，4 mm 3個水平。MideaQB60D型0.6 kW風(fēng)機在移植手空載吸附管道內(nèi)最大真空度約為9.9×10-3MPa，為保證真空度能夠達到穩(wěn)定值，選擇5×10-3，7×10-3，9×10-3MPa 3個水平。試驗因素水平如表2所示。

表2 移植手引導(dǎo)性能正交試驗因素與水平表

試驗對象使用接種期費烏瑞它馬鈴薯組培苗，直徑平均值為（1.23±0.21）mm。試驗裝置如圖7所示，移植手固定在直線運動單元上，其吸嘴口中心與固定夾夾口中心垂直距離為10 mm。試驗時將組培苗放入固定夾夾口內(nèi)，組培苗把持點位置及吸嘴真空度按試驗組合條件設(shè)定。組培苗夾持穩(wěn)定后，移植手通過直線運動單元到達把持位置，風(fēng)機啟動，觀察組培苗是否被引導(dǎo)成功。每個試驗條件組合進行30次試驗,移植手將設(shè)定把持點空間位置的組培苗引導(dǎo)至與移植手吸嘴口中心貼合且未造成組培苗吸附損傷為成功。

3.1.2 結(jié)果與分析

正交試驗方案及結(jié)果如表3。

表3 引導(dǎo)性能正交試驗結(jié)果

對表3數(shù)據(jù)進行極差分析，極差大小次序為軸偏差>真空度>軸偏差，即軸方向偏差對于移植手引導(dǎo)成功率影響最大，軸偏差越大，移植手進給過程中引導(dǎo)翅與組培苗干涉幾率越大，使組培苗與引導(dǎo)翅之間摩擦力增加，當(dāng)真空度較小時，易造成引導(dǎo)失敗。試驗觀察顯示，在、軸偏差均為0條件下，5×10-3MPa的真空度即可實現(xiàn)組培苗穩(wěn)定吸附把持。當(dāng)軸偏差為0時，3個真空度水平下的引導(dǎo)成功率均達到100%，說明軸偏差對于移植手引導(dǎo)成功率影響較小。當(dāng)軸偏差為 4 mm、軸偏差為0時，組培苗與引導(dǎo)翅摩擦較嚴(yán)重，當(dāng)真空度為9×10-3MPa時引導(dǎo)成功率為96.7%。針對表3中軸4 mm偏差、軸0時偏差工況進行變真空度單因素附加試驗，真空度由8.8×10-3MPa變化到7.8×10-3MPa，間隔0.2×10-3MPa，每個真空度條件下進行30次試驗，結(jié)果顯示當(dāng)真空度為8.6×10-3MPa和8.4×10-3MPa時，引導(dǎo)成功率均達到100%，為保證把持力，確定移植手吸嘴真空度為8.6×10-3MPa，組培苗把持容偏半徑可達4 mm。通過顯微鏡觀察，在真空度為8.6×10-3MPa條件下引導(dǎo)成功的組培苗，其莖稈表皮未出現(xiàn)破損、積水、壓痕等現(xiàn)象。

3.2 移植手把持性能試驗

組培苗引導(dǎo)成功后，接下來進行莖段切割與莖段扦插作業(yè)，這兩個環(huán)節(jié)均需保證移植手具有良好的把持性能，因此對移植手把持性能進行考察，以獲得合理作業(yè)參數(shù)。

3.2.1 組培苗莖段切割試驗

為在高速切割時減輕對組培苗的切割沖擊，切割刀采用圓盤刀。切割刀轉(zhuǎn)速與進給速度間是否匹配會對莖段切割效果有很大影響，當(dāng)進給速度過快而轉(zhuǎn)速較慢時，易導(dǎo)致切割刀對組培苗莖桿形成撞擊，切割刀進給速度過慢影響生產(chǎn)率。通過上述分析，莖段切割試驗以莖段切割成功率作為考核指標(biāo)，以切割刀轉(zhuǎn)速和進給速度為影響因素，進行2因素3水平全排列試驗。

考慮作業(yè)空間要求，圓盤刀旋轉(zhuǎn)及進給驅(qū)動均選為德軒J-3518HB型步進電機，根據(jù)初步試驗，該型步進電機轉(zhuǎn)速達到8 r/s時扭矩?zé)o法保證切割力，因此圓盤刀轉(zhuǎn)數(shù)選擇1、4、7 r/s 3個水平；直線進給速度在0.05 m/s以上對組培苗有明顯沖撞，切割刀進給速度選擇0.01、0.03、0.05 m/s 3個水平。試驗用組培苗條件及風(fēng)機型號與引導(dǎo)性能試驗相同，根據(jù)引導(dǎo)性能試驗結(jié)果，吸嘴真空度設(shè)置為8.6×10-3MPa。試驗裝置如圖8a所示，考慮刃口鋒利及刀體強度，切割刀采用常見厚度規(guī)格0.3 mm、直徑45 mm的不銹鋼圓盤刀。2吸嘴間垂直間距為10 mm、水平方向保證待切割組培苗吸附后為直立狀態(tài)。

試驗時將馬鈴薯組培苗放置于2移植手吸嘴口處吸附穩(wěn)定后，切割刀以設(shè)定轉(zhuǎn)速及進給速度進行莖段切割，切割刀退出后觀察莖段是否切割成功。每個試驗條件組合進行30次試驗，移植手可穩(wěn)定把持切割后莖段且莖段傷口平滑為切割成功。試驗結(jié)果如表4所示。

由表4可知，切割刀轉(zhuǎn)速為1 r/s時，切割刀3個進給速度水平下切割成功率均較低，且當(dāng)切割刀進給速度為0.05 m/s時，切割成功率僅為26.7%，其原因主要由于切割刀轉(zhuǎn)速過低，無法與3個進給速度匹配，致使切割刀對未切斷的組培苗莖桿形成撞擊，部分組培苗出現(xiàn)撞斷或未完全切斷的情況。當(dāng)切割刀轉(zhuǎn)速為4 r/s時，與 0.01 m/s的進給速度組合可使切割成功率達到100%，隨著切割刀進給速度的增加，切割成功率呈下降趨勢，說明4 r/s的切割刀轉(zhuǎn)速不宜與大于0.01 m/s進給速度匹配。當(dāng)切割刀轉(zhuǎn)速達到7 r/s時，在切割刀進給速度為0.01和0.03 m/s條件下，切割成功率均達到100%。因此在莖段切割環(huán)節(jié)，當(dāng)切割刀轉(zhuǎn)速達到7 r/s以上時，進給速度可為0.03 m/s。

表4 莖段切割試驗結(jié)果

3.2.2 組培苗莖段扦插試驗

組培苗完成莖段切割后，移植手將切割完成的莖段扦插至目標(biāo)培養(yǎng)容器中，為考察移植手在莖段扦插過程中把持性能，進行組培苗莖段扦插試驗。

莖段扦插試驗以莖段扦插成功率作為考核指標(biāo)，以對扦插成功率影響較大的組培苗莖段直徑和移植手扦插速度為影響因素進行2因素3水平全排列試驗。組培苗直徑最大值約為1.62 mm，最小值約為0.64 mm，試驗用莖段直徑選擇（0.7±0.1）、（1.1±0.1）、（1.5±0.1） mm 3個水平?？紤]扦插速度過快易導(dǎo)致組培苗莖段氣力把持不穩(wěn)定，扦插速度選擇0.01、0.03和0.05 m/s 3個水平。試驗用風(fēng)機型號與引導(dǎo)性能試驗相同，吸嘴真空度設(shè)置為8.6×10-3MPa。試驗裝置如圖8c所示，移植手吸嘴固定在步進電機與絲杠組成的直線運動單元上實現(xiàn)豎直方向扦插動作。

試驗時將完成切割的10 mm長組培苗莖段吸附在吸嘴上，生長點置于吸嘴口上部，組培苗莖段插入培養(yǎng)基深度設(shè)置為5 mm，各試驗條件組合進行30次試驗，扦插結(jié)束后，生長點與吸嘴口上邊緣無相對滑動，且組培苗莖段穩(wěn)定直立于培養(yǎng)基中為扦插成功。試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可看出，當(dāng)莖段直徑為（0.7±0.1）mm、扦插速度為0.01 m/s時，扦插成功率為100%，隨著扦插速度提高，扦插成功率呈下降趨勢，當(dāng)扦插速度達到0.05 m/s時，扦插成功率僅為20%，原因主要是由于莖段較柔弱，扦插時接觸培養(yǎng)基后受力變形現(xiàn)象較嚴(yán)重，難以保證直立插入培養(yǎng)基。隨著莖段直徑增加，其剛性增強，當(dāng)直徑達到（1.5±0.1）mm時，80%的莖段能滿足0.05 m/s的扦插速度扦插成功，少數(shù)莖段出現(xiàn)相對吸嘴口滑動現(xiàn)象，致使扦插深度不夠，出現(xiàn)倒伏現(xiàn)象。根據(jù)以上分析，隨著莖段扦插速度的提高，扦插成功率呈下降趨勢，扦插速度為0.01 m/s時，對于直徑在（0.7±0.1）、（1.1±0.1）、（1.5±0.1）mm條件下莖段扦插成功率均可達100%，因此莖段適宜扦插速度設(shè)置在0.01 m/s以下。

表5 莖段扦插試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文以接種期馬鈴薯組培苗為研究對象，基于3移植手并行接種作業(yè)要求，設(shè)計一種負壓引導(dǎo)式氣力把持移植手并進行引導(dǎo)與把持性能試驗研究。

1）根據(jù)組培苗接種作業(yè)要求及Fluent流場分析，確定移植手形式為外徑5 mm、內(nèi)徑4 mm圓管狀，前端設(shè)置夾角為90°引導(dǎo)翅，引導(dǎo)翅頂點間距為10 mm。

2）根據(jù)移植手引導(dǎo)性能正交試驗，確定移植手吸嘴真空度為8.6×10-3MPa時，對組培苗把持位置容偏半徑為4 mm。

3）通過莖段切割及扦插性能試驗，在吸嘴真空度為8.6×10-3MPa條件下，使用厚度0.3 mm、直徑45 mm的圓盤切割刀以7 r/s轉(zhuǎn)速和0.03 m/s進給速度進行組培苗莖段切割，切割成功率為100%；對于直徑在（0.7±0.1）、（1.1±0.1）、（1.5±0.1）mm條件下組培苗莖段，以0.01 m/s扦插速度進行扦插作業(yè)，扦插成功率可達100%。

[1] 劉進平，鄭成木. 誘變結(jié)合植物組織培養(yǎng)在植物育種中的應(yīng)用[J]. 上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2004，20(1)：19－22. Liu Jinping, Zheng Chengmu. Induced mutation in connection with in vitro culture for crop breeding[J]. Acta Agricultural Shanghai, 2004, 20(1): 19－22. (in Chinese with English abstract)

[2] 劉文科，楊其長. 環(huán)境控制技術(shù)在植物無糖組織培養(yǎng)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2005，21(增刊2)：45－49. Liu Wenke, Yang Qichang. Applications of environmental control technology in sugar-free micropropagation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2005, 21(Supp.2): 45－49. (in Chinese with English abstract)

[3] Jain S M. Tissue culture-derived variation in crop improvement[J]. Euphytica, 2001, 118(2): 153－166.

[4] 盧翠華，邸宏，張莉莉. 馬鈴薯組織培養(yǎng)原理與技術(shù)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

[5] 楊艷麗. 組培苗自動化生產(chǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014. Yang Yanli. The Research of Key Technologies of Automatic Production Systems for Tissue Culture Seedlings[D]. Guangzhou: South China Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[6] 李愷，辜松，楊艷麗，等. 條狀組培苗負壓拾取手設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(2)：29－36. Li Kai, Gu Song, Yang Yanli, et al. Design and experiment on vacuum pickup hand for banding tissue culture seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(2): 29－36. (in Chinese with English abstract)

[7] 楊紅旗，王春萌. 中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)制約因素及發(fā)展對策[J]. 種子，2011，30(5)：100－104. Yang Hongqi, Wang Chunmeng. Main restrictive factors and countermeasures of potato industry development in China[J]. Seed, 2011, 30(5): 100－104. (in Chinese with English abstract)

[8] 高明杰，羅其友，劉洋，等. 中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢分析[J]. 中國馬鈴薯，2013，27(4)：243－247. Gao Mingjie, Luo Qiyou, Liu Yang, et al, Development trend analysis on China’s potato industry[J]. Chinese Potato Journal, 2013, 27(4): 243－247. (in Chinese with English abstract)

[9] Ibaraki Y, Kurata K. Automation of somatic embryo production. plant cell[J]. Tissue and Organ Culture, 2001, 65(3): 179－199.

[10] 宿飛飛，呂典秋，邱彩玲，等. 脫毒馬鈴薯組培工廠化育苗成本核算[J]. 中國馬鈴薯，2010，24(2)：120－124. Xu Feifei, Lv Dianqiu, Qiu Cailing, et al. Cost calculation of factory seedling of virus-free potato tissue culture seedlings[J]. Chinese Potato Journal, 2010, 24(2): 120－124. (in Chinese with English abstract)

[11] 陳欽. 脫毒馬鈴薯種薯快繁技術(shù)推廣研究-以漢中地區(qū)為例[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011. Chen Qin. Rapid Propagation of Virus-freeseed Potatoin Promoting Research Taking Hanzhong District as An Example[D]. Yangling: Northwest A & F University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[12] 閆東升. 馬鈴薯脫毒種薯行業(yè)發(fā)展前景分析[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2012.

[13] Kurata K, Kozai T. Transplanter Production Systems[M]. Netherlands: Kluwer Academic, 1992.

[14] 海津裕，罔本嗣男，烏居徹. ラこ科植物組織培養(yǎng)苗の自動選別ぉよびロボツト移植について[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)會誌，1998，60(3)：55－62.

[15] Vasil, Indra K. Automation of plant propagation[J]. Plant Cell, Tissue and Organ Culture, 1994, 39(2): 105－108.

[16] Fujita N, Kinase A. The use of robotics in automated plant propagation[J]. Scale-up and Automation in Plant Propagation, 1991:231－244.

[17] Aitken-Christie J, Kozai T, Smith M A L. Automation and Environmental Control in Plant Tissue Culture[M]. Netherlands: Springer, 1995.

[18] 楊麗. 組培苗分割移植機器人系統(tǒng)的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005. Yang Li. Study on Robot System for Tissue Culture Plantlet Cutting and Transplanting[D]. Beijing: China Agricultural University, 2005. (in Chinese with English abstract)

[19] 孫剛，鄭文剛，喬曉軍，等. 植物組培繼代培養(yǎng)機器人研究進展與展望[J]. 北方園藝，2010(15)：45－49. Sun Gang, Zheng Wengang, Qiao Xiaojun, et al. Research progress and prospect of micropropagation robot in plant tissue culture [J]. Northern Horticulture, 2010(15): 45－49. (in Chinese with English abstract)

[20] 楊麗，來杭生，張東興，等. 馬鈴薯組培苗自動取苗機構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(10)：24－30. Yang Li, Lai Hangsheng, Zhang Dongxing, et al. Design and experiment of picking seedling machinery for potato tissue culture seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(10): 24－30. (in Chinese with English abstract)

[21] 屈哲，來杭生，崔濤，等. 整瓶馬鈴薯組培苗剪切機構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(9)：39－46. Qu Zhe, Lai Hangsheng, Cui Tao, et al. Design and experiment of shear machanism for potato tissue culture seedlings in whole bottle [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 39－46. (in Chinese with English abstract)

[22] 岡本嗣男，趙春山，實山安英，等. サトウキビ培養(yǎng)苗増殖ロボットに関する研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)會誌，1998，60(6)：71－77.

[23] 黃鷹任. 蝴蝶蘭組織培養(yǎng)苗自動夾持作業(yè)之研究[D]. 臺中：國立中興大學(xué)，2008. Huang Yingren. Study on Automatic Grasping Operation for Phalaenopsis Tissue Culture Plantlets[D]. Taichung: National Chung Hsing University, 2008. (in Chinese with English abstract)

[24] 李愷. 組培苗莖段移植機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015. Li Kai. The Research on Key Technologies of Transplant Robotic System for Tissue Culture Seedling Section[D]. Guangzhou: South China Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊麗，張鐵中，張凱良. 組培苗移植機器人移苗作業(yè)規(guī)劃[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008，39(9)：112－117. Yang Li, Zhang Tiezhong, Zhang Kailiang. Trajectory planning of tissue culture plantlet transplanting robot in transporting seedling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(9): 112－117. (in Chinese with English abstract)

[26] 郝云鳳，楊瑞平，張培宏，等. 馬鈴薯脫毒試管苗組培擴繁技術(shù)規(guī)程[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技，2005(增刊1)：54－55.

[27] 王娟，王春光，王芳. 基于Fluent的9R-40型揉碎機三維流場數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(2)：165－169. Wang Juan, Wang Chunguang, Wang Fang. Numerical simulation on three-dimensional turbulence air flow of 9R-40 rubbing and breaking machine based on Fluent software[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(2): 165－169. (in Chinese with English abstract)

[28] 張起勛，于海業(yè)，張忠元，等. 利用CFD模型研究日光溫室內(nèi)的空氣流動[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(16)：166－171. Zhang Qixun, Yu Haiye, Zhang Zhongyuan, et al. Airflow simulation in solar greenhouse using CFD model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(16): 166－171. (in Chinese with English abstract).

[29] 田濟揚，白丹，于福亮，等. 基于Fluent軟件的滴灌雙向流流道灌水器水力性能數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(20)：65－71. Tian Jiyang, Bai Dan, Yu Fuliang, et al. Numerical simulation of hydraulic performance on bidirectional flow channel of drip irrigation emitter using Fluent[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(20): 65－71. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment on pneumatic guide transplanting hand for potato tissue culture seedlings

Chu Qi1, Gu Song1,2※, Yang Yi1, Li Bo1, Lv Yajun1, Hu Junsheng1, Yang Yanli3

(1.510642,; 2.510642,; 3.510642,)

Multi-hand parallel transplantation can effectively improve the efficiency of vaccination, but the majority of transplanting hands based on dimension-positioning are complex, which causes operation space of transplanting hand not enough when several transplanting hands are working at the same time. Meanwhile, the ability is poor for adapting individual differences oftissue culture seedlings, some tissue culture seedlings will be held unstably or be damaged by transplanting hand in the process of holding. Based on those issues, a tissue culture seedlings transplanting hand was designed in this research, which used a negative pressure air flow to complete the guidance and hold of potato tissue culture seedlings, to strengthen the adaptability for individual differences of tissue culture seedlings, to achieve flexible hold. The transplanting hand for tissue culture seedlings mainly consists of three parts, including the sucker, vacuum generating device, and negative pressure detection part. The sucker is the key partof transplanting hand, which decides the holding and guide effect of transplanting hand for tissue culture seedlings. In this paper, design and experiments were both mainly focused on the guide and control performance of sucker.The process that sucker holds a tissue culture seedling can be divided into three phases: guide and hold, stem section cutting, and stem section inserting. In guide and hold phase, the transplanting hand guide tissue culture seedlings of deviation from the holding position to mouth of sucker by negative pressure airflow. In stem section cutting phase and stem section inserting phase,transplantinged hands need to be stable to hold tissue culture seedlings,to ensure effect of stem section cutting and inserting. At the same time, sucker of transplanted hands should avoid tissue culture seedlings from damage. According to the above requirements of transplanting hand, first, the three-dimensional modeling was established based on work for sucker of transplanting hand and fluid simulation analysis was carried out based on Fluent software for shape of sucker of transplanting hand with guide wings. The shape of sucker of the transplanting hand was round tube with the outer diameter 5 mm, and inner diameter 4 mm, and the angle was set 90° for guide wings in the front of round tube, the distance was 10 mm between two guide wing vertex. In order to test the ability of accommodating tissue culture seedlings deviation by negative pressure air flow guide for transplanting hand, orthogonal experiment was carried out, the results showed that potato tissue culture seedlings of average diameter was 1.23 ± 0.21 mm, the radius of transplanting hand that guided tissue culture seedlings successfully was 4 mm when the vacuum of sucker was 8.6 × 10-3MPa.The process of vaccination should avoid the direction of transplanting hand movement and direction of tissue culture bending was vertical by adjusting three transplanting hand operation sequence in order to reduce the interference between the two. In order to test the hold performance of the transplanting hand, experiments of stem section cutting and stem section inserting were carried out under the condition of the vacuum of tube of 8.6×10-3MPa，the results showed that the straight speed ofcutter was 0.03 m/s when the rotate speed of cutter of thickness was 0.3 mm and diameter was 45 mm is 7 r/s. When stem diameter of stem section of tissue culture seedlings was (0.7 ± 0.1), (1.1 ± 0.1), (1.5 ± 0.1) mm and the inserting speed was 0.01 m/s, the success rate of stem inserting was 100%.

tissue culture; mechanization; automation; potato tissue culture seedlings; negative pressure guidance; transplanting hand

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.006

S233.73

A

1002-6819(2017)-12-0040-08

2016-09-30

2017-05-17

國家“863”計劃資助項目（2013AA10240603）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金（20124404110004）

初 麒，男（漢），黑龍江人，博士生，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)智能裝備的研究。廣州，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。Email：yourschuqi2005@163.com

辜 松，男，博士生導(dǎo)師，教授，博士，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)裝備的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。 Email：sgu666@sina.com中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：辜 松（E041200242S）

初 麒，辜 松，楊 意，黎 波，呂亞軍，胡俊生，楊艷麗.馬鈴薯組培苗氣力引導(dǎo)式移植手設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(12)：40－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.006 http://www.tcsae.org

Chu Qi, Gu Song, Yang Yi, Li Bo, Lv Yajun, Hu Junsheng, Yang Yanli.Design and experiment on pneumatic guide transplanting hand for potato tissue culture seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 40－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.006 http://www.tcsae.org