椰糠培育葉菜種苗移植機(jī)械手設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黎 波 ，辜 松 ,2※，初 麒 ，呂亞軍 ，胡俊生，謝忠堅(jiān)，楊艷麗，江海宇

（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(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642；4. 廣州市綠翔機(jī)電安裝工程有限公司，廣州 511400）

椰糠培育葉菜種苗移植機(jī)械手設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黎 波1，辜 松1,2※，初 麒1，呂亞軍1，胡俊生1，謝忠堅(jiān)1，楊艷麗3，江海宇4

（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(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642；4. 廣州市綠翔機(jī)電安裝工程有限公司，廣州 511400）

針對(duì)椰糠與泥炭相比容重小、孔隙度大、顆粒間黏附性弱，現(xiàn)有移植機(jī)械手對(duì)椰糠培育種苗移植適應(yīng)性不佳的問題，該文以椰糠培育芥藍(lán)種苗為移植對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種4伸縮針式移植機(jī)械手，伸縮針直徑2.5 mm、入土角76°。在移植機(jī)械手移植過程中，僅依靠基質(zhì)塊的基質(zhì)散落質(zhì)量百分比難以說明移植部件對(duì)種苗根系的影響，該文提出了一種基質(zhì)散落質(zhì)量百分比結(jié)合基質(zhì)散落區(qū)域評(píng)分的綜合評(píng)價(jià)法。針對(duì)50穴盤椰糠培育芥藍(lán)種苗，通過伸縮針拾取試驗(yàn)，在保證椰糠基質(zhì)塊移植過程中保持完整條件下，確定了移植機(jī)械手伸縮針間距為36 mm；通過移植作業(yè)性能試驗(yàn)表明，葉菜種苗根系狀態(tài)對(duì)移植成功率影響最大，機(jī)械手作業(yè)移動(dòng)加速度也有一定影響，對(duì)最優(yōu)組合分析后補(bǔ)做試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)于正常長(zhǎng)勢(shì)椰糠培育芥藍(lán)種苗根系狀態(tài)，在根系分布率大于80%、垂直加速度0.3 m/s2、水平加速度1.5 m/s2和基質(zhì)含水率81.01%條件下，芥藍(lán)種苗移植成功率可達(dá)100%。該研究可為移植椰糠培育種苗的移植機(jī)開發(fā)提供技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；水培葉菜；種苗；移植機(jī)械手；椰糠基質(zhì)

0 引 言

中國(guó)設(shè)施園藝近年發(fā)展迅速，2015年設(shè)施園藝生產(chǎn)面積達(dá)到433.33萬(wàn) hm2以上，然而中國(guó)設(shè)施園藝機(jī)械化水平還相對(duì)落后，占比達(dá) 95%的蔬菜綜合機(jī)械化生產(chǎn)水平僅達(dá)25%左右[1]，這與2012年中國(guó)水稻、玉米、小麥綜合機(jī)械化生產(chǎn)水平分別為68.82%、74.95%和93.21%[2]相比存在較大差距。設(shè)施水培蔬菜生產(chǎn)過程中種苗移植作業(yè)主要采用人工，人工移植作業(yè)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、移植質(zhì)量不穩(wěn)定[3-4]，人工成本也在逐年攀升[5-6]，因此開發(fā)適應(yīng)中國(guó)水培蔬菜生產(chǎn)模式的穴盤種苗移植機(jī)械是設(shè)施園藝現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

在國(guó)外，荷蘭、美國(guó)等國(guó)家穴盤種苗移植技術(shù)發(fā)展已較為成熟[7]，其移植對(duì)象主要是盆栽花卉種苗，移植機(jī)械手主要分為鏟式和針式2種類型[1]。近年，隨著設(shè)施水培蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展，歐洲開發(fā)出了水培葉菜種苗移植機(jī)，但因采用基質(zhì)塊培育種苗，其移植機(jī)械手結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單[8]，不適合中國(guó)穴盤生產(chǎn)水培蔬菜種苗的模式[9]。國(guó)內(nèi)，張?jiān)奫10]、劉凱[11-12]、孫國(guó)祥[13-14]、韓綠化[15-16]等針對(duì)穴盤種苗移植提出了不同形式的移植機(jī)械手，馮青春[17]、童俊華[18]、高國(guó)華[19]、王躍勇[20]等針對(duì)移植機(jī)械手進(jìn)行了作業(yè)性能研究，但上述研究均針對(duì)泥炭基質(zhì)栽培種苗。目前華南地區(qū)水培葉菜種苗生產(chǎn)多以椰糠為主要栽培基質(zhì)，椰糠與泥炭相比容重小、孔隙度大、顆粒間黏附性弱[21-22]，現(xiàn)有移植機(jī)械手入土位置及收縮拾取模式都難以保證椰糠基質(zhì)塊的完整性，傷及種苗根系。本文以為廣東省水培葉菜種植企業(yè)研制水培葉菜種苗自動(dòng)移植機(jī)為目標(biāo)，開發(fā)適合椰糠栽培的水培葉菜種苗移植機(jī)械手，通過機(jī)械手移植試驗(yàn)，確定移植機(jī)械手關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及作業(yè)參數(shù)，為椰糠栽培種苗自動(dòng)移植機(jī)開發(fā)提供技術(shù)參考。

1 移植機(jī)械手設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)條件

本研究針對(duì)的水培葉菜種苗為種植企業(yè)生產(chǎn)量大、具有較好效益[23-25]的芥藍(lán)種苗。芥藍(lán)種苗移植苗齡為 2周,其栽培基質(zhì)由椰糠、泥炭和珍珠巖組成，種植企業(yè)使用的基質(zhì)質(zhì)量比為8∶2∶1。

水培葉菜種苗生產(chǎn)使用50穴（5×10）塑料穴盤，外形尺寸為280 mm × 540 mm，穴孔上部邊長(zhǎng)46 mm，下部邊長(zhǎng)22 mm，深度48 mm，穴盤厚度1 mm，材料為PVC。

為考察芥藍(lán)種苗幾何參數(shù)，選取移植苗齡芥藍(lán)種苗60株（圖1），測(cè)得株高為（65±15）mm，主莖分布區(qū)域直徑為（21±7）mm。

圖1 芥藍(lán)種苗Fig.1 Kale seedlings

1.2 基質(zhì)特性分析

本研究移植對(duì)象主要采用椰糠作為栽培基質(zhì)，其特性見表1[26]，椰糠的容重不到泥炭的1/3，總孔隙度是泥炭的 2倍，這使得椰糠顆粒間的黏附力比泥炭的小，導(dǎo)致椰糠基質(zhì)塊相比于泥炭容易散裂。

表1 椰糠與泥炭特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of cocopeat and peatmoss

為對(duì)比椰糠與泥炭顆粒黏附特性，分別以椰糠和泥炭為對(duì)象進(jìn)行立方塊壓縮試驗(yàn)，針對(duì)50穴盤基質(zhì)塊大小，取35 mm×35 mm×35 mm立方自然填充的基質(zhì)，再將其壓縮至原有體積 80%的立方塊以利成形，利用 ARK-10M4-20型測(cè)力儀以1 mm/s的速度進(jìn)行平板壓縮（圖2），測(cè)試 2種基質(zhì)立方塊發(fā)生散裂的壓縮率，此狀態(tài)下的壓縮率稱為臨界壓縮率，各條件下測(cè)試重復(fù)5次。圖2測(cè)試結(jié)果表明，壓縮時(shí)椰糠比泥炭更容易散塊，這是因?yàn)橐房紫抖却螅w粒間難以形成黏附力所致，這種趨勢(shì)隨著基質(zhì)含水率的增加而增加。

圖2 基質(zhì)立方塊散裂臨界壓縮率測(cè)試結(jié)果Fig.2 Results of critical compression ratio test for substrate cubes spallation

1.3 設(shè)計(jì)方案

設(shè)施園藝移植機(jī)主要用于盆栽花卉種苗移植作業(yè)，常見移植機(jī)械手以拾取部件來(lái)分類主要有鏟式和針式兩種形式[27]（圖3）。鏟式移植機(jī)械手伸縮鏟插入基質(zhì)邊緣，各伸縮鏟向基質(zhì)塊中心聚攏實(shí)現(xiàn)對(duì)基質(zhì)塊的收縮拾取，鏟式機(jī)械手尺寸較大，易對(duì)基質(zhì)塊造成破壞，適用于小苗移植；針式移植機(jī)械手，利用伸縮針插入基質(zhì)，收縮夾持提取基質(zhì)塊，也有不收縮依靠伸縮針傾角提取基質(zhì)塊[9]，適用于大苗移植。

圖3 常見移植機(jī)械手Fig.3 Commonly transplanting manipulator

根據(jù)椰糠孔隙度大、顆粒間黏附力較小、基質(zhì)塊易散裂的特性，本研究采用不收縮針式移植手結(jié)構(gòu)，以減少對(duì)椰糠主體基質(zhì)塊的擾動(dòng)、避免基質(zhì)塊散裂，依靠伸縮針的傾角提取基質(zhì)塊。

為了解伸縮針移植水培葉菜種苗的受力情況，對(duì)基質(zhì)塊剛好脫離穴盤時(shí)的受力進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 基質(zhì)塊脫離穴孔壁時(shí)刻受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram when substrate cube break away from wall of plug tray hole

O點(diǎn)為基質(zhì)塊質(zhì)心，伸縮針與水平方向夾角記為入土角α，F(xiàn)N1和FN2為基質(zhì)塊對(duì)伸縮針的正壓力，F(xiàn)N1對(duì)基質(zhì)塊產(chǎn)生2個(gè)分力，F(xiàn)3對(duì)基質(zhì)塊向上提升，F(xiàn)4將基質(zhì)塊向中心擠壓。當(dāng)伸縮針插入基質(zhì)塊點(diǎn)與外邊緣距離L較小時(shí)，伸縮針上承載的基質(zhì)塊質(zhì)量較大，F(xiàn)N1較大，F(xiàn)3和F4也相應(yīng)較大，伸縮針對(duì)基質(zhì)塊的提升效果較好，但基質(zhì)塊會(huì)受到較大擠壓力。另外基質(zhì)塊還受到伸縮針對(duì)其的張力F1和F2的作用，F(xiàn)1和F2沿伸縮針斜向上對(duì)基質(zhì)塊起提升作用，張力與基質(zhì)含水率及基質(zhì)顆粒間黏附性等物理參數(shù)有關(guān)[28]。

考慮基質(zhì)塊拾取穩(wěn)定性，選取 4根伸縮針，移植機(jī)械手主要由氣缸、導(dǎo)管座、導(dǎo)管、伸縮針構(gòu)成（圖5a）。氣缸桿與導(dǎo)管座連接，4個(gè)導(dǎo)管固定在導(dǎo)管座上，4根伸縮針與氣缸體連接，可在氣缸驅(qū)動(dòng)下在導(dǎo)管內(nèi)滑動(dòng)。如圖 5b，為避免移植機(jī)械手拾取時(shí)壓傷水培葉菜種苗，根據(jù)芥藍(lán)種苗株高（65±15） mm，導(dǎo)管垂直長(zhǎng)度C1取為80 mm；根據(jù)基質(zhì)塊深度為48 mm，伸縮針伸插入基質(zhì)塊的垂直深度C2取為43 mm，因此氣缸選為CDQ2B 32-45型；伸縮針入土角α取為基質(zhì)塊的傾角，根據(jù)基質(zhì)塊的幾何尺寸計(jì)算為76°。

圖5 水培葉菜種苗移植機(jī)械手Fig.5 Seedlings transplanting manipulator of hydroponics leafy vegetables

為確定伸縮針外徑，選取1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mm鋼針依次安裝于移植機(jī)械手氣缸上對(duì)芥藍(lán)種苗基質(zhì)塊進(jìn)行拾取效果探索試驗(yàn)，試驗(yàn)針對(duì)根系分布較差、基質(zhì)處于較干狀態(tài)的芥藍(lán)種苗。試驗(yàn)結(jié)果表明，2 mm及以下伸縮針剛性差、易彎曲，不利于基質(zhì)塊穩(wěn)定拾?。? mm及以上伸縮針，基質(zhì)塊易被伸縮針扎裂破碎，導(dǎo)致基質(zhì)塊在移植過程開裂而使基質(zhì)散落。綜上所述，伸縮針直徑確定為2.5 mm，伸縮針材料采用不銹鋼。

根據(jù)圖4的受力分析，伸縮針的間距S與L呈相關(guān)性，因L的大小影響伸縮針對(duì)基質(zhì)塊的提升力和破裂程度，L與S值通過機(jī)械手移植試驗(yàn)確定。

2 機(jī)械手移植試驗(yàn)

2.1 伸縮針拾取試驗(yàn)

為確定伸縮針插入基質(zhì)塊插入點(diǎn)與外邊緣的適宜距離L及伸縮針間距S，進(jìn)行距離L、根系狀態(tài)T、及基質(zhì)含水率W影響伸縮針傷根情況的正交試驗(yàn)。

2.1.1 試驗(yàn)因素

由基質(zhì)塊移植時(shí)受力分析可知，伸縮針插入基質(zhì)塊點(diǎn)與外邊緣距離L影響伸縮針對(duì)基質(zhì)塊的拾取效果，因此將L作為對(duì)根系損傷的影響因素。L越小，承載于伸縮針上基質(zhì)塊質(zhì)量越大，伸縮針對(duì)基質(zhì)塊整體提升性能越好，但L過小，伸縮針易破壞基質(zhì)塊的邊緣部分且易扎破穴盤，考慮到伸縮針的直徑及作業(yè)偏差，取L最小值為 5 mm；L過大，伸縮針插入點(diǎn)會(huì)進(jìn)入芥藍(lán)種苗莖干分布區(qū)傷及莖干，根據(jù)芥藍(lán)種苗主莖分布區(qū)域直徑最大值 28 mm和穴孔上部邊長(zhǎng)46 mm，L最大值取9 mm，L的3個(gè)水平取為9、7和5 mm。

根系損傷情況還與基質(zhì)含水率有關(guān)，將其也作為一對(duì)根系損傷的影響因素。播種前向穴盤填充等質(zhì)量基質(zhì)，芥藍(lán)成苗后，以基質(zhì)塊澆透水為高含水率，放置3 d后為低含水率，取高、低含水率濕基質(zhì)樣本，分別使用HX1002T型電子天平稱濕基質(zhì)質(zhì)量，通過DHG-9070A型電熱鼓風(fēng)干燥箱，以120 ℃連續(xù)烘干10 h，再稱取烘干后質(zhì)量，基質(zhì)含水率依據(jù)下式計(jì)算[29]

計(jì)算得到基質(zhì)高、低含水率分別為89.90%、72.12%。中含水率為高、低含水率的平均值81.01%，為保證各基質(zhì)塊含水率基本一致，根據(jù)計(jì)算，分別對(duì)每一基質(zhì)塊澆水獲得中含水率基質(zhì)塊，因此含水率的3個(gè)水平為72.12%、81.01%和89.90%。

種苗根系對(duì)基質(zhì)塊有聚合作用，將水培葉菜種苗根系狀態(tài)也作為對(duì)根系損傷的另一影響因素。由于根系的立體分布特征，無(wú)法進(jìn)行無(wú)損測(cè)量，在此以基質(zhì)塊 4個(gè)側(cè)面根系分布面積（圖 1b）與側(cè)面總面積比值（根系分布率）的平均值來(lái)說明根系的分布，當(dāng)根系分布率小于50%時(shí)，根系狀態(tài)記為“差”；當(dāng)根系分布率為50%～80%時(shí)，根系狀態(tài)記為“中”；當(dāng)根系分布率大于80%時(shí)，根系狀態(tài)記為“好”，據(jù)此，根系分布率的3個(gè)水平為差、中和好。

2.1.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

水培葉菜種苗栽培農(nóng)藝要求移植過程中盡量減小對(duì)根系的損傷，移植時(shí)基質(zhì)在伸縮針擠壓下發(fā)生破碎而部分散落，會(huì)導(dǎo)致種苗部分根系受拉力作用被拉斷，而基質(zhì)散落越靠近基質(zhì)塊中部根系，根系損傷程度越大，因此應(yīng)保證移植后基質(zhì)塊盡可能完整。韓綠化等[15]以根土破壞率，王躍勇等[20]以基質(zhì)完整率考察根系破壞程度，二者方法均以移植時(shí)脫落的基質(zhì)質(zhì)量來(lái)反映根系損傷情況，然而不同區(qū)域基質(zhì)散落對(duì)根系的損傷情況是不同的，根系在基質(zhì)塊中是由中部向外放射性分布，如圖6a中基質(zhì)塊單側(cè)散落質(zhì)量與圖6b中基質(zhì)塊雙側(cè)散落質(zhì)量基本相同，但二者造成根系損傷結(jié)果會(huì)不同，因此根系損傷情況僅依靠基質(zhì)塊散落質(zhì)量來(lái)描述存在局限性。針對(duì)此問題本研究對(duì)基質(zhì)塊進(jìn)行放射層式分區(qū)，依據(jù)對(duì)中心根系可能產(chǎn)生的損傷分為4個(gè)區(qū)，并進(jìn)行評(píng)分，如圖6c，1～4區(qū)對(duì)應(yīng)分值分別為1區(qū)：1分，2區(qū)：2分，3區(qū)：3分，4區(qū)：4分。根系損傷得分SRD為各分區(qū)分值與該分區(qū)基質(zhì)未散落質(zhì)量百分比乘積之和，基質(zhì)塊無(wú)散落為10分，SRD計(jì)算公式如下

式中SRD為根系損傷得分；A、B、C和D區(qū)分別為1、2、3和4區(qū)基質(zhì)未散落質(zhì)量百分比，%。

圖6 基質(zhì)塊兩種散落情況對(duì)比及評(píng)分分區(qū)Fig.6 Comparison of two different substrate cube scattered and its score partition

根系損傷得分分值越高，說明靠近根系的基質(zhì)散落量越少，該評(píng)價(jià)方法可以較好地反映基質(zhì)散落量與根系損傷情況之間的關(guān)系，本試驗(yàn)以根系損傷得分為拾取位置試驗(yàn)的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行考察。

2.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)考核指標(biāo)根系損傷得分，影響因素伸縮針插入基質(zhì)塊插入點(diǎn)與外邊緣距離L的 3個(gè)水平取為 9、7、5 mm，根系分布狀態(tài)3個(gè)水平取為“差”、“中”、“好”，基質(zhì)含水率3個(gè)水平取為72.12%、81.01%、89.90%。試驗(yàn)選用L9(33)正交表安排，每個(gè)試驗(yàn)條件組合移植30株種苗, 具體試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 移植機(jī)械手拾取位置正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Orthogonal experiment factors and level of transplanting manipulator picking up location

移植試驗(yàn)裝置如圖 7所示，機(jī)械手掛接于 Denso VP-6242E/GM六軸機(jī)械手臂上進(jìn)行移植試驗(yàn)，機(jī)械手臂最大可搬運(yùn)負(fù)荷2 kg。

圖7 移植機(jī)械手拾取位置試驗(yàn)裝置Fig.7 Test devices of transplanting manipulator picking up position

2.1.4 結(jié)果與分析

對(duì)表 3中的試驗(yàn)結(jié)果利用極差法分析可知，影響根系損傷得分的主次因素順序依次為根系狀態(tài)、距離、基質(zhì)含水率。最優(yōu)水平組合為：距離L=5 mm、根系狀態(tài)為“好”、基質(zhì)為中等含水率81.01%，此時(shí)根系損傷得分為8.87分，基質(zhì)散落情況與圖6c中只有1區(qū)基質(zhì)塊全部散落（9分）大致相當(dāng)。

表3 移植機(jī)械手拾取位置正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Orthogonal experiment results of transplanting manipulator picking up location

根系狀態(tài)對(duì)根系損傷得分的影響最顯著，根系狀態(tài)為“好”時(shí)，根系損傷得分均大于 8分，而當(dāng)根系狀態(tài)分別為“中”與“差”時(shí)，根系損傷得分分別降為6.5分與 4分左右，主要原因?yàn)楦禒顟B(tài)越差，根系對(duì)基質(zhì)塊的聚合效果越差，伸縮針插入基質(zhì)塊易發(fā)生破碎，此時(shí)基質(zhì)散落拉斷根系而導(dǎo)致根系受損。

含水率對(duì)于根系損傷得分的影響最小，由表 3中基質(zhì)含水率所在列k1＜k2和k2＞k3可知，根系損傷得分隨著含水率的增大，先增大后減小，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是隨著含水率增大，基質(zhì)塊顆粒間黏附張力增大，伸縮針對(duì)基質(zhì)塊提升力也增大，基質(zhì)塊不易散落，有利于基質(zhì)塊的拾取作業(yè)，但含水率繼續(xù)增大會(huì)使基質(zhì)塊與穴盤壁黏附力增大，基質(zhì)在拾取過程中易黏附于穴盤壁而散落導(dǎo)致根系被拉斷，因此在水培葉菜生產(chǎn)中，應(yīng)將澆透水的水培葉菜種苗靜置一段時(shí)間再進(jìn)行移植作業(yè)，可減少對(duì)基質(zhì)塊根系的損傷。

距離L由9 mm減為5 mm的過程中，根系損傷得分在不斷增大，為減小對(duì)水培葉菜種苗根系的損傷，L取為5 mm，根據(jù)基質(zhì)塊上邊長(zhǎng)為46 mm，于是伸縮針的間距S取為36 mm。

2.2 移植作業(yè)性能試驗(yàn)

為考察作業(yè)參數(shù)對(duì)移植機(jī)械手作業(yè)性能的影響，將移植機(jī)械手掛接于移植機(jī)上，在以機(jī)械手移植成功率為考核指標(biāo)的同時(shí)，以根系狀態(tài)T、移植機(jī)械手水平加速度Gh、移植機(jī)械手垂直加速度Gv為影響因素進(jìn)行移植機(jī)械手作業(yè)性能正交試驗(yàn)。

2.2.1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)以機(jī)械手的移植成功率為目標(biāo)函數(shù)，移植機(jī)械手順利把水培葉菜種苗由穴盤移植至種植槽種植孔內(nèi)，且基質(zhì)散落質(zhì)量低于原質(zhì)量的30%定義為移植成功。

機(jī)械手移植時(shí)有垂直提升與水平輸送兩個(gè)動(dòng)作，因此對(duì)于移植成功率，垂直加速度及水平加速度是重要影響因素。為確定垂直加速度Gv水平，進(jìn)行初步移植試驗(yàn)，選取不利作業(yè)條件組合，即基質(zhì)為低含水率72.12%、根系狀態(tài)為“差”、伸縮針插入基質(zhì)塊插入點(diǎn)與外邊緣距離L=13 mm，移植部件加速度調(diào)節(jié)通過控制伺服電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)Gv大于0.8 m/s2時(shí)，移植成功率低于50%；Gv小于0.2 m/s2時(shí)，移植成功率可達(dá)95%以上；但Gv小于 0.3 m/s2時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)耗時(shí)大于 2 s，遠(yuǎn)大于Gv為0.8 m/s2時(shí)的0.5 s，綜合考慮上述2個(gè)因素，因此影響因素Gv的3個(gè)水平取為0.3、0.5、0.7 m/s2。水平加速度Gh與Gv對(duì)基質(zhì)塊的作用方式都為慣性沖擊，因此采用相同試驗(yàn)方式確定影響因素Gh的3個(gè)水平取為0.5、1.0、1.5 m/s2。

試驗(yàn)用水培葉菜種苗與試驗(yàn)2.1相同，基質(zhì)含水率選取最優(yōu)水平81.01%。由試驗(yàn)2.1可知，芥藍(lán)種苗根系狀態(tài)對(duì)移植作業(yè)有較大影響，本試驗(yàn)仍將水培葉菜種苗根系狀態(tài)T作為影響因素，因素水平與試驗(yàn)2.1相同，選用L9(33)正交表安排試驗(yàn), 具體試驗(yàn)因素水平如表4所示。

表4 移植機(jī)械手作業(yè)性能正交試驗(yàn)因素與水平Table 4 Orthogonal experiment factors and level of transplanting manipulator work capability

試驗(yàn)利用開發(fā)出的水培葉菜種苗移植機(jī)進(jìn)行，如圖8所示，移植機(jī)上安裝5個(gè)移植機(jī)械手對(duì)應(yīng)5×10穴盤，初始狀態(tài)下，5個(gè)移植機(jī)械手貼合在一起，位于穴盤第一列種苗正上方，移植機(jī)械手分別對(duì)應(yīng)一個(gè)穴盤穴孔；移植機(jī)械手由穴盤拾取種苗，通過伺服電機(jī)精準(zhǔn)定位將種苗輸送至種植槽正上方；然后通過筆形氣缸將 5個(gè)移植機(jī)械手間距拉大至種植槽種植孔剛好對(duì)準(zhǔn)，各移植機(jī)械手間距與相鄰種植孔孔間距一致；接著移植機(jī)械手將種苗投放至種植槽種植孔內(nèi)，移植機(jī)械手完成一次循環(huán)移植作業(yè)后，回到穴盤第 2列種苗正上方，每個(gè)試驗(yàn)條件組合移植30株種苗。

2.2.2 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，根系狀態(tài)極差R值最大，說明根系狀態(tài)對(duì)移植成功率的影響最顯著。當(dāng)根系狀態(tài)為“好”，平均移植成功率可達(dá)96.67%，而當(dāng)根系狀態(tài)為“差”，平均移植成功率降為66.67%，因此在生產(chǎn)中應(yīng)注意對(duì)水培種苗葉菜根系狀態(tài)進(jìn)行觀察，應(yīng)保證根系分布率大于80%以上再進(jìn)行移植作業(yè)。

圖8 作業(yè)性能試驗(yàn)用移植機(jī)及移植效果Fig.8 Transplanting machine for work capability experiment and transplanting effect

垂直加速度對(duì)移植成功率的影響也較大，在不同根系條件下都表現(xiàn)出，垂直加速度越大，成功率越低，當(dāng)垂直加速度由0.3 m/s2增為0.7 m/s2，平均移植成功率由86.67%降為76.67%，這是因?yàn)榇怪奔铀俣仍酱螅谥亓ψ饔孟禄|(zhì)塊受到的垂直沖擊就越大，基質(zhì)越易發(fā)生散落，在移植作業(yè)中垂直加速度不宜超過0.3 m/s2。

水平加速度極差值僅為 2.2遠(yuǎn)小于根系狀態(tài)極差值30，因此水平加速度對(duì)移植成功率的影響較小，且不同水平加速度下平均移植成功率都為 80%左右，因?yàn)榛|(zhì)塊所受水平力只會(huì)造成基質(zhì)塊水平晃動(dòng)，對(duì)基質(zhì)塊造成的影響不足以使基質(zhì)散落。當(dāng)水平加速度取為最大1.5 m/s2時(shí)，移植成功率仍可達(dá)96.67%，為提高生產(chǎn)效率，水平加速度可取為1.5 m/s2。

對(duì)表 5試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，影響根系損傷得分的主次因素依次為根系狀態(tài)T、垂直加速度Gv、水平加速度Gh，最優(yōu)水平組合為根系狀態(tài)“好”、Gh為0.5 m/s2、Gv為0.3 m/s2。但考慮到此條件組合下生產(chǎn)率較低，因此將Gh提高至1.5 m/s2補(bǔ)做試驗(yàn)，該組試驗(yàn)移植30株種苗，試驗(yàn)結(jié)果表明：Gh為1.5 m/s2時(shí)，移植成功率S為100%。

表5 移植機(jī)械手作業(yè)性能正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Orthogonal experiment results of transplanting manipulator work capability

3 結(jié) 論

1）本研究針對(duì)以椰糠作為栽培基質(zhì)培育水培葉菜種苗存在基質(zhì)孔隙度大、顆粒間黏附性不強(qiáng)易破碎等問題，設(shè)計(jì)了一種 4伸縮針式移植機(jī)械手，依靠伸縮針的傾角提取基質(zhì)塊，伸縮針入土角 76°，伸縮針直徑 2.5 mm、伸縮針入土間距36 mm，可實(shí)現(xiàn)椰糠為主要栽培基質(zhì)的水培葉菜種苗的穩(wěn)定移植作業(yè)。

2）本研究提出了基質(zhì)散落質(zhì)量百分比結(jié)合基質(zhì)散落區(qū)域評(píng)分的綜合評(píng)價(jià)法，通過基質(zhì)散落量與散落區(qū)域位置綜合描述散落量與根系分布位置的關(guān)系，克服了僅依靠基質(zhì)散落量難以體現(xiàn)其對(duì)根系損傷程度的缺點(diǎn)。

3）通過對(duì)4伸縮針式移植機(jī)械手移植作業(yè)性能試驗(yàn)，針對(duì)使用椰糠為主要栽培基質(zhì)的水培葉菜芥藍(lán)種苗，當(dāng)基質(zhì)含水率為81.01%、水平加速度不大于1.5 m/s2、垂直加速度不大于0.3 m/s2、根系分布率大于80%情況下，芥藍(lán)種苗移植成功率可達(dá)100%。

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Design and experiment on manipulator for transplanting leaf vegetables seedling cultivated by coco-peat

Li Bo1, Gu Song1,2※, Chu Qi1, Lü Yajun1, Hu Junsheng1, Xie Zhongjian1, Yang Yanli3, Jiang Haiyu4
(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China; 2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China;3.Guangzhou Sky Mechanical & Electrical Technology Co., Ltd., Guangzhou510642,China;4.Guangzhou Lüxiang Mechanical and Electrical Installation Engineering Co., Ltd., Guangzhou511400,China)

Currently, cultivated area of facilities horticulture is growing rapidly in China, while the level of mechanization is very low, and the production of hydroponic leafy vegetables during the seedlings transplanting is mainly manual. So it is needed to develop a plug tray seedlings transplanting machine which fits the mode of China's hydroponics leafy vegetables production. The main operation object of the current transplanting machine in facilities horticulture is potted flowers that use different culture-substrate comparing with hydroponics leafy vegetables. In contrast, the production of hydroponics leafy vegetables uses coco-peat as the main culture-substrate in the South of China. Coco-peat has characteristics of small bulk density, large porosity, poor water-retention capacity, and poor adhesion between particles. Therefore, the existing facility horticultural transplanting manipulators are not suitable for such substrate. In view of the above problems, a 4-needle-type transplanting manipulator for hydroponics leafy vegetables for coco-peat substrate was designed in this paper. In the transplanting manipulator, we used a non-shrinkable needle structure that depended on the angle of the telescopic needle which can reduce the disturbance of the coco-peat as well as avoided the spallation of the substrate cube. In order to compare the adhesion characteristics between coco-peat and peat moss, a cube compression test has been done. The test results showed that coco-peat was more likely to be scattered than peat moss because the coco-peat has the characteristics of large porosity and difficulty forming adhesion between particles, and this trend was intensified with the increasing of substrate moisture content.The percentage of scattered substrate mass in the transplanting process and the remaining component on seedling root growth needed to be evaluated. As such, a comprehensive evaluation method that the percentage of scattered substrate mass combined with scored scattered area was proposed in this study. An experiment was carried out that used hydroponics leafy vegetables of kale (Brassica oleracea) seedlings as transplanting target, and the plug tray for seedlings cultivation was a 50 (5×10) standard plug tray, the culture-substrates were coco-peat, peat moss and perlite with mass ratio of 8:2:1. Through the design and experiment study, the structure parameters of 4-needle-type transplant manipulator were as follow, telescopic needle diameter,2.5 mm, the angle that telescopic needles insert into the substrate cube, 76°, the distance from the insert point of telescopic needles to the substrate cube edge, 5 mm. The results indicated that the root situations of hydroponics leafy vegetables seedlings had the greatest effects on the transplanting success rate, and the movement accelerations of the robot manipulator also had influences. The success rate of kale seedling transplantation was 100% , under the condition that the seedlings was in the status of normal growth, the vertical acceleration was 0.3 m/s2, the horizontal acceleration was 1.5 m/s2and the substrate moisture content was 81.01%. This study provides a technical reference for developing transplanting manipulator which transplanted the hydroponics leafy vegetables seedlings that use coco-peat as the main culture substrate.

agricultural machinery; design; experiments; hydroponics leafy vegetables; seedlings; transplanting manipulator; cocopeat

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003

S233.74

A

1002-6819(2017)-14-0018-07

黎 波，辜 松，初 麒，呂亞軍，胡俊生，謝忠堅(jiān)，楊艷麗，江海宇.椰糠培育葉菜種苗移植機(jī)械手設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(14)：18－24.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003 http://www.tcsae.org

Li Bo, Gu Song, Chu Qi, Lü Yajun, Hu Junsheng, Xie Zhongjian, Yang Yanli, Jiang Haiyu. Design and experiment on manipulator for transplanting leaf vegetables seedling cultivated by coco-peat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 18－24. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003 http://www.tcsae.org

2017-01-24

2017-04-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0701504）

黎 波，男，江西廣昌人，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：bolee0086@sina.com

※通信作者：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