面向溫室大棚辣椒的幼苗全自動(dòng)移栽方法研究

郝 炘，李建華，牛明雷，王俊偉，李平安，李 華

（1. 天津農(nóng)墾渤海農(nóng)業(yè)集團(tuán)有限公司，天津301823；2. 天津市寶坻區(qū)朝霞街道辦事處，天津301800；3. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部工程建設(shè)服務(wù)中心，北京100081；4. 北京市植物保護(hù)站，北京100029；5. 湖南省益陽(yáng)市桃江縣農(nóng)業(yè)局，益陽(yáng)413499；6. 內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市寧城縣植保植檢站，赤峰024200）

0 引言

我國(guó)已成為世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)，蔬菜也是我國(guó)的主要農(nóng)作物之一。中國(guó)開(kāi)展“菜籃子”市場(chǎng)體系以來(lái)，我國(guó)很多地區(qū)已經(jīng)形成了溫室大棚直接到超市的“菜籃子”市場(chǎng)體系［1］。蔬菜的生產(chǎn)過(guò)程屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，人工成本占據(jù)了總投入50%以上。

為了提升蔬菜作物效益，目前我國(guó)超過(guò)60%的蔬菜在育苗階段廣泛采用在育苗棚內(nèi)培育缽苗的方法，當(dāng)缽苗的表型特征達(dá)到一定閾值時(shí)進(jìn)行移栽［2］。目前的移栽作業(yè)有90%以上是通過(guò)人工完成的，存在勞動(dòng)強(qiáng)度集中、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題，從而影響生產(chǎn)規(guī)模與效率，進(jìn)而制約蔬菜生產(chǎn)的發(fā)展。文章研制的溫室大棚缽苗移栽機(jī)對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證秧苗栽植質(zhì)量和減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度具有重要意義。

目前已有相關(guān)學(xué)者針對(duì)移栽機(jī)做了一些探索與研究。常用的缽苗移栽機(jī)有鉗夾式、吊籃式、回轉(zhuǎn)式、撓性圓盤(pán)式等4種［2-6］。美國(guó)RAPID公司生產(chǎn)的RTW系列移栽機(jī)采用鉗夾式，通過(guò)片狀?yuàn)A具對(duì)幼苗進(jìn)行提取，如圖1所示。移栽機(jī)可以實(shí)現(xiàn)幼苗的抓取、移栽，但是容易使植物受傷，并沒(méi)有廣泛使用。

荷蘭學(xué)者設(shè)計(jì)的電控幼苗移栽機(jī)基于指針插入式結(jié)構(gòu)，配備了多個(gè)相互獨(dú)立的機(jī)械爪及機(jī)械臂，采用單電控方式對(duì)每個(gè)機(jī)械爪進(jìn)行控制，如圖2所示，其移栽速度達(dá)到100株/min，能夠達(dá)到人工手動(dòng)移栽的6～7倍［7］。

圖1 RTW-SOOS2移栽機(jī)的片狀?yuàn)A持器具Fig.1 Sheet-shaped holding device for RTW-SOOS2 transplanter

圖2 電控幼苗移栽機(jī)Fig.2 Electronically controlled seedling transplanter

日本的井關(guān)蔬菜移栽機(jī)采用多桿式移栽，能同時(shí)完成打穴、移栽、覆土、鎮(zhèn)壓等各項(xiàng)工作，但是造價(jià)太高，而且當(dāng)栽植速度提高以后，栽植的質(zhì)量會(huì)降低，因此該機(jī)器也并沒(méi)有得到廣泛推廣使用。意大利法拉利公司設(shè)計(jì)的Modello-Futura型移栽機(jī)，采用模塊集成設(shè)計(jì)的方法，栽植速度達(dá)到3 720株/h，由于必須使用特殊的泡沫缽苗盤(pán)，通用性差，而且該移栽機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，再加上采用液壓氣壓驅(qū)動(dòng)，直接導(dǎo)致成本大幅增加，因此用戶(hù)接受程度也較低。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)徐麗明在2000年設(shè)計(jì)了采用多連桿型的玉米自動(dòng)移栽機(jī)取苗設(shè)備［8］，但該機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)粗大、連桿繁多、工作過(guò)程復(fù)雜，在作業(yè)時(shí)需要巨大的額外空間，整個(gè)機(jī)器靈活性受到很大限制。目前全自動(dòng)化蔬菜移栽機(jī)［9］因造價(jià)高、栽植質(zhì)量低等因素，制約了蔬菜移栽機(jī)的大規(guī)模推廣使用，即使在發(fā)達(dá)國(guó)家推廣效率也保持在較低水平。文章針對(duì)辣椒缽苗設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)便易用的自動(dòng)化移栽設(shè)備［10］，克服了成本高、質(zhì)量低等蔬菜移栽機(jī)常見(jiàn)問(wèn)題，能夠提高蔬菜移栽作業(yè)的自動(dòng)化水平。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體框架

該文以農(nóng)藝需求為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有幼苗移栽機(jī)特點(diǎn)［11］，對(duì)關(guān)鍵部位即曲柄搖桿夾取機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，針對(duì)辣椒幼苗設(shè)計(jì)了一種包含取、投苗兩種功能的自動(dòng)移栽機(jī)。對(duì)于辣椒缽苗，溫室大棚移栽時(shí)一般采取一壟上種植兩行或一行，所以取、投苗機(jī)構(gòu)針對(duì)不同地塊、不同經(jīng)濟(jì)作物應(yīng)有較良好的適應(yīng)性。該文采用行走輪設(shè)計(jì)，整體設(shè)計(jì)如圖3所示。移栽機(jī)核心功能的兩個(gè)主要部件分別是回轉(zhuǎn)夾取部件和移栽部件。夾取部件完成取苗工作，移栽部件實(shí)現(xiàn)投苗工作，工作流程如圖4所示。

圖3 辣椒移栽機(jī)整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of the pepper transplanting machine

圖4 移栽機(jī)工作流程Fig.4 Work flow chart of the transplanter

1.2 取苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.1 取苗流程

取苗機(jī)構(gòu)工作原理如圖5所示，其中，A為步進(jìn)電機(jī)輸出軸；AB為曲柄；BC為連桿；CDE為搖桿；E為夾取爪?；谘ūP(pán)環(huán)境下溫室作物移栽機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該文選擇曲柄搖桿作為取苗過(guò)程中的夾苗機(jī)構(gòu)［12］。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為夾苗機(jī)構(gòu)。在搖桿遠(yuǎn)離連桿的一端安裝旋轉(zhuǎn)夾取機(jī)構(gòu)，由定時(shí)程序控制夾取與釋放。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)曲柄AB繞軸A轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄AB通過(guò)連桿BC帶動(dòng)搖桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，兩極限位置分別為取苗位置和投苗位置，進(jìn)行取苗作業(yè)時(shí)，頂桿在定時(shí)頂出機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下穿過(guò)苗盤(pán)將缽苗頂出，由搖桿上夾取爪進(jìn)行抓取，當(dāng)搖桿到達(dá)另一極限位置時(shí)，夾取爪收到指令為下一階段的投苗動(dòng)作的開(kāi)啟做準(zhǔn)備。

圖5 取苗機(jī)構(gòu)工作原理Fig.5 Work principle of seedling pulling mechanism

1.2.2 取苗部件設(shè)計(jì)

取苗機(jī)構(gòu)采用曲柄搖桿夾取方式，其中曲柄為主動(dòng)件，主動(dòng)件的動(dòng)力來(lái)源是步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的選擇依據(jù)夾取移栽的需求，其各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of the stepper motor

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的作用是從缽苗盤(pán)夾取缽苗并送入投苗筒中，為了保證栽植過(guò)程順利進(jìn)行，應(yīng)該保證缽苗以垂直姿態(tài)進(jìn)入投苗筒。為了實(shí)現(xiàn)該要求，在電機(jī)的安裝尺寸和機(jī)架等其余部件確定的條件下，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試確定了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中擺桿的軸心到電機(jī)的軸心的垂直距離e為56.4 mm，水平距離f為213.2 mm，曲柄的長(zhǎng)度a為80 mm。而根據(jù)f、e、a等參數(shù)，能夠確定電機(jī)輸出軸與曲柄搖桿夾取機(jī)構(gòu)的鉸接軸承之間的距離，設(shè)該距離為j（單位：mm），其與電機(jī)輸出軸的鉛垂線之間的夾角，設(shè)為β。其公式為：

按照缽苗盤(pán)的放置要求，將缽苗盤(pán)的傾角設(shè)置為30°，從而得到夾取爪在位于夾取位置時(shí)，其鉸接軸承與步進(jìn)電機(jī)輸出軸的連線和夾取爪之間的夾角，設(shè)為α1（單位：°），設(shè)鉸接軸承到擺桿與連桿鉸接點(diǎn)的距離為c（單位：mm），連桿的長(zhǎng)度設(shè)置為b（單位：mm），得到公式為：

夾取爪從缽苗盤(pán)取苗后到達(dá)投苗筒位置，將缽苗投下，缽苗從夾苗爪脫落，落入投苗筒中，從而可以進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作，當(dāng)夾苗機(jī)構(gòu)位于投苗位置時(shí)，夾取爪的鉸接軸承與步進(jìn)電機(jī)輸出軸的連線和夾取爪之間的夾角設(shè)為α2（單位：°），得到公式為：

當(dāng)夾取爪在投苗筒位置完成投苗動(dòng)作后，夾取爪并不會(huì)立刻停下，而是繼續(xù)向下擺動(dòng)，然后到達(dá)極限點(diǎn)后回?cái)[，必須保證在夾取爪回?cái)[的過(guò)程中，不影響缽苗的下落。通過(guò)公式（6）～（8）的幾何關(guān)系得出曲柄、連桿、搖桿的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

缽苗在投苗筒中的下落過(guò)程可以近似認(rèn)為是自由落體運(yùn)動(dòng)，40d苗齡的羊角椒缽苗高度h0=140 mm。則有公式為：

式（6）～（9）中，g為重力加速度值，取10 m/s2，h為夾取爪在投苗筒時(shí)搖桿與擺桿鉸接點(diǎn)和步進(jìn)電機(jī)輸出軸直線的距離（單位：mm）；γ為兩次路過(guò)投苗筒時(shí)，曲柄轉(zhuǎn)過(guò)的夾角（單位：°）；t為兩次經(jīng)過(guò)投苗筒的時(shí)間間隔（單位：s）；ω為步進(jìn)電機(jī)的輸出軸的轉(zhuǎn)速（單位：rad/s）；h0為40d苗齡的羊角椒缽苗高度。

根據(jù)以上過(guò)程，計(jì)算夾苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。此工作參數(shù)滿(mǎn)足曲柄搖桿的要求，同時(shí)夾取爪有較為良好的夾取特性。由于夾取爪的動(dòng)力由控制信號(hào)給出，必須保證夾取與投苗的位置和時(shí)間準(zhǔn)確，根據(jù)所移栽缽苗種類(lèi)的不同，夾取爪的夾取投苗的時(shí)間間隔不同。以辣椒缽苗為例，一般溫室大棚辣椒的株距為45～50 cm為宜，栽植速度為60株/min，即1 s完成一次取苗、投苗、復(fù)位動(dòng)作，要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1 r/s。

表2 夾苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Clip seedling design parameters

由于不同種類(lèi)的缽苗在移栽過(guò)程中各缽苗的高度與基質(zhì)的差別，夾苗爪在一定范圍內(nèi)對(duì)不同種類(lèi)的缽苗都有較強(qiáng)的適應(yīng)性，所以在夾取爪上安裝復(fù)位彈簧，降低施加在缽苗基質(zhì)上的壓力，依靠控制信號(hào)與復(fù)位彈簧的共同作用來(lái)取苗，降低對(duì)缽苗基質(zhì)的損傷，夾取爪可以根據(jù)缽苗基質(zhì)的變形量自行調(diào)節(jié)夾取力的大小，保證投苗質(zhì)量穩(wěn)定。因此要求：

式（10）中，m0為鉸接軸到彈簧接點(diǎn)的距離，該文中取120 mm；m為鉸接軸到夾苗爪前端之間距離（單位：mm）。

選取復(fù)位彈簧，該設(shè)計(jì)針對(duì)的主要為安達(dá)羊角椒缽苗，采樣分析得出結(jié)果，40d苗齡的安達(dá)羊角椒的缽苗平均質(zhì)量為12.1 g，可得公式為：

彈簧復(fù)位系數(shù)選取90 N/m，在工作過(guò)程中伸長(zhǎng)量需大于2 mm，此時(shí)滿(mǎn)足：

式（11）～（13）中，θ為夾取板與平面夾角；G為辣椒缽苗收到夾取爪兩夾取板的壓力自身重力N1、N2；G′為沿夾取爪夾取板壓力方向的分力。數(shù)據(jù)表明，安達(dá)羊角椒缽苗在夾取爪夾取閉合的過(guò)程中不會(huì)脫離夾取爪而脫落。

1.3 投苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.3.1 投苗流程

該文參考西瓜籽粒點(diǎn)播機(jī)構(gòu)進(jìn)行辣椒等蔬菜缽苗的投苗設(shè)計(jì)，將辣椒幼苗從該機(jī)構(gòu)的頂端喂入，同時(shí)捏動(dòng)把手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將底端三角錐張開(kāi)，辣椒缽苗落入土壤中，人工將該機(jī)抬起，完成覆土作業(yè)。同時(shí)，選擇采用“零速投苗”的方式，滿(mǎn)足在投苗階段投苗各機(jī)構(gòu)之間保持相對(duì)靜止，通過(guò)實(shí)驗(yàn)將機(jī)組前進(jìn)速度設(shè)置為0.5 m/s，投苗筒傾角設(shè)置為10°。

1.3.2 投苗部件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)辣椒缽苗移栽機(jī)投苗裝置部分需滿(mǎn)足在夾取爪將辣椒缽苗從缽苗盤(pán)中夾取后完成栽植動(dòng)作。投苗裝置設(shè)計(jì)圖如圖6所示，曲柄搖桿式缽苗夾取機(jī)構(gòu)將缽苗從缽苗盤(pán)運(yùn)送到此投苗裝置的頂部投苗口進(jìn)行釋放，缽苗落入筒中，同時(shí)驅(qū)動(dòng)投苗機(jī)構(gòu)向下運(yùn)動(dòng)，底部三角錐張開(kāi)，將辣椒缽苗栽植進(jìn)土壤中，完成全部的移栽工作。

圖6 投苗裝置設(shè)計(jì)Fig.6 Design diagram of seedling throwing device

2 移栽機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)榛|(zhì)含水量、夾取爪材料、抓取彈簧勁度系數(shù)的變化，會(huì)影響辣椒缽苗移栽的成功率［13-15］，該文針對(duì)該問(wèn)題設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。

2.1 取苗夾取爪應(yīng)用測(cè)試

該文選擇不同材質(zhì)與彈簧勁度系數(shù)，測(cè)試不同組合條件下的缽苗取苗成功率，夾取過(guò)程中缽苗出現(xiàn)破碎或脫落均視為失敗，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 彈簧勁度系數(shù)、夾取爪材質(zhì)的選擇對(duì)缽苗夾取成功率的影響Table 3 The influence of the spring stiffness coefficient and the choice of the material of the gripping claw on the success rate of the seedlings

通過(guò)對(duì)比改變彈簧勁度系數(shù)、夾取爪材質(zhì)后，缽苗破碎率、脫落率、成功率等各因素后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)彈簧的勁度系數(shù)與夾取爪的材質(zhì)發(fā)生改變后，對(duì)缽苗的夾取成功率都有很大的影響。當(dāng)彈簧的勁度系數(shù)為90 N/m時(shí)無(wú)論夾取爪是波紋橡膠還是金屬，亦或是橡膠，其夾取成功率均為100%，利用SPSS軟件對(duì)夾取爪材質(zhì)的影響顯著性進(jìn)行方差分析（單因素），最終得到P值為0.56，遠(yuǎn)大于顯著性水平（0.05），所以可以得到結(jié)論，此3種夾取爪的材質(zhì)對(duì)夾取苗成功率無(wú)顯著差異。根據(jù)表3發(fā)現(xiàn)同彈簧勁度系數(shù)下不同夾取爪材質(zhì)所對(duì)應(yīng)的缽苗夾取成功率不盡相同，這種情況主要是辣椒缽苗長(zhǎng)勢(shì)各不相同和試驗(yàn)隨機(jī)因素導(dǎo)致，夾取爪的材質(zhì)對(duì)取苗成功率幾乎沒(méi)影響。

2.2 前進(jìn)速度對(duì)投苗工作的影響

該文在某溫室內(nèi)，對(duì)辣椒缽苗進(jìn)行投苗實(shí)驗(yàn)，投苗基質(zhì)含水量為24%；在使用移栽裝置對(duì)辣椒缽苗進(jìn)行投苗的過(guò)程中，對(duì)移栽設(shè)備設(shè)置了不同的行進(jìn)速度，從0.2 m/s到0.55 m/s不等。隨著機(jī)組前進(jìn)速度的提高，缽苗移栽后的直立度會(huì)發(fā)生變化，在投苗筒傾角的相對(duì)位置不變的情況下，改變機(jī)組的前進(jìn)速度，直立度合格率和株距變異系數(shù)關(guān)系如圖7所示。

隨著機(jī)組前進(jìn)速度增加，土壤的回流速度增加，使得移栽后的辣椒缽苗得到了及時(shí)固定；而當(dāng)機(jī)組的前進(jìn)速度低于一定值（0.3 m/s）時(shí)，直立度受到了很大影響，辣椒缽苗傾倒率很高；當(dāng)機(jī)組的前進(jìn)速度高于一定值（0.55 m/s）時(shí)，缽苗所受牽連速度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致缽苗前傾現(xiàn)象較大，可能會(huì)引發(fā)埋苗率大幅增加。實(shí)際應(yīng)用中，行進(jìn)速度設(shè)置為0.4 m/s較為理想。

圖7 行進(jìn)速度對(duì)裝置的影響Fig.7 Effect of walking velocity on the device

2.3 投苗筒角度對(duì)移栽效果的影響

在投苗過(guò)程中，最終投苗位置與實(shí)際理想計(jì)算會(huì)有一定偏差，通過(guò)試驗(yàn)確定當(dāng)投苗筒的傾角處于8°～18°時(shí)，能夠滿(mǎn)足“零速投種”要求，當(dāng)投苗筒的傾角變小時(shí)，缽苗的株距變異系數(shù)就會(huì)越小，直立度會(huì)隨之升高，但是一旦機(jī)組速度增加，必須將投苗筒的角度減小從而滿(mǎn)足移栽的農(nóng)藝要求。該設(shè)計(jì)采用機(jī)組的前進(jìn)速度為0.4 m/s。當(dāng)前進(jìn)速度不變時(shí)，改變投苗筒的角度，分析移栽效果的變化，如圖8所示。根據(jù)投苗角度和機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)直立度合格率和株距變異系數(shù)的影響，最終確定機(jī)組前進(jìn)速度為0.4 m/s，投苗筒垂直傾角為10°的條件下工作效率更高。

圖8 投苗筒的垂直傾角對(duì)株距和直立度的影響Fig.8 Influence of vertical inclination angle of seedling tube on plant distance and verticality

2.4 不同速度下取苗成功率與基質(zhì)含水率實(shí)驗(yàn)

為研究不同速度與不同含水率基質(zhì)對(duì)取苗成功率的影響，該文在不同速度下，針對(duì)不同含水量基質(zhì)環(huán)境進(jìn)行取苗實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)基于Q128-1型穴盤(pán)展開(kāi)，穴盤(pán)為圓椎體空穴，高度45 mm，下孔直徑常規(guī)16.1 mm、上孔直徑長(zhǎng)32 mm，規(guī)格為16×8，每盤(pán)共計(jì)128株，局部結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 缽苗盤(pán)局部放大Fig.9 Partial enlargement of seedling tray

當(dāng)基質(zhì)的含水率升高時(shí)，缽苗盤(pán)所受外力的限度會(huì)發(fā)生改變得出基質(zhì)含水率的高低、取苗速度與取苗成功率的關(guān)系，如圖10所示。

圖10 基質(zhì)含水率與取苗成功率關(guān)系Fig.10 Relationship between substrate moisture content and seedling success rate

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，隨著基質(zhì)含水率增加，取苗成功率逐漸下降。當(dāng)取苗速度提升，取苗成功率會(huì)隨之降低。綜上所述，最佳基質(zhì)含水率為20.45%，取苗速度為80株/min，在基質(zhì)含水量高于43.09%時(shí)，應(yīng)降低取苗速度至80株/min及以下，以保證取苗成功率。

3 結(jié)論

該文針對(duì)溫室大棚辣椒缽苗的移栽需求，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)移栽機(jī)，移栽機(jī)包括取苗機(jī)構(gòu)、頂出裝置、投苗筒、機(jī)架等部件。針對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行不同速度、不同含水量基質(zhì)條件下的投苗取苗測(cè)試，得出投苗機(jī)最佳運(yùn)動(dòng)速度為0.4 m/s，投苗筒的最佳放置角度為10°，基質(zhì)最適宜含水量為20.45%。最后在不同含水率的基質(zhì)下通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究取苗成功率的分布規(guī)律，得出移栽機(jī)從缽苗盤(pán)取苗到栽植機(jī)構(gòu)具有較大廣泛適用性與簡(jiǎn)易性的結(jié)論，有利于提高溫室內(nèi)辣椒移栽的工作效率與自動(dòng)化水平。