菜苗移植入穴裝置設(shè)計(jì)與研究

邱文驍 蔡佳麟 李穎姍

摘 要：無(wú)土栽培是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)新型的技術(shù)，是一項(xiàng)具有科技含量的技術(shù)形式；無(wú)土栽培適用于大規(guī)模種植農(nóng)作物，在此期間就需要大規(guī)模引入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備，針對(duì)無(wú)土栽培入穴一環(huán)，設(shè)計(jì)菜苗移植入穴裝置整體機(jī)構(gòu)以及尺寸，所設(shè)計(jì)的菜苗移植入穴能夠降低無(wú)土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作強(qiáng)度，在一定程度上解放勞動(dòng)力，也為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了一種全新的方法。

關(guān)鍵詞：菜苗移植；移植入穴裝置；解放勞動(dòng)力；設(shè)計(jì)試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.104

我國(guó)盡管擁有遼闊的國(guó)土面積，但是地理環(huán)境的多樣性以及我國(guó)人口的基數(shù)大使得我們的可用耕地資源相對(duì)較少，在2018年第28個(gè)全國(guó)土地日座談會(huì)中提及我國(guó)現(xiàn)在的耕地面積為20.23億畝，平均每人耕地面積1.45畝；雖然我國(guó)提出了嚴(yán)格的耕地保護(hù)制度和耕地總量動(dòng)態(tài)平衡制度，但未來(lái)耕地面積減少將是一種不可避免的長(zhǎng)期趨勢(shì)，這種趨勢(shì)只能減緩而不能遏制，18億畝耕地紅線面臨最為嚴(yán)峻的考驗(yàn)，目前解決這個(gè)問題的最有效的方法便是提高單位面積土地上農(nóng)作物的產(chǎn)量以及農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)。于是，無(wú)土栽培便應(yīng)運(yùn)而生，但是，提高單位面積土地上農(nóng)作物的產(chǎn)量意味著勞動(dòng)任務(wù)更加繁重；以蔬菜生產(chǎn)為例，因?yàn)槭卟说纳L(zhǎng)周期短并且收獲周期也短，勞動(dòng)任務(wù)十分繁重，甚至可以說(shuō)蔬菜的生菜是一個(gè)“勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)”，在蔬菜的生產(chǎn)過程中，勞動(dòng)強(qiáng)度最大的莫過于蔬菜菜苗的移植以及蔬菜的收獲，在我國(guó)，蔬菜菜苗的移植幾乎都是有人工來(lái)完成，所以蔬菜生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)移栽菜苗質(zhì)量差等情況發(fā)生，導(dǎo)致生產(chǎn)效率偏低。因此，實(shí)現(xiàn)蔬菜菜苗移植自動(dòng)化是我國(guó)現(xiàn)階段在蔬菜種植生產(chǎn)中急需解決的問題。

1 菜苗移植入穴裝置建模設(shè)計(jì)

1.1 組成與設(shè)計(jì)要求

如圖1所示，本菜苗移植入穴裝置主要由三大部分組成：第一部分為機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，主要由主體機(jī)架、護(hù)翼、X、Y、Z軸導(dǎo)向桿、X、Y、Z軸導(dǎo)向套、X、Y、Z軸電機(jī)組成；第二部分為夾持動(dòng)作部分，主要由機(jī)械手、機(jī)械手控制單元、機(jī)械手支架、機(jī)械手夾持電機(jī)組成；第三部分為輸送機(jī)構(gòu)部分，主要由輸送皮帶、穴盤組成。

在電機(jī)的選型上，我們選擇直流電機(jī)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)維修費(fèi)用很低，運(yùn)轉(zhuǎn)距離比較大，同時(shí)啟動(dòng)特性和調(diào)速特性很優(yōu)秀；直流電機(jī)的直流比交流更加節(jié)能環(huán)保、起動(dòng)和調(diào)速性能好，調(diào)速范圍廣平滑，過載能力較強(qiáng)，受電磁干擾影響小。

在機(jī)械手模塊中，我們亦可以把機(jī)械手氣動(dòng)手指換為現(xiàn)有技術(shù)中其他可以實(shí)現(xiàn)抓取作業(yè)的結(jié)構(gòu)，如機(jī)械夾爪，真空吸盤等。

1.2 各部分設(shè)計(jì)圖示及說(shuō)明

菜苗移植入穴裝置主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、夾持動(dòng)作部分、輸送機(jī)構(gòu)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機(jī)架：機(jī)架分成工作區(qū)以及備苗區(qū)，工作區(qū)上設(shè)有用于放置菜苗穴板的工作臺(tái)。

輸送機(jī)構(gòu)：輸送機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架上并位于工作臺(tái)的一側(cè)；輸送機(jī)構(gòu)用于輸送菜苗；主要由皮帶來(lái)進(jìn)行傳動(dòng)。

機(jī)械手：機(jī)械手安裝于機(jī)架上并用于抓取輸送機(jī)構(gòu)的輸送端面上的菜苗至菜苗穴板；機(jī)械手可沿機(jī)架的高度方向運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手可沿機(jī)架的長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)；機(jī)械手可沿機(jī)架的寬度方向運(yùn)動(dòng)；所述輸送機(jī)構(gòu)以及工作臺(tái)均位于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡上。

X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：X軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)。

Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：Y軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的寬度方向運(yùn)動(dòng)。

Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：Z 軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的高度方向運(yùn)動(dòng)。

2 菜苗移植入穴裝置工作流程

如圖2所示的一種菜苗移植入穴裝置，包括機(jī)架、輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在機(jī)架上設(shè)有工作臺(tái)，該工作臺(tái)用于放置菜苗穴板。上述的輸送機(jī)構(gòu)安裝于機(jī)架上并位于工作臺(tái)的一側(cè)，該輸送機(jī)構(gòu)用于輸送菜苗。

首先，將多個(gè)菜苗放置在輸送機(jī)構(gòu)的起始端，同時(shí)可人工將菜苗穴板放置在工作臺(tái)上。此后，傳感器接收到有菜苗信號(hào)之后，在Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下，使機(jī)械手沿著機(jī)架跨度方向運(yùn)動(dòng)至輸送機(jī)構(gòu)的輸送端面上方，然后Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械抓沿著機(jī)架的高度方向向下運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手便開始工作了，氣動(dòng)手指抓取輸送機(jī)構(gòu)的輸送端面上的菜苗，夾取菜苗之后Z軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械抓沿著機(jī)架的高度方向向上運(yùn)動(dòng)，而后Y軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)繼續(xù)工作，使得抓有菜苗的機(jī)械手沿著機(jī)架的寬度方向運(yùn)動(dòng)至菜苗穴板的上方，并對(duì)準(zhǔn)菜苗穴盤第一個(gè)穴位將菜苗放下，如圖4標(biāo)綠穴位。如此反復(fù)，機(jī)械手沿著Y軸方向往復(fù)進(jìn)行菜苗入穴作業(yè)，直至穴盤第一行排滿。

而在菜苗穴板第一排整排擺放滿之后，X軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)作，帶動(dòng)機(jī)械手沿著機(jī)架長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)至下一段，再重復(fù)上述操作，實(shí)現(xiàn)依次有序移植菜苗進(jìn)入穴盤上的各個(gè)穴位，待菜苗穴盤各個(gè)穴位都移植滿之后，便可將菜苗穴板放入栽培環(huán)境進(jìn)行栽培；整個(gè)入穴流程自動(dòng)化程度較高，能夠大大減少人工工作強(qiáng)度以及提高移植效率，且可減少菜苗移植入穴的時(shí)間周期，降低菜苗的損壞率。

3 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了進(jìn)一步獲取數(shù)據(jù)，提高機(jī)器對(duì)菜苗的識(shí)別率以及機(jī)械手對(duì)菜苗投放入穴的成功率，同時(shí)以便我們進(jìn)一步改進(jìn)與完善機(jī)器圖紙，我們搭建了實(shí)物試驗(yàn)機(jī)器，本文截取其中一部分作為示例，如圖6所示。

4 結(jié)論

（1）菜苗移植入穴裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，整體結(jié)構(gòu)滿足菜苗移植要求，能夠完成無(wú)土栽培中菜苗移植工作。

（2）自動(dòng)化程度較高，能夠大大提高移植效率，且可減少菜苗移植入穴的時(shí)間周期，降低菜苗的損壞率。

（3）菜苗移植入穴能夠降低無(wú)土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作強(qiáng)度，在一定程度上解放勞動(dòng)力。

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