夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

許春林，解江濤，王宇杰，李恩全，辛 亮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

西瓜為重要經(jīng)濟(jì)作物，國(guó)內(nèi)西瓜種植多依靠人工移栽西瓜缽苗。為減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人工成本、提高栽植質(zhì)量效率，機(jī)械化移栽是旱地移栽必然趨勢(shì)。

國(guó)外移栽機(jī)械大多以電控自動(dòng)化為主或以半自動(dòng)栽植結(jié)合自動(dòng)取苗，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不適合我國(guó)種植農(nóng)藝要求和耕地現(xiàn)狀[1]。國(guó)內(nèi)鴨嘴類(lèi)半自動(dòng)栽植需人工喂苗，栽植質(zhì)量較高，但難以保證栽植效率[2]；機(jī)械取苗多基于土缽和作物特性設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器，取出率高[3]?，F(xiàn)有末端執(zhí)行器取苗方式主要分為夾取莖稈式和夾取土缽式[4]，前者通過(guò)夾片夾緊缽苗莖稈，將缽苗強(qiáng)制由穴盤(pán)拔出，適用于莖稈粗壯、耐壓作物。夾取土缽式通過(guò)取缽針探入并夾緊土缽，將缽苗從穴盤(pán)中取出，避免損傷作物莖稈和根系。袁挺等采用振動(dòng)土缽和氣吹取出組合取苗方式，避免損傷秧苗，克服定位困難和取苗成功率低問(wèn)題，但需與之配套栽植設(shè)備，尚未廣泛使用[3]。

韓長(zhǎng)杰等[5]、潘桂根等[6]基于PLC 設(shè)計(jì)蔬菜瓜果末端執(zhí)行器。馮青春等提出柔性花卉末端執(zhí)行器，減少對(duì)土缽和根系損傷，栽植效率低，不適于大田地塊作業(yè)[7]。韓綠化等采用四針式取苗末端執(zhí)行器完全包裹缽苗，提升取苗穩(wěn)定性，提高取出質(zhì)量，但對(duì)土缽損傷較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜[8]。馮天翔等提出先聚葉后抓莖花卉末端執(zhí)行器，提高輸送質(zhì)量，但基質(zhì)損失較大[9]。為減少基質(zhì)損傷和提高取苗質(zhì)量，周梅芳等通過(guò)添加輔助裝置提高取苗質(zhì)量和栽植質(zhì)量，但輔助裝置對(duì)作物幼苗子葉造成損傷[10]。西瓜幼苗莖稈脆嫩，不適合夾片強(qiáng)制夾取方式，由于西瓜缽苗株冠較大且莖稈較為纖細(xì)，西瓜株形不規(guī)整，機(jī)械栽植過(guò)程中西瓜幼苗所受慣性力和風(fēng)阻力較大，常規(guī)取缽機(jī)構(gòu)在西瓜缽苗栽植過(guò)程中，存在脫落和松動(dòng)現(xiàn)象，但現(xiàn)有輔助裝置在取缽過(guò)程對(duì)子葉造成損傷，影響后期生長(zhǎng)。因此需設(shè)計(jì)一種適合西瓜缽苗大株冠特點(diǎn)，避免取苗末端執(zhí)行器對(duì)作物子葉造成損傷。為解決以上問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)西瓜缽苗高效高質(zhì)移栽，本文設(shè)計(jì)一種夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)，由末端執(zhí)行器協(xié)同非圓齒輪行星輪系完成缽苗取出、輸送和栽植動(dòng)作，末端執(zhí)行器由取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)兩部分組成，在取缽機(jī)構(gòu)夾取土缽過(guò)程中護(hù)苗機(jī)構(gòu)同時(shí)摟緊西瓜秧苗莖稈，保護(hù)秧苗莖稈和株冠子葉，達(dá)到無(wú)損、高質(zhì)和高效移栽目的。

1 移栽機(jī)構(gòu)工作原理和軌跡分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)西瓜缽苗形態(tài)和西瓜移栽農(nóng)藝要求，結(jié)合課題組提出系列探入式取缽軌跡[11]，利用該軌跡直線-曲線段取苗軌跡，保證取缽片順利取出秧苗，避免取秧片對(duì)土壤造成攪動(dòng)及對(duì)作物根系二次損傷。在常規(guī)探入式取缽末端執(zhí)行器添加一套護(hù)苗（輔助）裝置，二者相對(duì)固定，借助非圓齒輪不等速轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)護(hù)苗裝置沿作物莖稈方向向下運(yùn)動(dòng)，探入并摟緊秧苗，避免輔助裝置因與作物子葉接觸造成損傷，提高秧苗在輸送過(guò)程中穩(wěn)定性，保證取苗和栽植質(zhì)量，形成取缽軌跡和護(hù)苗軌跡如圖1所示。通過(guò)限定取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)位移行程，利用護(hù)苗機(jī)構(gòu)和取缽機(jī)構(gòu)共用一套位移行程，既保證護(hù)苗機(jī)構(gòu)和取缽機(jī)構(gòu)動(dòng)作精準(zhǔn)度，又降低機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度。

1.2 工作原理

夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)總體包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器兩部分，如圖2a 所示，末端執(zhí)行器傳動(dòng)如圖2b 所示，末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)如圖2c 所示。傳動(dòng)部分由殼體和3個(gè)相互嚙合非圓齒輪組成；末端執(zhí)行器由殼體、護(hù)苗夾片、取缽片、取缽齒輪、取缽齒條組成。動(dòng)力經(jīng)非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)至凸輪，撥叉在凸輪和彈簧作用下推動(dòng)取缽齒條（彈簧座和齒條）往復(fù)運(yùn)動(dòng)，取缽齒條經(jīng)齒輪帶動(dòng)取缽片在取缽殼體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)土缽?qiáng)A取和釋放，取缽齒條帶動(dòng)推秧?xiàng)U往復(fù)探出和收回，帶動(dòng)護(hù)苗夾片張開(kāi)和閉合，實(shí)現(xiàn)對(duì)缽苗莖稈保護(hù)和釋放。

末端執(zhí)行器工作原理如圖2d 所示，圖中紅色為護(hù)苗機(jī)構(gòu)推秧?xiàng)U，黑色為取缽機(jī)構(gòu)取缽齒條，其中A、C 為取缽齒條觸手，B 為推秧?xiàng)U觸手。取缽齒條在凸輪、撥叉和取缽彈簧作用下探出，取缽齒條A端與推秧?xiàng)UB端接觸，取缽齒條推動(dòng)推秧?xiàng)U從護(hù)苗殼體探出，推秧?xiàng)U探出并利用自身形狀強(qiáng)制撐開(kāi)護(hù)苗夾片，推出秧苗，取缽齒條經(jīng)取缽齒輪帶動(dòng)取缽片回收，釋放秧苗，完成秧苗栽植；取缽齒條在凸輪、撥叉和取缽彈簧作用下回收，取缽齒條C端與推秧?xiàng)UB端接觸，隨后取缽齒條帶動(dòng)推秧?xiàng)U同步回收，護(hù)苗夾片回復(fù)原狀并摟緊秧苗，同時(shí)取缽齒條帶動(dòng)取缽片從取缽殼體探出扎入土缽，實(shí)現(xiàn)待取缽苗的取出和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)秧苗護(hù)苗栽植。

2 移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

2.1 行星輪系理論模型建立

以經(jīng)過(guò)變換封閉旋輪線蝸線為非圓齒輪節(jié)曲線，其中r（θ）為節(jié)曲線向徑，θ為節(jié)曲線向徑極角。建立坐標(biāo)系如圖3所示，以行星架轉(zhuǎn)動(dòng)中心O為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平方向?yàn)閄 軸，豎直方向?yàn)閅 軸。令α0為行星架初始安裝角，角速度為ω，本文以逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。太陽(yáng)輪節(jié)曲線極徑為r1（φ），若相互嚙合兩齒輪中心距為d，根據(jù)齒輪嚙合基本原理，中間輪節(jié)曲線極徑為r2（φ）=d-r1（φ），行星輪節(jié)曲線極徑為r3（φ）=d-r2（φ）。

則行星架相對(duì)轉(zhuǎn)角φ：

行星架絕對(duì)轉(zhuǎn)角φh（φ）分別：

太陽(yáng)輪相對(duì)于行星架轉(zhuǎn)角φ1'（φ）：

太陽(yáng)輪絕對(duì)轉(zhuǎn)角φ1（φ）分別：

中間輪相對(duì)于行星架轉(zhuǎn)角φ2'（φ）：

中間輪絕對(duì)轉(zhuǎn)角φ2（φ）：

建模時(shí)為增加機(jī)構(gòu)可調(diào)性，便于優(yōu)化出圖1所示軌跡，引作星架拐角α1。行星輪相對(duì)于行星架轉(zhuǎn)角：

行星架拐角引起行星輪初始安裝角：

行星輪絕對(duì)轉(zhuǎn)角：

行星架轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)：

中間輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)：

行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)：

取缽機(jī)構(gòu)端點(diǎn)c、d、e坐標(biāo)分別：

式中，ε1為秧苗開(kāi)始栽植時(shí)刻（rad）；ε2為秧苗栽植結(jié)束時(shí)刻（rad）；ε3為取秧開(kāi)始時(shí)刻（rad）；ε4為取秧結(jié)束時(shí)刻（rad）；S為取缽片探出長(zhǎng)度（mm）。

式中，S1為第1 段栽植臂bc 長(zhǎng)度（mm）；S3為第2 段栽植臂cd 長(zhǎng)度（mm）；S4為取缽臂ce 長(zhǎng)度（mm）；α3為栽植臂初始安裝角（rad）；α4為第2 段栽植臂與第1 段栽植臂拐角（rad）；護(hù)苗機(jī)構(gòu)端點(diǎn)f、g 坐標(biāo)分別為：

式中，S2表示第1段護(hù)苗臂cf長(zhǎng)度（mm）；S5表示第2段護(hù)苗臂fg長(zhǎng)度（mm）。

2.2 護(hù)苗夾片理論模型建立

以推秧?xiàng)U軸線為Y軸，建立坐標(biāo)系，如圖4所示。紅色為初始位置，黑色為結(jié)束位置。為簡(jiǎn)化分析，將推秧?xiàng)U和護(hù)苗夾片簡(jiǎn)化為線條，護(hù)苗夾片忽略應(yīng)力形變，簡(jiǎn)化為等長(zhǎng)線段。推秧?xiàng)U探出，護(hù)苗夾片與推秧?xiàng)U始終接觸于一點(diǎn)c，護(hù)苗夾片支點(diǎn)a、拐點(diǎn)b、接觸點(diǎn)c組成三角形，護(hù)苗夾片cd 段與cb 段夾角不變，通過(guò)余弦公式，由推秧稈運(yùn)動(dòng)規(guī)律推出護(hù)苗夾片運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

護(hù)苗夾片拐點(diǎn)c點(diǎn)坐標(biāo)：

護(hù)苗夾片尖點(diǎn)d點(diǎn)坐標(biāo)：

式中，lab為第一段護(hù)苗夾片長(zhǎng)度（mm）；lbc為第三段護(hù)苗夾片長(zhǎng)度（mm）；δ為護(hù)苗夾片ab 段與ac段夾角（rad）；β為護(hù)苗夾片ac段與水平正軸線夾角（rad）；γ為護(hù)苗夾片bc 段與水平負(fù)軸線夾角（rad）；μ為護(hù)苗夾片bc段與cd段夾角（rad）。

3 參數(shù)優(yōu)化與仿真

3.1 優(yōu)化軟件及優(yōu)化數(shù)據(jù)

根據(jù)前文移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立理論模型，應(yīng)用Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā)移栽機(jī)構(gòu)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，該軟件可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互且操作簡(jiǎn)單，大幅度減少優(yōu)化時(shí)間。優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件界面如圖5 所示，由菜單欄、圖形顯示區(qū)域、參數(shù)輸入?yún)^(qū)域和目標(biāo)參數(shù)區(qū)域組成，通過(guò)軟件可實(shí)時(shí)顯示移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)構(gòu)取缽護(hù)苗、輸送缽苗和栽植運(yùn)動(dòng)軌跡且滿足移栽臂姿態(tài)要求，優(yōu)化移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合西瓜缽苗移栽作業(yè)農(nóng)藝要求和西瓜缽苗形態(tài)，移栽機(jī)構(gòu)目標(biāo)數(shù)字化，設(shè)定移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)[12-14]如下：①軌跡高度大于220 mm；②秧苗直立度小于20°；③夾苗點(diǎn)高度40～80 mm；④夾秧片高度12～40 mm；⑤取缽過(guò)程取缽片擺角小于13°；⑥齒輪模數(shù)大于2.2 mm；⑦護(hù)苗夾片與秧箱無(wú)干涉；⑧取缽片與秧箱無(wú)干涉；⑨栽植過(guò)程碰倒秧苗；10 齒輪箱殼體距地面高度大于25 mm；11 護(hù)苗夾片開(kāi)度30～50 mm；12 取缽片探出長(zhǎng)度30～35 mm。

根據(jù)優(yōu)化軟件所得優(yōu)化數(shù)據(jù)為：取缽機(jī)構(gòu)殼體距地面高度h為34.23 mm，取缽機(jī)構(gòu)第一段S1長(zhǎng)度為117 mm，第二段S3長(zhǎng)度為86.5 mm，取缽齒條探出長(zhǎng)度為35 mm；護(hù)苗機(jī)構(gòu)第一段長(zhǎng)度S2為150 mm，第二段長(zhǎng)度S5為53.8 mm，護(hù)苗夾片摟苗高度為45.83 mm，推秧?xiàng)U行程為18 mm，且護(hù)苗夾片張開(kāi)距離為50 mm；取缽階段為267°～275°，栽植階段為92°～132°，栽植秧苗直立度（秧苗與豎直方向夾角）為10.32°，取缽階段栽植臂擺角為9.87°。

根據(jù)優(yōu)化軟件優(yōu)化數(shù)據(jù)和所優(yōu)化軌跡，在整個(gè)作業(yè)周期內(nèi)，非圓齒輪行星輪系在267°時(shí)驅(qū)動(dòng)取缽機(jī)構(gòu)取缽片與西瓜幼苗土缽接觸，與此同時(shí)，護(hù)苗夾片以最大角度張開(kāi)并與西瓜幼苗莖稈接觸，隨后取缽齒條驅(qū)動(dòng)取缽片探入土缽，在275°時(shí)結(jié)束取缽動(dòng)作，護(hù)苗夾片在267°～275°沿秧苗莖稈方向斜向下探入并摟緊秧苗，護(hù)苗夾片在275°時(shí)閉合（收緊），完成摟（護(hù)）苗動(dòng)作，取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗同步完成秧苗土缽?qiáng)A取、莖稈摟緊和保護(hù)；取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)（夾護(hù)式末端執(zhí)行器）在行星輪系帶動(dòng)下輸送秧苗至栽植位置，由取缽齒條在92°～137°（下一栽植周期）驅(qū)動(dòng)取缽片回收，取缽齒條在112°開(kāi)始推動(dòng)推秧?xiàng)U，推秧?xiàng)U撐開(kāi)護(hù)苗夾片，取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)在132°完成秧苗栽植，并為下一周期取缽護(hù)秧作準(zhǔn)備。為簡(jiǎn)化取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，提高取缽機(jī)構(gòu)和護(hù)苗機(jī)構(gòu)配合動(dòng)作精準(zhǔn)度，采用凸輪撥叉機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取缽和護(hù)苗機(jī)構(gòu)。

3.2 齒條與推秧稈設(shè)計(jì)

由移栽動(dòng)作確定：齒條在取缽過(guò)程先于推秧?xiàng)U回收，結(jié)束收縮運(yùn)動(dòng)，在推缽栽植階段齒條限于推秧?xiàng)U探出，結(jié)束探出動(dòng)作。在推缽栽植階段，齒條在A點(diǎn)（93°）先于推秧?xiàng)Ua點(diǎn)（112°）運(yùn)動(dòng)，齒條帶動(dòng)取缽片回收，推秧?xiàng)U由齒條驅(qū)動(dòng)，頂開(kāi)護(hù)苗夾片，在B和b點(diǎn)（132°）完成推苗栽植動(dòng)作；在取缽摟苗階段，取秧片入土和護(hù)苗夾片與秧苗接觸為同一時(shí)刻，齒條驅(qū)動(dòng)取缽片在C點(diǎn)（267°）點(diǎn)入土，護(hù)苗夾片在c點(diǎn)（270°）點(diǎn)收縮，開(kāi)始摟緊秧苗，取缽片和護(hù)苗夾片在G 點(diǎn)和H 點(diǎn)（275°），結(jié)束取缽護(hù)苗動(dòng)作，推秧稈和齒條位移關(guān)系如圖6所示。

3.3 護(hù)苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選取早佳麒麟1號(hào)西瓜種子，選取適齡缽苗120株（苗期30 d）作缽苗形態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：西瓜缽苗第一片子葉距土缽表面高度L1平均為85 mm，平均苗高L2為160 mm，第一片子葉高度L3平均為30 mm，第一片子葉寬度L4平均為60 mm，缽苗莖稈直徑D 平均為6 mm，如圖7 所示，該數(shù)據(jù)為后續(xù)護(hù)苗夾片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

為保證護(hù)苗夾片作業(yè)效果，實(shí)現(xiàn)開(kāi)不碰苗和閉不漏苗，需控制護(hù)苗夾片張開(kāi)距離（張開(kāi)開(kāi)度）K1和閉合距離K2，如圖8所示，藍(lán)色實(shí)線為護(hù)苗夾片張開(kāi)狀態(tài)，黑色虛線為護(hù)苗夾片閉合狀態(tài)，紅色為待取缽苗，黑色為未取缽苗，藍(lán)色為已取出缽苗。護(hù)苗夾片在張開(kāi)時(shí)要防止護(hù)苗夾片K1過(guò)大推倒黑色缽苗，實(shí)現(xiàn)開(kāi)不碰苗，以免影響移栽機(jī)構(gòu)栽植性能；護(hù)苗夾片在與秧苗接觸時(shí)K1要防止開(kāi)度不足，推倒紅色待取缽苗，影響移栽機(jī)構(gòu)取苗性能；護(hù)苗夾片在閉合時(shí)，既要避免護(hù)苗夾片K2過(guò)小對(duì)秧苗莖稈造成擠壓，又要防止護(hù)苗夾片K2過(guò)大使得秧苗莖稈從護(hù)苗夾片間脫落，實(shí)現(xiàn)閉不漏苗，以保證護(hù)苗機(jī)構(gòu)性能。護(hù)苗夾片在取缽片開(kāi)始探出時(shí)與秧苗莖稈接觸，并保證護(hù)苗夾片以最大開(kāi)口張開(kāi)，防止護(hù)苗夾片對(duì)待取紅色秧苗造成影響，避免破壞秧苗莖稈，降低取出質(zhì)量，影響后期生長(zhǎng)。

4 軌跡驗(yàn)證與性能試驗(yàn)

4.1 高速攝影軌跡驗(yàn)證試驗(yàn)

優(yōu)化得到移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，開(kāi)展機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、建模和裝配，并利用ADAMS 2014中對(duì)裝配體添加相應(yīng)束，作虛擬運(yùn)動(dòng)仿真，得到虛擬運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖9。為驗(yàn)證物理樣機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡和理論軌跡一致性，利用高速攝影技術(shù)得到物理樣機(jī)軌跡，并與理論軌跡、仿真軌跡對(duì)比驗(yàn)證。物理樣機(jī)采用3D 打印技術(shù)完成加工并裝配，在試驗(yàn)臺(tái)作空載運(yùn)行試驗(yàn)（30 r·min-1），通過(guò)Phantom v5.1高速攝像機(jī)采集移栽機(jī)構(gòu)信息，將視頻導(dǎo)入Adobe AE 處理，得到樣機(jī)軌跡，如圖9c所示。

可見(jiàn)，仿真軌跡形狀及取苗、推苗等關(guān)鍵位置與前文理論軌跡基本一致，證明移栽機(jī)構(gòu)理論和設(shè)計(jì)合理性。理論軌跡與實(shí)際軌跡上各點(diǎn)坐標(biāo)之間略有差別，分析原因是：物理樣機(jī)加工過(guò)程中存在誤差；實(shí)際作業(yè)過(guò)程中機(jī)器存在振動(dòng)；零部件采用PLA 打印，零件剛度和強(qiáng)度不足；受限于視頻處理軟件精度，物理樣機(jī)采樣點(diǎn)區(qū)域選取過(guò)大。分析兩軌跡存在誤差在允許范圍內(nèi)，不影響移栽機(jī)構(gòu)實(shí)際作業(yè)效果。

4.2 取苗栽植性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證探入式缽苗移栽機(jī)構(gòu)實(shí)用性能，作移栽機(jī)構(gòu)移栽性能試驗(yàn)，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化實(shí)驗(yàn)中心，采用課題組研制旱田土槽試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖10。參照J(rèn)B/T 1029-2001《旱地移栽機(jī)械》[15]，土壤平面平整，無(wú)明顯障礙物，土壤含水率為16.8%，模擬田間土壤狀況，試驗(yàn)前需在土槽內(nèi)事先開(kāi)好所需穴坑。試驗(yàn)育秧基質(zhì)選用通用營(yíng)養(yǎng)土，早佳麒麟1號(hào)西瓜種子，結(jié)合課題組研發(fā)秧箱，本試驗(yàn)選用軟質(zhì)72 穴秧盤(pán)育苗，秧盤(pán)上穴口尺寸為38 mm ×38 mm，下穴口尺寸為19 mm×19 mm，穴口深度為40 mm。將移栽機(jī)構(gòu)安裝在試驗(yàn)臺(tái)架上，對(duì)常規(guī)（不帶護(hù)苗裝置）移栽機(jī)構(gòu)和夾護(hù)式移栽機(jī)構(gòu)作對(duì)比性能驗(yàn)證試驗(yàn)，常規(guī)組和夾護(hù)組分別選取120 株，共240 株，每組對(duì)比試驗(yàn)重復(fù)3 次，考慮到3D 打印移栽機(jī)構(gòu)零件強(qiáng)度，試驗(yàn)過(guò)程設(shè)定工作轉(zhuǎn)速為35 r·min-1。栽植后以秧苗直立度（秧苗與地面水平夾角）介于45°和75°為栽植合格，大于70°為栽植優(yōu)良。以缽苗是否順利從缽盤(pán)內(nèi)取出評(píng)價(jià)移栽機(jī)構(gòu)取苗性能，缽苗是否順利栽植進(jìn)入穴坑評(píng)價(jià)移栽機(jī)構(gòu)栽植性能，以秧苗栽植后秧苗直立度評(píng)價(jià)移栽機(jī)構(gòu)栽植性能。性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of test results

由表1 可知，以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合栽植要求，夾護(hù)式移栽機(jī)構(gòu)較普通移栽機(jī)構(gòu)取苗成功率提高5%，栽植成功率提高7.5%，栽植合格率提高7.5%，栽植優(yōu)良率提高15%，兩種移栽機(jī)構(gòu)移栽性能均滿足栽植要求，且護(hù)苗機(jī)構(gòu)明顯提高移栽機(jī)構(gòu)栽植性能，驗(yàn)證夾護(hù)式移栽機(jī)構(gòu)原理合理性與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可行性。

經(jīng)分析，造成秧苗未從穴盤(pán)中成功取出主要原因包括：秧苗盤(pán)根狀況不佳，導(dǎo)致秧針夾取土缽過(guò)程中基質(zhì)破碎；部分秧苗在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生連根現(xiàn)象，秧針夾取土缽過(guò)程中阻力過(guò)大未能將秧苗取出。造成秧苗未能成功栽植到土槽中主要原因是：部分秧苗莖稈纖細(xì)，輸送過(guò)程中秧苗脫落；以PLA為原材料制作的，護(hù)苗夾片剛度不足。造成秧苗合格率過(guò)低主要原因是：土槽所開(kāi)穴口深度不夠或穴口過(guò)大，在栽植過(guò)程中未及時(shí)覆土、鎮(zhèn)壓部分秧苗莖稈纖細(xì)，護(hù)苗片未摟緊秧苗。

5 結(jié) 論

a.設(shè)計(jì)一種莖冠夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)，可在移栽作業(yè)過(guò)程中保護(hù)秧苗莖稈和株冠子葉。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，對(duì)西瓜缽苗保護(hù)效果顯著。

b. 根據(jù)秧苗形態(tài)，結(jié)合探入式移栽機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和西瓜移栽農(nóng)藝要求，確立優(yōu)化目標(biāo)，并開(kāi)發(fā)優(yōu)化軟件，通過(guò)人機(jī)交互方式，優(yōu)化符合西瓜夾護(hù)移栽要求的工作部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

c.利用3D打印技術(shù)加工物理樣機(jī)，并通過(guò)高速攝影試驗(yàn)對(duì)比分析物理樣機(jī)工作軌跡，物理樣機(jī)工作軌跡與理論軌跡、仿真軌跡基本一致，驗(yàn)證夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)工作原理和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

d.移栽機(jī)構(gòu)性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)取苗和栽植性能較普通取缽式移栽機(jī)構(gòu)取苗成功率提高5%，移栽成功率提高7.5%，栽植合格率提高7.5%，栽植優(yōu)良率提高15%。夾護(hù)式移栽機(jī)構(gòu)較常規(guī)移栽機(jī)構(gòu)西瓜缽苗栽植質(zhì)量明顯提升，驗(yàn)證夾護(hù)式西瓜缽苗移栽機(jī)構(gòu)可行性和實(shí)用性。