自動苗木栽植機器人的設計

袁野 馬勝凱 孫茂源 石宇田 馮浩剛 李樹森

摘? 要：隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各種半自動移栽機，便捷高效的自動化栽植機構(gòu)市面上仍較少。文章設計了一種包括取苗定位機構(gòu)、苗木存儲機構(gòu)以及栽植機構(gòu)的自動苗木種植機器人，機械裝置根據(jù)設定程序進行取苗、種植等一系列流程，大大減少了種植勞動強度，使得整個苗木勞動效率得到上升。

關鍵詞：苗木栽植機器人;農(nóng)業(yè)機器人;軌跡

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2020）22-0038-03

Abstract： With the continuous development of agriculture， a variety of semi-automatic transplanters have emerged， and there are still few convenient and efficient automatic planting institutions on the market. In this paper， a kind of automatic seedling planting robot is designed， which includes seedling positioning mechanism， seedling storage mechanism and planting mechanism. The mechanical device carries out a series of processes such as seedling extraction and planting according to the set program， which greatly reduces the labor intensity of planting and increases the labor efficiency of the whole seedling.

Keywords： seedling planting robot; agricultural robot; trajectory

一個國家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高低的標志是農(nóng)業(yè)機械化水平，從21世紀以來，自動機械在農(nóng)業(yè)領域的發(fā)展十分迅猛，農(nóng)業(yè)類自動機器人的研發(fā)持續(xù)進步。特別在近年，為實施農(nóng)業(yè)機械化，政府發(fā)布許多政策措施以提高農(nóng)業(yè)領域現(xiàn)代化水平，在農(nóng)業(yè)領域不斷縮小與發(fā)達國家的差距。其中，今天的栽植類機器人，是一個有著外界傳感、精準可控能力的綜合性控制機器人。

但當前市面上的移栽機大多均為半自動移栽機，有很多彎腰、伸手的動作，在密集作業(yè)時，可能會有一天8小時的勞動時間，勞動強度非常大;隨著農(nóng)村經(jīng)濟的高速發(fā)展，作業(yè)人員數(shù)量逐漸減少，種植成本大大增加;并且，人工遞苗和取苗的速度制約了移栽作業(yè)的效率。為了提高苗木移栽效率，用一款便捷高效的自動化栽植機構(gòu)來代替繁重低效的人工栽植非常有必要。

1 自動苗木栽植機器人總體方案的設計

設計一種自動栽植機構(gòu)，包括取苗定位機構(gòu)、苗木存儲機構(gòu)以及栽植機構(gòu)。設計其結(jié)構(gòu)，并對其機構(gòu)特點及動作要求進行深入分析，結(jié)合幼苗農(nóng)藝夾持特性，對取苗末端執(zhí)行器參數(shù)進行優(yōu)化，分析其夾苗軌跡。

1.1 機械方案的設計

栽植設備的作用一般是從栽植設備中苗木存儲機構(gòu)中取得待栽植的苗木，然后通過軌跡規(guī)劃將苗木栽植到土地中去。在此過程之中，種植處的種植深度也是栽植的一個重要條件，此設備需要精確的獲得數(shù)據(jù)，以確保栽植目的的完成。

本文設計的自動苗木栽植機器人主要包括取苗定位機構(gòu)、苗木存儲機構(gòu)以及栽植機構(gòu)，取苗定位機構(gòu)初步采用步進電機來提供動力，取苗末端執(zhí)行器初步選擇氣缸來提供動力來夾苗。機械手部分進行栽植工作。總的來說，該機器人采用履帶式移動平臺+機械手驅(qū)動裝置+末端執(zhí)行器+栽植裝置。

并且自動栽植機構(gòu)的末端執(zhí)行器設計，調(diào)試適當?shù)目臻g角度，保證其不會造成苗木損壞，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、方便安裝;自動栽植機構(gòu)的運動軌跡應盡量合理、采用桿機構(gòu)，易于實現(xiàn);自動栽植機構(gòu)的設計應符合農(nóng)藝要求，在此基礎上增加末端執(zhí)行器的數(shù)量，從而提高取苗作業(yè)的工作效率。

1.2 主要機構(gòu)設計

1.2.1 取苗定位機構(gòu)

取苗定位機構(gòu)采用步進電機來提供動力。

步進電機是一個數(shù)模轉(zhuǎn)換類控制電機，主要工作是將電脈沖轉(zhuǎn)為角位移。從機構(gòu)角度上來講，步進電機主要為三種類型，分別是永磁式、混合式以及反應式步進電機。電機的控制源與機械運動轉(zhuǎn)速都與脈沖離不開關系，每一個脈沖被電機捕捉到，電機的轉(zhuǎn)子相應的轉(zhuǎn)過一個步距角，同時電機的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率呈現(xiàn)同比關系。

通過對步進電機的三種類型的性能之間對比，本次課題選用HS步進電機。課題中的高精度、小步距角等一些要求恰是HS步進電機所有的特點。因此，本課題選用兩相四線的HS步進電機為設計研究目標。

1.2.2 栽植機構(gòu)

栽植機構(gòu)的設計其實主要包括取苗末端執(zhí)行器與機械手部分的設計，其中取苗末端執(zhí)行器選擇氣缸來提供動力夾苗。機械手顧名思義便是進行栽植。

末端執(zhí)行器：在機械手尾部裝有壓縮棉花，以防破壞苗木活性;壓土部分采用斜坡形式將土壓實。整個種植苗木過程：爪手松開，等苗木完全處在土坑中時，斜坡面下壓，填充穴孔，接下來向上舉起斜坡面，離開穴盤，完成整個過程。全過程的動力源通過使用氣缸裝置獲取。

氣缸主要是驅(qū)動活塞進行往復運動，使得空氣膨脹壓縮，在能的形式上將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，是一種常見的氣動元件。本課題采用TN10X125號氣缸，屬于常見氣缸中的行程氣缸，其行程為125mm。

機械手：機械手為機器人的主體，一方面在移栽過程中，已經(jīng)能夠精確的完成整個執(zhí)行命令，另一方面也考慮到了在之后的發(fā)展中可添加其余指令空間。整個機械手的執(zhí)行指令可以在電腦端或者控制器處下達。

2 自動苗木栽植機器人控制方案設計

2.1 末端執(zhí)行器參數(shù)優(yōu)化

為了達到精準夾持以降低傷苗率，需要對末端執(zhí)行器的桿件參數(shù)進行優(yōu)化設計，實現(xiàn)特定角度的夾苗、放苗，研究末端執(zhí)行器夾苗軌跡。

2.1.1 末端執(zhí)行器建模

以圖3所示的對稱機構(gòu)，建立相應的數(shù)學模型。將原點取為上固定處曲柄端，建立平面坐標系軸。點A連接曲柄滑塊，為執(zhí)行器BB'提供位移來源。苗針EF與連桿構(gòu)件BC通過連桿CD，以固定端E為端點，夾苗處F點，使EF進行旋轉(zhuǎn)運動。

建立矢量方程：

將矢量方程化為解析形式，可以分別求解A，B，C，D，E，F(xiàn)點軌跡。

2.1.2 末端執(zhí)行器參數(shù)初步優(yōu)化

在進行末端機構(gòu)執(zhí)行指令中，有幾個重要的參數(shù)。一是苗木的轉(zhuǎn)動角，二是它的中心距。這兩個參數(shù)在整個行程中，就是夾取與移栽過程。因缽苗的基質(zhì)受力、材質(zhì)特性影響，夾取苗木的角度會在苗針通過存儲機構(gòu)過程中有所變化。同時，基質(zhì)的受力過大，會使得缽體變形而導致散垛，因此也要考慮到中心距要超過在此條件下的最大受力（最大的變形量），在斜坡面壓土過程后，為避免穴盤受到末端干擾，秒鐘的中心距和夾持角也要滿足不大于穴口的長度與不小于錐度兩個要求?？紤]到不同夾持位置所相應的苗株受壓縮量與夾持角度的不同，通常我們都選取夾持基質(zhì)發(fā)達的根部，即缽苗的中下部，這也是為了滿足送苗過程中，保證苗株的活性不受到傷害。

通過末端夾持機構(gòu)運動學的建模方程，將桿件1OA，1AB，1BB，1B′C，1CD，1DE，1EF作為關鍵參數(shù)考察執(zhí)行機構(gòu)的夾持效果所受影響呈現(xiàn)為強耦合非線性。通過VB軟件，對以上桿件參數(shù)進行優(yōu)化整合。為獲取穴口傾角度數(shù)與對應條件下基質(zhì)所能達到的最大變形量且達到改變桿件各長度、固定端坐標位置、圖像界面的圖形這三個目的，以夾持角、移栽角、中心距等由e點的坐標等因素輸入得來的因素為程序參數(shù)與標準優(yōu)化，且輸出各個因素參數(shù)。

通過以上方式調(diào)節(jié)參數(shù)后，得到的滿足精確夾持取苗的機構(gòu)參數(shù)組合對應為1OA=5mm，1AB=20mm，1BB=62mm，1B′C=13mm，1CD=27mm，1DE=50mm，1EF=150mm，Xe=35mm。在此參數(shù)下，夾持角為16°，夾苗中心距為13mm。

2.2 末端執(zhí)行器夾持動作軌跡分析

基于上述末端執(zhí)行器各桿件參數(shù)，及固定參數(shù)。相應最佳夾持參數(shù)下中心矩為9.9mm和77.9mm，夾持度為7.6°，放苗度為1.2°。以輸出的各參數(shù)為標準，通過ADAMS建立機構(gòu)模型。通過控制桿在氣缸為動力條件下帶動苗針完成完整的單次行程的動作，得出中心距-氣缸運動距離圖形。中心距作為Y軸參數(shù)，氣缸運動距離作為X軸參數(shù)，如圖5。

選取位移距離0-20mm，中心距0-10mm。通過仿真所得曲線圖，整個中心距在運動距離位移的增大過程中先降后升。在距離達到2.25與12.25mm時，中心距分別接近10與80mm，位移距離為10mm中心距范圍在69mm內(nèi)，基本運動符合預期，仿真分析與理論分析基本一致。

3 試驗驗證

3.1 試驗目的及評價指標

考慮到取苗的定位控制與夾持控制對于整個末端機構(gòu)的深度影響方面，這兩種控制程序所構(gòu)成的系統(tǒng)是本試驗的主要內(nèi)容。檢測末端執(zhí)行的定位精確程度，來判別是否滿足運動控制定位的要求，最終以本試驗得到的數(shù)據(jù)觀察末端執(zhí)行機構(gòu)的取苗綜合能力和苗株存活率，以便于末端控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.2 試驗方案

末端執(zhí)行機構(gòu)控制系統(tǒng)以往復式間歇作為運動形式，其目的是將儲存機構(gòu)中苗木進行栽植，運動定位控制系統(tǒng)的控制精度直接影響末端執(zhí)行機構(gòu)的取苗效果。因此，本試驗主要考核指標是末端執(zhí)行機構(gòu)定位控制的定位精度。

3.2.1 末端執(zhí)行機構(gòu)水平運動定位精度的研究

根據(jù)以上分析要求，主要分析機械手的定位過程的精度。將末端機構(gòu)運行到苗株上10cm處，整個機構(gòu)以水平端往復移動，操作模式采取單步運行。水平位移從15cm到44cm，測試點分別采取20、30、40cm處。測量時其條件設定參數(shù)為2000HZ脈沖值，25mm/s的水平位移速度。測量工具取syntek電子卡尺，由于其量程在0-150mm范圍之內(nèi)，因此在每一測試點的前5cm需要進行預先標定，在此次試驗里，測量距離即是實際位移與標定的距離。原點選用水平位移的起始點，在每個位移點下以往返兩次作一次測量，取到達苗株坑側(cè)的位置，反復試驗十次，最后得出十組數(shù)據(jù)。以兩次數(shù)據(jù)之間的位置與往返精度，進行誤差分析，總計得出每組2個位置誤差與1個往返重復精度誤差。分析水平位移與其精度和重復定位精度關系。

3.2.2 末端執(zhí)行機構(gòu)升降定位精度的研究

根據(jù)水平運動精度的研究試驗，將試驗運動形式轉(zhuǎn)變?yōu)樯颠\動，使用相同的測量工具與方式，測量時條件系數(shù)不變。升降運動從4cm到6cm，以每5cm為測試的位移行程。原點選取為機械手升至的初始點，每次下降到測試位移的行程量時進行記錄。最后分析十次下降的位移數(shù)據(jù)。

3.2.3 末端執(zhí)行機構(gòu)工作性能測試

調(diào)整初始位置，符合工作標準，末端執(zhí)行機構(gòu)工作于自動模式進行完整的取苗工作測試。PLC輸出脈沖2000HZ，機械手水平行進速度25mm/s。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗臺運行測試進行于2020年3月26日，測試得出預行測試方案數(shù)據(jù)。因栽植期不符合本地時期，缺少試驗所需素材，考慮塑料泡沫基質(zhì)與測量素材所需值接近，故進行代替測量，以保證試驗順利進行。

在本次定位控制實驗過程中我們能夠發(fā)現(xiàn)，游標卡尺其實很難對機構(gòu)定位精度進行一個非常準確的檢測，而在多次運行過程中，我們還能發(fā)現(xiàn)，其實測量誤差才是定位精度有關數(shù)據(jù)誤差的主要來源。在我們的實際運行過程中，由于機構(gòu)震動或者人為等等不可控因素造成的測量基準的偏移很大，測量數(shù)據(jù)噪聲也很大，這就不能作為精度測定的依據(jù)。

在末端執(zhí)行機構(gòu)工作性能測試中，存儲機構(gòu)并未受到機械手干涉，執(zhí)行機構(gòu)夾苗成功率遠超預設，但出現(xiàn)夾取后苗針鎖死在泡沫內(nèi)部情況，考慮到泡沫與苗株生物特性差異，因此將此類情況排除在夾持依據(jù)之中。

4 結(jié)束語

設計了一種包括取苗定位機構(gòu)、苗木存儲機構(gòu)以及栽植機構(gòu)的自動苗木栽植機器人，其機械手臂在執(zhí)行整個程序過程中，對于苗株的移植、栽種，穴口的處理和整個過程的定位都達到預期效果，苗木移植栽種的效率得到提升，同時還需要對定位方面的精確程度處理需作出進一步的調(diào)整。

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