穴盤苗單驅(qū)動(dòng)四齒移植機(jī)械手的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 凱,黎 波,姜德龍,辜 松,劉厚誠

(1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣州 510515;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué),廣州 510642)

0 引言

移栽作業(yè)是育苗生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)作過程之一,目的是為了保證幼苗有足夠的生長空間,把幼苗從高密度的穴盤移栽到低密度的穴盤或花盆中,以保證秧苗的進(jìn)一步生長[1-2]。移栽作業(yè)一般都是在溫室中進(jìn)行,而溫室內(nèi)溫度高、濕度大,作業(yè)環(huán)境比較惡劣,且勞動(dòng)強(qiáng)度大。用機(jī)械化、自動(dòng)化等先進(jìn)生產(chǎn)手段提高移栽作業(yè)的自動(dòng)化程度,是擴(kuò)大溫室栽培規(guī)模、提高生產(chǎn)效率的有效解決辦法[3-5]。

移植機(jī)械手作為移植機(jī)的關(guān)鍵部件,國內(nèi)很多高校及研究機(jī)構(gòu),如沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)[6]、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)[7]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)[8-10],浙江大學(xué)[11]、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)[12]、江蘇大學(xué)[13-14]、吉林大學(xué)[15]、北京工業(yè)大學(xué)[16]及北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心[17],對(duì)穴盤種苗移植機(jī)械手都進(jìn)行了不同程度的研究。

筆者針對(duì)穴盤花卉種苗,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、作業(yè)可靠的單驅(qū)動(dòng)四齒移植機(jī)械手,同時(shí)進(jìn)行了性能試驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的穴盤苗移植手的基本作業(yè)技術(shù)要求如下:①能夠快速、準(zhǔn)確地取苗、運(yùn)苗和移栽幼苗,要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有精度高、動(dòng)作快、承載能力強(qiáng)及足夠的工作空間。②手指具有一定的開閉范圍且應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力。手指的開閉范圍即從張開到閉合繞支點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度,角度越小,越不利于夾持。另外,雖然幼苗和基質(zhì)的質(zhì)量很小,但如果夾持力小仍會(huì)導(dǎo)致取苗失敗,所以應(yīng)保證手指具有一定得夾持力,以使基質(zhì)不會(huì)在運(yùn)行過程中脫落。③具有一定的通用性。末端執(zhí)行器一般都是專門設(shè)計(jì)的,為了使其具有一定的通用性,應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)具有一定的可調(diào)性,以利于針對(duì)不同的作物進(jìn)行移栽作業(yè)。末端執(zhí)行器工作流程圖如圖1所示。

1)取苗過程。取苗包括手指的伸出、手指鋼齒向內(nèi)側(cè)夾持和整體上移運(yùn)動(dòng),氣缸伸出推動(dòng)手指鋼齒插入基質(zhì),之后氣缸縮回,4個(gè)手指鋼齒向內(nèi)夾持,然后機(jī)械手整體上移完成取苗動(dòng)作。

2)運(yùn)苗過程。運(yùn)苗即移植機(jī)械手實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng),由水平運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)盡量保證幼苗的平穩(wěn)運(yùn)輸。

3)栽苗過程。栽苗與取苗的動(dòng)作正好相反,首先移植機(jī)械手整體下移,當(dāng)幼苗進(jìn)入穴孔時(shí)氣缸縮回,手指鋼齒打開,然后整體上移,完成移植。

根據(jù)以上作業(yè)流程,設(shè)計(jì)出如圖2所示移植機(jī)械手,主要由筆形驅(qū)動(dòng)氣缸、手指鋼齒、手指鋼齒導(dǎo)向板、機(jī)械手L型固定板及鋼齒固定座構(gòu)成。

1.手指鋼齒 2.鋼齒固定座 3.筆形氣缸 4.移植手L形固定座 5.鋼齒導(dǎo)向板圖2 移植機(jī)械手主體結(jié)構(gòu)Fig.2 Main body structure of transplanting manipulator

該移植機(jī)械手在筆形氣缸驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行對(duì)幼苗基質(zhì)的夾持動(dòng)作,如圖3所示。其中,圖3(a)筆形氣缸桿伸出,手指鋼齒相對(duì)于移植手L形固定座為縮回狀態(tài),移植手處于非工作狀態(tài);當(dāng)如圖3(b)所示筆形氣缸桿伸出后,手指鋼齒相對(duì)于移植手L形固定座伸出,移植手處于工作狀態(tài),可完成對(duì)秧苗基質(zhì)的夾持作業(yè)。

圖3 移植機(jī)械手工作原理Fig.3 The working principle of transplanting manipulator

2 移植作業(yè)性能試驗(yàn)

2.1 材料與試驗(yàn)條件

試驗(yàn)前,調(diào)節(jié)移植機(jī)械手氣缸氣壓為0.3MPa,準(zhǔn)備10mm×20mm標(biāo)準(zhǔn)穴盤和苗缽。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法

試驗(yàn)把土壤含水量、鋼尺傾角和鋼尺直徑作為主要影響因素,測定這3個(gè)因素對(duì)幼苗的抓取影響的顯著程度,通過理論分析和仿真,得到土壤含水量、鋼尺傾角和鋼尺直徑對(duì)移植機(jī)械手移植成功率和傷苗率的影響。每個(gè)因素選取3個(gè)水平記性正交試驗(yàn),因素水平表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平表Table 1 Coding of test factors and levels

2.3 試驗(yàn)方法

由于單一的試驗(yàn)指標(biāo)不能得到理想的試驗(yàn)結(jié)果,因此采用雙指標(biāo)分析。在多指標(biāo)正交試驗(yàn)中,各指標(biāo)的最佳試驗(yàn)方案之間存在一定的矛盾,在評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果時(shí)需要兼顧兩個(gè)指標(biāo),從而找出使得每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)都盡可能好的試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)分析采用綜合評(píng)分法進(jìn)行評(píng)價(jià),共2個(gè)指標(biāo),即移植成功率和傷苗率。移植成功率越高越好,設(shè)置加權(quán)系數(shù)為4;傷苗率越低越好,設(shè)置加權(quán)系數(shù)為1.5。

2.4 試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)分公式為:綜合評(píng)分=1.5×傷苗率+4×移植成功率。試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 測試分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Standard of testing score

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

通過極差分析得到最優(yōu)水平組合:當(dāng)土壤含水量為60%、手指鋼齒傾斜角為5°、手指鋼齒直徑為2mm時(shí),綜合效果最佳。在此組合下進(jìn)行移植樹驗(yàn)證試驗(yàn)(見圖4),結(jié)果如表3所示。由表3可知:移植機(jī)械手的移植成功率平均達(dá)到93%,傷苗率小于0.5%。另外,穴盤種苗的長勢(shì)也對(duì)移植成功率有影響,有待今后對(duì)此方面進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

表3 移植機(jī)械手作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Transplant manipulator performance test results

圖4 移植機(jī)械手樣機(jī)Fig.4 Transplant manipulator prototype

移植機(jī)械手的作業(yè)試驗(yàn)如圖4所示。

3 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種移植機(jī)械手。對(duì)鋼尺角度、伸出長度等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),確定了最佳角度為85°。

2)針對(duì)移植機(jī)械手進(jìn)行了性能試驗(yàn),對(duì)氣缸壓力進(jìn)行了單因素試驗(yàn),得到最佳汽缸壓力分別為0.35MPa。參數(shù)優(yōu)化和正交試驗(yàn)結(jié)果表明:在最優(yōu)水平組合時(shí),移植機(jī)械手抓取幼苗質(zhì)量最佳,移植成功率高于90%,傷苗率低低于0.5%。