溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周 昕,蔡 靜

(江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

我國溫室穴盤苗移栽作業(yè)主要靠人工作業(yè),勞動強(qiáng)度大,效率低[1-3],無法滿足規(guī)模化生產(chǎn)需求,而機(jī)械化移栽具有降低人工成本及提高移栽作業(yè)效率的優(yōu)點(diǎn)[4-5]。發(fā)達(dá)國家早就開始對缽苗機(jī)械化移栽進(jìn)行研究,國外半自動移栽機(jī)已經(jīng)發(fā)展成熟但價(jià)格昂貴[6-10]。由于我國育苗工藝、栽培方式及田間作業(yè)模式等與發(fā)達(dá)國家存在差異,國外的溫室移栽機(jī)不能滿足我國溫室穴盤苗移栽作業(yè)需求。

我國移栽機(jī)大多采用三坐標(biāo)龍門結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動軌跡單一,容易形成累積誤差。并聯(lián)機(jī)構(gòu)與現(xiàn)有機(jī)構(gòu)對比,具有剛度大、精度高、累積誤差小及控制性能良好等特點(diǎn),在包裝、分揀、康復(fù)醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用[11-14],為并聯(lián)機(jī)器人在溫室移栽作業(yè)方面的研究和應(yīng)用提供了參考。

本研究設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)移栽機(jī)器人,并結(jié)合兩條輸送系統(tǒng)將穴盤自動輸送至移栽作業(yè)區(qū)域,完成移栽作業(yè)后再將穴盤輸送至下個(gè)作業(yè)工序,提高了移栽效率。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)需求

目前,市場上應(yīng)用于溫室穴盤苗移栽作業(yè)的移栽機(jī)器人大多是龍門式結(jié)構(gòu),體積龐大、價(jià)格昂貴且移栽效率較低,行業(yè)內(nèi)迫切需要一款能夠具有柔性作業(yè)能力、體積較小、慣性較小、剛度大的移栽機(jī)器人。并聯(lián)機(jī)器人具備這樣的特性,能夠滿足溫室穴盤苗移栽或者補(bǔ)栽作業(yè)的需求。現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)中,工廠規(guī)?；缙贩N主要涉及的是花卉、黃瓜、辣椒等,移栽任務(wù)是把培育好的苗從高密度穴盤移栽到低密度穴盤(甚至是缽盤)中去,根據(jù)移栽任務(wù)可以得出并聯(lián)移栽機(jī)的設(shè)計(jì)需求。移栽流程如圖1所示。

圖1 移栽流程Fig.1 Transplanting flow

1.2 移栽需求

黃瓜苗育苗采用的128孔穴盤,穴孔的基本尺寸為30mm×30mm×46mm;移栽目標(biāo)穴盤是72孔,穴孔的基本尺寸是40mm×40mm×46mm。設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在取苗和移栽作業(yè)時(shí)需要完成兩個(gè)動作,完成空間3個(gè)方向的平移運(yùn)動,同時(shí)可以進(jìn)行柔性移栽作業(yè)移動。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動平臺的方位特征集為

(1)

其中,t為移動單元;r為轉(zhuǎn)動單元。

2 主要部件設(shè)計(jì)

2.1 并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的并聯(lián)移栽機(jī)器人(見圖2)根據(jù)移栽對象(即40日齡黃瓜穴盤苗)的移栽軌跡需求,高度方向的移栽距離需要大于此時(shí)的穴盤苗高度12cm,為安全取苗,設(shè)定移栽軌跡高度為1 300mm;根據(jù)穴盤規(guī)格,移栽時(shí)寬度方向跨度最大的距離為4 800mm,對角移栽最大距離6 000mm;考慮到輸送裝置的間隔距離,并聯(lián)機(jī)器人的移栽工作空間為6 000mm×4 800mm×1 300mm。根據(jù)移栽軌跡需求,并聯(lián)機(jī)器人由3條支鏈組成,第1支鏈用符號可以表示為-R-R-S-,第2支鏈表示為-HSOC{-R∥R-P4R-S-}-;第3支鏈和第2支鏈相同。符號含義分別為:R是轉(zhuǎn)動副,HSOC是混合支鏈,S是球副。

圖2 并聯(lián)機(jī)器人Fig.2 Parallel robot

2.2 輸送裝置設(shè)計(jì)

本次移栽需要從128孔穴盤移栽到72孔穴盤,為了實(shí)現(xiàn)自動化作業(yè),設(shè)計(jì)了相應(yīng)的配套輸送裝置,配合并聯(lián)移栽機(jī)器人進(jìn)行穴盤運(yùn)輸移動。為此,設(shè)計(jì)配合兩條輸送帶:一條用于將128孔穴盤黃瓜苗輸送至并聯(lián)機(jī)器人的移栽區(qū)域,待移栽作業(yè)完成后將空置的穴盤再輸送至收集處;另外一條輸送帶用于將72孔空穴盤輸送至移栽并聯(lián)機(jī)器人移栽作業(yè)位置,待移栽作業(yè)任務(wù)完成后,再將移栽后的穴盤輸送至下一步工序位置。

圖3所示的穴盤推桿定位安裝在鏈條上,電機(jī)帶動鏈輪轉(zhuǎn)動,安裝在鏈輪上的鏈條隨之轉(zhuǎn)動,從而推動穴盤推桿運(yùn)動到指定移栽作業(yè)位置。

圖3 輸送裝置Fig.3 Convey device

2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人由框架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)器人及輸送裝置三大部件組成,如圖4所示。一條輸送裝置通過鏈傳動將培育好的128孔穴盤苗輸送至并聯(lián)移栽機(jī)器人作業(yè)區(qū)域,且通過安裝在鏈條上的穴盤擋板間隔開每個(gè)穴盤;另一條輸送裝置將72孔空穴盤輸送至并聯(lián)移栽機(jī)器被移栽的作業(yè)區(qū)域等待移栽作業(yè);整體的框架結(jié)構(gòu)用于安裝并聯(lián)機(jī)器人的靜平臺,確定移栽作業(yè)區(qū)域。

整個(gè)溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人與輸送裝置集成后,輸送裝置通過驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動,帶動鏈條運(yùn)轉(zhuǎn);電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的圈數(shù)后,穴盤擋板推動穴盤移動一定的距離,到達(dá)指定移栽作業(yè)區(qū)域后停止輸送裝置的驅(qū)動電機(jī)等待移栽作業(yè)。移栽機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī)布置在靜平臺上,驅(qū)動并聯(lián)移栽機(jī)器人的驅(qū)動電機(jī),通過PLC控制末端取苗爪的移栽作業(yè)。

3 試驗(yàn)

3.1 育苗試驗(yàn)

試驗(yàn)選擇黃瓜苗作為移栽對象,品種為天津科潤農(nóng)業(yè)科技股份有限公司黃瓜研究所研制的津優(yōu)1號。育苗時(shí),首先準(zhǔn)備好育苗基質(zhì),體積配比按照草炭、蛭石、珍珠巖為3:1:1,加水?dāng)嚢杈鶆蛑翝穸?0%左右,要求基質(zhì)不能成團(tuán);再將基質(zhì)裝入128孔的穴盤,裝入時(shí)稍微用力,使得基質(zhì)充滿穴孔,并抹平多余基質(zhì);將數(shù)個(gè)空穴盤疊起來,放在已抹平基質(zhì)的穴盤上方并對齊,用力均勻向下壓,壓出的深度8～10mm(所有深度要一致,以便出苗整齊);最后,將準(zhǔn)備好的黃瓜種子平放在穴盤孔中,每個(gè)穴放1顆,覆蓋1層10～15mm厚基質(zhì),并抹平多余基質(zhì);將播種好的穴盤放入水盆里浸水,直至浸透。黃瓜育苗穴盤如圖5所示。

圖5 黃瓜育苗穴盤(壓盤)Fig.5 Cucumber seedling tray (pressure tray)

在距離黃瓜下種育苗3周后,苗株整體高度約為10cm,略有差異;待到育苗第4～6周,苗株整體高度約為12cm。農(nóng)藝研究表明:此時(shí)苗株主要是提升自身的盤根性,株高變化不大,是最佳移栽時(shí)機(jī)。對于本次研究的黃瓜苗,將以128孔穴盤作為初始育苗穴盤(見圖6),待苗株生長到6周時(shí),將黃瓜苗移栽到72孔穴盤。黃瓜苗基情況如表1所示。

表1 移栽作業(yè)時(shí)黃瓜苗基本情況表Table 1 Basic table of cucumber Seedlings during planting

圖6 移栽黃瓜穴盤苗Fig.6 Transplant seedlings of cucumber seedlings

3.2 移栽試驗(yàn)

樣機(jī)包含機(jī)械部分和控制部分,如圖7所示。其中,機(jī)械部分主要是框架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)器人、輸送裝置,控制部分主要是電氣控制及其系統(tǒng)。設(shè)定本次移栽試驗(yàn)時(shí)并聯(lián)機(jī)器人取苗后的上升高度為130cm,從128孔穴盤以不同加速度移栽至72孔穴盤中。

圖7 并聯(lián)移栽機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 Prototype of parallel transplanting robot system

移栽試驗(yàn)開始時(shí),通過初步移栽調(diào)試試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):若缽苗的含水率較低,移栽機(jī)器人的取苗爪在移栽作業(yè)時(shí)缽苗容易破裂,導(dǎo)致移栽過程中缽苗掉落甚至破裂,影響移栽合格率。因此,移栽時(shí)將黃瓜穴盤苗重新檢查含水率,每個(gè)穴盤孔中的黃瓜苗株的含水率大約在60%～70%時(shí)再進(jìn)行下面的移栽重復(fù)試驗(yàn)。

以取苗移栽階段時(shí)的不同移栽加速度進(jìn)行對比試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析在不同移栽加速度條件下移栽成功率,并進(jìn)行對比分析。試驗(yàn)階段移栽加速度設(shè)定為5、10、15、20、25、30mm/s2,且設(shè)定并聯(lián)機(jī)器人在移栽作業(yè)完成后返回的加速度為30mm/s2。設(shè)定移栽過程中沒有出現(xiàn)缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功,移栽試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results

將移栽加速度調(diào)整為5、15、25、35、45mm/s2,且移栽作業(yè)完成后的返回加速度為50mm/s2。同樣設(shè)定移栽過程中沒有出現(xiàn)缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功。移栽試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results

將移栽加速度調(diào)整為10、20、30、40、50mm/s2,且移栽作業(yè)完成后的返回加速度為60mm/s2。同樣設(shè)定移栽過程中沒有出現(xiàn)缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功。移栽試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明:并聯(lián)移栽機(jī)器人在移栽速度在加速度超過20mm/s2時(shí),缽苗破損數(shù)量及掉落數(shù)量明顯增加,移栽合格率降低;并聯(lián)移栽機(jī)器人在移栽加速度達(dá)到25mm/s2時(shí),移栽合格率顯著降低;并聯(lián)移栽機(jī)器人在移栽加速度達(dá)到30mm/s2時(shí),移栽合格率大大降低。

2)在3組移栽試驗(yàn)中,以同樣的加速度移栽作業(yè)時(shí),合格率不是完全一致。其原因可能是多樣的,如移栽時(shí)的缽苗狀況不佳、重復(fù)移栽作業(yè)時(shí)產(chǎn)生了累積誤差,導(dǎo)致移栽合格率下降等。

3)移栽試驗(yàn)時(shí),缽苗含水率對移栽效率的影響較大,若含水率較低時(shí)缽苗破裂的幾率大大提高。