杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)設(shè)計與試驗分析

李鵬舉，毛鵬軍，耿 乾，方 騫，張家瑞，黃傳鵬

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000；3.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

杜仲是我國名貴的經(jīng)濟(jì)樹種，也是世界上發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮膬?yōu)質(zhì)膠源樹種［1］。在育苗時，常采用嫁接方法來提高杜仲的抗寒性、抗旱性和抗病性。但人工嫁接方法存在勞動強(qiáng)度大、效率低、幼苗成活率低以及難以實現(xiàn)工廠化育苗等問題［2-3］。

對于植物嫁接機(jī)器人的研究，國外起步較早。20世紀(jì)80年代，日本的井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會社和生研株式會社合作研制了瓜科半自動嫁接機(jī)，其采用單株貼接法，嫁接效率為800株/h，嫁接成功率可達(dá)95%［4］；20世紀(jì)90年代初，韓國的Helper Robotech公司開發(fā)了GR-800CS型自動嫁接機(jī)，其可對茄科和瓜科蔬菜進(jìn)行嫁接，嫁接效率可達(dá)800株/h［5］；2010年，荷蘭的ISO Group Machinebouw公司研制了一種瓜、茄科作物嫁接機(jī)器人，該機(jī)器人采用圖像處理技術(shù)對作物幼苗進(jìn)行識別處理，幼苗的成活率可達(dá)99%［4］。

我國對植物嫁接機(jī)器人的研究起步較晚。2008年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的李明等研制了一種半旋轉(zhuǎn)切削機(jī)構(gòu)，并以桃、李、柑橘、葡萄和板栗等5種嫁接幼苗為試驗對象進(jìn)行正交試驗，驗證了該切削機(jī)構(gòu)的可行性［6］；2010年，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的羅軍等以葡萄苗莖桿為試驗對象，研究了切削深度、轉(zhuǎn)速以及莖稈直徑等因素對切削扭矩的影響，并制作了基于Plug-in的苗木嫁接機(jī)切削機(jī)構(gòu)，提高了葡萄苗的嫁接效率［7-8］；2014年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的楊艷麗等研制了一種半自動葫蘆科幼苗嫁接機(jī)器人，其采用砧木子葉氣吸夾方式，縮短了砧木上苗的作業(yè)時間，使得嫁接效率提高至600株/h［9］；2015年，浙江理工大學(xué)的張雷等采用圖像處理綜合算法實時獲取了蔬菜嫁接苗的直徑、生長點和苗長等特征信息，經(jīng)驗證，該算法能夠滿足嫁接機(jī)器人實時獲取苗木嫁接位置的要求，可提高苗木的嫁接效率和成活率［10］；2017年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的李世軍等基于光切法得到了葡萄砧木苗的切面，并采用圖像處理方法實現(xiàn)了葡萄硬枝嫁接切面粗糙度的檢測［11］。但是，目前針對杜仲嫁接機(jī)器人的研究仍很少。

苗木嫁接機(jī)器人最關(guān)鍵的部件是切削機(jī)構(gòu)。切削機(jī)構(gòu)的性能直接影響苗木的嫁接效率和成活率［12］。基于此，筆者設(shè)計了一種杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)，其一次可完成4行4列（共16株）杜仲砧木苗的切削，旨在解決人工切削方法效率低、長時間作業(yè)效果不穩(wěn)定等問題。

1 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及工作流程

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)由夾持機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、切削機(jī)構(gòu)和皮帶清理機(jī)構(gòu)等4個部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

如圖2所示，杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的工作流程為：1）放入杜仲砧木苗盤，觸發(fā)苗盤放入傳感器，同時啟動皮帶清理機(jī)構(gòu)，以將苗盤送至夾持機(jī)構(gòu)處；2）觸發(fā)夾持機(jī)構(gòu)傳感器，完成夾苗定位，之后皮帶清理機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)同時啟動；3）苗盤到達(dá)切削位置后，觸發(fā)切削機(jī)構(gòu)傳感器，按照設(shè)定順序完成切削動作；4）啟動皮帶清理機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)，苗盤到達(dá)皮帶變坡位置后，觸發(fā)皮帶變坡傳感器，夾持機(jī)構(gòu)松開苗盤；5）再次啟動皮帶清理機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)，直至苗盤到達(dá)出料口；6）觸發(fā)出料口傳感器，皮帶清理機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)停止運行，并等待1 s；7）夾持機(jī)構(gòu)啟動倒轉(zhuǎn)，回到起始位；8）觸發(fā)起始位傳感器，皮帶清理機(jī)構(gòu)停止運行，系統(tǒng)做下一次切削準(zhǔn)備。

圖2 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的工作流程Fig.2 Working flow of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

2 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件是矩陣式切削機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)。下面對矩陣式切削機(jī)構(gòu)和夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。

2.1 矩陣式切削機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 杜仲砧木苗切削方式選取

常見的砧木切削方式可分為直切、斜切、旋切和滑切等幾種方式［13-14］。圖3（a）所示為直切方式，可將砧木切成水平斷面，但不滿足杜仲的嫁接要求。圖3（b）所示為斜切方式，切刀刀刃和砧木呈一定夾角。對砧木進(jìn)行受力分析發(fā)現(xiàn)，沿著砧木方向，由于受到切刀的壓力F，切刀刀刃兩側(cè)的砧木纖維受到擠壓，隨著切刀的進(jìn)入，壓力變大，導(dǎo)致刀刃下方的砧木失去向內(nèi)收縮的恢復(fù)力，從而影響砧木的嫁接存活率。圖3（c）所示為旋切方式，位于旋轉(zhuǎn)刀柄上的切刀可一次性完成穗木和砧木的切削。由于刀柄作旋轉(zhuǎn)運動，使得穗木和砧木的切面為弧面，若要使切面為平面，則需增大切削半徑，但這會造成切削機(jī)構(gòu)體積龐大，成本增加。圖3（d）所示為滑切方式，切刀與砧木呈垂直關(guān)系，切刀切削砧木時，切刀作垂直于砧木方向和平行于刀柄方向的切削運動，在這種切削方式下，切刀進(jìn)入砧木后產(chǎn)生的摩擦力較小，從而使砧木切面的形變量較小，但采用滑切方式的切削機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度較高和制造成本較大［15-16］。綜合上述幾種切削方式的優(yōu)缺點，對直切方式進(jìn)行改進(jìn)，即保證切刀所在平面與砧木軸線垂直，與砧木徑面呈一定夾角，將這種切削方式稱為壓切。采用壓切方式的切削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可使砧木的切面為斜面類橢圓面，對砧木的損傷較小，符合杜仲的嫁接要求。

圖3 常用的砧木切削方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of commonly used rootstock cutting methods

2.1.2 杜仲砧木苗切削特性分析

杜仲苗與蔬菜苗的最大區(qū)別是前者的莖內(nèi)為木質(zhì)結(jié)構(gòu)，而后者的莖內(nèi)為嫩芽。選取滿足嫁接要求的杜仲砧木苗，共200株，統(tǒng)計其形態(tài)特征，結(jié)果如表1所示。

表1 嫁接期杜仲砧木苗的形態(tài)特征Table 1 Morphological characteristics of eucommia ulmoides rootstock seedlings during grafting 單位：mm

根據(jù)杜仲嫁接育苗技術(shù)規(guī)程的要求，在杜仲砧木苗地上高50 mm處進(jìn)行嫁接。杜仲砧木苗切面與苗盤水平面呈75°。取直徑為6 mm的杜仲砧木苗進(jìn)行切削，其切面如圖4所示。

圖4 杜仲砧木苗切面示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting surface of eucommia ulmoides rootstock seedling

由圖4可知，杜仲砧木苗的切面形狀為橢圓形，其中：AB為杜仲砧木苗的直徑，A1B1為杜仲砧木苗切面的長軸，C1D1為杜仲砧木苗切面的短軸。以C1D1方向為X軸方向、A1B1方向為Y軸方向，構(gòu)建直角坐標(biāo)系，則杜仲砧木苗切面的方程可表示為：

由圖4可以看出，當(dāng)切刀從D1點水平切入杜仲砧木苗時，阻力增大；當(dāng)切刀刀刃與A1B1重合時，阻力增大速率達(dá)到最大，之后阻力增大速率緩慢減小，直至杜仲砧木苗被切斷。設(shè)杜仲砧木苗橢圓切面的長軸長度為2b，短軸長度為2a，則杜仲砧木苗切面的面積S可表示為：

式中：x為進(jìn)刀距離；y為切口長度。

由于杜仲砧木苗切面的長軸和短軸的長度為常數(shù)，代入數(shù)值并化簡式（2），可得：

進(jìn)刀阻力與杜仲砧木苗切面面積成正比，則進(jìn)刀阻力Ff可表示為：

聯(lián)立式（3）和式（4）并化簡，可得進(jìn)刀阻力的函數(shù)式。通過計算和試驗分析得到最終的進(jìn)刀阻力為70.34 N。

2.1.3 矩陣式切削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)采用壓切方式時，砧木一側(cè)須貼在板上，切刀從另一側(cè)切入。為防止因晃動而導(dǎo)致的砧木切面不平整，在切削過程中須固定砧木。設(shè)計的矩陣式切削機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)杜仲砧木苗進(jìn)入矩陣式切削機(jī)構(gòu)后，利用壓苗板和背板將杜仲砧木苗固定。

圖5 矩陣式切削機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of matrix cutting mechanism

矩陣式切削機(jī)構(gòu)主要由光軸、切刀固定板、滑塊、壓苗固定板、背板固定板、背板、壓苗板、切刀保護(hù)板、切刀、刀座、刀架、切苗氣缸和壓苗氣缸（2個氣缸位于切削機(jī)構(gòu)內(nèi)部，在圖5中未顯示）等組成。其中，光軸通過光軸固定座固定在機(jī)架上，上、下光軸上分別套有4塊和3塊滑塊（見圖6），用于固定切刀固定板、背板固定板和壓苗固定板。

圖6 矩陣式切削機(jī)構(gòu)后視圖Fig.6 Rear view of matrix cutting mechanism

2.2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計

夾持機(jī)構(gòu)的作用是實現(xiàn)苗盤夾持和砧木固定，以保證切削精度。設(shè)計的夾持機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，其主要包括苗盤夾緊板、苗盤、砧木夾子、導(dǎo)軌滑塊、導(dǎo)軌、U形固定座、連接板、背板氣缸、光軸和滑塊等。

夾持機(jī)構(gòu)的工作流程為：當(dāng)操作人員將杜仲砧木苗盤放入時，苗盤放入傳感器檢測到苗盤喂入，啟動皮帶清理機(jī)構(gòu)，通過皮帶輸送將苗盤送至夾持機(jī)構(gòu)處，夾持機(jī)構(gòu)傳感器獲取苗盤到位信息后，皮帶清理機(jī)構(gòu)停止運行；然后，夾持機(jī)構(gòu)后方的背板氣缸收縮，使得左、右苗盤夾緊板夾緊苗盤；與此同時，砧木夾子閉合，將杜仲砧木苗固定在定位孔內(nèi)。

圖7 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of clamping mechanism

2.3 矩陣式切削系統(tǒng)氣缸選型

在矩陣式切削系統(tǒng)中，氣缸為主要執(zhí)行元件。其中：背板氣缸用于控制左、右兩側(cè)苗盤壓緊板，以固定苗盤；切苗氣缸用于控制切刀固定板滑塊動作，以帶動切刀完成切苗動作；壓苗氣缸用于控制壓苗板動作，以固定杜仲砧木苗。背板固定板、切刀固定板和壓苗固定板都與相應(yīng)氣缸連接。根據(jù)杜仲砧木苗盤的形狀，確定背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸的行程分別為20，15和20 mm。氣缸推力與氣體壓強(qiáng)、氣缸活塞橫截面積有關(guān)，其計算式為：

式中：Ft為氣缸推力；P為氣體壓強(qiáng)，與所配氣泵有關(guān)，工作時P=0.5 MPa；A為氣缸活塞橫截面積。

通過計算可得，背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸的性能參數(shù)如表2所示。根據(jù)表2，矩陣式切削系統(tǒng)的背板氣缸和切苗氣缸選用亞德克AirTAC SDA 63×20系列單桿氣缸；壓苗氣缸選用亞德克AirTAC MGPM 25-40系列三桿氣缸。

表2 矩陣式切削系統(tǒng)中各氣缸的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of each cylinder in matrix cutting system

3 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制系統(tǒng)的功能與組成

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)的主要功能為：通過輸入、輸出控制指令對背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸進(jìn)行控制，進(jìn)而完成苗盤固定，杜仲砧木苗的定位、切削等動作；對皮帶清理機(jī)構(gòu)電機(jī)進(jìn)行控制，完成苗盤放入、傳輸以及切削后樹枝的清理等動作。該控制系統(tǒng)有手動和自動兩種控制模式。

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分的組成如圖8所示。

圖8 基于PLC的杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成Fig.8 Hardware composition of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot based on PLC

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

PLC在控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)與觸摸屏通信并輸出信號，以控制電磁閥。根據(jù)控制系統(tǒng)輸入、輸出的點數(shù)和輸出高速脈沖數(shù)來選擇PLC的型號［17-18］?；诙胖偌藿訖C(jī)器人的結(jié)構(gòu)，本文選擇西門子公司的Siemens S7-200系列PLC，其輸入輸出分配如表3所示，其中I表示PLC的輸入點，Q表示PLC的輸出點。

表3 Siemens S7-200系列PLC的輸入輸出分配Table 3 Distribution of input and output of Siemens S7-200 series PLC

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)的程序流程如圖9所示。其主要步驟為模式選擇、步進(jìn)電機(jī)的啟停、氣缸（背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸）的控制、皮帶清理機(jī)構(gòu)電機(jī)的啟停以及傳感器信息的采集與顯示等。矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)的程序在SIENENS STEP 7 MICRO-WIN中編寫，采用梯形圖進(jìn)行編程。

圖9 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)控制系統(tǒng)的程序流程Fig.9 Program flow of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

3.4 人機(jī)交互界面設(shè)計

選用威綸通科技有限公司生產(chǎn)的TK6071iQ觸摸屏作為杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，其可通過MPPI/PPI通信電纜與PLC連接。TK6071iQ觸摸屏采用7英寸（155 mm×87 mm）高亮度TFT液晶顯示屏，其分辨率為（800×480）像素，可用于控制信息的輸入和現(xiàn)場采集工作數(shù)據(jù)的顯示。

杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的人機(jī)交互界面包括創(chuàng)建功能界面和信息以及輸入/輸出區(qū)域組態(tài)等［19］。如圖10所示，該人機(jī)交互界面主要分為上、中、下區(qū)域。在上部區(qū)域可完成模式選擇，其中在自動模式下可依次完成夾苗、輸送和切削等工序；當(dāng)選擇手動模式后，在中部區(qū)域進(jìn)行操作，以完成步進(jìn)電機(jī)的啟停、換向，各個氣缸的開關(guān)和皮帶清理機(jī)構(gòu)電機(jī)的啟停。下部區(qū)域為顯示區(qū)域，可顯示各個工位的運行情況、本次工作時長和已完成的切削量。

圖10 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的人機(jī)交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

4 切削試驗

4.1 試 樣

供苗樣品為河南綠普森農(nóng)林科技有限公司洛寧基地培育的待嫁接杜仲砧木苗。

4.2 試驗儀器

所選試驗儀器為設(shè)計的杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)、游標(biāo)卡尺（量程為150 mm，精度為0.01 mm，由南京蘇測計量儀器有限公司生產(chǎn)）、氣泵（容積為18 L，排氣壓力為0.8 MPa，由臺州市奧突斯工貿(mào)有限公司生產(chǎn)）。

4.3 試驗方法與結(jié)果

共進(jìn)行3組切削試驗，每組重復(fù)進(jìn)行2次。A組由1人操作，手動為圖11（a）所示的杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)輔助上料后，系統(tǒng)自動完成余下工序，切削過程和切削結(jié)果如圖11（b）至圖11（f）所示。B組由熟練嫁接的農(nóng)民來完成切削動作。C組作為對照，不用苗，即杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)空轉(zhuǎn)運行。為排除其他因素的對試驗結(jié)果的影響，由同一個人操作機(jī)器，試驗結(jié)果如表4所示。表中：“成功數(shù)”是指切削后可用于嫁接的杜仲砧木苗數(shù)量，“時間”是指切削相同數(shù)量杜仲砧木苗的時間。

表4 矩陣式切削系統(tǒng)與人工切削方法的切削試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of cutting test results between matrix cutting system and manual cutting method

由表4可知，杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的切削速度可達(dá)517株/h，平均成功率為92.58%，人工切削方法的平均成功率為94.14%。出現(xiàn)該結(jié)果的原因主要有以下2個：

1）矩陣式切削系統(tǒng)夾持損傷或定位失敗。根據(jù)農(nóng)藝要求，砧木夾子定位孔的直徑設(shè)計為6 mm，但試驗用杜仲砧木苗的直徑較粗，在夾持過程中易被夾傷。工廠采用集約化育苗方式，杜仲砧木苗較高，因光照等環(huán)境因素不均勻，導(dǎo)致砧木苗彎曲率較大，超出了砧木夾子的約束范圍，從而導(dǎo)致定位失敗。

2）人工操作因素。由B組試驗結(jié)果可知，其第2組的切削速度和成功率都有所降低，這是因為隨著時間推移，人工體力消耗，導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量下降。由C組對照試驗可知，機(jī)器空轉(zhuǎn)運行的平均切削速度可達(dá)527株/h，是該系統(tǒng)帶苗運行時的1.04倍，人工切削的1.13倍。這說明人工供苗環(huán)節(jié)占用了一部分時間，可以通過訓(xùn)練工人或設(shè)計自動供苗機(jī)構(gòu)。

圖11 杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的切削過程及切削結(jié)果Fig.11 Cutting process and cutting results of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

5 結(jié) 語

1）從機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩方面出發(fā)，設(shè)計了杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1人操作，能夠穩(wěn)定、便捷、可靠地運行，實現(xiàn)杜仲砧木苗的切削。

2）在杜仲砧木苗大小合適以及操作人員操作熟練的情況下，杜仲嫁接機(jī)器人矩陣式切削系統(tǒng)的切削速度可達(dá)517株/h，平均切削成功率可達(dá)92.58%，這在一定程度上提高了杜仲的嫁接成功率。