溫室水培葉菜高速稀植機構(gòu)設(shè)計與試驗

童俊華，孟青新，辜 松，武傳宇，馬 可

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

溫室水培葉菜高速稀植機構(gòu)設(shè)計與試驗

童俊華1,3，孟青新1，辜 松2，武傳宇1,3※，馬 可1

（1.浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院，杭州 310018；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 3. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，杭州 310018）

溫室水培葉菜幼苗種植需將缽苗從穴盤移栽至栽培槽中，傳統(tǒng)人工作業(yè)勞動強度大、效率低，而通過移栽機自動化作業(yè)效率高、質(zhì)量好。該研究設(shè)計了一種多移植手的穴盤取苗高速稀植移栽機構(gòu)，可實現(xiàn)穴盤內(nèi)成排取苗和栽培槽變間距并行植苗作業(yè)。高速稀植移栽機采用受拉緩沖帶串接針爪式多移植手減緩變間距栽植過程中的不等速沖擊，通過油壓緩沖器減緩多移植手縱橫向高速移動在末端位置的沖擊。在移植手結(jié)構(gòu)和葉菜缽苗狀況確定的情況下，對稀植作業(yè)過程中多移植手間的受拉緩沖帶彈性系數(shù)、水平方向平均速度1、水平運動末端油壓緩沖器吸收能量1、垂直方向平均速度2和垂直運動末端油壓緩沖器吸收能量2這5個因素進行正交試驗。結(jié)果表明，水平方向的平均速度1和水平運動末端油壓緩沖器吸收能量1間的耦合關(guān)系和緩沖帶彈性系數(shù)對高速稀植過程的移栽成功率影響較大，多移植手機構(gòu)最優(yōu)參數(shù)組合為為0.128 N/m、1為0.49 m/s、2為0.74 m/s、1為6 J，2為15 J，此時移栽效率為3 956株/h，植苗成功率為96.7%，滿足高效稀植的作業(yè)需求。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；溫室；移栽；穴盤苗；多移植手；水培葉菜

0 引 言

設(shè)施園藝智能化是當(dāng)前世界農(nóng)業(yè)智能化裝備的研發(fā)熱點和產(chǎn)業(yè)升級的重點，中國設(shè)施園藝裝備近年也在迅速發(fā)展[1-3]。設(shè)施園藝中采用營養(yǎng)液為根系直接提供營養(yǎng)和水分的水培技術(shù)，已經(jīng)得到國內(nèi)很多研究機構(gòu)的推廣與應(yīng)用[4-6]。葉菜水培作業(yè)環(huán)節(jié)中，需將穴盤苗批量稀植移栽到栽培槽里，通常人工作業(yè)強度大、效率低。國外學(xué)者較早開展缽苗機械化移栽的相關(guān)研究，Ting等[7-8]研究了一種基于SCARA工業(yè)機器人手臂本體安裝單末端執(zhí)行器進行不同規(guī)格穴盤間的移栽模式，證明了溫室缽苗機械移栽的可行性；Choi等[9]設(shè)計了一種五連桿取缽機構(gòu)，取苗成功率為97%；Dong等[10]研制了一種由移栽機構(gòu)、送盆機構(gòu)、送盤機構(gòu)、機架和控制器組成多移植手蔬菜移栽機，移栽速度為2 800盆/h；日本研發(fā)了一種半自動移栽機PVHR2-E18移栽效率為3 600株/h[11]；意大利法拉利公司生產(chǎn)的FPS型移栽機，移栽效率為2 500株/h[12]；Dihingia等[13]研制一種半自動旱地缽苗移栽機，可實現(xiàn)兩行并聯(lián)移栽作業(yè)，移栽效率為31株/min。近些年，國內(nèi)學(xué)者也開展了適合本土育苗農(nóng)藝的缽苗自動移栽技術(shù)研究。孫國祥等[14]基于有限元分析，設(shè)計一種末端機械手指，機械手指平均移栽成功率為95.76%，平均傷苗率為3.06%；錢少明等[15]通過建立氣動驅(qū)動器中氣壓值與抓持能力之間關(guān)系，研制采摘黃瓜末端執(zhí)行器，抓持成功率為90%；胡敏娟等[16]設(shè)計了一種變形滑針式取苗器；繆小花等[17-18]對穴盤苗缽基質(zhì)進行力學(xué)分析；韓綠化等[19-20]設(shè)計了一種輕簡型自動移栽，對于128/72孔穴盤苗，移栽效率分別達到122株/h和1 025株/h；高國華等[21]研制了一套斜入式穴盤苗移栽手爪，試驗測試移栽成功率可達98%；胡建平等[22]設(shè)計了一種8爪并聯(lián)作業(yè)式高效全自動缽苗移栽設(shè)備，移栽成功率可達90.23%；馬銳等[23]設(shè)計了一種整排夾持的全自動移栽機末端執(zhí)行器，并進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化；許春林等[24]提出了一種Hermite插值行星輪系全自動草莓缽苗移栽機構(gòu)，取苗成功率為92%；黨玉功等[25]研制一種單自由度開式鉸鏈四桿取苗機械臂，取苗成功率91.32%；馬曉曉等[26]對一種番茄缽苗自動取苗裝置進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；周昕等[27]研制了一種剛度大、精度高及累積誤差小的并聯(lián)移栽機器人，試驗測試移栽機構(gòu)加速度高于20 mm/s2時，移栽缽苗合格率明顯降低；童俊華等[28]研究一種指鏟式末端執(zhí)行器,通過增大指鏟與苗缽基質(zhì)的接觸面積，減少穴孔內(nèi)基質(zhì)的殘留。上述研究主要圍繞單移植手抓取移栽可靠性能開展，對基于多移植手高速稀植機構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化研究較少。

本文以華南地區(qū)種植較多的水培葉菜缽苗為對象，設(shè)計一種針爪式多移植手機構(gòu)進行稀植移栽作業(yè)，對影響移栽成功率的多移植手變間距移植過程中的沖擊因素進行正交試驗分析，獲得高速稀植移栽的最佳機構(gòu)參數(shù)組合。

1 多移植手高速稀植機構(gòu)試驗平臺

水培葉菜缽苗多移植手稀植作業(yè)主要包括2個步驟：一是多移植手并攏從穴盤中成排取苗，二是多移植手變間距分開在栽培槽中植苗。本研究設(shè)計的多移植手稀植機構(gòu)試驗平臺由3個部分組成：多移植手稀植作業(yè)部件、穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件，如圖1所示。其中多移植手稀植作業(yè)部件橫跨在穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件上方，將供苗穴盤中葉菜缽苗移栽至空栽培槽內(nèi)；穴盤輸送部件用于輸送供苗穴盤，其兩側(cè)設(shè)置光電傳感器用于檢測供苗穴盤是否到位；栽培槽輸送部件間歇輸送空栽培槽。本試驗平臺基于三菱FX3U-63MT型PLC進行自動時序控制，其結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗平臺結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)

以甘藍缽苗稀植為例，試驗平臺作業(yè)時，將供苗穴盤放置穴盤輸送部件，傳感器檢測到供苗穴盤后，將其輸送至取苗位置；同時栽培槽輸送部件將栽培槽輸送至植苗位置；多移植手稀植作業(yè)部件動作，氣缸驅(qū)動多移植手至最佳取苗位置，移植手成排抓取穴盤內(nèi)缽苗，而后氣缸帶動多移植手整體上升移至植苗位置，同時多移植手等間距分開，將甘藍缽苗整體植入對應(yīng)的栽培槽槽孔內(nèi)，而后多移植手整體返回初始位置；同時穴盤輸送部件帶動穴盤進給1排穴孔的距離，下一排缽苗進入移栽作業(yè)；栽培槽輸送部件推送送料筒內(nèi)部下個空栽培槽至植苗位置，等待下一排缽苗栽植，如此往復(fù)實現(xiàn)穴盤內(nèi)成排取苗和栽培槽中變間距并行植苗作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 穴盤輸送部件

根據(jù)移植作業(yè)要求，設(shè)計穴盤輸送部件移送穴盤至移植手工作位置。如圖1所示，穴盤輸送部件主要由輸送機和導(dǎo)向件組成，整體外形尺寸（長×寬×高）：1 220 mm× 440 mm×740 mm。輸送機由72齒3M帶輪、主從動滾筒、0.75 kW的80EMA-02A型伺服電機、2.25 m長的5935型網(wǎng)鏈輸送帶等組成。根據(jù)輸送穴盤外寬尺寸（540 mm×280 mm），主、從動滾筒設(shè)計為長346 mm、外徑25 mm、配裝4個與網(wǎng)鏈輸送帶嚙合的T10型鏈輪。輸送機輸送穴盤時，在輸送帶運動方向2側(cè)布置設(shè)計2040導(dǎo)向型材件和直徑為30 mm的PU60832型導(dǎo)向輪進行穴盤位置及運動方向的限制。主動帶輪與伺服電機固連，通過同步帶帶動與從動帶輪固連的主動滾筒轉(zhuǎn)動，使穴盤實現(xiàn)按需水平間歇輸送。在整排缽苗被取走后，進給一個穴孔位進行下一排缽苗夾取。為了避免輸送速度過快導(dǎo)致穴盤和輸送帶打滑和停車時穴盤滑移，通過預(yù)試驗，確定穴盤輸送速度為0.45 m/s。

2.2 栽培槽輸送部件

如圖1所示，栽培槽輸送部件由栽培槽工作臺、進給氣缸和下料框組成，整體外形尺寸（長×寬×高）：1 520 mm×725 mm×900 mm。其工作原理：栽培槽填滿下料框，進給氣缸推動最底層栽培槽運動至工作位置，而后復(fù)位；在重力作用下料框中剩余栽培槽整體下降一個槽高。移植結(jié)束后，進給氣缸推動下料框中下一個栽培槽至工作位置。為了保證氣缸推桿在栽培槽中心位置順利推動，選用亞德客ACE型25 mm缸徑氣缸，行程為150 mm。

進給氣缸推力0：

式中為輸入氣體平均壓力，0.7 MPa；0為氣缸缸徑，25 mm。

最底層栽培槽摩擦力F：

式中為下料框最多可容納放栽培槽數(shù)量；0為栽培槽質(zhì)量，kg；為重力系數(shù)，9.8 N/kg；為摩擦系數(shù)。

由式（1）可得進給氣缸推力0為291 N。本文設(shè)計的下料框最多可容納6個栽培槽，栽培槽質(zhì)量為0.44 kg，其摩擦系數(shù)為0.4，由式（2）可得最底層栽培槽做大摩擦力F為10 N，小于進給氣缸推力0，進給氣缸滿足要求。為避免進給速度過快導(dǎo)致停車時栽培槽滑移，通過預(yù)試驗，確定栽培槽平均進給速度為0.23 m/s。

2.3 多移植手稀植作業(yè)部件

2.3.1 總體結(jié)構(gòu)

多移植手稀植作業(yè)部件是移栽機的核心機構(gòu)，主要包括垂直氣缸、齒條、齒輪、垂直滑軌、垂直油壓緩沖器、多移植手、水平滑軌、水平橫移氣缸、水平緩沖器和機架，整體外形尺寸（長×寬×高）為1 600 mm×600 mm× 1 375 mm，如圖2所示。多移植手機構(gòu)通過水平橫移氣缸和垂直氣缸分別在水平滑軌和垂直滑軌上進行往復(fù)運動；利用油壓緩沖器吸收氣缸帶動部件運行產(chǎn)生的沖擊力，實現(xiàn)柔性停車；齒輪和齒條嚙合組成同步器，維持多移植手整體兩側(cè)同步升降。

多移植手機構(gòu)在穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件之間往復(fù)運動，1個行程運行時間小于4 s，因此水平橫移氣缸選取亞德客SC氣缸，缸徑為32 mm，行程為580 mm。本文設(shè)計的多移植手機構(gòu)水平運動總質(zhì)量1為6.5 kg，摩擦系數(shù)為0.3。根據(jù)公式（1）～（2）計算，水平橫移氣缸推力為478 N，大于其水平摩擦阻力19.1 N，預(yù)試驗測得多移植手機構(gòu)最大平均運行速度可為1.07 m/s，最短運行時間為0.54 s。

多移植手機構(gòu)選取亞德客ACE型氣缸，缸徑為40 mm，行程為80 mm來實現(xiàn)上下升降功能。通過理論計算，該研究設(shè)計的多移植手機構(gòu)垂直單側(cè)質(zhì)量2為13.5 kg，其和機架滑軌間摩擦系數(shù)為0.2。根據(jù)公式（1）～（2）計算，水平橫移氣缸推力為879.2 N，大于其豎直阻力158.76 N（摩擦力和重力之和），預(yù)試驗測得多移植手機構(gòu)豎直最大平均運行速度為1.31 m/s，最短運行時間為0.06 s。由上述分析可知，該多移植手機構(gòu)運行1個行程最短時間為1.32 s，符合機構(gòu)3 800株/h的高速稀植設(shè)計要求。

2.3.2 多移植手機構(gòu)

多移植手機構(gòu)是實現(xiàn)缽苗整排夾取和變間距植苗的關(guān)鍵部件，主要包括6個移植手組件、分離氣缸、安裝板和受拉緩沖帶，如圖3所示。移植手組件通過受拉緩沖帶連接；與分離氣缸缸體相連移植手組件固定，氣缸拉扯推桿末端移植手組件，從而分散相鄰移植手至與相鄰栽培槽間距一致；氣缸回縮帶動推桿末端移植手組件依次壓縮移植手組件間距，直至與穴盤相鄰穴孔間距一致。

多移植手合并時相鄰中心間距與穴盤相鄰穴孔中心間距一致，為42.5 mm，展開時與栽培槽孔相鄰間距一致，為100 mm。為了確保6組移植手正常移植作業(yè)，分離氣缸行程需為288 mm，考慮安裝空間和分離效率滿足生產(chǎn)需求，選取缸徑為20 mm的亞德客MG型氣缸。通過理論計算，該單移植手組件質(zhì)量為0.8 kg，其與機架導(dǎo)軌摩擦系數(shù)為0.2。根據(jù)式（1）～（2）計算，分離氣缸推力為78.5 N，大于其分離總摩擦阻力9.4 N，該分離氣缸滿足要求。為避免分離速度過快導(dǎo)致缽苗基質(zhì)振動破損，通過預(yù)試驗確定多移植手平均分離速度為0.42 m/s。

移植手組件間固定等長的受拉緩沖帶在分離氣缸推動下實現(xiàn)多移植手等間距分離。多移植手組件分離存在慣性沖擊，沖擊過大則影響缽苗移栽過程基質(zhì)完整度和移植成功率，其分離受力情況如圖4所示。

1.受拉緩沖帶 2.移植手組件

1.Tension buffer zone 2.End effector component

注：為氣缸推力，N；T為第一段受拉緩沖帶拉力，N；為摩擦力，N；1為第一個移植手組件加速度，m·s-2；0為受拉緩沖帶起始長度，m；1為第一段受拉緩沖帶張緊長度，m；2為第二段受拉緩沖帶張緊長度，m。

Note:is the cylinder thrust, N；Tis the tension force of first section tension buffer zone, N;is the friction force, N;1is the acceleration of first end effector component, m·s-2;0is the initial length of tension buffer zone,m;1is the tension length of first section tension buffer zone,m;1is the tension length of second section tension buffer zone, m.

圖4 多移植手機構(gòu)分離過程受力分析示意圖

Fig.4 Schematic diagram of force analysis of multiple end effectors in separation process

由圖4可得，第一個移植手組件的受力平衡方程為

式中為受拉緩沖帶彈性系數(shù)，N/m；為單移植手組件質(zhì)量，kg。

第二個移植手組件的受力平衡方程為

式中2為第二個移植手組件加速度，m/s2。

以此類推，第個移植手組件的受力平衡方程為

式中x-1為受拉緩沖帶第-1段張緊長度，m；x為受拉緩沖帶第段張緊長度，m；a為第個移植手組件加速度，m/s2。

由式（3）～（5）可知，當(dāng)=0時，第一移植手組件到達一定運行速度后，帶動第二移植手組件與其等速度運動；第二移植手組件到達一定運行速度后，瞬間帶動第三移植手組件與其等速度運動，依次類推，這種剛性分離過程中的瞬時加速度比較大，缽苗承受劇烈局部沖擊振動，破壞基質(zhì)之間黏結(jié)力，易導(dǎo)致缽苗移植過程中基質(zhì)塊散落；當(dāng)＞0時，第一移植手組件在分離氣缸作用力下，緩慢帶動余下移植手組件進行柔性分離，減緩缽苗移栽過程沖擊振動現(xiàn)象。因此本研究受拉緩沖帶由剛性和柔性2種緩沖帶組成，如圖3b所示，圖中深色標(biāo)識線代表剛性緩沖帶，淺色標(biāo)識線代表柔性緩沖帶。分離氣缸推動多移植手組件逐步分開，其中柔性緩沖帶緩沖分離過程中的沖擊，而等長的剛性緩沖帶則保證了多移植手組件在氣缸停止推動后可等間距的分布開。

2.3.3 多移植手稀植作業(yè)部件碰撞過程仿真分析

通過多移植手稀植作業(yè)部件碰撞仿真分析，為水平緩沖器和豎直緩沖器的選型提供依據(jù)。由于多移植手稀植作業(yè)部件主要以氣缸作為動力源，因此在移栽作業(yè)過程中機構(gòu)停車時易產(chǎn)生較大沖擊力。若沖擊力過大，機械振動劇烈，易導(dǎo)致抓取的缽苗基質(zhì)散落，影響缽苗移栽成功率。多移植手稀植作業(yè)部件沖擊振動產(chǎn)生原因主要為水平橫移氣缸和垂直氣缸運行到達末端后與機架發(fā)生的碰撞。在Solidworks軟件中進行三維模型構(gòu)建，并輸出為x_t格式文件。將x_t文件導(dǎo)入到Adams軟件中，多移植手機構(gòu)與機架分別設(shè)定豎直和水平2個方向為碰撞約束，參考鋁材料進行阻尼和密度參數(shù)設(shè)置，具體仿真參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 多移植手稀植作業(yè)部件仿真參數(shù)設(shè)置

由于泥炭基質(zhì)持水能力差且易坍塌[29]，水平停車沖擊力過大，缽苗水平輸送過程基質(zhì)塊易散落，造成缽苗在移動過程中掉落或在植入栽培槽后倒伏嚴(yán)重，因此需要降低碰撞產(chǎn)生的沖擊力。本文設(shè)計機構(gòu)的氣泵源壓力輸入范圍為0.6～0.8 MPa，多移植手機構(gòu)水平運動總質(zhì)量約為6.5 kg，其水平末端運行速度與第一個移植手機組件運行速度相等，為

式中為多移植手機構(gòu)水平末端運行位移，m；1由式（7）計算：

式中為氣泵源輸入壓力，MPa；1為水平橫移氣缸缸徑，mm；1為多移植手機構(gòu)水平運動總質(zhì)量，kg。

由前文可知，水平橫移氣缸缸徑為32mm，位移為580 mm，氣泵源最大輸入壓力為0.8 MPa，由式（6）~（7）計算得水平末端運行最大平均速度為1.07 m/s。設(shè)定稀植作業(yè)部件的多移植手水平運行速度為1.07 m/s，則其末端與機架進行碰撞仿真，產(chǎn)生的沖擊力變化如圖5a所示。由圖5a可知，多移植手機構(gòu)與機架水平碰撞產(chǎn)生的最大沖擊力為250 N。

水平橫移氣缸推動多移植手機構(gòu)撞擊機架的動能為

式中為多移植手機構(gòu)水平撞擊瞬間速度，m/s。

水平橫移氣缸推動多移植手機構(gòu)撞擊機架的驅(qū)動能量為

D=（9）

式中為多移植手機構(gòu)沖擊力，N；為碰撞緩沖位移（初始值為0.01 m），m。

由此可得沖擊力總能量為

T=K+D（10）

由式（7）~（10）可知，水平橫移氣缸牽引多移植手機構(gòu)水平運動最大速度造成沖擊總能量為6.22 J。為降低水平碰撞產(chǎn)生的沖擊力，在多移植手機構(gòu)水平運動末端位置安裝吸收能量可調(diào)節(jié)型西捷克AD1210油壓緩沖器，其行程10 mm，最大吸收能量12 J。此時水平橫移氣缸牽引移植手水平運動最大沖擊力產(chǎn)生的總能量小于AD1210油壓緩沖器最大吸收能量，該油壓緩沖器可起到緩解多移植手移動作業(yè)部件與機架水平碰撞產(chǎn)生剛性沖擊力，減少振動沖擊對缽苗夾持成功率的影響。

多移植手稀植作業(yè)部件兩側(cè)各安裝一個垂直氣缸。若多移植手機構(gòu)垂直沖擊力過大，缽苗植入栽培槽內(nèi)時，缽苗基質(zhì)振散，缽苗易掉落槽孔外部或傾倒斜于栽培槽內(nèi)部，不利于缽苗后期生長。本文設(shè)計的多移植機構(gòu)垂直單側(cè)質(zhì)量為15.3 kg，垂直運動加速度為

式中2為垂直氣缸缸徑，mm；2為多移植機構(gòu)垂直單側(cè)質(zhì)量，kg。

由前文可知，本文設(shè)計水平橫移氣缸缸徑為40 mm，位移為80 mm，汽泵源最大輸入壓力為0.8 MPa，根據(jù)公式（6）和（11）計算得多移植手機構(gòu)垂直最大運行速度為1.31 m/s。設(shè)定稀植作業(yè)部件一側(cè)多移植手機構(gòu)水平運行速度為1. 31 m/s，其和機架垂直碰撞產(chǎn)生的沖擊力變化如圖5b所示，由圖5b可知，多移植手機構(gòu)與機架垂直碰撞產(chǎn)生的最大沖擊力為370.5 N。

根據(jù)式（8）～（11）可知，垂直氣缸牽引多移植手機構(gòu)垂直碰撞最大速度產(chǎn)生的總能量為16.83 J。為降低垂直碰撞產(chǎn)生的沖擊力，在多移植手機構(gòu)垂直運行末端位置安裝吸收能量可調(diào)節(jié)型西捷克AD1410油壓緩沖器，其行程10 mm，最大吸收能量20 J。垂直碰撞產(chǎn)生最大沖擊力產(chǎn)生的總能量小于AD1410油壓緩沖器最大吸收能量，該油壓緩沖器可起到緩解多移植手移動作業(yè)部件與機架垂直碰撞產(chǎn)生的剛生沖擊力，減少振動沖擊對成功率的影響。

3 移栽性能試驗

3.1 試驗材料

試驗選用杭州市蕭山區(qū)雷東村農(nóng)場培育的甘藍幼苗，栽培基質(zhì)為泥炭，蛭石與珍珠巖組成，基質(zhì)配比6∶3∶1，基質(zhì)含水率為81.01%[30]，育苗溫度為28.5 ℃，培育周期2.5周，穴盤尺寸為540 mm×280 mm，72孔，PS材質(zhì)。試驗缽苗為株高=80～96 mm，株寬=45～58 mm，葉片數(shù)4～6片，缽苗基質(zhì)塊高度1為38～44 mm，上邊平均寬1=41 mm，底邊平均寬2=22 mm，如圖6所示。

預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，栽培槽葉菜缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量小于原缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量40%時，缽苗在栽培槽內(nèi)易發(fā)生傾斜，葉片傾倒于管內(nèi)，不利于后期的生長管理。定義移栽成功指標(biāo)為多移植手稀植作業(yè)部件成功拾取缽苗并輸送投放至栽培槽中，且移栽后的缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量≥原缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量40%。

式中為缽苗總數(shù)量；1為穴盤中未取出缽苗數(shù)；2為移栽過程中掉落在栽培槽外部缽苗數(shù)；3為移栽過程中移植手帶苗數(shù)；4為移栽后缽苗基質(zhì)塊質(zhì)量＜原基質(zhì)塊質(zhì)量40%缽苗數(shù)。

參考前期研究成果[30-31]，本文采用4根伸縮針式機械移植手進行缽苗移栽作業(yè)，重點分析多移植手機構(gòu)組件高速稀植作業(yè)過程中停車沖擊對缽苗移栽成功率和效率的影響。

3.2 試驗方法

在試驗缽苗狀態(tài)、移植手結(jié)構(gòu)和抓取深度等條件相同的情況下，根據(jù)上述分析知，多移植手高速稀植作業(yè)過程影響移栽成功率主要的因素為受拉緩沖帶彈性系數(shù)、水平平均速度1、水平末端油壓緩沖器吸收能量1、垂直平均速度2和垂直末端油壓緩沖器吸收能量2。其中1和1間存在交互作用，當(dāng)1單獨作用時，其值越大移栽效率越高，但成功率越低；而當(dāng)水平末端緩沖器吸收能量1作用于1末端時，通過調(diào)節(jié)1值大小，緩沖移植手到達末端速度瞬間減小產(chǎn)生的振動沖擊，從而提高移栽成功率；同樣，2和2間也存在交互作用，2單獨作用時，其值增大會導(dǎo)致移栽成功率越低現(xiàn)象，而吸收能量2作用于末端，通過調(diào)節(jié)2值大小，緩沖2末端瞬間減小產(chǎn)生的機械沖擊振動現(xiàn)象，從而提高移栽成功率。因此設(shè)計五因素三水平正交試驗，對溫室葉菜缽苗稀植機構(gòu)試驗平臺移栽性能進行分析。

受拉緩沖帶是多移植手等間距分離的關(guān)鍵聯(lián)接件，受拉緩沖帶的彈性系數(shù)決定了多移植手分離時的振動程度，但彈性系數(shù)過大，不利于氣缸伸展進行移植手分離，根據(jù)多移植手稀植部件分離運動分析，選取受拉緩沖帶的彈性系數(shù)為0、0.064、0.128N/m的3個水平進行試驗。

缽苗在水平和垂直方向移送時，氣缸作為驅(qū)動部件，垂直氣缸推動多移植手機構(gòu)向上運動帶動抓取的缽苗與穴盤壁分離，水平橫移氣缸則帶動多移植手機構(gòu)水平移動至栽培槽上方，最后垂直氣缸推動多移植手機構(gòu)向下運動將缽苗植入栽培槽內(nèi)；以上作業(yè)過程均為變加速變減速的運動過程，加速運動使移植手爪針與基質(zhì)塊間產(chǎn)生振動沖擊，易導(dǎo)致苗針夾苗不穩(wěn)、缽苗基質(zhì)散落。移植影響因素的初步測試發(fā)現(xiàn)，水平平均運行速度1大于0.7 m/s時，移栽成功率小于60%；1小于0.2 m/s時，水平運動耗時大于3 s，遠大于1為0.7 m/s時的0.8 s耗時。綜合考慮，通過氣閥調(diào)節(jié)得到1=0.30、0.49、0.68 m/s作為水平速度的3個水平。同理，確定2=0.26、0.50、0.74 m/s。

為減緩沖擊影響，本移植裝置使用的油壓緩沖器為吸收能量可調(diào)節(jié)型，可通過旋轉(zhuǎn)吸振器尾部調(diào)整旋鈕，改變其吸收能量值，來調(diào)節(jié)油壓吸振器緩沖強度。油壓緩沖器吸收能量過大或過小，對多移植手部件都為剛沖擊狀態(tài)，起不到緩沖作用，因此選取合適的吸振器緩沖強度對穩(wěn)定移栽過程與提高成功率較為重要。根據(jù)運行速度和輸入壓力，選取水平末端油壓緩沖器吸收能量1分別為6、9 和12 J，垂直末端油壓緩沖器吸收能量2分別為10、15 和20 J作為試驗水平。稀植移栽正交試驗因素水平如表3所示。

基于SPSS分析軟件進行正交試驗設(shè)計，每組試驗水平測試5次。正交試驗結(jié)果如表4所示，試驗平臺如圖7所示。

表3 試驗因素水平

表4 稀植移栽交互正交試驗結(jié)果

注P為第列因素水平1試驗結(jié)果平均值；J為第列因素水平2試驗結(jié)果平均值；K為第列因素水平3試驗結(jié)果平均值；S為第列因素離均差平方和；=1,2,3。

Note:Pis average of test results of level 1 of factor in column; Jis average of experiment results of level 2 of factor in column; Kis average of experiment results of level 3 of factor in column; Sis sum of squares of deviation from mean of factor in column;=1, 2, 3.

3.3 試驗結(jié)果與分析

為判斷因素水平變化所引起的試驗成功率變動顯著性，采用單因素試驗方差由對表4進行分析，試驗因素方差分析結(jié)果如表5所示，由表可知，1、2的方差與隨機序列空白方差相差不大，其偏差主要由于試驗誤差干擾造成，其值變化對移栽成功率影響比較小。對其他試驗因素進行顯著性檢測，求解其他試驗因素顯著性值，如表5所示。

表5 試驗結(jié)果方差分析表

由表5可知，因素和1對移栽成功率影響顯著，2次之；因素（1×1）交互作用大于因素（2×2）交互作用。多移植手機構(gòu)的水平平均速度對缽苗移栽成功率影響顯著，水平平均速度越大，缽苗基質(zhì)承受沖擊力越大，基質(zhì)散落程度嚴(yán)重，導(dǎo)致移栽成功率越低現(xiàn)象。作用于1末端的水平末端油壓緩沖器吸收能量1單獨作用對移栽成功影響比較小，然而由于1和1之間耦合關(guān)系，因素（1×1）交互作用對移栽成功率具有顯著影響。由表4可知，交互因素（1×1）在1為0.3 m/s，1為9 J、1為0.3 m/s，1為12 J和1為0.49 m/s，1為6 J條件下的平均移栽成功率最大為96.02%；其中1為0.49 m/s，水平末端油壓緩沖器吸收能量1為6 J時，平均移栽效率為3 956株/h，移栽成功率為96.7%，綜合效果最好。

受拉緩沖帶彈性系數(shù)對缽苗移栽成功率影響顯著性僅次于1，當(dāng)=0.128 N/m時，移栽成功率平均可達為94.07%，而=0時，由于移植手組件為剛性分離，分離過程中缽苗基質(zhì)散落嚴(yán)重，移栽成功率平均為90.00%，因此移栽過程中應(yīng)選擇為0.128 N/m進行移栽作業(yè)。

多移植手機構(gòu)的垂直平均速度對缽苗移栽成功率影響顯著性次于受拉緩沖帶彈性系數(shù)，在其他影響因素相同的情況下都表現(xiàn)出垂直平均速度越大，帶動缽苗與穴盤壁分離過程，分離速度塊且停止時沖擊較大，基質(zhì)破壞嚴(yán)重，移栽成功率越低現(xiàn)象。作用于2末端的垂直末端油壓緩沖器吸收能量2單獨作用對移栽成功影響比較小，其與2之間耦合關(guān)系對移栽成功率的影響也不大，主要由于垂直運動對缽苗基質(zhì)破損度影響比較小。

由上述可知，本文多移植手高速稀植機構(gòu)的稀植效率和成功率受到了緩沖帶彈性系數(shù)、水平橫移的平均速度、水平末端緩沖器吸收能量、豎直運動平均速度和豎直運動末端緩沖器吸收能量因素的耦合交互影響，通過正交試驗選定可獲得高效稀植作業(yè)的機構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合為：緩沖帶彈性系數(shù)為0.128 N/m、水平平均速度1為0.49 m/s、垂直平均速度2為0.74 m/s、水平末端油壓緩沖器吸收能量1為6 J和垂直末端油壓緩沖器吸收能量2為15 J，試驗測得移栽平均效率為3 956株/h，移栽成功率為96.7%，適用于穴盤到栽培槽的葉菜類缽苗高速稀植作業(yè)。

4 結(jié) 論

本文針對泥炭基質(zhì)水培葉菜缽苗，設(shè)計了一種多移植手的穴盤取苗稀植移栽機構(gòu)，并對關(guān)鍵部件多移植手稀植作業(yè)部件進行碰撞仿真與設(shè)計分析。選用甘藍缽苗，對移栽機構(gòu)缽苗拾取正交試驗，選取其最優(yōu)運行參數(shù)。具體結(jié)論為：

1）提出并設(shè)計了一種多移植手的穴盤取苗稀植移栽機構(gòu)，對關(guān)鍵部件多移植手稀植作業(yè)部件進行碰撞仿真與設(shè)計分析。

2）基于研制的多移植手的穴盤取苗稀植移栽機構(gòu)，進行沖擊影響因素正交試驗，運用方差分析法進行數(shù)據(jù)分析，選定可獲得高效稀植作業(yè)的機構(gòu)參數(shù)最優(yōu)組合，在緩沖帶彈性系數(shù)為0.128 N/m、多移植手的水平平均速度為0.49 m/s、垂直平均速度為0.74 m/s、水平末端油壓緩沖器吸收能量為6 J和垂直末端油壓緩沖器吸收能量為15 J時，多移植手稀植機構(gòu)的移栽效率為3 956株/h，移栽成功率為96.7%。

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Design and experiment of high-speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses

Tong Junhua1,3, Meng Qingxin1, Gu Song2, Wu Chuanyu1,3※, Ma Ke1

(1.,,310018,; 2.,510642,; 3.g,310018,)

Leafy vegetable cultivation with culture solution has become a promising new type of planting technology for the vegetable production in a green house. In processing, the seedlings of plugs need to be taken out from the float trays, and transplanted into the cultivation trough. However, a hand transplanting of seedlings is a major traditional operation with high labor intensity and low efficiency. In this study, a novel high-speed mechanism was designed with multiple end effectors for the sparse transplanting of hydroponics seedlings in greenhouses. Specifically, the operations of picking can realize for the whole row seedlings in the float trays, while plant the seedlings in parallel with variable intervals in the cultivation troughs, particularly with high level automation, and great quality. The test platform of sparse transplanting mechanism was composed of three parts: the sparse transplanting component with multiple end effectors, transportation component of seedling tray, and cultivation trough. The sparse transplanting component with multiple end effectors was utilized to transplant the seedlings to empty cultivation trough, connecting the transportation component of seedling tray and cultivation trough. Concurrently, the transportation component of seedling tray was used to convey the seedlings. The transportation component of cultivation trough was used to convey the empty cultivation trough. A systematic optimization was made for the transplanting mechanism, thereby to obtain the best transplanting effect under the combination optimal parameters. In the transplanting mechanism, a rigid cloth belt was adopted to connect the series of needle-type multiple end effectors for equal separation. An elastic belt was also added to alleviate the unequal velocity that resulted from the variable interval process. The collision simulation of multiple end effectors mechanism was conducted on the ADMS software, indicating a large impact force occurred at the end of cylinder. In order to cushion the movement impact, the hydraulic shock absorbers were installed at the end positions of multiple end effectors in the vertical and horizontal directions. The penetration angle and picking seedling depth were determined for the plug seedlings of leafy vegetable, according to the impact factors of transplanting mechanism. Five impact factors of transplanting effect included the belt elastic coefficient(), average horizontal velocity(1), absorption energy of oil buffer at the horizontal end(1), average velocity in the vertical direction(2),and absorption energy of oil buffer at the vertical end(2). An orthogonal test was conducted on the factors in each group. It was found that the transplanting efficiency and transplanting success rate were inversely proportional,, as well as1,1had a great impact on the transplanting success rate of seedlings. A combination of optimal mechanism parameter was obtained through analysis of variance:=0.128 N/m,1=0.49 m/s,2=0.74 m/s,1=6 J, and2=15 J. In this case, the better performance can be achieved for the sparse transplanting operating component with multiple end effectors. The transplantation efficiency was 3 956 plants/h, and the transplantation success rate reached 96.7%. This mechanism can meet the actual production requirements of high-efficiency sparse transplanting.

agriculture machinery; design; test; greenhouse; transplants; plug seedling; multiple end effectors; hydroponic leafy vegetables

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2020-09-14

2020-11-05

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0701504）；廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目（2019B020222004）；浙江省重點研發(fā)項目（2018C02046）

童俊華，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)裝備智能化技術(shù)方面的研究。Email：jhtong@zstu.edu.cn

武傳宇，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備與機器人技術(shù)研究。Email：cywu@zstu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.001

S147.2

A

1002-6819(2021)-01-0001-09