蔬菜工廠化生產(chǎn)自動移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

顧小小，李 偉，朱春燕，解安東，李長興，張樣平

（1.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201106；2.安徽工業(yè)大學(xué)智能裝備技術(shù)研究院，安徽馬鞍山 243002；3.上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上海市 201210）

0 引言

穴盤苗移栽是設(shè)施內(nèi)工廠化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)[1]，穴盤苗移栽可以縮短作物的生長發(fā)育期，錯開成熟期，提高產(chǎn)量[2]。發(fā)達(dá)國家對移栽機(jī)的研究起步較早[3]。L.J.Kutz等研發(fā)第一個被應(yīng)用到苗圃植物移栽的機(jī)器人[4]。Yang Y等設(shè)計(jì)帶滑動針夾持器的四自由度SCARA工業(yè)機(jī)器人[5]。Takashi等發(fā)明了一套自動化移栽系統(tǒng)，并引入托杯轉(zhuǎn)移缽苗[6]。K.H.Ryu等設(shè)計(jì)帶視覺系統(tǒng)的全自動移苗機(jī)[7]。美國RAPID的RTW系列全自動移苗機(jī)可多穴盤同時(shí)抓取[8]。總體而言，國外移苗機(jī)成套設(shè)備體積較為龐大，無法較好地適應(yīng)我國實(shí)際生產(chǎn)的需要，且存在通用性差、難以控制、成本較高等問題。

上個世紀(jì)九十年代，國內(nèi)開始溫室缽苗移栽機(jī)械的研究。吉林工業(yè)大學(xué)研制出針對空氣整根營養(yǎng)缽育苗移栽系統(tǒng)[9]。范云翔等研制溫室全自動移栽機(jī)[10]。邱立春等發(fā)明多個移栽機(jī)械手移栽的穴盤苗移栽機(jī)[11]。韓綠化等設(shè)計(jì)了一種穴盤苗移栽機(jī)兩指四針錯夾式取苗末端執(zhí)行器[12]。然而，受定位精準(zhǔn)度，抓取效率，生產(chǎn)成本等因素的制約，國內(nèi)穴盤苗移栽裝備自動化程度低、成本高[13]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[14]，可靠性差[15]，尚無法適應(yīng)蔬菜工廠化生產(chǎn)的實(shí)際要求。針對現(xiàn)狀，本研究結(jié)合長三角地區(qū)綠葉菜工廠化生產(chǎn)的需求，研制從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的高速、高精度自動移苗機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括種植盤庫、轉(zhuǎn)接臺、育苗盤輸送線、桁架直線模組和抓取裝置（圖1）。

圖1 自動移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

工作流程：向種植盤庫填充空種植盤，機(jī)械臂復(fù)位。插板氣缸伸出，拖住種植盤，頂升氣缸升起頂起種植盤，插板氣缸縮回，頂升氣缸下落一個種植盤的距離時(shí)，插板氣缸伸出，拖住上面的種植盤，落下的種植盤與頂升氣缸一起下落到最低位置。頂升氣缸桿縮回帶動托架下降，將下落的種植盤送至轉(zhuǎn)接臺的種植盤輸送線，種植盤輸出裝置接到信號后將空種植盤運(yùn)輸?shù)较尬谎b置處等待移苗。育苗盤輸送線運(yùn)送育苗盤到指定位置，阻擋氣缸伸出擋住育苗盤。夾爪氣缸收縮，驅(qū)動抓手夾住種植杯移至種植盤，夾爪氣缸伸長，夾爪將種植杯放入種植盤。移苗完成后，種植盤限位裝置放行，推盤裝置將種植盤推上AGV小車，由其運(yùn)送種植盤至種植床。

2 關(guān)鍵部件

2.1 穴盤及種植杯

為避免抓取裝置損傷幼苗，設(shè)計(jì)滿足機(jī)械臂抓取強(qiáng)度要求的種植杯，抓手抓取栽有幼苗的種植杯來移栽。種植杯杯沿直徑35 mm，杯沿下方直徑27 mm，杯底直徑23 mm，杯高40 mm，配套設(shè)計(jì)孔數(shù)8×12（行×列），555 mm×375 mm（長×寬），穴孔中心距45 mm×45 mm，穴孔口徑25 mm的種植盤，以及孔數(shù)2×4（行×列），430 mm×240 mm（長×寬），穴孔中心距100 mm×100 mm，穴孔口徑30 mm的育苗盤。

2.2 種植盤庫

種植盤庫包括機(jī)架及種植盤裝置、分離裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和種植盤存放架。種植盤裝置包括托架和托架升降機(jī)構(gòu)，選用30×30鋁型材、40×40鋁型材和40×40×4方形鋼，根據(jù)種植盤尺寸及轉(zhuǎn)接臺高度，確定其長、寬、高分別為2 240 mm、540 mm、1 240 mm。種植盤存放架有1組6個種植盤儲存?zhèn)}，每個儲存?zhèn)}最多可儲存12個種植盤，種植盤庫最大可儲存72個種植盤。

2.3 轉(zhuǎn)接臺

轉(zhuǎn)接臺結(jié)構(gòu)包括種植盤輸送裝置和限位裝置。輸送裝置將種植盤庫中的種植盤送至機(jī)械臂處，限位裝置將種植盤限制在移栽位置。

為提高種植盤運(yùn)輸同步性，輸送裝置采用同步帶傳動運(yùn)送種植盤，其傳動系統(tǒng)由電機(jī)、主動帶輪、從動帶輪、張緊輪、同步帶組成，6個導(dǎo)槽的7個主動帶輪均設(shè)在一根傳動軸上。種植盤質(zhì)量為3 kg，運(yùn)輸速度為0.13 m/s，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用的同步帶規(guī)格為584-8M-40。

選擇交流電機(jī)中的異步電機(jī)作為種植盤輸送裝置驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩以及功率選擇電機(jī)型號為6IK300RGU-CF，配減速比為25的減速機(jī)，經(jīng)減速機(jī)減速后，額定轉(zhuǎn)速為，額定轉(zhuǎn)矩為，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4 育苗盤輸送裝置

根據(jù)育苗盤的尺寸和特性選擇帶式輸送線進(jìn)行育苗盤輸送，保證育苗盤在位置移動過程中不松動、不落苗，并實(shí)現(xiàn)精確定位。輸送線配550 W普通三相異步電動機(jī)；輸送線長2 800 mm，寬485 mm，整體高度以 417 mm為基準(zhǔn)，可上下各調(diào)節(jié)30 mm；線體支架為4080國標(biāo)型材；輸送線皮帶的回轉(zhuǎn)直徑不得大于60 mm。

2.5 桁架直線模組

直線模組單體運(yùn)動速度快、重復(fù)定位精度高、質(zhì)量輕、所占空間小、壽命長[16]。選用同步帶型直線模組，2個模組使用同一個X軸，抓取和放置種植杯時(shí)，兩個模組分別動作，互不干涉，無碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)直線模組X軸和X+軸沿種植盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Y1軸和Y2軸沿垂直于種植盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Z1軸和Z2軸沿豎直方向上下直線運(yùn)動行程為700 mm。經(jīng)測算XYZ軸所承受的負(fù)載分別為4.82 kg、6.77 kg、29.47 kg。根據(jù)以上參數(shù)，選擇80型同步帶直線型模組。

選用高慣性（高慣量）MHMF082L1U2M型伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動機(jī)械臂沿XYZ軸運(yùn)動，水平方向上伺服電機(jī)通過X、Y軸直線模組帶動機(jī)械臂至指定抓苗、投苗位置。垂直方向上伺服電機(jī)通過Z軸直線模組帶動抓苗機(jī)械手向下移動夾取種植杯。

2.6 抓取裝置

抓取機(jī)構(gòu)考慮到成本和調(diào)試同步性問題，采用模組機(jī)械雙臂。由于種植杯呈圓柱狀且上方開口，不易吸附，故選用夾取式末端。根據(jù)種植盤孔數(shù)，每個機(jī)械臂配4個夾爪，夾爪夾取種植杯2/3處（直徑約26 mm），夾爪松開時(shí)開度為31 mm，夾取時(shí)開度為25 mm。

抓手分配盤上4條滑軌對應(yīng)4個夾爪，滑軌上端間距同育苗盤穴孔中心距，下端間距同種植盤穴孔中心距。抓取育苗盤上種植杯后，夾爪氣缸伸長，4個夾爪沿分配盤的滑軌向下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)高精度變距，從而與種植盤孔距相適應(yīng)。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)區(qū)為1座13連棟13間玻璃溫室，配備育苗工場、AGV小車等。測試環(huán)境溫度23.6～26.6℃，環(huán)境濕度44.2～49.4%RH。移栽植株為苗齡14天的生菜，單株平均重量4.8 g（含種植杯和基質(zhì)），尺寸37 mm×33 mm（高×寬）。利用秒表對移苗作業(yè)做連續(xù)觀測。抓手精準(zhǔn)夾取種植杯，并將其準(zhǔn)確投入種植盤穴孔內(nèi)視為移栽成功。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 正常生產(chǎn)速度移栽性能測試

測試移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度（48棵/min）下移栽效果。將種植盤庫全部擺滿種植盤，測試每層6個種植盤全部移滿種植杯需要時(shí)間（含種植盤運(yùn)輸時(shí)間、機(jī)械臂定位時(shí)間等所有準(zhǔn)備時(shí)間）。

由測試可知，移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度下，6個種植盤全部擺滿需60 s左右，即6個種植盤（48個種植杯）全部完成移栽需60 s左右，即滿足48棵/min正常生產(chǎn)要求。移栽速度最大誤差為+2 s，在誤差允許范圍±3 s內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，育苗盤、種植盤定位準(zhǔn)確，抓手抓取精準(zhǔn)，種植杯能精準(zhǔn)投入種植盤孔穴內(nèi)，平均移栽成功率98.22%。

3.2.2 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下的移栽性能測試

從機(jī)械臂完成定位開始，至設(shè)備完成育苗盤中48個種植杯（1個機(jī)械臂完成24個）的抓取、移位、釋放動作作為一個測試周期，測試不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下移栽速度，每種調(diào)速脈沖值下測試3次，取算術(shù)平均值。

由測試可知，隨著脈沖參數(shù)提升，移栽速度幾乎呈線性上升，調(diào)速脈沖值80 000時(shí)，移栽速度最快，平均可達(dá)90棵/min。所有調(diào)速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。移栽成功率與移栽速度之間沒有顯著相關(guān)性，在調(diào)速脈沖值60 000時(shí)，移栽成功率最高。移苗設(shè)備在不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下，整體運(yùn)行速度穩(wěn)定，各傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)身沒有異常振動，移栽效果良好，沒有卡盤現(xiàn)象。

4 結(jié)語

本研究設(shè)計(jì)的96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動移苗設(shè)備主要由種植盤庫機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)接臺、育苗盤輸送線、桁架直線模組和抓取裝置等部分組成，種植盤庫和轉(zhuǎn)接臺分別用于存放和輸送種植盤，種植盤輸送線運(yùn)行速度300 mm/s，單次輸送種植盤數(shù)量6個；育苗盤輸送線用于輸送育苗盤，運(yùn)行速度300 mm/s，單次輸送育苗盤數(shù)量為2個；桁架直線模組和抓取裝置用于準(zhǔn)確抓取育苗盤中的種植杯并移入種植盤內(nèi)。該模組結(jié)構(gòu)簡潔，定位精準(zhǔn)；2個機(jī)械臂，運(yùn)行速度為800 mm/s，最大拾取距離800 mm，重復(fù)定位精度0.05 mm；抓手采用分配盤結(jié)構(gòu)，多個抓手之間的相對距離能夠保持一致；抓手抓取種植杯，不直接抓取幼苗，不會對幼苗造成損傷。

對設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，正常生產(chǎn)速度下（48棵/min），移栽速度的最大誤差為+2 s，在誤差允許范圍±3 s內(nèi)；不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下，移栽速度隨脈沖參數(shù)的提升而上升，最高移栽平均速度可達(dá)90棵/min。移栽速度的上升并不會影響移栽的成功率，移栽平均成功率可達(dá)97%，試驗(yàn)證明設(shè)備整體精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。