雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置設計與試驗

計 東 胡 熙 哲旋瑞 白曉虎 宮元娟 田素博,2

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院， 沈陽 110866； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部園藝作物農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 沈陽 110866)

0 引言

盆栽花卉和蔬菜多采用育苗移栽技術進行生產(chǎn)，機械化栽植具有可降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度等優(yōu)勢[1-4]。國外移栽機械已逐漸向智能化方向發(fā)展，國內移栽機械以半自動移栽機為主。我國對花卉的需求量逐年增加，已經(jīng)成為世界最大的花卉生產(chǎn)基地[5-9]。利用移栽機械手將穴盤中幼苗取出并移栽到缽盆中是整個移栽機作業(yè)的關鍵步驟[10-12]，因此，亟待研制出高效且性能可靠的自動移栽裝置。

KUTZ等[13]基于Puma560設計了苗圃移栽機器人，可以將96穴的穴盤苗移栽入36穴的生長盤中； TING等[14]研制的移栽機器人可以通過視覺傳感器檢測穴苗的位置，力覺傳感器感應取苗力度，極大地降低了穴盤苗損傷率；荷蘭Visser PIC-O-Mat型自動移栽機，可根據(jù)需求提供不同數(shù)量的移栽機械手，且單個機械手移栽效率可達1 700株/h[15]。國外基于機器人技術為主體研制了多款全自動移栽機，但這些機型均存在結構復雜、成本過高，且與我國的育苗技術不配套等問題。

范云翔等[16]設計了一種利用負壓空氣整理水稻根系并實現(xiàn)自動化投苗的移栽機，傷苗率低，精度較高，但只適用于水稻秧苗，不適合移栽花卉；郁玉峰等[17]開發(fā)了一種移栽機器人，其末端執(zhí)行器在3組驅動機構的聯(lián)合控制下可在工作空間內任一位置停留，但占用空間大，移栽效率過低；張麗華等[18]設計了一種自動移栽機，利用并排放置的2條傳送帶分別運送穴盤苗和花盆，可實現(xiàn)多種規(guī)格穴盤的花卉幼苗移栽；馮青春等[19]設計了一款智能移栽機，可快速檢測幼苗生長狀態(tài)，能將不合格的幼苗剔除，提高了移栽成功率；韓綠化等[20]設計的鉗夾式移栽機，移栽機械手采用兩指四針式結構，可穩(wěn)定夾持苗坨；李福[21]運用模塊化的設計思路研制了一款移栽設備，抓取效果好，不易傷苗。

我國花卉移栽機還處于研究初期，目前研制的移栽裝置在移栽精度、移栽效率方面均有待提高[22-24]。本文設計一種雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置，以期為高速移栽機的研制奠定基礎。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

本文設計的雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置，主要包括機架、導軌滑塊、移栽臂氣缸、步進電機、同步帶傳動機構、帶導軌的移栽臂、移栽機械手、移栽臂上升到位傳感器、移栽機械手取苗位置傳感器和移栽機械手栽苗位置傳感器等部分，如圖1所示。該裝置是盆栽花卉高速自動移栽機的一部分。栽植效率可達6 000株/h。

圖1 雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置結構示意圖Fig.1 Schematic of double row transplanting manipulator linkage high speed transplanting device1.前排移栽機械手 2.取苗一側限位開關 3.步進電機 4.豎直導向機構 5.機架 6.多管路氣排導向機構 7.多管路氣排 8.移栽臂氣缸 9.后排移栽機械手 10.移栽臂上升到位傳感器 11.同步帶輪箱 12.栽苗一側限位開關 13.水平導向機構 14.同步帶 15.移栽機械手限位擋塊

1.2 工作原理

控制系統(tǒng)采用PLC控制，通過安裝在各位置的傳感器接收信號控制氣缸伸縮和電機啟動、停止及正反轉，以實現(xiàn)移栽臂精確定位和移栽機械手精準取栽苗作業(yè)。工作過程分為以下步驟:①穴盤輸送機構與缽盆輸送機構分別將穴盤與缽盆運送至高速移栽裝置的正下方。此時，移栽臂氣缸收縮。②步進電機驅動同步齒形帶帶動第一個與同步帶固連的移栽機械手，依次推動其余9個移栽機械手到達第10排穴盤苗的正上方。③移栽臂氣缸帶動移栽臂向下運動，當移栽機械手底端離穴盤苗坨表面3 mm時，移栽手爪針伸出，夾緊苗坨。④移栽臂氣缸帶動移栽臂向上運動，同步帶帶動前排移栽爪展開，此時前排移栽機械手移動到缽盆正上方，與此同時后排移栽機械手也在同步帶的帶動下，到達第11排穴盤苗正上方。⑤移栽臂氣缸帶動移栽臂向下運動，前排移栽機械手將穴盤內第1排花苗移栽到缽盆內，后排的移栽機械手抓取第11排的穴盤苗坨，在后排移栽機械手完成取苗動作后，穴盤輸送機構將穴盤向前輸送1個穴的距離，進行下一排花苗的取栽作業(yè)。依此類推連續(xù)工作，直至完成整盤花卉幼苗的移栽作業(yè)。

本裝置能實現(xiàn)高速移栽的關鍵在于：前后雙排移栽機械手在一條同步帶和氣缸的帶動下實現(xiàn)交替取、栽苗，與單排移栽機械手的移栽裝置相比，去除了移栽機械手栽完后從缽盆上方移動到穴盤上方取苗這一空行程所造成的時間浪費，移栽效率提高1倍。穴盤苗移栽位置工作邏輯如圖2所示。

圖2 移栽位置工作邏輯圖Fig.2 Logical diagram of transplanting location allocation

2 關鍵部件設計

2.1 雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽機械臂設計

雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽機械臂采用龍門結構，由步進電機、同步帶輪箱、同步帶、移栽機械手固定鋁型材、安裝板、導軌、固定塊和移栽機械手限位擋塊組成，如圖3所示。移栽臂上可安裝20個移栽機械手，通過安裝板安裝在移栽機械手所在鋁型材上，安裝板通過固定塊固定在齒形帶上，并安裝有傳感器感應元件，齒形帶可以帶動移栽機械手實現(xiàn)分合。兩排移栽機械手分別在兩個相互平行的面內呈“門”字型往復移動。

圖3 移栽臂結構示意圖Fig.3 Schematic of transplanted arm structure1.移栽機械手限位擋塊 2.步進電機 3.同步帶輪箱 4.導軌 5.安裝板 6.移栽機械手固定鋁型材 7.同步帶

其中移栽機械手水平運動通過移栽臂上的滑軌和與移栽機械手固連的滑塊來導向，利用步進電機驅動同步帶進而帶動最靠近缽盆輸送系統(tǒng)一側的移栽機械手(主動移栽機械手)提供動力。通過柔性緩沖帶與微型鏈條將10個移栽機械手串聯(lián)，向栽苗一側移動時，主動移栽機械手依次將從動移栽機械手拉動至缽盆上方，當傳感器感應元件觸碰到限位開關時，步進電機停止，完成分散過程。向取苗一側移動時，主動移栽機械手依次推動從動移栽機械手運動至穴盤輸送機構上方，當傳感器感應元件觸碰到限位開關時，步進電機停止，完成合攏過程。

2.2 移栽機械手設計

2.2.1取苗夾持受力分析

移栽機械手爪針在抓取苗坨時既需一定的剛性來抓緊，又需一定的彈性保證苗坨不被破壞。移栽機械手執(zhí)行取苗動作時，兩根苗針以一定角度插入苗坨，當苗針插入到一定深度后，以角度α夾持苗坨，在移栽臂帶動下將苗坨從苗盤中取出，如圖4a所示。移栽機械手取苗時苗坨受力分析如圖4b所示。其中d為爪針扎入苗坨時與苗坨中心的距離，h為爪針扎入苗坨的深度。

圖4 取苗受力分析Fig.4 Stress analysis diagrams of seedling taking

取苗時，苗針對苗坨產(chǎn)生兩側夾持力FN1、FN2，苗針和苗坨相對靜止，苗針對苗坨產(chǎn)生靜摩擦力Ff1、Ff2，理論上有Ff1=Ff2=μFN1=μFN2，μ為苗針和苗坨的靜摩擦因數(shù)。當取苗成功時，苗針應克服穴盤苗從穴盤孔里拉拔出來的力FL，包括重力G和穴盤對苗坨的摩擦力Z。通過穴盤苗拉拔試驗，測得100穴歐石竹含水率為40%時，拉拔力FL平均為2.5 N。

當成功取苗時，有

FL=G+Z=(Ff1+Ff2)cosα+(FN1+FN2)sinα

(1)

由式(1)可看出，拉拔力FL取決于夾持力FN、靜摩擦因數(shù)μ、夾持角α，其中夾持力FN為

FN=σAN

(2)

(3)

式中AN——苗針夾持苗坨面積，mm2

σ——苗坨抗壓強度，Pa

F——苗坨抗壓力，N

AY——苗針壓縮面積，mm2

穴盤苗苗坨抗壓力-變形量x關系為非線性曲線，關系式為

F=0.065 0x3-0.674 2x2+3.602x-0.754 8

(4)

聯(lián)立式(1)～(4)可得

(5)

經(jīng)過以上分析，在測定穴盤苗的拉拔力FL、苗坨抗壓力F、苗坨與夾取針的靜摩擦因數(shù)μ等3個參數(shù)基礎上，建立夾取針的夾持角α、苗針壓縮的面積AY、苗坨夾持變形量x之間關系[25]。

2.2.2結構設計

由于穴盤苗苗坨尺寸較小，移栽機械手采用兩爪針式結構，主要由基座、爪針、壓苗擋板、微型氣缸及連接件組成，如圖5a所示，機構運動簡圖如5b所示。抓苗時，氣缸桿伸出，苗針進入苗坨，推桿越低，苗針角度越大，越夾緊苗坨，當推桿下降到最低處時，苗針對苗坨的夾持力達到最大；栽苗時，推桿上升，苗針對苗坨的夾持力減小，當推桿上升到最高處時，苗坨撞擊壓苗擋板，脫離爪針，依靠重力落入缽盆中。

為使爪針伸出后能成功取苗，兩爪針連接件的轉動軸間距應大于限位孔間距，設計中受移栽機械手寬度及轉軸結構限制，確定轉動軸間距為20 mm。限位孔間距決定爪針入土時爪針尖端距離，也控制著爪針完全伸出后對穴盤苗苗坨的夾緊程度。

圖5 移栽機械手結構圖Fig.5 Structure diagrams of feeding claw1.壓苗擋板 2.爪針 3.氣缸桿與爪針連接件 4.基座 5.氣缸

利用SolidWorks Motion模塊分析移栽機械手爪針尖端空載時的運動軌跡，如圖6所示。限位孔間距越大，運動軌跡越平直，表明實際扎取穴盤苗苗坨時爪針的變形量越小，則爪針對穴盤苗苗坨的壓力越小，產(chǎn)生的摩擦力和爪針對穴盤苗苗坨向上的分力也減小。若限位孔中心距過小，爪針完全伸出時兩爪針尖端會產(chǎn)生干涉，且隨著限位孔中心距減小，兩爪針尖端的初始間距也減小，導致兩爪針間夾取的基質量變少，也會導致夾取成功率降低。

圖6 爪針尖端空載時的運動軌跡Fig.6 Trajectory of claw needle tip when it was unloaded

選用微型氣缸作為移栽機械手的動力源，為使爪針能夾取到穴盤苗苗坨底部，根據(jù)穴盤深度35 mm，設計爪針伸出長度為35 mm，相應地選取行程與之對應的微型氣缸作為動力源。

2.2.3移栽機械手水平運動狀態(tài)優(yōu)化設計

圖7 受力分析Fig.7 Force analysis

各移栽機械手分散時的受力情況如圖7所示。由圖7可得

(6)

式中Fd——同步帶拉力，N

f——阻力，N

a——主動移栽手加速度，m/s2

x0——緩沖帶原長，m

x1——緩沖帶長度，m

K——緩沖帶彈性系數(shù)，N/m

m——單個移栽機械手質量，kg

第2個移栽爪受力平衡方程

Kx1-f-K(x2-x0)=ma2

(7)

式中a2——第2個移栽機械手加速度，m/s2

第n個移栽爪受力平衡方程

K(xi-1-xi+x0)-f=man

(8)

式中xi-1——第i-1段柔性緩沖帶張緊長度，m

xi——第i段柔性緩沖帶張緊長度，m

an——第n個移栽機械手加速度，m/s2

從式(8)可以看出，若K=0時，表示各個移栽機械手之間是剛性連接，在移栽機械手展開時，前面的移栽機械手帶動后面的運動，當?shù)竭_剛性連接的行程時，后面的移栽機械手突然啟動，瞬時加速度過大，會在移栽過程中產(chǎn)生振動，造成苗坨脫落，降低移栽成功率[26]。所以，為減小移栽機械手的瞬時加速度，在相鄰兩移栽機械手間添加柔性緩沖帶，設置柔性緩沖帶長為25 mm，在SolidWorks Motion模塊中經(jīng)過多次仿真驗證，當柔性緩沖帶彈性系數(shù)為0.007 N/mm時，各移栽機械手在加速和減速過程均較穩(wěn)定，各移栽機械手速度如圖8所示。

圖11 氣缸動作時序圖Fig.11 Cylinder action timing charts

圖8 各移栽機械手在彈性系數(shù)0.007 N/mm緩沖帶下 的運動速度Fig.8 Movement speed of each transplanting manipulator

2.3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)采用PLC作為控制主機，包括硬件部分和軟件部分，硬件部分主要由PLC控制器、傳感器、驅動器、步進電機、電磁開關等組成，如圖9所示。開始工作前，先按下復位按鈕，進入復位狀態(tài)，然后按下啟動按鈕，整個移栽裝置按照程序運行，完成移栽作業(yè)。

圖9 控制系統(tǒng)硬件組成Fig.9 Hardware composition of control system

本機器氣動系統(tǒng)原理圖如圖10所示，需控制的氣缸有3組，分別為移栽機械臂升降氣缸、前排移栽機械手氣缸、后排移栽機械手氣缸。其動作時序圖如圖11所示，可較直觀地表示出某一時刻下各個氣缸的狀態(tài)，進而了解整個工作流程[27-28]。

圖10 氣動系統(tǒng)原理圖Fig.10 Pneumatic system schematic

3 樣機試驗

3.1 試驗條件

選取穴盤型號為10×20的歐石竹作為本次試驗的對象，按照試驗規(guī)定條件以及試驗需求對穴盤苗進行管理。試驗樣機如圖12所示。

圖12 試驗樣機Fig.12 Experimental prototype

3.2 試驗因素和指標

穴盤苗苗坨含水率對基質的抗壓能力影響較大，含水率較低時，基質較堅硬且易破碎，不利于花卉幼苗生長；當苗坨含水率過大時，基質抗壓能力變小，松散易變形，影響取苗；苗齡越大則穴盤苗根部發(fā)育越充分，但抓取過程中容易破壞根系，苗齡越小則苗坨越松散，不易抓??；由于扎取深度為最大固定值并由上文分析可知，限位孔中心距的大小影響著夾取苗坨基質的多少，進而影響移栽成功率。因此，選取苗坨含水率、苗齡和爪針限位孔中心距為試驗因素。

選擇試驗指標為移栽成功率，移栽成功的標準是把苗坨從穴盤中取出，苗坨完好，并準確移栽到缽盆中。移栽成功率η計算式為

(9)

式中W——每組試驗總株數(shù)

M——未取出株數(shù)

N——取出苗坨松散株數(shù)

V——未栽入缽盆株數(shù)

3.3 單因素試驗

選取歐石竹為試驗對象，進行苗坨含水率單因素試驗，限定苗齡為45 d，爪針限位孔中心距為16 mm的條件下，在苗坨含水率為15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%左右時進行移栽試驗。試驗結果如圖13a所示，穴盤苗苗坨含水率在35%左右時取苗成功率最高。因此選取較優(yōu)的苗坨含水率區(qū)間為25%～45%。

苗齡的單因素試驗，限定爪針限位孔中心距為16 mm，穴盤苗苗坨含水率為35%，選取苗齡為35、38、41、44、47、50、53 d的幼苗進行試驗。試驗結果如圖13b所示，可以看出苗齡對取苗成功率的影響極顯著。苗齡在35～44 d區(qū)間內，取苗成功率隨苗齡的增加而明顯提高，在44～53 d區(qū)間內，取苗成功率隨苗齡增加而緩慢下降。苗齡在45 d左右時取苗成功率最高，因此選取較優(yōu)的培養(yǎng)時間為40～50 d。

爪針限位孔中心距的單因素試驗中，在苗坨含水率為35%、苗齡為45 d的條件下，爪針限位孔中心距分別為14、15、16、17、18、19 mm。試驗結果如圖13c所示，可看出爪針限位孔中心距在16 mm左右時取苗成功率最高。因此選取較優(yōu)的爪針限位孔中心距為15～18 mm。

圖13 單因素試驗結果Fig.13 Results of single factor tests

3.4 多因素試驗

為了獲得上述3個因素的最優(yōu)參數(shù)值，選取穴盤苗苗坨含水率x1、苗齡x2、爪針限位孔中心距x3為試驗因素，取苗成功率Y為指標進行三元二次回歸正交組合試驗。根據(jù)單因素試驗結果，得出因素編碼如表1所示。試驗方案與結果如表2所示。方差結果如表3所示。

對回歸模型進行顯著性分析，在α=0.05顯著性水平下，由方差分析結果可知，回歸方程模型P=0.000 4<0.01，說明此回歸方程為極顯著。由于失擬項P=0.377 8>0.05，說明失擬項不顯著，所以該擬合可以用于取苗成功率的預測。苗齡對成功率的影響為極顯著，苗坨含水率和爪針限位孔中心距為顯著，影響由大到小為：苗齡、爪針限位孔中心距、苗坨含水率。苗坨含水率和爪針限位孔中心距的交互作用對成功率的影響顯著(P<0.05),去除不顯著項，得出簡化后回歸方程為

表1 因素編碼Tab.1 Coding of factors

表2 試驗方案及結果Tab.2 Test plan and results

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

(10)

3.5 優(yōu)化分析及試驗驗證

以移栽成功率為試驗優(yōu)化目標，使用Design-Expert軟件進行優(yōu)化分析。將Y的上限設為100%，下限設為80%，X1、X2、X33個因素的上下限均設為1.525、-1.525。可得當苗坨含水率為32.6%、苗齡為46 d、爪針限位孔中心距為16.7 mm時，成功率為94.2%。

對優(yōu)化結果進行驗證性試驗，利用雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置重復進行3組試驗，每組抓取10次(100株)，得到成功率分別為95%、94%、95%，平均值為94.7%，與預測值94.2%相比相差很小，表明試驗分析得出的結果與實際工作效果相符合。且3次取苗用時分別為58.2、60.5、61.3 s，栽植效率可達到6 000株/h。

分析試驗過程中的失敗案例，可知主要以苗坨未能成功取出為主，其原因是苗坨部分破碎，導致爪針無法抓取。而引起缽體破碎的原因可能是根系發(fā)育不良所致，為提高取苗成功率也可在移栽前對穴盤苗進行松脫處理。

4 結論

(1)根據(jù)實際生產(chǎn)需要，設計了一套雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置。通過對取苗過程進行受力分析，設計了一種兩針式移栽機械手；通過分析移栽機械手的水平運動狀態(tài)，設計了一種柔性連接裝置，并通過仿真確定柔性緩沖帶的最優(yōu)工作參數(shù)；最后利用PLC完成該裝置的控制系統(tǒng)設計，實現(xiàn)對穴苗盤的快速準確移栽。

(2)選取200穴規(guī)格的歐石竹為試驗對象，進行單因素試驗和多因素正交試驗，以穴盤苗苗坨含水率、苗齡、爪針限位孔中心距為試驗因素，探究雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置移栽成功率的最優(yōu)工作參數(shù)。試驗結果表明，當穴盤苗苗坨含水率為32.6%、苗齡為46 d、爪針限位孔中心距為16.7 mm時，雙排移栽機械手聯(lián)動式高速移栽裝置成功率為94.7%。試驗結果與優(yōu)化結果基本一致，該裝置滿足設計需求。