穴盤苗高速移栽機器人研發(fā)

陶玉龍，潘 婷，潘 昱，曹 昕，王兆坤

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225000）

0 引 言

作為機械化穴盤育苗技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，移栽具有非常顯著的特點，不僅對氣候具有補償作用，還能促進作物提早生育，具有非常重要的綜合效益。可以充分利用光熱資源，能夠獲得很好經(jīng)濟效益的同時，也具有非?？陀^的社會效益。一直以來，作為勞動密集型作業(yè)，蔬菜種植的成本中，勞動力成本占據(jù)到一半以上[1-2]。超過六成的蔬菜品種，種植方式都是依賴于育苗移栽。秧苗手工栽植過程，需要反復的彎腰和肢體屈伸，勞動強度非常高，僅次于收獲作業(yè)。因此，如果能夠利用現(xiàn)代先進技術(shù)，實現(xiàn)移栽作業(yè)自動化，就能為溫室栽培規(guī)模的擴大，提供必要的基礎(chǔ)，促進生產(chǎn)效率的提高。

我國發(fā)展現(xiàn)狀：穴盤苗移栽技術(shù)處于半自動栽苗水平，研發(fā)結(jié)構(gòu)較為簡單、功能精良，而實現(xiàn)穴盤苗全自動移裁的關(guān)鍵是適于當?shù)赜缟a(chǎn)的取苗裝置的研發(fā)[3]。當前，實際能投入到生產(chǎn)應用的自動移栽機相對較少，究其原因，主要是機構(gòu)設計中取苗爪與缽體作用規(guī)律不清，穴盤苗的生物力學特性數(shù)據(jù)匱乏，機構(gòu)設計與育苗工藝無法結(jié)合，這些都嚴重制約著自動移栽機的發(fā)展。

國外發(fā)展現(xiàn)狀：在溫室穴盤苗移栽機器人方面，國外主要研究了移栽機器人的機器視覺識別系統(tǒng)、末端執(zhí)行器機械結(jié)構(gòu)以及移栽機整體控制方式。

世界各國基本都沒有高效、高速移栽機器人，因此移栽機械化這塊領(lǐng)域，仍是未來農(nóng)機機械化和現(xiàn)代化的發(fā)展重點區(qū)域之一[4]。

1 主要研究內(nèi)容

（1）研究目標

利用現(xiàn)代先進技術(shù)實現(xiàn)移栽作業(yè)的自動化，實現(xiàn)移栽機器人的研發(fā)應用，大大改善勞動作業(yè)條件。

（2）主要內(nèi)容

前期：①搜尋理論模型，并用SolidWorks 初步建模；②設計圖像收集系統(tǒng)，建立機器視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)與CCD（電荷藕合器件圖像傳感器）攝像頭通信功能，捕獲穴盤圖像并實時記錄；③研究穴盤幼苗葉片特征參數(shù)檢測方法; ④研究適合移栽的穴盤幼苗的識別算法。

中期：⑤建立移栽系統(tǒng)，實現(xiàn)上位機與PLC（可編程邏輯控制器）相互的通信功能;⑥研究機械手移栽路徑規(guī)劃;⑦設計合理的末端執(zhí)行器。

后期：⑧開發(fā)基于VC++的穴盤苗自動移栽軟件平臺:靜態(tài)分析部分和動態(tài)移栽部分；⑨實現(xiàn)移栽機器人實時檢測自動移栽功能。

最后，完成實踐測試以及相關(guān)論文的撰寫。

（3）擬解決的問題

移栽機器播種工作不穩(wěn)定，運行軌跡與預期有偏差等。

2 創(chuàng)新特色

本項目提出智能、高速的移栽形式，設計了一種高速移栽的智能機器人，可完善傳統(tǒng)移栽技術(shù)有關(guān)方面的缺陷，提高移栽技術(shù)的效率，有利于推動農(nóng)業(yè)機械化的進程。

3 主要研究方法

項目研究方法：采用理論到實踐的方法，先合作進行產(chǎn)品的三維創(chuàng)作，再進行理論分析。首先進行圖像的獲取，再進行圖像校正，包括穴盤檢測、傾斜校正、區(qū)域識別，然后進行健康識別，選出健康的幼苗，最后進行移栽優(yōu)化，識別出最優(yōu)化的路徑，達到高速的目標。

4 移栽機器人研發(fā)

4.1 并聯(lián)機器人設計

以40 日齡黃瓜穴盤苗為例，根據(jù)移栽對象，結(jié)合其移栽軌跡的需求，在高度方向移栽距離的設置上，要高于穴盤苗高度（1 200 mm），以實現(xiàn)安全取苗的目的[5]。從而，將移栽軌跡的高度設為1 300 mm。再結(jié)合穴盤的實際規(guī)格，將寬度跨度設置為4 800 mm，相應的對角最大距離，設置為6 000 mm。此外，還考慮輸送裝置的間隔距離，并聯(lián)機器人的移栽工作空間設置為6 000 mm×4 800 mm×1 300 mm，由3條支鏈組進行固定。

圖1 3 支鏈并聯(lián)機器人

4.2 輸送裝置設計

在本次移栽的過程中，要將苗從128 孔穴盤向72 孔穴盤進行移栽。而自動化作業(yè)的開展，建立在配套輸送裝置完善的基礎(chǔ)上，需要配合并聯(lián)移栽機器人，開展相應的穴盤運輸移動[6]。為了實現(xiàn)上述作業(yè)，需要設計兩條輸送帶進行配合:一條輸送帶，用來負責將黃瓜苗從128 孔穴盤，向并聯(lián)機器人的移栽區(qū)域進行輸送。在移栽作業(yè)完成后，負責將空置的穴盤，向收集處進行輸送。另外的一條輸送帶，負責將黃瓜苗從72 孔空穴盤向并聯(lián)機器人的移栽作業(yè)位置進行輸送，作業(yè)任務完成之后，將移栽后剩下的穴盤，直接向下一步工序的位置進行輸送。在這個過程中，還需要注意穴盤推桿的裝置，將其準確地在鏈條上進行定位安裝。如此，一旦電機帶動鏈輪轉(zhuǎn)動的時候，安裝在鏈輪上的鏈條，也會隨之進行轉(zhuǎn)動，從而推動穴盤到移栽作業(yè)位置。

圖2 苗盤輸送裝置

4.3 整體結(jié)構(gòu)設計

溫室并聯(lián)移栽機器人由框架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機器人及輸送裝置三大部件組成，如圖3 所示。其中的一條輸送裝置，在鏈傳動的作用下，對培育好的128 孔穴盤苗進行輸送，將其運輸?shù)讲⒙?lián)移栽機器人的作業(yè)區(qū)域。并且，還要通過穴盤擋板（安裝在鏈條上）將每個穴盤間隔開來。另一條輸送裝置，將72 孔空穴盤向并聯(lián)移栽機器被移栽的作業(yè)區(qū)域進行移送。在這個位置，等待移栽作業(yè)。移栽機器人的驅(qū)動電機布置在靜平臺上，驅(qū)動并聯(lián)移栽機器人的驅(qū)動電機，通過PLC 控制末端取苗爪的移栽作業(yè)。

圖3 溫室并聯(lián)移載機機器人

5 結(jié) 語

機械化穴盤育苗技術(shù)，主要是利用穴盤作育苗容器，采用包括草灰、蛙石、珍珠巖等材料在內(nèi)的輕基質(zhì)材料作為育苗基質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上形成的一種一穴一粒、一次性成苗的現(xiàn)代化育苗方法，具有出苗率高，出苗整齊、出苗快、病蟲害少、省工、省時等許多優(yōu)點。