馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執(zhí)行器設(shè)計與試驗

段宏兵 姚飛虎 蔡興奎 姜洪新 譚本芳 陳 歡

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與生物技術(shù)重點實驗室,武漢 430070；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院,武漢 430070)

0 引言

馬鈴薯種薯脫毒技術(shù)可以從根本上抑制病毒的發(fā)生和蔓延，是解決種薯種性退化、產(chǎn)量降低、品質(zhì)下降的有效措施[1]。馬鈴薯脫毒種薯繁育的過程包括試管苗培養(yǎng)、組培苗擴(kuò)繁、組培苗移栽、大棚培養(yǎng)和大田栽培等環(huán)節(jié)[2]。馬鈴薯組培苗人工移栽流程為：使用剪刀將組培盒(瓶)中的組培苗培養(yǎng)基以上部分剪斷后，鑷子夾出；將組培苗送至提前一周已消毒，扦插畦內(nèi)鋪蛭石并已澆透水的防蟲網(wǎng)室；使用鑷子夾出組培苗進(jìn)行高密度扦插，并用手指按壓蛭石，保證組培苗根部與基質(zhì)充分接觸，組培苗移栽完成。組培苗移栽不僅能夠縮短馬鈴薯組培苗繁育的時間，也能提高組培苗的利用率[3]。

目前國內(nèi)馬鈴薯組培苗移栽均為人工完成，存在勞動強度大、作業(yè)效率低、移栽質(zhì)量不穩(wěn)定等問題[4-5]。隨著人工成本不斷增加，導(dǎo)致組培苗移栽的成本提高，其中人工扦插成本占總?cè)斯こ杀镜?0%以上[6]。雖然市場上現(xiàn)有的穴盤苗、組培苗移栽設(shè)備機型多且自動化程度較高，但主要用于機械組織發(fā)達(dá)苗的移栽[7-8]。馬鈴薯組培苗細(xì)弱矮小、交錯生長，故移栽設(shè)備無法適用于馬鈴薯組培苗[9]。

近年來對馬鈴薯組培苗的機械扦插也有學(xué)者開展了相關(guān)研究，但存在的主要問題是：移栽設(shè)備中都是機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行單株夾持，移栽效率有待提高，且機械夾持易對組培苗造成嚴(yán)重的機械損傷[10]。

常用的組培盒(瓶)存在內(nèi)部空間狹小、組培苗生長交錯等問題，導(dǎo)致在自動化移栽中，機械手必須伸入盒底進(jìn)行取苗，難度較大[11]。因此，文獻(xiàn)[12-13]結(jié)合移栽的農(nóng)藝要求，提出了一種新型組培盒，并通過試驗驗證了該組培盒不會影響組培苗的生長。同時組培盒的操作空間增加，降低了末端執(zhí)行器取苗的難度，有利于實現(xiàn)組培苗的自動化移栽。

針對上述問題，結(jié)合組培苗移栽的實際農(nóng)藝要求，本文設(shè)計一種適用于馬鈴薯組培苗移栽的全自動吸附式末端執(zhí)行器，用于吸附馬鈴薯組培苗，切苗裝置切苗后，末端執(zhí)行器移至穴盤上方，將組培苗扦插入穴盤中。

1 馬鈴薯組培苗培育環(huán)境與基礎(chǔ)參數(shù)

1.1 培育環(huán)境

目前常用的組培盒(瓶)如圖1所示，本文使用的新型組培盒結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 馬鈴薯組培苗培養(yǎng)盒(瓶)Fig.1 Potato tissue culture seedling culture box (bottle)

圖2 新型組培盒結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Component breast box structure diagram1.筒體 2.分苗板 3.培養(yǎng)基盒體

1.2 基礎(chǔ)參數(shù)

試驗使用新型的組培盒，培育有組培苗的組培盒和穴盤如圖3所示。對20盒組培苗進(jìn)行測量統(tǒng)計，得出馬鈴薯組培苗的基本參數(shù)如表1所示。

圖3 組培盒和穴盤Fig.3 Tissue culture box and acupoint

表1 馬鈴薯組培苗主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of potato tissue culture seedlings

2 吸附式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 吸附式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)

吸附式末端執(zhí)行器包括傳動部分和取苗部分，其整體結(jié)構(gòu)三維透視圖如圖4a所示,實物裝配如圖4b所示。

圖4 馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執(zhí)行器Fig.4 Adsorption end-effector for potato tissue culture seedling transplanting1.連接板 2.L型連接件 3.步進(jìn)電機 4.驅(qū)動齒輪 5.第一從動齒輪 6.第二從動齒輪 7.吸嘴支架1 8.吸嘴 9.安裝板 10.帶座軸承 11.絲桿 12.分氣塊 13.滑塊 14.吸嘴支架2 15.導(dǎo)槽 16.推苗裝置

其中傳動部分主要由齒輪和正反牙絲桿組成。其工作過程是通過電機驅(qū)動，多個齒輪傳動，帶動正反牙絲桿轉(zhuǎn)動，安裝于絲桿上的滑塊在導(dǎo)槽中滑動，實現(xiàn)末端執(zhí)行器的分離與合并；同時可以在絲桿長度范圍內(nèi)對末端執(zhí)行器分離時的間距進(jìn)行調(diào)整，以提高適用性。取苗部分主要包括吸嘴支架1、吸嘴和吸嘴支架2，其作用是在取苗時吸嘴處產(chǎn)生負(fù)壓，將組培苗緊緊的吸附并移動至打好孔的穴盤中；在落苗時產(chǎn)生正壓，并且末端執(zhí)行器后移，能夠?qū)⒔M培苗成功放入孔內(nèi)。

2.2 工作原理

組培盒到達(dá)指定位置后，可編程邏輯控制器(Programmable logical controller，PLC)通過控制器和驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，電機輸出軸上的驅(qū)動齒輪帶動第一從動齒輪轉(zhuǎn)動，第二從動齒輪由第一從動齒輪帶動，將末端執(zhí)行器合并；末端執(zhí)行器靠近第一排組培苗時，真空發(fā)生器工作，吸嘴產(chǎn)生負(fù)壓，吸附組培苗并由切苗裝置切苗；在末端執(zhí)行器移至穴盤上方過程中，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，將末端執(zhí)行器分離；到達(dá)穴盤上方后，末端執(zhí)行器下降使組培苗根部伸入穴孔內(nèi)；吸嘴調(diào)為正壓，推苗裝置推桿伸出，同時末端執(zhí)行器向后移動適當(dāng)距離，不僅能成功落苗，也可以防止末端執(zhí)行器在準(zhǔn)備取下一排組培苗時仍有苗掛在吸嘴上，影響下一排的取苗；在末端執(zhí)行器向后移動過程中，通過PLC關(guān)閉真空發(fā)生器，并打開電磁閥，吸嘴處產(chǎn)生正壓吹苗，對落苗有一定的輔助作用，提高移栽成功率；依次重復(fù)上述動作，完成整盒組培苗的移栽。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 傳動部分設(shè)計

組培苗在組培盒中按5×5分布，在穴盤中主要以10×10分布，因此為了提高移栽效率，末端執(zhí)行器需要每次取一行5株組培苗。同時為了簡化末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)，提高工作穩(wěn)定性，末端執(zhí)行器設(shè)計為對稱結(jié)構(gòu)[14-15]。

根據(jù)組培苗的移栽農(nóng)藝要求，末端執(zhí)行器的分離與合并的狀態(tài)如圖5所示，在組培盒中苗與苗的株距為12 mm，移栽后在穴盤中的株距為40 mm。根據(jù)組培苗在組培盒中的生長分布及移栽至穴盤后的分布，末端執(zhí)行器要求能夠?qū)崿F(xiàn)變距，變化距離左右對稱。同時為保證末端執(zhí)行器分離與合并的間距準(zhǔn)確性，使用齒輪帶動絲桿的方式，其中齒輪能夠保證準(zhǔn)確的傳動比，絲桿傳動具有較高的穩(wěn)定性和可靠性[16-17]。為節(jié)省空間，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，選擇正反牙絲桿，兩根正反牙絲桿并排安裝，實現(xiàn)其他4個取苗機構(gòu)的運動。

圖5 末端執(zhí)行器工作示意圖Fig.5 End-effector work schematic

由于絲桿過長易彎曲，導(dǎo)致滑塊在滑槽中卡頓。針對此問題，提出一種正反牙絲桿的連接方法，將兩段絲桿使用軸套聯(lián)接，不僅能夠降低加工難度，也有利于實現(xiàn)絲桿導(dǎo)向的直線度，提高末端執(zhí)行器工作時吸嘴位置的精確度，其示意圖如圖6所示。

圖6 正反牙絲桿示意圖Fig.6 Positive antitorate screw pole1.導(dǎo)槽 2.絲桿 3.帶座軸承 4.連接軸套 5.滑塊

3.2 吸嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計

馬鈴薯組培苗與穴盤苗、缽苗差異較大，通常置于無菌室進(jìn)行培養(yǎng)，具有以下特點：馬鈴薯組培苗在組培盒內(nèi)的密度很大，且苗體易交叉生長，組培苗的位置識別較為困難；馬鈴薯組培苗具有細(xì)弱矮小、莖稈不發(fā)達(dá)等特點。針對以上問題，設(shè)計真空取苗機構(gòu)；通過真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，將組培苗吸附在吸嘴口處，該方式能減少對組培苗的機械損傷[18-19]。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，設(shè)計多種新型的吸嘴。新型吸嘴的吸苗范圍、吸嘴出口流量和出口負(fù)壓會直接影響吸嘴對馬鈴薯組培苗的吸附效果。因此，對吸嘴的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計和改進(jìn)，結(jié)構(gòu)尺寸如圖7所示。根據(jù)組培苗的農(nóng)藝要求，組培苗在組培盒中的株距為12 mm，故3種吸嘴的開口最大寬度均為12 mm；為提高吸嘴真空度，高度初步選擇為4 mm，吸嘴的開口角度選擇為60°、90°和120°。通過進(jìn)行預(yù)試驗，3種角度吸嘴的取苗成功率依次為72.00%、84.00%、77.00%?？芍_口角度為90°時，吸嘴取苗成功率最高，故將吸嘴開口角度取為90°。

圖7 吸嘴結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.7 Structural dimensions of nozzle

針對90°的吸嘴，設(shè)計了如圖8所示的3種不同開口類型的吸嘴。3種類型吸嘴的尾部外徑均為8 mm，使其能夠直接與氣動快速接頭連接。側(cè)圓孔型(圖8a)為一排直徑不同的圓孔，對稱分布，不僅能夠保證取苗成功，也能防止組培苗的葉片被吸入吸嘴中，堵塞管道。側(cè)方孔型(圖8b)為中間開圓孔，兩側(cè)為等寬的對稱開口，目的在于擴(kuò)大吸嘴的取苗范圍，使苗在吸嘴兩側(cè)時也能被成功吸取，提高取苗成功率。側(cè)錐孔型(圖8c)為中間開孔，兩側(cè)為錐形的對稱開口，減小開口，使吸嘴內(nèi)部保持較高的真空度，在其他條件相同的情況下，提高取苗成功率。

圖8 不同類型吸嘴Fig.8 Type of nozzle1.吸嘴尾部 2.延長域 3.吸嘴口

3.3 吸嘴結(jié)構(gòu)類型選取

針對設(shè)計的幾種不同類型取苗吸嘴，使用軟件Fluent對其進(jìn)行吸嘴內(nèi)腔的流場仿真[20-21]。首先使用軟件Creo繪制不同吸嘴的三維模型，再利用軟件Fluent進(jìn)行流體分析?？紤]到進(jìn)口條件未知，因此對進(jìn)口處進(jìn)行延長，此模型中延長域取矩形，長度為吸嘴尾部直徑的8倍，并以延長域外壁面為進(jìn)口，進(jìn)口壓力為大氣壓；采用四面體網(wǎng)格，對流場區(qū)域局部細(xì)化，邊界層處理，確定網(wǎng)格數(shù)量；加載完成后進(jìn)行求解。

其中開口角度為90°的3個吸嘴網(wǎng)格數(shù)量分別是7.49×106、3.58×106、3.56×106，其求解結(jié)果中，Y=0截面壓力、速度分布云圖如圖9和圖10所示。

圖9 Y=0截面壓力分布云圖Fig.9 Pressure distribution cloud maps at Y=0 section

圖10 Y=0截面速度分布云圖Fig.10 Speed distribution cloud maps at Y=0 section

根據(jù)吸嘴的壓力、速度分布云圖可知，側(cè)錐孔型吸嘴壓力分布均勻，流速相對于其他類型吸嘴較大，因而有利于組培苗的吸附。通過對吸嘴類型的單因素試驗可知，3種類型的吸嘴均具有較好的吸附效果，但側(cè)錐孔型吸嘴的取苗成功率最高，可達(dá)到90.00%，故選擇使用側(cè)錐孔型吸嘴。

3.4 推苗裝置設(shè)計

為保證末端執(zhí)行器在放苗過程能夠?qū)⒔M培苗全部放落，提高組培苗的移栽成功率，避免吸嘴在進(jìn)行下一次取苗工作時仍懸掛有組培苗，影響取苗效果，設(shè)計一套推苗裝置作為末端執(zhí)行器的輔助裝置[22]。該裝置主要由推苗桿、筆形氣缸、節(jié)流閥和電磁閥等組成，其功能是在末端執(zhí)行器正壓吹苗時，進(jìn)行輔助推苗，使苗準(zhǔn)確落入穴中且每一排苗傾斜向同一位置，以及清理吸嘴上未吹落的組培苗，有利于提高下一排的取苗穩(wěn)定性。推苗裝置三維結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 推苗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structural diagram of pushing device1.支架 2.節(jié)流閥 3.筆形氣缸 4.導(dǎo)向軸 5.直線軸承 6.梯形板 7.推苗桿

3.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執(zhí)行器的控制系統(tǒng)主要由硬件控制部分和氣力控制部分組成[23-25]，如圖12所示。該控制系統(tǒng)有手動和自動兩種控制模式，在移栽工作中主要使用自動模式[26-27]。其控制過程為：將編寫的程序裝載至可編程邏輯控制器(PLC)，通過發(fā)送電信號控制步進(jìn)電機，末端執(zhí)行器初始狀態(tài)為分離，當(dāng)收到第1次電信號時，電機啟動并通過齒輪和絲桿實現(xiàn)末端執(zhí)行器合并；當(dāng)收到第2次電信號時，電機再次啟動將末端執(zhí)行器分離。當(dāng)末端執(zhí)行器移至組培苗處，PLC發(fā)送電信號，真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，直到準(zhǔn)備放苗時停止產(chǎn)生負(fù)壓；吸嘴處真空壓力可通過負(fù)壓調(diào)壓閥調(diào)整，過濾器能夠防止組培苗葉片通過氣管進(jìn)入真空發(fā)生器，保證取苗成功。當(dāng)末端執(zhí)行器移至穴盤上方放苗時，PLC控制單控電磁閥接通，吸嘴處產(chǎn)生正壓，將組培苗吹落。推苗裝置中由PLC控制雙控電磁閥實現(xiàn)筆形氣缸的伸出與縮回，當(dāng)末端執(zhí)行器放苗時，筆形氣缸伸出，帶動推苗桿前移，輔助推苗；當(dāng)末端執(zhí)行器回原位時，筆形氣缸縮回，準(zhǔn)備下一次推苗工作；其中筆形氣缸中氣壓大小由節(jié)流閥調(diào)節(jié)。

圖12 控制系統(tǒng)框圖Fig.12 Control system block diagram

4 試驗

4.1 試驗方法

采用L9(34)正交表安排試驗，試驗因素分別為穴盤孔直徑d、株距調(diào)整速度v1、吹苗正壓p1、苗吸附高度h。其中穴盤孔直徑d指穴盤內(nèi)待放苗的穴孔直徑；株距調(diào)整速度v1指末端執(zhí)行器分離與合并時的速度；吹苗正壓p1指在放苗時吸嘴的正壓；苗吸附高度h指在取苗時末端執(zhí)行器吸附的位置與組培苗根部的高度。根據(jù)前期預(yù)試驗，選取試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Testing factors and levels

正交試驗采用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝林學(xué)學(xué)院提供的在新型組培盒中生長21 d的馬鈴薯組培苗。馬鈴薯組培苗共36盒，每盒25株，進(jìn)行9組試驗，每組試驗取4盒組培苗，共100株。

4.2 試驗指標(biāo)

末端執(zhí)行器動作分為取苗和放苗兩個過程，主要目標(biāo)是提高馬鈴薯組培苗移栽的成功率。因此選擇移栽成功率SY為試驗指標(biāo)，并對移栽失敗的組培苗進(jìn)行影響因素分析；主要考慮指標(biāo)為無效苗率Rw、吸苗失敗率Rx、移動掉落率Rd和放苗失敗率Rf。評價指標(biāo)和移栽失敗影響因素定義為

SY=W7/W3×100%

(1)

Rw=W2/W1×100%

(2)

Rx=W4/W3×100%

(3)

Rd=W5/W3×100%

(4)

Rf=W6/W3×100%

(5)

式中W1——每組試驗中馬鈴薯組培苗總數(shù)，株

W2——每組試驗中組培苗由生理原因?qū)е挛赐耆L發(fā)育或死亡的無效苗數(shù)，株

W3——每組試驗中完全生長發(fā)育的組培苗數(shù)，株

W4——取苗過程中，被切斷的組培苗，因未吸到、苗間根須拉扯掉落等造成吸苗失敗的苗數(shù)，株

W5——取苗后，在移動過程中因振動導(dǎo)致組培苗掉落的苗數(shù)，株

W6——放苗過程中，苗根部未伸入穴孔、被吹至穴孔外或未吹落的苗數(shù)，株

W7——成功移栽的組培苗數(shù)，株

4.3 試驗結(jié)果與分析

對36盒馬鈴薯組培苗進(jìn)行試驗，其移栽過程如圖13所示，試驗結(jié)果及分析如表3所示，A、B、C、D為因素水平值。

表3 試驗結(jié)果與分析Tab.3 Experimental results and analysis

圖13 正交試驗移栽過程Fig.13 Orthogonal experiments process of transplanting

根據(jù)各因素的k值確定最優(yōu)組合為A3B2C2D3,即當(dāng)d=15 mm,v1=50 mm/s，p1=1 000 Pa,h=45 mm時，馬鈴薯組培苗移栽末端執(zhí)行器的移栽成功率最高，試驗效果最好。4個因素對移栽成功率影響主次順序為D、C、A、B。

因素B的偏差平方和最小，故以B的偏差平方和作為誤差平方和進(jìn)行方差分析，其結(jié)果如表4所示。根據(jù)結(jié)果可知，苗吸附高度h對末端執(zhí)行器的移栽成功率有顯著性影響，穴盤孔直徑d和吹苗正壓p1對移栽成功率沒有顯著性影響。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

苗吸附高度h對末端執(zhí)行器的移栽成功率有顯著性影響，其主要原因是h越大，吸附組培苗的位置越高，苗的整體重心在吸嘴越向下，苗的根部伸入穴盤孔中越深。當(dāng)正壓吹苗和推苗裝置輔助推苗時，伸入穴盤孔中的苗根部具有一定導(dǎo)向作用，有利于苗落入孔中；苗的整體重心較低，吸嘴處吹正壓后，苗將向斜下方落下，實現(xiàn)放苗。從正交試驗結(jié)果分析中可看出，苗吸附高度為3個水平中最小值時，試驗的移栽成功率均較低。由方差分析結(jié)果中看出，因素A和C對末端執(zhí)行器的移栽成功率影響基本相同，原因可能是穴盤孔直徑越大，則組培苗根部越容易伸入孔中，苗更易落入孔內(nèi)；吹苗正壓過小時，可能無法將組培苗吹落，但在推苗裝置作用下，大部分均可落下；吹苗正壓過大時，可能會將組培苗直接吹出孔外，導(dǎo)致移栽成功率降低。因素B主要是通過速度不同，造成取苗裝置的振動幅度不同，使組培苗在移動過程中掉落，以此來影響移栽成功率。在試驗中，為保證在最優(yōu)條件下進(jìn)行移栽試驗，將真空值調(diào)節(jié)為最大，因此對組培苗的吸附效果較好，在試驗中只有少數(shù)組培苗掉落，故該因素對移栽成功率影響較小。

根據(jù)最優(yōu)組合條件A3B2C2D3，使用8盒組培苗，理論上共200株(其中無效苗率Rw=8.5%)進(jìn)行驗證試驗，試驗結(jié)果如圖14所示，馬鈴薯組培苗末端執(zhí)行器的移栽成功率為87.98%，均高于正交試驗中各組結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖14 驗證試驗結(jié)果Fig.14 Verification experiments result

吸附式末端執(zhí)行器取苗位置與放苗位置在豎直方向高度差為15 mm，在水平方向最小距離為435 mm，即取苗位置與穴盤中第一排穴孔的水平距離；在水平方向最大距離為795 mm，即取苗位置與穴盤中第10排穴孔的水平距離。根據(jù)吸附式末端執(zhí)行器的株距調(diào)整速度和整體機械臂移動速度，可計算出每穴盤的移栽耗時為172.5 s,移栽效率約為2 087株/h，滿足移栽要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計的馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執(zhí)行器由變距機構(gòu)、真空取苗機構(gòu)、推苗裝置和控制系統(tǒng)組成，該末端執(zhí)行器移栽結(jié)果達(dá)到農(nóng)藝要求，工作一次能移栽5株組培苗。不僅提高了組培苗的移栽效率，也為單次取多株苗的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了思路。

(2)當(dāng)穴盤孔直徑d=15 mm，株距調(diào)整速度v1=50 mm/s，吹苗正壓p1=1 000 Pa，苗吸附高度h=45 mm時，組培苗的移栽成功率最高，為87.98%。

(3)苗吸附高度h對末端執(zhí)行器的移栽成功率有顯著性影響，吸附組培苗的位置越高，苗的整體重心在吸嘴越下方，則苗的根部伸入穴盤孔中的深度越深，苗更易落入穴孔內(nèi)。因此在保證組培苗頂端能夠伸出穴孔的情況下，盡可能提高吸附高度。

(4)末端執(zhí)行器在取苗過程中，通過吸嘴處產(chǎn)生負(fù)壓吸附組培苗，對組培苗的機械損傷較小。但如果組培苗生長情況較差，組培苗間根須纏繞和交叉生長，則末端執(zhí)行器取苗移動時，相鄰一排的組培苗將會拉扯吸附的組培苗，導(dǎo)致末端執(zhí)行器成功吸附的組培苗掉落，移栽效果較差。因此，為了減少組培苗之間的干擾，后續(xù)可設(shè)計對應(yīng)的梳理裝置。