溫室穴盤(pán)苗并聯(lián)移栽機(jī)器人不同路徑下的移栽試驗(yàn)研究

周昕，蔡靜

（310021 浙江省 杭州市 浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院）

0 引言

溫室穴盤(pán)苗移栽技術(shù)是設(shè)施農(nóng)業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，其自動(dòng)化作業(yè)水平直接影響溫室蔬菜的規(guī)?；a(chǎn)效率[1-3]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)溫室穴盤(pán)苗移栽技術(shù)研究較早，學(xué)者主要依托機(jī)械臂進(jìn)行穴盤(pán)苗的移栽作業(yè)[4-7]。Ryu 等人開(kāi)發(fā)了一套配備圖像識(shí)別的移栽機(jī)器人，試驗(yàn)中移栽效率可達(dá)到20～25 株/min[8]；VISSER 公司研發(fā)的PC-21 移栽機(jī)適用于64～72 孔穴盤(pán)移栽，該機(jī)采用指針插入式結(jié)構(gòu)，取苗成功率較高，平穩(wěn)運(yùn)行下取苗效率達(dá)到200～280 株/min[9]；Thierry[10]針對(duì)工作空間問(wèn)題，制定了相應(yīng)的路徑軌跡規(guī)劃，并提出了一種近似最優(yōu)的方法。國(guó)內(nèi)針對(duì)溫室穴盤(pán)苗并聯(lián)移栽技術(shù)的研究開(kāi)展比較晚。馬履中[11]等人首次提出了基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的穴盤(pán)苗移栽機(jī)，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人應(yīng)用于移栽機(jī)上的可行性進(jìn)行了探索和嘗試；胡建平[12]等人設(shè)計(jì)了一款高速移栽機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)在二維平面內(nèi)的取苗和載苗作業(yè)任務(wù)；楊啟志[13]等人設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)式三平移移栽機(jī)器人對(duì)溫室穴盤(pán)苗移栽作業(yè)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)移栽軌跡末端存在振蕩問(wèn)題；周昕[14]等人設(shè)計(jì)了一款集成式的溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人，并進(jìn)行了初步的移栽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)移栽效果的影響最大。

并聯(lián)機(jī)器人的特點(diǎn)非常顯著[15-16]，國(guó)內(nèi)針對(duì)溫室穴盤(pán)苗并聯(lián)移栽機(jī)器人的研究還不全面。本文針對(duì)不同移栽路徑進(jìn)行仿真試驗(yàn)及樣機(jī)試驗(yàn)對(duì)比，分析并聯(lián)移栽機(jī)器人的工作空間仿真結(jié)果，并針對(duì)黃瓜穴盤(pán)苗的溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人進(jìn)行移栽試驗(yàn)。

1 并聯(lián)移栽設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)確定

并聯(lián)移栽機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。動(dòng)平臺(tái)始終與靜平臺(tái)處于平行位置關(guān)系，動(dòng)力源固定安裝在靜平臺(tái)上，主動(dòng)桿以轉(zhuǎn)動(dòng)副與靜平臺(tái)相連接，從動(dòng)桿與主動(dòng)桿鉸接。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)移栽機(jī)器人由框架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)器人以及輸送裝置三大部件組成；一條輸送線(xiàn)將128 孔穴盤(pán)苗輸送至指定作業(yè)區(qū)域，另一條輸送裝置將72 孔空穴盤(pán)輸送至等待移栽作業(yè)區(qū)域。整體框架結(jié)構(gòu)用于安裝并聯(lián)機(jī)器人，移栽作業(yè)區(qū)域確定。參見(jiàn)圖2。

整個(gè)溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人與輸送裝置集成后，輸送裝置通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)鏈條運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定的圈數(shù)后，穴盤(pán)擋板推動(dòng)穴盤(pán)移動(dòng)一定的距離，到達(dá)指定移栽作業(yè)區(qū)域后停止輸送裝置的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，等待移栽作業(yè)。移栽機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在靜平臺(tái)上，驅(qū)動(dòng)并聯(lián)移栽機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)PLC控制末端取苗爪的移栽作業(yè)。

2 移栽路徑規(guī)劃

穴盤(pán)苗在進(jìn)行移栽作業(yè)時(shí)，需要對(duì)移栽策略進(jìn)行優(yōu)選與分析，不同移栽策略及移栽路徑規(guī)劃直接影響移栽作業(yè)質(zhì)量。

2.1 基本參數(shù)

本文研究將已經(jīng)培育好的128 孔黃瓜穴盤(pán)苗移栽至72 孔穴盤(pán)的移栽作業(yè)，穴盤(pán)規(guī)格基本參數(shù)如表1 所示，用于育苗的128 孔穴盤(pán)實(shí)物和規(guī)格如圖3 所示。

表1 穴盤(pán)參數(shù)表Tab.1 Parameters for plug trays

2.3 移栽流程分析

針對(duì)128 孔黃瓜幼苗生長(zhǎng)移栽需求，以移栽效果和移栽質(zhì)量作為目標(biāo)，需要針對(duì)移栽機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行移栽路徑規(guī)劃與研究。移栽作業(yè)時(shí)，移栽機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要完成從源穴盤(pán)中取苗、沿著路徑運(yùn)動(dòng)、到達(dá)目標(biāo)穴盤(pán)、最后再針對(duì)目標(biāo)穴盤(pán)的指定穴孔進(jìn)行植苗作業(yè)等工作，然后末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)再回到起始位置，如此完成一個(gè)作業(yè)流程，移栽路徑如圖4 所示。

3 移栽路徑分析

3.1 路徑分析

若源穴盤(pán)和目標(biāo)穴盤(pán)成排輸送，以按行、門(mén)子型路徑移栽，對(duì)移栽路徑進(jìn)行分析。假設(shè)目標(biāo)穴盤(pán)的移栽都以最靠近源穴盤(pán)的一側(cè)作為基準(zhǔn)，則將載苗順序規(guī)定設(shè)置為以從左往右為準(zhǔn)。

若按行移栽的取苗順序是以源穴盤(pán)苗橫向第1行開(kāi)始取苗，從距離目標(biāo)穴盤(pán)最近的苗為起始，依次從第1 行的右側(cè)開(kāi)始往左取苗，將目標(biāo)穴盤(pán)苗的第1 行全部移栽完畢，再對(duì)目標(biāo)穴盤(pán)的第2 行進(jìn)行移栽，其移栽路線(xiàn)如圖5 所示。

依然從第1 行取苗，從距離最遠(yuǎn)的第1 行最左側(cè)進(jìn)行依次取苗，然后對(duì)目標(biāo)穴盤(pán)進(jìn)行移栽，取苗順序如圖6 所示。

3.3 移栽機(jī)器人工作空間仿真分析

利用MATLAB 軟件求解限制條件下的工作空間范圍并繪制出并聯(lián)機(jī)器人的工作空間云圖，如圖7 所示。

本設(shè)計(jì)的溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人的工作區(qū)間為6 000 mm×4 800 mm×1 300 mm。由圖7 可以看出，仿真結(jié)果顯示溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人的工作空間為12 000 mm×13 000 mm×19 000 mm，經(jīng)過(guò)分析，設(shè)計(jì)的溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人符合移栽作業(yè)需求。

4 移栽試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)的黃瓜苗生長(zhǎng)周期為6 周，黃瓜苗整體苗株高度約為12 cm 左右，此時(shí)黃瓜穴盤(pán)苗生長(zhǎng)較好，含水率適宜，苗株盤(pán)根性能狀況較好，移栽作業(yè)時(shí)損傷率較低。移栽作業(yè)時(shí)，黃瓜穴盤(pán)苗生長(zhǎng)情況的基本參數(shù)如表2 所示。

表2 移栽作業(yè)時(shí)黃瓜穴盤(pán)苗參數(shù)Tab.2 Parameters of cucumber plug seedlings during transplanting operation

4.2 樣機(jī)移栽試驗(yàn)

溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人的工作空間是實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)功能的基本前提，通過(guò)進(jìn)行穴盤(pán)苗移栽試驗(yàn)可以檢驗(yàn)機(jī)器人在研究的工作空間內(nèi)是否具備良好的工作性能，是檢驗(yàn)理論設(shè)計(jì)與實(shí)際移栽試驗(yàn)是否具備統(tǒng)一性的直接方法。

源穴盤(pán)和目標(biāo)穴盤(pán)輸送到指定移栽區(qū)域待移栽作業(yè)位置后，如圖8 所示。設(shè)定并聯(lián)移栽機(jī)器人的移栽加速度從5 mm/s2遞增至50 mm/s2，遞增量為5 mm/s2，移栽作業(yè)完成后以相同的回程加速度30 mm/s2返回源穴盤(pán)進(jìn)行下一次移栽作業(yè)，試驗(yàn)結(jié)果以人工計(jì)數(shù)方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

為了便于統(tǒng)計(jì)和后期計(jì)算，源穴盤(pán)采用4 盤(pán)符合需求的黃瓜苗，以移栽苗株數(shù)500 為基數(shù)進(jìn)行移栽對(duì)比試驗(yàn)，“右-左”移栽試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，“右-左-右”移栽試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

根據(jù)表3 的移栽合格率結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移栽加速度低于30 m/s2時(shí)，移栽合格率隨著其增加而逐步遞減；當(dāng)移栽加速度超過(guò)30 m/s2時(shí)，苗株破碎率和掉苗率明顯增加，移栽合格率顯著下降。

表3 “右-左”移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of "Right -Left" transplanting trajectory

根據(jù)表4 中的移栽結(jié)果對(duì)比分析得到，當(dāng)移栽加速度低于30 m/s2時(shí)，移栽合格率逐步遞減；當(dāng)移栽加速度超過(guò)30 m/s2時(shí)，苗株破碎率和掉苗率顯著增多，移栽合格率明顯下降。

表4 “右-左-右”移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of "Right -Left-Right"transplanting trajectory

以同樣的移栽加速度和加速度增量對(duì)穴盤(pán)苗進(jìn)行移栽試驗(yàn)，以500 株黃瓜苗作為基準(zhǔn)，其“左-右”移栽試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示，“左-右-左”移栽試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表5 “左-右”移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of "Left-Right " transplanting trajectory

根據(jù)表5 的移栽結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移栽加速度低于30 m/s2時(shí)，隨著移栽加速度不斷提高，移栽合格率逐步降低；當(dāng)移栽加速度超過(guò)30 m/s2時(shí)，移栽合格率的降低明顯。

根據(jù)表6 的移栽結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移栽加速度低于30 m/s2時(shí)，隨著移栽加速度不斷提高，移栽合格率逐步降低；當(dāng)移栽加速度超過(guò)30 m/s2時(shí)，黃瓜苗的破碎率和掉苗呂顯著提高，移栽合格率的明顯降低。

5 結(jié)論

溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人的移栽效果的影響因素較多，如并聯(lián)移栽機(jī)器人的作業(yè)精度、移栽時(shí)溫度、濕度、苗缽自身情況，如苗株高度、含水率、根系生長(zhǎng)情況等。

移栽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加速度超過(guò)30 m/s2時(shí)，移栽合格率逐步下降，說(shuō)明移栽加速度在移栽過(guò)程中對(duì)移栽效果的影響較大。

根據(jù)黃瓜穴盤(pán)苗的移栽試驗(yàn)結(jié)果分析，移栽取苗路徑對(duì)黃瓜苗的移栽也存在一定的影響，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，“左-右-左”和“右-左-右”兩種路徑下的移栽結(jié)果均分別略差于“左-右”和“右-左”型移栽路徑，引起移栽結(jié)果差異的原因可能是并聯(lián)移栽機(jī)器人在門(mén)字型路徑的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處發(fā)生振蕩，導(dǎo)致移栽合格率下降。