摘 要:茄果類蔬菜種植規(guī)模大,育苗移栽環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。為提高茄果類蔬菜移栽質(zhì)量和效率,自動(dòng)移栽機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。夾取式取苗機(jī)構(gòu)是茄果類蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件,該部件的性能將直接影響移栽缽苗的質(zhì)量。綜述了夾取式(夾莖式和夾缽式兩類)取苗機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,在總結(jié)和分析夾莖式和夾缽式取苗機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)和工作原理的基礎(chǔ)上,分析了制約夾取式取苗機(jī)構(gòu)和茄果類自動(dòng)移栽機(jī)發(fā)展的原因,并從提高農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合程度;提高控制系統(tǒng)精度,增強(qiáng)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)材質(zhì)的相關(guān)研究;提高移栽機(jī)的自動(dòng)化、智能化和一體化程度等方面提出了該領(lǐng)域未來(lái)的研發(fā)重點(diǎn)。
關(guān)鍵詞:茄果類蔬菜;自動(dòng)移栽機(jī);取苗機(jī)構(gòu);夾取式;綜述
中圖分類號(hào):S223.94;S641.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-060X(2023)04-0103-06
Abstract: Solanaceous vegetables are grown on a large scale. Their seedling transplanting is labor-intensive and inefficient. In order to improve the quality and efficiency of solanaceous vegetables transplanting, automatic transplanting machine comes into being. A clamping type seedling picking mechanism is a key component of the automatic transplanting machine for solanaceous vegetables, and the performance of this component will directly affect the quality of transplanting potted seedlings. This paper summarizes the research status on two types of commonly used seedling picking mechanisms, namely, stem clamping type and bowl clamping type, and according to their advantages, disadvantages and working principle, further analyzes the reasons limiting the development of clamping type seedling picking mechanism and automatic transplanting machine for solanaceous vegetables. Finally, it points out the future research will focus on: enhancing the combining of agricultural machinery and agronomy; improving accuracy of the control system of seedling extraction mechanism, and strengthening research on materials of seedling picking mechanisms; and improving the automated, intelligent and integrated levels of transplanters.
Key words: solanaceous vegetables; automatic transplanting machine; seedling picking mechanism; clamping type; review
茄果類蔬菜是人們?nèi)粘I钪械谋匦杵罚休^高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1]。育苗移栽是目前最主要的蔬菜移栽種植方式[2],育苗移栽機(jī)有利于提高移栽效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低人工成本等優(yōu)點(diǎn)[3]。隨著農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力人口的減少以及老齡化的加劇,移栽機(jī)的自動(dòng)化、智能化、多功能化和通用性逐漸成為了發(fā)展趨勢(shì)。
蔬菜移栽取苗機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的核心裝置[4],目前普遍采用夾取方式取苗。為了提高育苗移栽的效率和質(zhì)量,人們對(duì)取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型和驅(qū)動(dòng)方式做了較多的研究[5]。筆者綜述了目前國(guó)內(nèi)外夾取式自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,并根據(jù)缽苗的夾持部位將夾取式取苗機(jī)構(gòu)分為夾莖式和夾缽式2大類,分析了其優(yōu)缺點(diǎn),并對(duì)我國(guó)茄果類蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出建議,為今后我國(guó)茄果類蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)的研制提供參考。
1 夾取式取苗機(jī)構(gòu)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)外常用的夾取式取苗機(jī)構(gòu)總體上分為夾莖式、夾缽式2大類。夾莖式取苗機(jī)構(gòu)的取苗方式是通過(guò)夾持手指末端夾持靠近缽苗根部往上的莖稈處進(jìn)行莖稈夾取和移栽?,F(xiàn)有的夾莖式取苗機(jī)構(gòu)適應(yīng)于辣椒、茄子、番茄等莖稈粗壯的幼苗品種[6]。為減小缽苗移栽的損傷率,夾持力精確控制逐漸成為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[7]。夾缽取苗機(jī)構(gòu)的取苗方式為取苗針插入缽苗基質(zhì),對(duì)缽苗進(jìn)行提取和移栽,夾缽式取苗方式對(duì)取苗針插入基質(zhì)的夾取角度、取苗針個(gè)數(shù)和取苗爪的夾持力也有較高要求。
1.1 夾莖式取苗機(jī)構(gòu)
1.1.1 凸輪擺桿式取苗機(jī)構(gòu) 凸輪擺桿式取苗機(jī)構(gòu)的工作原理為凸輪機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為控制夾持手指實(shí)現(xiàn)張開(kāi)和閉合功能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng),擺桿的運(yùn)動(dòng)路徑確定了取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)路徑,提高了缽苗的移栽成功率[8]。李華等[9]設(shè)計(jì)了一種凸輪擺桿式夾莖式取苗機(jī)構(gòu)(圖1),凸輪將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)擺桿變?yōu)閵A緊塊的直線運(yùn)動(dòng),夾緊塊的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制夾苗片的張開(kāi)和閉合,實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)的取苗和投苗作業(yè)。
1.1.2 推桿式取苗機(jī)構(gòu) 推桿式取苗機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由電機(jī)、氣缸、電動(dòng)推桿等組成,其工作原理是通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制推桿做間歇直線往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而間接控制夾持手指張開(kāi)和閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移栽機(jī)取苗和投苗作業(yè)。控制夾持手指張開(kāi)和閉合的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般采用連桿、彈簧或者滑塊等機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Shao等[10]采用可以往復(fù)移動(dòng)的末端執(zhí)行器,研制了一種多適應(yīng)性秧盤的插秧自動(dòng)移載裝置(圖2),通過(guò)調(diào)整整排末端執(zhí)行器的數(shù)量和間距,提高了其效率和適應(yīng)性。
1.1.3 行星輪系–齒輪取苗機(jī)構(gòu) 行星輪系–齒輪取苗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)主要由行星架、取苗臂、行星輪、中間輪與太陽(yáng)輪等組成。其工作原理是齒輪的嚙合驅(qū)動(dòng)行星架轉(zhuǎn)動(dòng),行星架帶動(dòng)固接于行星輪的取苗臂完成取苗和投苗動(dòng)作[11]。趙勻等[12]為提高茄子缽苗的移栽效率,設(shè)計(jì)了一種非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu),通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真分析驗(yàn)證了移栽機(jī)構(gòu)的可行性。沈明[13]設(shè)計(jì)了一種非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu),滿足了水稻“8”字型特定軌跡移栽要求,其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示,當(dāng)時(shí)該項(xiàng)目已完成了軌跡的驗(yàn)證和關(guān)鍵位置的姿態(tài)分析,并采用單排取苗的方式驗(yàn)證了取苗機(jī)構(gòu)的可行性。
1.1.4 夾取振動(dòng)復(fù)合式取苗機(jī)構(gòu) 夾取振動(dòng)復(fù)合式取苗機(jī)構(gòu)的工作原理是利用振動(dòng)裝置將缽苗震動(dòng)松脫,再用取苗機(jī)構(gòu)將缽苗從穴盤中取出[14]。姚思博等[15]設(shè)計(jì)了一種夾取振動(dòng)式取苗機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)新穎,取苗機(jī)構(gòu)整機(jī)圖如圖4所示,通過(guò)力學(xué)模型和振動(dòng)學(xué)模型得出了振動(dòng)電機(jī)的振動(dòng)頻率、振幅和缽苗基質(zhì)含水率與取苗成功率的關(guān)系。
1.1.5 機(jī)械手式取苗機(jī)構(gòu) 機(jī)械手式取苗機(jī)構(gòu)主要由機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂或者滑臺(tái)等運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)和氣缸等驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳感器和控制器等組成。其工作原理是運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)攜帶抓取機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到取投苗位置,控制器讀取傳感器檢測(cè)信號(hào),進(jìn)行取苗和投苗動(dòng)作,完成缽苗的移栽[16]。為提高新疆半自動(dòng)移栽機(jī)的效率,韓長(zhǎng)杰等[17]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械手式取苗機(jī)構(gòu)的辣椒缽苗自動(dòng)移栽機(jī),提高了辣椒缽苗移栽效率,試驗(yàn)測(cè)得移栽機(jī)平均取投苗成功率達(dá)到97.07%。
1.1.6 曲柄滑塊取苗機(jī)構(gòu) 曲柄滑塊取苗機(jī)構(gòu)由曲柄滑塊、滑槽、夾持手指、用于控制苗針開(kāi)合的推桿或滑塊等組成,其工作原理是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)連接取苗爪在滑槽內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng),滑槽的兩端點(diǎn)分別為取苗和投苗位置,取苗機(jī)構(gòu)在取投苗位置完成取苗和投苗動(dòng)作[18]。Wen等[19]設(shè)計(jì)了一種雙曲柄五桿栽植機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了零速度栽植。
1.1.7 旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu) 旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)工作原理為先將缽苗從穴盤中取出,通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行移栽[20]。朱興亮等[21]設(shè)計(jì)一種基于導(dǎo)軌和驅(qū)動(dòng)輥實(shí)現(xiàn)取苗爪自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的取放苗機(jī)構(gòu),如圖5所示。
1.2 夾缽式取苗機(jī)構(gòu)
1.2.1 機(jī)械臂取苗機(jī)構(gòu) 機(jī)械臂取苗機(jī)構(gòu)的工作原理是通過(guò)控制系統(tǒng)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、伸縮使其械臂末端的手爪到達(dá)指定位置完成取苗和投苗動(dòng)作[22]。Paradkar等[23]研制了一種蔬菜插秧機(jī)自動(dòng)計(jì)量機(jī)構(gòu)(圖6),運(yùn)用一個(gè)三軸的機(jī)械臂取苗機(jī)構(gòu)來(lái)采摘和投放在可生物降解紙罐中培育的番茄幼苗,提高了蔬菜幼苗的機(jī)械化移栽。
為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)機(jī)械臂取苗機(jī)構(gòu)的自動(dòng)化程度,Rahul等[24]提出采用機(jī)電一體化方法來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種包含2個(gè)自由度、5個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的平行機(jī)械臂結(jié)構(gòu),可以更改一行內(nèi)拾取點(diǎn)的數(shù)量和拾取位置的坐標(biāo)。
1.2.2 行星輪系–齒輪取苗機(jī)構(gòu) 夾缽式與夾莖式行星輪系–齒輪取苗機(jī)構(gòu)工作原理相同。二者夾持手指不同,夾莖式夾持手指為夾片式,夾缽式夾持手指為指針式。Wang等[25]設(shè)計(jì)了一種非圓齒輪行星輪系移栽機(jī)構(gòu),可以滿足缽苗不同位姿的移栽要求,具有不傷苗、通風(fēng)充分等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械臂式取苗機(jī)構(gòu)可以滿足對(duì)取苗位姿的較高要求,Zhao等[26]提出了一種雙行星架齒輪移栽機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了花卉的高垂直度、大位移栽要求。Yin等[27]針對(duì)雙臂移栽機(jī)構(gòu)的移栽臂容易造成秧苗損傷和缺失的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種水稻盆栽三臂插秧機(jī)構(gòu),建立虛擬樣機(jī),通過(guò)虛擬仿真獲得移植機(jī)構(gòu)的工作軌跡和姿態(tài)該機(jī)構(gòu)的工作原理為通過(guò)非圓輪系的不等速傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘、運(yùn)輸、種植,提高了移栽缽苗的質(zhì)量。
1.2.3 曲柄滑塊取苗機(jī)構(gòu) 夾缽式與夾莖式曲柄滑塊取苗機(jī)構(gòu)的工作原理相同。石河子大學(xué)的馬曉曉等[28]設(shè)計(jì)了一種番茄缽苗自動(dòng)取苗裝置(圖8),通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的傷苗率、漏苗率、取苗成功率,取得了較為理想的結(jié)果,而且該裝置還具備良好的抗干擾能力。
1.2.4 擺桿式取苗機(jī)構(gòu) 擺桿式取苗機(jī)構(gòu)主要特點(diǎn)為取苗機(jī)構(gòu)與穴盤苗輸送機(jī)構(gòu)之間形成一定夾角,其工作原理為電機(jī)驅(qū)動(dòng)擺桿構(gòu)件在取苗和投苗位置往復(fù)擺動(dòng),完成缽苗的移栽[29]。Han等[30]設(shè)計(jì)了一種門框自動(dòng)移栽機(jī)擺動(dòng)取苗裝置(圖9),可以有效完成取苗、轉(zhuǎn)移和投苗的有效工作循環(huán)。
1.2.5 推桿取苗機(jī)構(gòu) 夾缽式推桿取苗機(jī)構(gòu)與夾莖式推桿取苗機(jī)構(gòu)的工作原理是相同的,二者夾持手指不同。浙江大學(xué)的蔣卓華等[31]基于常規(guī)插拔式和夾取式末端執(zhí)行器的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一種單氣缸驅(qū)動(dòng)的插拔夾取式末端執(zhí)行器,解決了大多數(shù)夾缽式末端執(zhí)行中根部插頭或者釋放插頭存在的問(wèn)題,該末端執(zhí)行器指針可調(diào)節(jié)插入深度和入土角度。
2 目前取苗機(jī)構(gòu)存在的主要問(wèn)題
2.1 取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制精度低、傷苗率高
例如行星輪系–齒輪取苗機(jī)構(gòu)一般都存在齒輪間隙的嚙合誤差,使得控制運(yùn)動(dòng)精度偏低,進(jìn)而導(dǎo)致夾片夾取莖稈的力度出現(xiàn)誤差,存在因控制精度低而導(dǎo)致傷苗率的問(wèn)題。
2.2 取苗機(jī)構(gòu)功能簡(jiǎn)單、效率低
育苗移栽機(jī)存在運(yùn)動(dòng)過(guò)程單一、功能簡(jiǎn)單、精度低等問(wèn)題,導(dǎo)致缽苗移栽效率低。移栽機(jī)還存在作業(yè)速度慢、取苗效率低、傷苗率較高、整機(jī)作業(yè)時(shí)震動(dòng)大的問(wèn)題。
2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)和材質(zhì)難以創(chuàng)新
例如大多數(shù)推桿式取苗機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和推桿間接控制夾片的開(kāi)合實(shí)現(xiàn)取苗,機(jī)械結(jié)構(gòu)難以創(chuàng)新。同時(shí),由于植株幼苗比較細(xì)嫩,沒(méi)有較為合適的高質(zhì)量、高效率、低損傷的取苗材質(zhì)。
3 發(fā)展建議
3.1 提高農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合程度
提高農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的融合,促進(jìn)制缽、育苗、移栽等幾個(gè)階段體系化、規(guī)范化,減少人工成本。增加對(duì)不同品種穴盤苗適宜移栽的土壤類型展開(kāi)研究,提高育苗移栽質(zhì)量。
3.2 提高控制系統(tǒng)精度,增強(qiáng)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)材質(zhì)的相關(guān)研究
一方面提高取苗機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)精度,如增加PID算法、神經(jīng)網(wǎng)路算法、機(jī)器視覺(jué)等先進(jìn)技術(shù)。另一方面從取苗機(jī)構(gòu)的機(jī)械式結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等方面來(lái)改進(jìn)和創(chuàng)新,優(yōu)化移栽機(jī)各機(jī)構(gòu)的性能,提高移栽機(jī)作業(yè)速度。
3.3 提高移栽機(jī)的自動(dòng)化、智能化和一體化程度
未來(lái)應(yīng)從人工智能技術(shù)、算法的融合角度來(lái)改進(jìn)和創(chuàng)新育苗移栽機(jī),應(yīng)加速機(jī)器視覺(jué)、導(dǎo)航、無(wú)線遙感等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用,研發(fā)出趨向于機(jī)電一體化、智能化、無(wú)人化和多功能化的機(jī)械設(shè)備。在自動(dòng)移栽機(jī)滿足高速、穩(wěn)定、無(wú)損傷移栽作業(yè)要求的同時(shí),減少移栽作業(yè)時(shí)整機(jī)產(chǎn)生的震動(dòng)、噪聲和其他因素對(duì)蔬菜幼苗的影響。
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(責(zé)任編輯:張煥裕)