一體式蔬菜缽苗取苗爪夾持力檢測傳感器設(shè)計與試驗

金 鑫 索宏斌 張恒毅 姬江濤,3 張 博 林 誠

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院, 洛陽 471003; 2.龍門實驗室成套裝備科技創(chuàng)新中心, 洛陽 471003;3.河南省機(jī)械裝備先進(jìn)制造協(xié)同創(chuàng)新中心, 洛陽 471003)

0 引言

缽苗夾持力是指移栽機(jī)作業(yè)過程中取苗爪對穴盤苗缽體基質(zhì)的作用力,是決定缽體破損率與取苗成功率的關(guān)鍵因素[1]?，F(xiàn)有的移栽取苗機(jī)構(gòu)多采用純機(jī)械夾緊方式,缺少對取苗夾持力的感知與檢測[2]。移栽過程中受穴盤苗品種、生長狀況以及移栽機(jī)穩(wěn)定性等因素影響,容易導(dǎo)致缽苗夾持力發(fā)生改變,出現(xiàn)穴盤苗缽體破損、散坨、漏栽等問題[3-5]。同時,傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方式易造成夾持力變化,影響取苗爪正常取投動作與傳感器自身精度及使用壽命[6-8]。因此,開展傳感器檢測與取苗爪作業(yè)互適性研究,在實現(xiàn)夾持力檢測不干涉取苗爪正常工作的同時,可為后續(xù)移栽機(jī)末端執(zhí)行器反饋控制研究提供技術(shù)支撐,對全自動蔬菜缽苗移栽機(jī)智能升級與低損高效作業(yè)具有重要意義。

為提高缽苗移栽質(zhì)量,國內(nèi)外相關(guān)人員做了大量有益探索與研究,相繼出現(xiàn)了一些夾持力檢測方法與裝置。TING等[9]采用電容式位移傳感器檢測夾持機(jī)構(gòu)對缽苗施加的夾持力,但檢測精度低、靈敏度差;COTTON等[10]將壓電陶瓷作為敏感元件,通過計算傳感器與接觸物體間的摩擦因數(shù),檢測并調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)施加果蔬上的夾持力。周俊等[11]用壓敏電阻作為敏感材料制作了一種靈敏的觸覺傳感器,用于感知果蔬抓取過程中的力。崔玉國等[12]提出用電阻應(yīng)變片來檢測鉗指的夾持力,采用柔性杠桿放大機(jī)構(gòu),實現(xiàn)了微小夾持力的測量。JIANG等[13]將拉力與壓力傳感器集成在四針夾爪取苗末端執(zhí)行器上,測定并分析了穴盤與末端執(zhí)行器對缽體基質(zhì)的粘附力與夾持力。王俊等[14]利用壓電效應(yīng)將夾持力轉(zhuǎn)化為電荷量,通過將PVDF壓電薄膜粘貼在右取苗爪內(nèi)側(cè)表面的方式,實現(xiàn)了取苗爪對苗缽?qiáng)A持力的實時監(jiān)測。劉雙斌等[15]對絕緣硅橡膠填充納米導(dǎo)電填料制備出壓敏硅橡膠,實現(xiàn)壓力數(shù)值與范圍的檢測。LI等[16]基于線性霍爾元件研制了一種夾莖稈式末端執(zhí)行器,通過與取苗爪連接的彈性致動片產(chǎn)生類懸臂梁彎曲轉(zhuǎn)化為霍爾傳感器的電壓變化,實現(xiàn)對夾持力的檢測。在已有相關(guān)文獻(xiàn)中,對夾持力檢測多集中于果蔬采摘領(lǐng)域,其末端執(zhí)行器作業(yè)速度慢,傳感器安裝空間大,作業(yè)對象相對穴盤苗較大。針對蔬菜缽苗移栽機(jī)夾持力檢測,多通過機(jī)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化并配套檢測裝置實現(xiàn)夾持力檢測,少有對夾持力檢測傳感器與取苗爪作業(yè)過程的互適性研究。

基于上述研究,針對取苗爪體積小,夾持力檢測傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方式干涉取苗爪正常取投動作等問題,本文以PDMS薄膜為介電層,設(shè)計一種內(nèi)置式缽苗夾持力檢測傳感器,并采用嵌入方式與取苗爪一體化封裝,通過傳感器性能標(biāo)定試驗與室內(nèi)取苗試驗,驗證夾持力傳感器的穩(wěn)定性與適應(yīng)性。

1 取苗爪結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 研究對象

本文以入缽?qiáng)A取式全自動蔬菜缽苗移栽機(jī)取苗爪為研究對象,以取苗爪正常完成取投動作的同時實現(xiàn)夾持力檢測為目標(biāo),對移栽機(jī)取苗爪作業(yè)過程進(jìn)行分析。取苗移栽機(jī)部件及取苗爪如圖1所示。取苗過程為:穴盤運動到取苗爪夾取位置后,固定在凸輪上的取苗機(jī)構(gòu)帶動取苗爪運動,取苗爪由初始豎直狀態(tài)變?yōu)榍吧鞝顟B(tài),插入穴孔并夾緊穴盤苗缽體基質(zhì),之后隨輪系旋轉(zhuǎn)將缽苗帶出并投放至鴨嘴漏斗,取苗爪由前伸狀態(tài)變?yōu)樨Q直狀態(tài),準(zhǔn)備下一次夾取動作,如此循環(huán),完成取投苗作業(yè)。

圖1 取苗移栽機(jī)部件示意圖

1.2 缽苗夾持力受力分析

分析取苗爪夾持缽體基質(zhì)受力情況,可為傳感器安裝位置提供參考。不考慮缽體的蠕變及不均勻性,取苗過程中缽體基質(zhì)受力狀況如圖2所示。其中Fj1、Fj2為取苗爪對缽體基質(zhì)的夾持力,Ff1、Ff2為取苗爪對缽體基質(zhì)的摩擦力,Ff3、Ff4為缽穴與缽體基質(zhì)間的摩擦力,FN1、FN2為缽體基質(zhì)與缽穴間切向粘附力,FN3為缽體基質(zhì)與缽穴間法向粘附力,G為缽體基質(zhì)自身重力,β為夾持角度。為簡化計算,將缽體基質(zhì)在豎直向下的合力定義為FH,則FH滿足

圖2 取苗過程缽體受力分析

FH=(Ff3+Ff4+FN1+FN2)cosθ+FN3+G

(1)

由于取苗爪徑向尺寸較小且外表比較光滑,對缽體基質(zhì)的內(nèi)聚力影響較小,忽略取苗過程中取苗爪對缽體基質(zhì)損失率的影響。為保證取苗成功,缽體基質(zhì)在豎直方向上的合力必須滿足

(2)

Fj表示不同位置缽體基質(zhì)對取苗爪的作用力,方向與接觸面垂直,計算式為

Fj=σjA

(3)

式中σj——取苗爪不同位置處抗壓強(qiáng)度,kPa

A——缽體基質(zhì)的夾持受力面積,mm2

在計算中,一般將取苗爪對缽體基質(zhì)的夾持力簡化為Fj1、Fj2,在取苗爪夾緊過程中,缽體基質(zhì)的壓縮量隨著取苗爪插入深度的增加而增大,相應(yīng)的取苗爪測力區(qū)域與缽體基質(zhì)不同接觸位置夾持力也不同,傳感器無法準(zhǔn)確輸出所需的夾持力。為此,提出一種內(nèi)置式電容夾持力檢測傳感器,采用嵌入方式與取苗爪一體化封裝,通過表面保護(hù)層蓋板,將取苗爪測力區(qū)域受力平均分散在整個蓋板上,使接觸區(qū)域下壓距離相同,傳感器輸出準(zhǔn)確一致的夾持力,有效解決了因取苗爪測力區(qū)域不同位置夾持力不一致導(dǎo)致傳感器無法輸出有效值的問題。

1.3 取苗過程耦合仿真

針對夾持力受力分析的局限性,為使夾持力檢測更加精準(zhǔn),對取苗過程進(jìn)行柔性體-離散元耦合仿真,利用SolidWorks對取苗爪、穴盤進(jìn)行建模,將取苗爪導(dǎo)入ANSYS LS-PrePost中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,通過EDEM對缽體基質(zhì)建模,通過LS-Dyna軟件對取苗過程進(jìn)行柔性體-離散元耦合仿真,進(jìn)而得到取苗爪與缽體基質(zhì)受力云圖,仿真材料參數(shù)如表1所示。

表1 EDEM離散元仿真材料參數(shù)

其中,缽體基質(zhì)建模過程中,由于缽體基質(zhì)顆粒模型均為球形且半徑相差小,為方便模擬并減少計算量,統(tǒng)一將基質(zhì)顆粒尺寸半徑定為0.5 mm,根據(jù)128穴盤尺寸設(shè)置相應(yīng)的Total Mass,由Factory生成基質(zhì)顆粒并在重力作用下落入穴孔中,設(shè)置顆粒間接觸模型為EEPA模型,之后對模型額外施加壓板壓縮顆粒使基質(zhì)顆粒間生成連接鍵,最終得到缽體顆粒模型。缽體夾取仿真模型如圖3所示。

圖3 缽苗夾取仿真模型

仿真模擬取苗爪插入基質(zhì)及將基質(zhì)整體帶出兩個主要過程。如圖4所示,通過求解得到插入過程與提取過程中取苗爪與缽體基質(zhì)的受力云圖。

圖4 插取過程取苗爪與缽體基質(zhì)仿真應(yīng)力云圖

由仿真模擬取苗爪插入基質(zhì)并將基質(zhì)整體帶出兩個主要過程可知,夾取過程中取苗針與缽體基質(zhì)接觸部分最大受力區(qū)域為距尖端10～15 mm以上的長形區(qū)域,該區(qū)域是嵌入傳感器的最佳位置。

1.4 取苗爪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)取苗爪與缽體基質(zhì)間受力分析以及取苗過程夾持力仿真模型分析,設(shè)計在取苗爪距離入土尖端15 mm處開槽,開槽部分尺寸為6 mm×26 mm,深1.5 mm。根據(jù)栽植要求,取苗過程中取苗爪插入缽體基質(zhì)的深度為35～40 mm,因此,本設(shè)計可保證取苗爪插入缽體基質(zhì)時,傳感器與缽體基質(zhì)完全接觸。此外,取苗爪預(yù)留布線槽,布線槽深度0.2 mm,以便引出傳感器導(dǎo)線,待布線完成后,使用環(huán)氧樹脂膠將導(dǎo)線槽封閉。嵌入傳感器式取苗爪三維結(jié)構(gòu)和實物如圖5所示。

圖5 嵌入傳感器式取苗爪三維結(jié)構(gòu)與實物圖

2 傳感器原理設(shè)計

2.1 傳感器測量原理

電容感知是機(jī)器觸覺感知中最常用的原理之一,電容式傳感器具有高靈敏度和高分辨率的特點,能夠在機(jī)器振動、極端溫濕度等較為惡劣的環(huán)境中保持良好的工作性能[17-19]?，F(xiàn)針對缽苗夾持力檢測提出一種內(nèi)置式電容傳感器,利用其優(yōu)良性能獲取缽苗夾持力。電容式觸覺傳感器最常見的結(jié)構(gòu)形式是3層結(jié)構(gòu),主要由上下極板和介電層組成,結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 受壓后電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

電容傳感器的基本工作原理是基于被測物理量的變化可以轉(zhuǎn)換為電容變化的這一特點。兩極板間的距離發(fā)生微小變化時,將引起電容變化,通過對電容變化的轉(zhuǎn)換來測量施加在傳感器上的壓力。平行板電容器的電容為

(4)

式中ε0——真空介電常數(shù),F/m

εr——介電層相對介電常數(shù),F/m

A——兩極板間重疊面積,mm2

d——兩極板間距,μm

由式(4)可知,傳感器電容變化主要由上下極板間重疊面積A與兩極板間距d引起,由于本研究傳感器采用嵌入式安裝方式,極板間重疊面積始終保持不變,電容的變化主要通過外界施加壓力使傳感器極板間間距改變來實現(xiàn)。

2.2 傳感器結(jié)構(gòu)與封裝

大量研究表明,對介電層進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化處理是提高柔性壓力傳感器靈敏度等性能指標(biāo)的有效方法之一[20]。不同的微觀結(jié)構(gòu)和相對介電常數(shù)的介電層,對傳感器的靈敏度和響應(yīng)時間有很大的影響[21-23]。對此,本研究選用具有較小楊氏模量與較大介電常數(shù)的PDMS材料,可降低傳感器因初始電容小易受外界干擾的影響,傳感器對外表現(xiàn)高靈敏度與小量程特性,適用于本研究對夾持力的測量。介電層設(shè)計PDMS圓臺陣列結(jié)構(gòu),底部直徑100 μm,頂部直徑30 μm,高度45 μm,相鄰圓臺間隙100 μm,介電層整體尺寸為5 mm×25 mm。傳感器介電層結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 傳感器介電層結(jié)構(gòu)示意圖

傳感器由上下電極板與極板間介電層構(gòu)成。上下電極板分別固定在柔性聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜上,通過垂直排列在傳感器中形成電容器,電極板尺寸為5 mm×20 mm,介電層采用圓臺式結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜,取苗過程中,當(dāng)取苗爪對缽體基質(zhì)施加夾持力時,PDMS介電層被壓縮,兩電極板之間的間距減小,電容增加。當(dāng)缽苗夾持力發(fā)生變化時,PDMS介電層被壓縮的程度也隨之改變。撤去缽苗夾持力時,PDMS介電層由于其良好的彈性恢復(fù)形變。傳感器微結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

為實現(xiàn)取苗夾持力的檢測,將傳感器嵌入取苗爪開槽中,取苗爪與傳感器一體化封裝如圖9所示,包括嵌入傳感器式取苗爪、內(nèi)置式電容傳感器、鎳鉻合金保護(hù)層蓋板等。其中,傳感器尺寸為5 mm×25 mm,封裝時對取苗爪開槽部分表面進(jìn)行打磨,降低表面粗糙度對傳感器精度的影響,傳感器通過KH502膠水粘接在取苗爪內(nèi)。為降低高溫對傳感器性能影響,采用冷焊工藝對保護(hù)層蓋板與取苗爪進(jìn)行焊接,最后采用環(huán)氧樹脂膠對引出線部分進(jìn)行密封處理,以提高整體的防塵、防水性能。

圖9 傳感器與取苗爪一體化封裝

3 夾持力傳感器信號檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 信號采集硬件電路設(shè)計

由于表面保護(hù)層蓋板及封裝填充材料的影響,傳感器在外力作用下輸出信號較弱,取苗爪作業(yè)時受機(jī)械振動、噪聲信號干擾明顯。為提高信噪比,設(shè)計了信號調(diào)理電路對傳感器輸出信號進(jìn)行放大調(diào)理,信號調(diào)理電路主要包括頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊、一級電壓放大模塊、二階低通濾波模塊、二級電壓放大模塊。同時,為降低因過多電阻、電容等傳統(tǒng)元件搭建的信號調(diào)理電路帶來的穩(wěn)定性差、固有噪聲多的問題,本電路采用功能型集成芯片與傳統(tǒng)元件相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計,主要包括AD8052、INA826、OP07CD及若干電阻、電容、二極管等。信號采集處理電路流程如圖10所示。

圖10 信號采集處理電路流程圖

其中,頻率電壓轉(zhuǎn)換模塊主要由差動脈寬調(diào)制電路與一階低通濾波電路組成。其中,基于運算放大器AD8052設(shè)計差動脈寬調(diào)制電路,主要作用是將電容傳感器電容量變化轉(zhuǎn)換為脈寬信號輸出。一階低通濾波電路主要由電阻與電容組成,將脈寬信號輸入轉(zhuǎn)換為直流電壓信號輸出;基于儀表放大器INA826設(shè)計了電壓放大模塊,通過共模抑制,消除了兩個輸入上具有相同電位的任何信號,實現(xiàn)對輸入的直流電壓信號放大,同時,將電容的高阻抗輸入轉(zhuǎn)換為低阻抗輸出;通過電阻、電容搭建二階低通濾波電路模塊,實現(xiàn)對移栽機(jī)作業(yè)所產(chǎn)生高頻噪聲信號的濾除;為解決電路零飄與放大倍數(shù)過高導(dǎo)致輸出信號失真的問題,基于OP07CD搭建了二級電壓放大模塊,在電路未接入傳感器時,將逐級放大的無效信號調(diào)零,通過設(shè)置截止頻率,控制放大倍數(shù),完成對輸出信號的優(yōu)化。處理模塊基于Arduino開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計,核心處理器選用ATMEGA168PA單片機(jī),配套設(shè)計串口通信、USB通信、基準(zhǔn)電壓源電路,實現(xiàn)信號A/D轉(zhuǎn)換、傳輸與程序下載等功能。對信號調(diào)理電路制板,實物圖如圖11所示。

3.2 信號采集軟件設(shè)計

基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)了信號采集軟件,主要處理經(jīng)硬件電路調(diào)理后的穩(wěn)定電壓,其工作流程主要分為數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)保存3部分,數(shù)據(jù)分析前按需設(shè)置相關(guān)參數(shù),數(shù)據(jù)采集后,按設(shè)定路徑及文件格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存,同時通過交互界面實時顯示傳感器信號波形,并可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行回放,信號采集軟件交互界面如圖12所示。

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 傳感器性能標(biāo)定試驗

4.1.1標(biāo)定系統(tǒng)搭建

傳感器標(biāo)定系統(tǒng)主要由函數(shù)信號發(fā)生器、功率放大器、激振器、夾持力檢測傳感器、動態(tài)力薄膜傳感器、動態(tài)力信號采集卡、信號調(diào)理硬件電路、信號采集軟件、便攜式計算機(jī)組成,標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。

圖13 傳感器標(biāo)定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)定輸出正弦信號給功率放大器,調(diào)整功率放大器增益旋鈕對信號進(jìn)行放大使其具有帶負(fù)載能力,實現(xiàn)對激振器的驅(qū)動控制,激振器接收到信號后產(chǎn)生對應(yīng)幅度的振動,固定在取苗爪表面的動態(tài)力薄膜傳感器用來檢測激振器施加力值并通過動態(tài)力采集卡傳輸至計算機(jī)端信號采集軟件;同時,夾持力檢測傳感器受壓后將輸出的信號經(jīng)信號調(diào)理電路處理后傳輸至計算機(jī)端信號采集軟件,通過對記錄的壓力信號與電壓信號進(jìn)行擬合,得到校準(zhǔn)系數(shù),完成夾持力傳感器的標(biāo)定。傳感器標(biāo)定試驗現(xiàn)場如圖14所示。

圖14 傳感器標(biāo)定試驗現(xiàn)場圖

函數(shù)信號發(fā)生器為上海廣信友達(dá)實業(yè)有限公司生產(chǎn)的AFG1022型函數(shù)發(fā)生器,可設(shè)置輸出不同頻率的標(biāo)準(zhǔn)波形和任意波形;功率放大器為無錫世熬科技有限公司生產(chǎn)的SA-PA010型功率放大器;激振器采用無錫世熬科技有限公司生產(chǎn)的SA-JZ00型激振器,最大激振行程6 mm,最大激振力20 N;動態(tài)力薄膜傳感器采用蘇州能斯達(dá)電子科技有限公司生產(chǎn)的SF15-54型傳感器,最大量程100 N;數(shù)據(jù)采集卡采用上海澄科電子科技有限公司生產(chǎn)的NI6002型采集卡,可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)信號同時采集。

4.1.2標(biāo)定方法

內(nèi)置式電容傳感器標(biāo)定試驗過程中,設(shè)置信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率為0.8、1、1.2 Hz的正弦信號,分別代表取苗爪在取苗頻率40、50、60株/min下所受振蕩頻率,通過改變功率放大器增益使激振器頂桿上行距離變化,實現(xiàn)對夾持力傳感器加載力的改變。本試驗中,考慮到傳感器量程及缽苗壓實點范圍[24-25],在0～7 N范圍加載,通過固定在取苗爪表面動態(tài)力薄膜傳感器檢測該壓力,并通過數(shù)據(jù)采集卡采集傳輸至夾持力傳感器檢測系統(tǒng),將該壓力值F/N作為X軸,夾持力傳感器將輸出電壓經(jīng)信號U/V作為Y軸,在3種頻率下依次進(jìn)行35組試驗,共采集105組數(shù)據(jù)。采用最小二乘法擬合得到3條不同頻率下的標(biāo)定曲線,如圖15所示。

圖15 夾持力傳感器標(biāo)定曲線

4.1.3標(biāo)定結(jié)果分析

(1)夾持力傳感器測量范圍

由夾持力傳感器標(biāo)定試驗與相關(guān)缽體力學(xué)特性,得到傳感器測量范圍為0～7 N,量程為7 N;對應(yīng)輸出電壓測量范圍為0～3.5 V,量程為3.5 V。

(2)夾持力傳感器靈敏度

傳感器的靈敏度是指輸出電壓變化Δy對輸入的變化量Δx之比,它是輸出特性曲線的斜率,通常用S表示,其計算公式為

(5)

根據(jù)式(5)求得設(shè)計傳感器在0.8、1、1.2 Hz的靈敏度分別為0.394 5、0.361 8、0.362 2 V/N,平均靈敏度為0.372 8 V/N。

(3)夾持力傳感器精度

傳感器精度P是指傳感器在其量程范圍內(nèi)的最大誤差與滿量程輸出百分比,計算公式為

(6)

式中 ΔA——測量范圍內(nèi)最大絕對誤差

YFS——傳感器滿量程夾持力

經(jīng)分析計算,得到在頻率0.8、1、1.2 Hz下夾持力傳感器最大絕對誤差分別為0.146 2、0.264 2、0.191 5 V,傳感器的滿量程為3.5 V,經(jīng)式(6)計算得傳感器的精度分別為4.177%、7.548%、0.547%,則傳感器精度為7.548%。

擬合結(jié)果表明,所設(shè)計傳感器在不同頻率的力沖擊下,線性決定系數(shù)分別為0.989 7、0.992 7、0.985 2,平均線性決定系數(shù)為0.989 2。由此可知,夾持力檢測傳感器所受壓力與輸出電壓呈高度線性關(guān)系,且每次試驗傳感器靈敏度相差較小,證明傳感器在設(shè)計測量范圍內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性與重復(fù)性。

4.2 傳感器性能驗證試驗

對傳感器標(biāo)定完成后,為驗證內(nèi)置式夾持力傳感器穩(wěn)定性與適應(yīng)性,于2023年2月10—15日在全自動蔬菜缽苗移栽機(jī)試驗臺上進(jìn)行取苗夾持力檢測試驗,試驗現(xiàn)場圖如圖16所示。

圖16 夾持力檢測室內(nèi)試驗現(xiàn)場

4.2.1試驗材料與設(shè)備

試驗選用洛陽誠研辣椒研究所培育的熾焰2號辣椒苗,苗齡45 d,苗高8～12 cm;育苗盤采用128穴孔盤,穴盤整體尺寸為540 mm×280 mm,穴孔橫截面為正方形,縱截面為倒梯形,上口徑32 mm,下口徑13 mm,高度42 mm;穴盤基質(zhì)主要成分草炭、蛭石、珍珠巖按照配比6∶3∶1混合,缽體含水率60%。

試驗系統(tǒng)由全自動移栽機(jī)試驗臺、一體化取苗夾持力檢測傳感器、信號采集處理硬件電路、夾持力信號檢測軟件及便攜式計算機(jī)組成。

4.2.2試驗方法

根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的旱地栽植機(jī)械現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2013)及移栽機(jī)實際作業(yè)狀況,通過全自動蔬菜缽苗移栽機(jī)試驗臺控制單個取苗爪以取苗頻率40、50、60株/min進(jìn)行取苗作業(yè),每次試驗夾取128株穴盤苗,重復(fù)5次,共計進(jìn)行15組試驗。統(tǒng)計在不同取苗頻率下夾持力的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差,分析傳感器穩(wěn)定性,以正常完成取投動作且缽體破損程度在規(guī)定范圍內(nèi)的作為取投苗成功的依據(jù),統(tǒng)計每次試驗的成功率,研究傳感器在作業(yè)狀態(tài)下的適應(yīng)性,試驗結(jié)果統(tǒng)計如表2所示。

表2 取苗夾持力試驗結(jié)果統(tǒng)計

4.2.3結(jié)果分析

由表2可知,不同取苗頻率下15組試驗測得夾持力均值為3.24～4.03 N,標(biāo)準(zhǔn)差為0.085～0.124 N,極差為0.43～0.93 N;取苗頻率分別為40、50、60株/min時檢測到夾持力均值分別為3.44、3.63、3.91 N,極差均值分別為0.53、0.63、0.76 N,取投苗成功率分別為99.02%、99.32%、98.26%。結(jié)果表明,所設(shè)計的夾持力傳感器在進(jìn)行夾持力檢測時,測值波動范圍小,穩(wěn)定性好。室內(nèi)試驗表明,所設(shè)計夾持力檢測傳感器在不同取苗頻率下具有較好的穩(wěn)定性、適應(yīng)性。同時,在試驗時也發(fā)現(xiàn)了如下問題:

(1)隨著取苗頻率增加,取苗成功率也隨之降低,造成此種現(xiàn)象的原因主要是移栽機(jī)高速運轉(zhuǎn)時無法保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。要突破制約移栽技術(shù)發(fā)展的高速、穩(wěn)定的瓶頸,不僅要通過檢測取苗夾持力提高機(jī)器自主感知能力,還要對移栽機(jī)的機(jī)械機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

(2)隨著取苗頻率增加,檢測到取苗爪夾持力均值呈現(xiàn)增大趨勢,且夾持力數(shù)值附近有較多的擾動值,這是由于隨著取苗頻率的加快,取苗爪對缽體基質(zhì)的夾持沖擊作用增大,同時缽體基質(zhì)成分分布不均勻,取苗爪在插入缽體過程中突然受阻造成。在后續(xù)優(yōu)化中,可通過軟硬件結(jié)合的方式,調(diào)整濾波范圍,降低干擾。

5 結(jié)論

(1)以PDMS薄膜為電介層材料,設(shè)計了一種電容式缽苗夾持力檢測傳感器,對取苗爪的取苗過程進(jìn)行受力分析與耦合仿真,得到了傳感器最佳嵌入位置,通過封裝處理,實現(xiàn)了傳感器與取苗爪一體化設(shè)計,有效解決了傳感器結(jié)構(gòu)與安裝方式對取苗爪正常取投動作的干涉,提高了傳感器檢測精度與使用壽命。

(2)設(shè)計了夾持力傳感器信號檢測系統(tǒng),通過信號調(diào)理電路與信號采集軟件,實現(xiàn)了傳感器夾持力信號的轉(zhuǎn)換、放大、濾波、顯示與保存功能,有效降低了移栽機(jī)作業(yè)所產(chǎn)生的高頻噪聲對夾持力信號的影響。

(3)傳感器標(biāo)定試驗表明,在不同頻率的力沖擊下,所設(shè)計傳感器平均靈敏度為0.372 8 V/N,平均線性決定系數(shù)為0.989 2,精度為7.548%,量程為7 N,完全滿足移栽過程中夾持力檢測精度要求;室內(nèi)驗證試驗表明,在取苗頻率40、50、60株/min下,夾持力均值為3.24～4.03 N,波動范圍小,傳感器具有良好的穩(wěn)定性與適應(yīng)性。