劣質(zhì)缽苗氣吸式剔除裝置參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

王小琴 ，俞高紅 ,3，劉霓紅 ，童俊華 ,3※，商凱源

（1. 浙江理工大學(xué)機械工程學(xué)院，杭州 310018；2. 廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；3. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室，杭州 310018）

0 引言

溫室穴盤育苗可以提高幼苗成活率、增加農(nóng)產(chǎn)品種植收益[1-3]。中國約有60%的溫室大棚蔬菜采用穴盤育苗方式[4-6]。然而，在育苗時經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)有5%～20 %的穴孔存在未發(fā)芽、漏播和幼苗發(fā)育不良的情況[7-9]。為保證穴盤苗出廠時幼苗穴孔健康狀況的一致性，避免后期機械化移栽到大田或移植到培養(yǎng)皿時出現(xiàn)空栽、漏栽、栽不活的現(xiàn)象，需要對劣苗穴孔進行剔除并及時補充健康缽苗。

當(dāng)前國內(nèi)溫室劣質(zhì)缽苗的剔除作業(yè)主要依靠人工作業(yè)，存在勞動強度大、效率低的問題。也有部分研究采用鋼針抓取的方式將劣質(zhì)缽苗剔除，然后補充健康幼苗，其主要思路為：先利用相機獲取穴盤圖像，對圖像進行預(yù)處理得到二值化前景與背景圖像，再利用幼苗面積與指定閾值作對比判斷得出幼苗健康狀況，同時獲取不健康幼苗所在坐標，最后利用四指或其他數(shù)量鋼針對該穴孔基質(zhì)塊進行剔除，并從供苗穴盤中抓取健康幼苗對該穴孔進行及時補充[10-13]。

國內(nèi)外學(xué)者針對劣質(zhì)缽苗基質(zhì)剔除工作的開展以機械式夾爪設(shè)計剔除為主。TONG 等[14-16]基于機器視覺方法，通過計算各穴孔內(nèi)葉片面積來實現(xiàn)對缽苗健康信息的判別與定位，并利用雙氣缸驅(qū)動的插入夾取式末端執(zhí)行器進行劣質(zhì)缽苗的剔除和健康缽苗的補充。XIAO 等[17-20]通過圖像搜索出葉片位置區(qū)域，然后連接最遠點和中心找到葉片方向，為基質(zhì)機械式抓取剔除末端的位姿調(diào)整提供依據(jù)。黎波等[21-24]針對苗葉遮擋導(dǎo)致幼苗損傷等因素提出一種基于射流氣管吹葉剔補苗方法，利用氣流擾動方式將健康苗葉向兩側(cè)吹動，擴大末端執(zhí)行器作業(yè)空間，在射流氣管射流孔數(shù)為8，射流孔直徑1.2 mm 條件下，射流氣管壓力為0.28 MPa 時，初始葉片遮擋率59.4%的紅掌幼苗剔補成功率可達 92%。西北農(nóng)林科技大學(xué)崔永杰等[25]針對缺苗穴孔內(nèi)缽體松散易碎導(dǎo)致基質(zhì)剔凈率低的問題，設(shè)計了一種氣吸式基質(zhì)剔除裝置，基于負壓吸附的方式完成缺苗穴孔基質(zhì)剔除任務(wù)。并利用DEMCFD 耦合仿真方法對比分析了9 種氣吸端口結(jié)構(gòu)對基質(zhì)剔除性能的影響，在氣壓0.5 MPa、基質(zhì)含水率50%～55%、氣吸時間3 s、有硅膠墊時為最佳參數(shù)組合，可實現(xiàn)90%以上基質(zhì)剔除，整機作業(yè)效率57 s/盤。

PEI 等[26]采用機器視覺來定位劣苗坐標，并將末端執(zhí)行器設(shè)計成柔性機構(gòu)進行相關(guān)剔補試驗。LI 等[27]綜合考慮苗齡和苗葉生長趨勢對穴盤苗進行分類，提高了劣質(zhì)缽苗判別精度，為剔補末端的精準定位奠定了基礎(chǔ)。YANG 等[28]基于無學(xué)習(xí)和無模型的三維點云進行健康判別，并在此基礎(chǔ)上進行剔補苗作業(yè)，極大地提高了作業(yè)效率。XIN 等[29]提出一種基于ResNet18 的葉菜幼苗健康判別方法，通過遷移學(xué)習(xí)的方式獲得幼苗健康狀況并進行相關(guān)剔補作業(yè)。荷蘭 Visser 公司研發(fā)出基于雙末端執(zhí)行器的剔補苗移栽裝備，一個機械手末端負責(zé)剔除劣勢缽苗，另一個機械手負責(zé)及時補苗。荷蘭 Flier Systems 公司研發(fā)出一款小型剔苗機，逐行通過氣力方式將穴盤中不合格基質(zhì)連同劣苗一起吹出，最后，在整個穴盤外側(cè)套一個遮罩進行吸附，這種方式雖然在一定程度上也實現(xiàn)了對劣苗基質(zhì)的去除，但難免會對其他健康幼苗造成一定影響。

以上裝備在應(yīng)用到實際生產(chǎn)中常存在以下問題：1）側(cè)重于機械夾爪直插式去除基質(zhì)，依靠剛性末端插入劣質(zhì)缽苗來實現(xiàn)基質(zhì)瞬間夾緊剔除，這種形式極易造成基質(zhì)松散遺落現(xiàn)象；2）雖有部分機械嘗試使用氣吸式剔除劣質(zhì)缽苗，但大都依靠設(shè)計者經(jīng)驗確定相關(guān)試驗裝備，對基質(zhì)剔除性能與吸管結(jié)構(gòu)尺寸等物理參數(shù)之間的量化關(guān)系研究較少，導(dǎo)致剔除作業(yè)機理不清，所研制的剔除裝備難以達到理想剔凈效果。

為此，本研究基于機器視覺等定位技術(shù)在已知劣質(zhì)缽苗穴孔位置坐標前提下，針對相關(guān)基質(zhì)塊的去除設(shè)計了一種氣吸式剔除裝置。因基質(zhì)塊具有由顆粒黏附，碰撞作用下松散易碎的特點，研究采用負壓吸附的方式實現(xiàn)基質(zhì)剔除。為了提高基質(zhì)剔凈率，增強負壓吸附去除劣質(zhì)缽苗的可靠性，在單因素試驗初步篩選前提下進行四因素三水平響應(yīng)面分析，分析吸管末端形狀、吸管端口尺寸、吸管末端離穴孔上端口距離和吸管長度4 個因素對基質(zhì)剔凈率的影響，以期為負壓吸附式末端執(zhí)行器的設(shè)計和后續(xù)劣質(zhì)缽苗剔補移栽裝備的研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設(shè)備

試驗所選缽苗為醉蝶花，種植于外圍尺寸為 540 mm ×280 mm 的200 孔穴盤內(nèi)，劣質(zhì)缽苗主視圖如圖1 所示，育苗基質(zhì)采用加拿大“Fafard”牌育苗基質(zhì)，主要成分為泥炭、蛭石和園藝用珍珠巖，按照配比（體積比 6:3:1）混合；本文試驗的穴盤苗在杭州市蕭苗農(nóng)業(yè)有限公司進行溫室育種，定時定量澆水，盡量保證各穴孔苗坨含水率相同且不低于 60%。在第25 天幼苗長出 3～4 片葉時整盤搬回實驗室測試，整盤出苗率為92%，健康率為86%（除去2 片葉及以下幼苗以及未發(fā)芽、漏播等穴孔之外，剩余幼苗均視為健康苗）。

圖1 劣質(zhì)缽苗穴孔Fig.1 Poor quality bowl seedling hole

試驗設(shè)備采用永康市衛(wèi)尚居商貿(mào)有限公司生產(chǎn)的小型商用負壓發(fā)生機構(gòu)提供所需吸力，功率2 000 W，最大負壓22 kPa，容量為35 L，含無級調(diào)速功能；在該平臺上加裝移位升降滑臺，可實現(xiàn)X方向280 mm、Z方向45 mm 行程調(diào)節(jié)；吸管末端采用3D 打印機一次成型，端口固定于型材架中心距離穴盤正上方160 mm 處，滑臺固定板采用懸臂方式安裝，如圖2 所示。穴盤下端放有電子稱量天平，量程10 kg，測量誤差0.1 g。

圖2 氣吸式基質(zhì)剔除試驗平臺Fig.2 Air suction matrix removal test platform

1.2 基質(zhì)負壓式剔除原理

當(dāng)前基質(zhì)負壓吸附式剔除的研究尚處于探索階段，相關(guān)可借鑒的成果較少，因此暫時以現(xiàn)有負壓發(fā)生機構(gòu)為基礎(chǔ)，研究利用高壓氣流剔除黏性基質(zhì)的可行性及相關(guān)參數(shù)。

基質(zhì)吸附的基本原理是：利用電機通電后高速運轉(zhuǎn)，使基質(zhì)收集腔內(nèi)部形成局部真空狀態(tài)，當(dāng)內(nèi)部氣壓遠低于外界氣壓時，在氣壓差作用下，缺苗穴孔內(nèi)基質(zhì)在負壓剪切力和拖曳力的作用下破碎吸起，最后，通過過濾裝置將基質(zhì)留在收集腔內(nèi)，凈化后的空氣則重新排放到室外，如圖3 所示。

圖3 基質(zhì)吸附裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure diagram of matrix adsorption device

1.3 基質(zhì)負壓式剔除裝備設(shè)計

基質(zhì)負壓式剔除末端的形狀、尺寸、末端離基質(zhì)表面垂直距離以及吸管長度等因素的示意圖如圖4 所示，這些因素的變化將會引起吸管氣流的流速、吸附壓力、氣流流量的變化，進而影響基質(zhì)剔凈效率。

圖4 不同末端形狀及尺寸示意圖Fig.4 Schematic diagram of different end shapes and sizes

1.3.1 氣吸端口形狀

吸管在對準穴孔進行黏性基質(zhì)吸附時，吸管形狀（下稱“管型”）的不同將影響負壓的流動狀態(tài)及負壓大小。圓孔設(shè)計將有利于顆?；|(zhì)在負壓作用下沿管壁四周向內(nèi)移動，基質(zhì)塊受力均勻；扁孔設(shè)計更容易將流體負壓聚攏；方孔設(shè)計采用仿穴孔形式，將基質(zhì)充分包絡(luò)，增大了負壓能力；三種端口設(shè)計形式各有優(yōu)劣，需要單獨測試，在同等情況下尋找最佳末端設(shè)計形式，從而降低吸附功率。

1.3.2 氣吸端口尺寸

吸管端口尺寸（下稱“管徑”）的不同將影響管內(nèi)氣體流量和真空壓力的大小，進而影響基質(zhì)的抽吸與輸送。受基質(zhì)顆粒間黏附性影響，在吸附時基質(zhì)顆粒會以團聚的形式出現(xiàn)，軟管直徑過小會造成吸管堵塞。因此，其設(shè)計應(yīng)滿足

由實際測量可知，l1為10 mm，l2為23 mm，l3為30 mm，根據(jù)穴孔上端口尺寸限制及加上加工工藝影響，以及減少試驗誤差，將三種吸管另一端設(shè)計為同一種型號，即外徑d1、d2、d3均為24 mm，厚度1 mm，與軟管內(nèi)徑過盈配合以避免氣流損失?；诳臻g限制，為避免吸管端口直徑過大在吸附時對相鄰幼苗造成影響，吸管另一端尺寸應(yīng)介于相鄰兩穴孔最大空間之內(nèi)，即：

由實際測量可知，為保證吸孔末端可以最大程度包絡(luò)基質(zhì)塊實現(xiàn)劣質(zhì)缽苗的高效剔除，取D1、D2、D3最大為30 mm，壁厚1 mm；在此基礎(chǔ)上，與尺寸等差減小的數(shù)組末端進行對比試驗，得出較優(yōu)端口尺寸。

1.3.3 吸管末端離穴孔上端口距離

吸管末端距離穴孔上側(cè)的距離（下稱“管距”）大小將直接影響吸管末端所成負壓狀態(tài)對基質(zhì)的吸附效率。當(dāng)距離為0 時，吸管末端與劣質(zhì)缽苗穴孔中心之間為點對點貼合吸附形式，此時，形成局部真空環(huán)境，基質(zhì)吸力此時達到最大，但是，在吸附基質(zhì)完成，吸管移動到下一待吸附穴孔過程中，極易因貼合過度而造成苗盤整體移動的現(xiàn)象發(fā)生（下稱“帶盤現(xiàn)象”），為其余穴孔的定位以及精準吸附造成困難。因此，需要確定合適的距離，以保證高剔凈率的同時不會發(fā)生帶盤現(xiàn)象。

1.3.4 吸管長度

負壓發(fā)生機構(gòu)軟管長度（下稱“管長”）的變化也會造成負壓大小的改變。吸附軟管過短，會造成機構(gòu)設(shè)計時因安裝的局限性而導(dǎo)致一些設(shè)計需求無法滿足；而軟管過長時也會造成負壓損失，在管道內(nèi)運動的氣流需要克服與管道之間的摩擦力，進而造成因出口負壓不夠部分基質(zhì)無法吸附或吸到一半后停留在軟管中現(xiàn)象。為此，需要在滿足設(shè)計需求前提下找到最佳吸管長度。

2 試驗與分析

2.1 單因素試驗設(shè)計

通過多次試驗測試發(fā)現(xiàn)，在同等負壓前提下，管型和管徑的改變，會導(dǎo)致吸管對基質(zhì)的包絡(luò)程度變化，進而影響負壓大小；管距主要通過改變吸力損失狀態(tài)進而改變對基質(zhì)的吸附程度；管長則主要通過改變基質(zhì)及負壓氣體在管內(nèi)壁碰撞摩擦的大小進而影響基質(zhì)的吸附率；這些因素都是造成基質(zhì)剔除不同程度改變的重要因素，需要單獨分析。

利用稱量法統(tǒng)計剔除前后基質(zhì)剔凈率T(%)。試驗中為防止帶基質(zhì)及健康苗的軟穴盤初始狀態(tài)因滿載過重而導(dǎo)致電子天平各點受力不均，采用加裝托板的方式減少測量誤差。

式中T為黏性基質(zhì)剔除前后剔凈率，%；m1為剔除前穴盤和托板及基質(zhì)總質(zhì)量，g；m2為剔除后穴盤及托板及基質(zhì)總質(zhì)量，g；m3為基質(zhì)全部剔除后空穴盤質(zhì)量，g；m4為穴盤托板質(zhì)量，g。

由于在基質(zhì)充分吸附剔除前提下管型的變化設(shè)計有限，故而不對其進行優(yōu)選；基于設(shè)計及實際需求，初步篩選管型為圓管（易于加工）、管徑（10、18、26 和32 mm）、管距（0、4、8 和12 mm）和管長（1 000、2 000、3 000和4 000 mm）為初選值進行單因素試驗。先選取管型為圓管、管距為8 mm、吸管長度為2 000 mm，比較4 種不同管徑對基質(zhì)剔凈率的影響；維持管型為圓管及優(yōu)選后的管徑，選取管長為3 000 mm，比較4 種管距對基質(zhì)剔凈率的影響；維持管型為圓管及優(yōu)選后的管徑和管距，比較4 種不同吸管長度對基質(zhì)剔凈率的影響。

2.2 多因素響應(yīng)面分析試驗設(shè)計

單因素試驗中已經(jīng)對管徑、管距、管長及進行了初步篩選，未得到相關(guān)參數(shù)最優(yōu)組合，需要對上述3 個因素初選值及管型進行響應(yīng)面分析試驗。以200 孔育苗穴孔為例，針對單因素優(yōu)選結(jié)果上下等值范圍設(shè)計響應(yīng)面分析試驗。統(tǒng)計并分析得出基質(zhì)剔凈率最高條件下相關(guān)參數(shù)組合。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗結(jié)果

單因素試驗結(jié)果統(tǒng)計如圖5 所示。由圖5a 可知管徑為10 mm 時對基質(zhì)的吸附效果顯著下降，其余三種管徑對整體吸附效果差異性較小，但仍然可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)管徑為32 mm 時會因為管徑過大而導(dǎo)致初始吸附階段將側(cè)葉吸入管壁，進而導(dǎo)致基質(zhì)剔除率降低。管徑為18 mm 時會因為管口對基質(zhì)包絡(luò)性不如26 mm 而導(dǎo)致吸附效果略有下降。因此，初步篩選管徑26 mm 為較優(yōu)值。

圖5 單因素試驗結(jié)果Fig.5 Single factor test results

由圖5b 可知管距的選擇對于基質(zhì)剔除效果有重要影響，管距越小基質(zhì)剔除效果越好，當(dāng)管距為 0 時的點對點貼合吸附可以將基質(zhì)快速干凈剔除，但是此時帶盤現(xiàn)象非常嚴重，當(dāng)管距為12 mm 時由于距離太遠導(dǎo)致過多吸力向空氣中彌散進而導(dǎo)致基質(zhì)剔除效率急劇下降。因此，在排除 0 和12 mm 后，優(yōu)選4～8 mm 中間值6 mm作為優(yōu)選值進行下一步試驗。

由圖5c 可知管長的變化對基質(zhì)剔除效率整體影響不大，在1 000 mm 和2 000 mm 之間差異不明顯，2 000到3 000 mm 時基質(zhì)剔除效率會有輕微下降，因此，優(yōu)選2 000 mm 為臨界值進行深入研究。

3.2 多因素響應(yīng)面試驗結(jié)果與分析

以管型、管徑、管距、管長4 個影響因素為自變量，依據(jù)單因素試驗所得變量初選值為基礎(chǔ)，基質(zhì)吸附率為評價指標，進行響應(yīng)面分析試驗，各因素水平編碼如表1所示。

表1 試驗因素水平Table 1 Test factor level mm

通過多次試驗得出相關(guān)響應(yīng)面試驗結(jié)果如表2 所示。

表2 響應(yīng)面試驗結(jié)果Table 2 Response surface test results

由表2 數(shù)據(jù)樣本，通過Design-Expert13.0 軟件分析得到基質(zhì)剔凈率T的二次多項式回歸模型為

由表3 可知模型失擬項的P＞0.05，說明模型失擬性不顯著，本回歸模型擬合度較高。由表3 中P值的大小可知對基質(zhì)剔凈率影響的顯著性排序首先為管型和管距，其次為管徑，最后為管長，除管長外其余三個因素對于基質(zhì)剔凈率的影響均極為顯著。模型決定系數(shù)與校正決定系數(shù)分別為：0.994 2 和0.988 4，二者均接近于1，變異系數(shù)與精密度分別為：1.0%和 49.442 7，說明該基質(zhì)剔凈率回歸模型的擬合具有較高可靠性。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

使用響應(yīng)面分析軟件得到各因素交互作用下對基質(zhì)剔凈率的影響，結(jié)果如圖6 所示。由表3 中基質(zhì)剔凈率有效回歸模型中的P＜0.05，表明該回歸模型中管徑和管長的交互作用顯著；由 圖6 可以看出當(dāng)固定管長為1 000 mm 時，基質(zhì)剔凈率隨管徑的增大而先增大后減小，增大與減小趨勢相似；當(dāng)固定管長為3 000 mm 時，基質(zhì)剔凈率隨管徑的增大呈先增大后減小，增大趨勢略弱于減小趨勢。當(dāng)固定管徑為23 mm 時，基質(zhì)剔凈率隨管長的增加整體變化不大；當(dāng)固定管徑為29 mm 時，基質(zhì)剔凈率隨管長的增大而呈下降趨勢。這表明管長與管徑交互作用會對基質(zhì)的剔凈率有一定影響，雖然由表3 可知管型、管徑、管距對基質(zhì)剔凈率的影響為極顯著，管長的變化對基質(zhì)剔凈率不顯著，但是也不可忽略管長變化所造成的影響。

圖6 交互響應(yīng)曲面Fig.6 Interactive response surface

3.3 優(yōu)化參數(shù)試驗驗證

由Design-Expert13.0 軟件分析得出，當(dāng)基質(zhì)剔凈率最高為期望值時，最佳參數(shù)組合為：方管、管徑25.50 mm、管距2.61 mm 以及管長為1 281.89 mm，此時基質(zhì)剔凈率為95.89% 。為了滿足實際設(shè)計需求，將參數(shù)取整，則優(yōu)化后的最終參數(shù)組合為：方管、管徑26 mm、管距3 mm和管長1000 mm 。在負壓為22 kPa 下，將單因素試驗篩選所得管徑26 mm、管距6 mm、管長2 000 mm，以及管型為圓管作為優(yōu)化前參數(shù)，對比分析優(yōu)化前后基質(zhì)剔凈率，結(jié)果如下表4 所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后的試驗效果相較優(yōu)化前有了整體提高，優(yōu)化后的基質(zhì)剔凈率平均保持在95%左右，優(yōu)化效果平均提高2.94%。

表4 優(yōu)化參數(shù)驗證試驗Table 4 Optimization parameter validation experiment

4 結(jié)論

本研究針對溫室劣質(zhì)缽苗的干凈去除設(shè)計出一種氣吸式剔除裝置。由響應(yīng)面分析試驗可知，一定負壓下，對基質(zhì)剔凈率影響的顯著性排序首先為管型和管距，其次為管徑，最后為管長，除管長外其余三個因素對于基質(zhì)剔凈率的影響均極為顯著。最佳設(shè)計參數(shù)組合為：方管、管徑26 mm、管距3 mm 及管長1 000 mm；此組合下，負壓22 kPa 時，基質(zhì)剔凈率可達95%，相比優(yōu)化前整體剔凈率平均提高2.94%。