全自動(dòng)西蘭花移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：為實(shí)現(xiàn)西蘭花缽苗全自動(dòng)移栽，提出一種基于精確位姿和軌跡控制的非圓齒輪行星輪系回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)。根據(jù)取苗、投苗、入穴、出穴的位姿要求，確定約束栽植軌跡的4個(gè)精確位姿點(diǎn)，基于Burmester混合四位置直線軌跡生成平面四桿機(jī)構(gòu)綜合方法，以西蘭花缽苗為作業(yè)對(duì)象，建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)，運(yùn)用MATLAB開發(fā)栽植機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件，通過優(yōu)化得到滿足要求的“鷹嘴”型理論軌跡的移栽機(jī)構(gòu)參數(shù)，避免“甩苗”現(xiàn)象，建立三維模型，并運(yùn)用ADAMS軟件進(jìn)行虛擬仿真，形成仿真軌跡，測(cè)試可得理論求解與實(shí)際試驗(yàn)的姿態(tài)和軌跡具有一致性，驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性?；诟咚贁z像技術(shù)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行軌跡測(cè)試試驗(yàn)，得到取苗試驗(yàn)軌跡，對(duì)比理論軌跡和仿真軌跡，這三者基本一致，驗(yàn)證西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。田間取苗栽植試驗(yàn)表明：平均取苗合格率為95.002％，平均栽植成功率為92.97％，驗(yàn)證移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：西蘭花缽苗；移栽機(jī)；取苗機(jī)構(gòu)；精確位姿；軌跡控制；非圓齒輪

中圖分類號(hào)：S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0036-08

Optimized design and test of seedling picking mechanism of automatic broccoli transplanter

Cheng Yin¹， Xue Xianglei^{2， 3}， Zheng Hang^{2， 3}， Ye Yunxiang^{2， 3}， Yu Guohong^{2， 3}， Lu Shengli¹

（1. "School of Biological and Chemical Engineering， Zhejiang University of Science and Technology， Hangzhou，

310023， China； 2. Institute of Agricultural Equipment， Zhejiang Academy of Agricultural Sciences， Hangzhou，

310021， China； 3. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Southeast Hilly and Mountainous Areas， Ministry of

Agriculture and Rural Affairs （Ministry-Province Joint Construction）， Hangzhou， 310021， China）

Abstract：

In order to realize fully automatic transplanting of broccoli potting seedlings， a non-circular gear planetary wheel system rotary seedling picking mechanism based on precise position and trajectory control is proposed. According to the positional requirements of seedling picking， seedling dropping， hole entering and hole exiting， four precise positional points constraining the planting trajectory are determined， and the kinematic model of the mechanism is established by the integrated method of Burmester and hybrid four-position linear trajectory generation of planar four-bar mechanism with the broccoli potting seedling as the working object， the optimization objective is set， and the computer-aided design optimization software of the planting mechanism is developed by using MATLAB， and a “hawk，s beak”-shaped model that meets the requirements is obtained by the optimization. Through optimization， the theoretical trajectory of “eagle，s beak” type and a set of institutional parameters that meet the transplanting requirements is obtained to avoid the phenomenon of “dumping seedlings”， the three-dimensional model is established， and virtual simulation is used by ADAMS software to form the simulation trajectory， and the theoretical solution is tested with the actual test attitude and trajectory， and a good result is obtained. The test results show that the theoretical solution is consistent with the attitude and trajectory of the actual test， which verifies the rationality of the transplanting mechanism design. Based on the high-speed camera technology， the trajectory test of the seedling picking mechanism is carried out， and the seedling picking test trajectory is obtained， comparing with the theoretical trajectory and the simulation trajectory， which is basically consistent with each other， verifying the feasibility of the design of the seedling picking mechanism for broccoli transplanting. The field seedling picking-planting test showed that the average seedling picking qualification rate was 95.002%， and the average planting success rate was 92.97%， which verified the practicality of the transplanting mechanism.

Keywords：

broccoli pot seedlings; transplanter; picking mechanism; precise position; track control; non-circular gear

0"引言

根據(jù)FAO 2023年公布的數(shù)據(jù)，我國(guó)西蘭花種植面積已超過9.8×10⁴khm²，年產(chǎn)量約4.2×10⁶kt，且種植面積逐年擴(kuò)大^{［1， 2］}。西蘭花多采用穴盤移栽種植，目前國(guó)內(nèi)西蘭花移栽主要依靠半自動(dòng)移栽機(jī)完成，通過人工將西蘭花缽苗投送到植苗機(jī)構(gòu)，作業(yè)效率低、綜合經(jīng)濟(jì)效益差。隨著西蘭花育苗技術(shù)的成熟和種植面積的增加，用戶對(duì)穩(wěn)定高效的移栽機(jī)需求日益迫切，實(shí)現(xiàn)西蘭花全自動(dòng)移栽是當(dāng)前西蘭花產(chǎn)業(yè)面臨的主要難題^［3］。

國(guó)外對(duì)蔬菜自動(dòng)移栽機(jī)的研究主要以歐美、日本為主^［4］。歐美機(jī)型多采用滑針式取苗機(jī)械手從水平放置的缽盤中夾取整排缽苗實(shí)現(xiàn)多行作業(yè)，自動(dòng)化程度高，但整機(jī)穩(wěn)定性差、維修困難、成本較高^［5］。日本洋馬PF2R采用滑道式結(jié)構(gòu)，通過取苗針的伸縮來抓取缽苗，同時(shí)鴨嘴與取苗針通過定傳動(dòng)比的方式，來實(shí)現(xiàn)缽苗的同步投取，但采用的滑道結(jié)構(gòu)易磨損且難以進(jìn)行高速栽植^［6］。Islam等^［7］設(shè)計(jì)了一種由齒輪、凸輪、曲柄滑塊組合的取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的直線取苗軌跡由齒輪驅(qū)動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，取苗臂的擺動(dòng)由凸輪控制實(shí)現(xiàn)，但機(jī)構(gòu)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)較大、作業(yè)效果不穩(wěn)定。趙勻等^［8］研究一種反轉(zhuǎn)式共軛凸輪蔬菜缽苗移栽機(jī)構(gòu)，將非圓齒輪行星輪系的不等速運(yùn)動(dòng)與共軛凸輪的變速擺動(dòng)組合起來，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的大幅值以滿足復(fù)雜軌跡。俞高紅等^［9］提出一種非圓齒輪行星輪系八行同步取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)尖嘴形取苗軌跡。

由于缺少關(guān)于西蘭花缽苗的取苗機(jī)構(gòu)研究，基于此，本文通過非圓齒輪行星輪系傳動(dòng)理論，設(shè)計(jì)一種基于關(guān)鍵位姿點(diǎn)與直線軌跡生成平面四桿機(jī)構(gòu)綜合的西蘭花取苗機(jī)構(gòu)。根據(jù)西蘭花缽苗移栽要求設(shè)計(jì)取苗軌跡，給定4個(gè)關(guān)鍵位姿點(diǎn)與最低點(diǎn)的速度約束條件，滿足開鏈2R桿組在投苗段形成直線軌跡，開發(fā)取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件完成取苗機(jī)構(gòu)的仿真分析，試制取苗機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1"西蘭花取苗機(jī)構(gòu)工作原理

圖1為非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，太陽(yáng)輪固定不動(dòng)，行星架與行星軸固定，行星輪和移栽臂（包括撥叉、移栽臂凸輪、推苗桿、夾秧片、取苗針、彈簧座、移栽臂殼，移栽臂凸輪通過撥叉驅(qū)動(dòng)推苗桿伸縮，通過夾秧片的張開閉合實(shí)現(xiàn)取苗動(dòng)作）固定在行星軸上，通過第一、二中間輪，行星軸帶動(dòng)移栽臂作相對(duì)行星架的反方向周期性非勻速擺動(dòng)，并形成了適應(yīng)西蘭花取苗工作的“鷹嘴形取苗-直線投苗”軌跡，其中O₂為中間輪旋轉(zhuǎn)中心，位于行星架中點(diǎn)。

2"西蘭花移栽取苗軌跡設(shè)計(jì)

取苗軌跡是自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，根據(jù)西蘭花移栽農(nóng)藝要求，取苗過程主要分為以下階段（圖2）：其A-B和B-C為取苗階段的取苗針尖點(diǎn)軌跡，其中，AB段為入缽軌跡段，取苗針沿A-B段軌跡進(jìn)入穴盤后夾緊基質(zhì)塊，取苗針夾持基質(zhì)塊沿著B-C段軌跡夾出缽苗；C-D-E段軌跡為持苗階段軌跡，D點(diǎn)為持苗點(diǎn)，缽苗沿著C-D-E段軌跡被夾持到推苗位置點(diǎn)；E-F-G為推苗階段軌跡，點(diǎn)G為軌跡最低點(diǎn)，苗針上的缽苗在推苗爪的推動(dòng)下在點(diǎn)G之前被推入之植苗機(jī)構(gòu)中；G-H為回程段，苗針保持最大張開狀態(tài)沿G-H段快速回到最初的取苗位置，重復(fù)下一次動(dòng)作。

為滿足西蘭花缽苗取苗機(jī)構(gòu)的取苗要求，取苗軌跡的設(shè)計(jì)需要達(dá)到表1所示的取苗軌跡設(shè)計(jì)目標(biāo)^［10］。

現(xiàn)有的非圓齒輪回轉(zhuǎn)式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡多為“鷹嘴形”軌跡（圖3），但在投苗段軌跡較為傾斜，導(dǎo)致苗針尖點(diǎn)在經(jīng)過投苗點(diǎn)時(shí)速度方向并不是豎直向下，在慣性的影響下，質(zhì)量較大的缽苗在投苗點(diǎn)處易被苗針朝著速度方向甩出。

為達(dá)到直線投苗的效果，防止“甩苗”現(xiàn)象，基于MATLAB開發(fā)模塊設(shè)計(jì)西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化平臺(tái)。由于取苗軌跡段的“曲柄—連桿”轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線和直線軌跡區(qū)的轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線必須首末相連，且在連接處數(shù)值、斜率、凹凸性相等，故采用五次非均勻B樣條曲線^［11］對(duì)西蘭花取苗軌跡進(jìn)行曲線插補(bǔ)，如式（1）所示，可以通過改變角位移曲線上控制點(diǎn)實(shí)現(xiàn)取苗軌跡的調(diào)整及能設(shè)置斜率和凹凸性兩種邊界條件，以不同數(shù)值的邊界條件約束曲線首末點(diǎn)。通過給定的關(guān)鍵位姿點(diǎn)可以反求出待求曲線上相對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，最終反求插值曲線的控制點(diǎn)。結(jié)合西蘭花農(nóng)藝要求和軌跡設(shè)計(jì)要求，選擇圖2中的B為取苗點(diǎn)P₁、C為出缽點(diǎn)P₂、D為持苗點(diǎn)P₃，F(xiàn)點(diǎn)為投苗點(diǎn)P₄，這4個(gè)位姿點(diǎn)為苗針尖點(diǎn)必然通過的關(guān)鍵位姿點(diǎn)。

p（u）=∑ni=0d_iNi，5（u）=∑i+5j=id_jNj，5（ui+5）=q_i

p^r（u）=∑ij=i－5+rd_j^rNj，5－r（u）（1）

式中：

p（u）——一條五次B樣條曲線；

p^r（u）——

五次B樣條曲線上節(jié)點(diǎn)出的r階導(dǎo)矢；

d_j——曲線的控制點(diǎn)，j=0，1，…，n；

Ni，5（u）——

五次B樣條的基函數(shù)，u∈［u_i，ui+1］［u₅，u₆］，i=0，1，…，n；

q_i——定義域內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

通過4個(gè)約束條件，即給定插值曲線初始點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)v₀、vf；終止點(diǎn)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)a₀、af，對(duì)式（1）進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最終得到五次B樣條曲線控制點(diǎn)的系數(shù)矩陣^{［12， 13］}A_n=1

N1，5（u₆）N2，5（u₆）…N5，5（u₆）

N2，5（u₇）N3，5（u₇）…N6，5（u₇）

Nn－2，5（un+3）Nn－1，5（un+3）…Nn+2，5（un+3）

Nn－1，5（un+4）Nn，5（un+4）…Nn+2，5（un+4）

1c01c02cf1cf2

a01a02a03

af1af2af3（2）

其中，

c01=－5u₆－u₁，c02=5u₆－u₁，

cf1=－5un+9－un+4，cf2=5un+9－un+4，

a01=20（u₆－u₂）（u₆－u₁），

a02=－201（u₆－u₂）（u₇－u₂）+1（u₆－u₂）（u₆－u₁），

a03=20（u₆－u₂）（u₇－u₂），

af1=20（un+8－un+4）（un+8－un+3），

af2=－201（un+8－un+4）（un+9－un+4）+1（un+8－un+4）（un+8－un+3），

af3=20（un+8－un+4）（un+9－un+4）。

通過式（1）和式（2）可求解插值曲線上的控制點(diǎn)。

3"西蘭花移栽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1nbsp;Burmester點(diǎn)的分析

圓心點(diǎn)（固定鉸鏈點(diǎn)）分布在固定平面內(nèi)的三次曲線上，圓點(diǎn)（動(dòng)鉸鏈點(diǎn)）分布在連桿平面內(nèi)的三次曲線上，這個(gè)規(guī)律最初是由德國(guó)學(xué)者布爾梅斯特（Burmester）發(fā)現(xiàn)的，因此，這兩條曲線合稱為Burmester曲線。如圖4所示，根據(jù)Burmester圓點(diǎn)曲線方程

H₁xc1³+H₂yc1³+H₁xc1yc1²+H₁xc1²yc1+H₃xc1²+H₄yc1²+H₅xc1yc1+H₇yc1+H₈=0

（3）式中： H_i——

第i位置的動(dòng)鉸鏈的行列式集合；

xc1——

第一位置的動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的x坐標(biāo)；

yc1——

第一位置的動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的y坐標(biāo)。

根據(jù)桿長(zhǎng)不變條件，有約束方程

［Aci－A₀］T［Aci－A₀］=

［Ac1－A₀］T［Ac1－A₀］（4）

式中：

Aci——第i位置的圓點(diǎn)矢量；

A₀——第一位置圓心點(diǎn)；

Ac1——第一位置圓點(diǎn)矢量。

對(duì)于式（3）、式（4），將動(dòng)鉸鏈點(diǎn)的橫坐標(biāo)xc1當(dāng)作已知量，可分別求得動(dòng)鉸鏈點(diǎn)Ac1（xc1，yc1）和固定鉸鏈點(diǎn)A₀（x₀，y₀）的解曲線。對(duì)給定范圍內(nèi)求得的A₀（x₀，y₀）和Ac1（xc1，yc1），進(jìn)行計(jì)算如式（5）所示。

L₁=（xc1－x₀）²+（yc1－y₀）²

L₂=（xc1－x₁）²+（yc1－y₁）²

ψ=arctanyc1－y₁xc1－x₁－θ₁

φ11=arctanyc1－y₀xc1－x₀

φ21=arctanyc1－y₁xc1－x

（5）

式中：

L₁——曲柄桿長(zhǎng)度；

L₂——連桿長(zhǎng)度；

ψ——標(biāo)線夾角（推苗桿與連桿夾角）；

φ11——

L₁與水平面的初始夾角；

φ21——

L₂與水平面的初始夾角；

x₁、y₁——

取苗點(diǎn)B坐標(biāo)，即P₁的坐標(biāo)。

3.2"混合四位置直線軌跡求解分析

根據(jù)λ形機(jī)構(gòu)綜合方法，在保證連桿經(jīng)過3個(gè)重要分離點(diǎn)（P₅、P₄、P₆，其中P₄為投苗點(diǎn)）時(shí)，處于同一直線，在初始的直線點(diǎn)P₅（y′₁，x′₁），使機(jī)構(gòu)兩連架桿平行（A01A¹c1∥A02Ac2）且垂直于給定的直線方向，即在Y′軸方向速度為0，繼而保證P₅（y′₁，x′₁）的速度要求。對(duì)于速度約束而言，只需控制第三點(diǎn)P₆（y′₃，x′₃）的速度方向即可（圖5）。

而第1位置圓點(diǎn)坐標(biāo)的分布曲線為Burmester圓點(diǎn)曲線，故當(dāng)y′₀=y′c1時(shí)，式（3）可變?yōu)槭剑?）。

Ai1（y′₀²+x′₀x′c1）+Ai2（x′₀－x′c1）n₀+（Ai3+Ai5）y′₀+Ai6x′c1+Ai7=0"i=2，3，4（6）

其中，

Ai1=1－D11i，Ai2=D12i，Ai3=－D13i，

Ai4=－D23i，Ai5=D11iD13i+D21iD23i，

Ai6=D12iD13i+D22iD23i，Ai7=（D13i²+D23i²）/2。

y′₀²+x′₀x′c1+m_i（x′₀－x′c1）y′₀+n_iy′₀+p_ix′c1+

q_i=0

M32y′₀x′₀+（P32－M32y′₀）x′c1+

N32y′₀+Q32=0

M42y′₀x′₀+（P42－M42y′₀）x′c1+

N42y′₀+Q42=0（7）

其中，

m_i=Ai2Ai1，

n_i=Ai3+Ai5Ai1，p_i=Ai6Ai1，

q_i=Ai7Ai1，M32=m₃－m₂，P32=p₃－p₂，

N32=n₃－n₂，Q32=q₃－q₂，M42=m₄－m₂，

P42=p₄－p₂，N42=n₄－n₂，Q42=q₄－q₂。

從式（6）中解出x′₀和x′c1。

x′₀=Sx₀²+Tx₀+URx₀，x′c1=Sx₀+VR

（8）

其中，

R=M32P42－M42P32，S=N32M42－N42M32，

T=Q32M42－P42N32－Q42M32+N42P32，

U=Q42P32－Q32P42，V=M42Q32－M32Q42

由此可得另外兩個(gè)圓心點(diǎn)的y′₀坐標(biāo)。

y′02，3=－b₁±b₁－4a₁c₁2a₁

（9）

其中，a₁=a，b₁=a₁y′01+b，c₁=b₁y′01+c。

a=1+S²R²，b=S（T+V）R²+m₂（T－V）R+n₂+p₂SR，

c=US+TVR²+p₂VR+m₂UR+q₂，d=UVR²。

相應(yīng)的x′02，3和x′c2，3的兩個(gè)解可由式（9）求出。

3.3"取苗機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比求解

經(jīng)過坐標(biāo)變換后，直線機(jī)構(gòu)（圖6）取步長(zhǎng)≤0.01rad，令曲柄A₀A¹c1（L₁）的轉(zhuǎn)角φ1a在［0，φ_z］內(nèi)連續(xù)取值（φ_z為曲柄在直線軌跡區(qū)段上轉(zhuǎn)動(dòng)的最大角度），通過機(jī)構(gòu)解析法和圖解法求得連桿A¹c1P（L₂）的轉(zhuǎn)角φ2a，則直線軌跡段的傳動(dòng)比

ia=1φ2a－φ1aφ1a′

（10）

由于完整軌跡是封閉的，故“鷹嘴形取苗”軌跡區(qū)段的“曲柄—連桿”轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線和直線軌跡區(qū)段的轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線必須首末相連，且在連接點(diǎn)處數(shù)值、一階導(dǎo)數(shù)（斜率）和二階導(dǎo)數(shù)（凹凸性）都相等，通過上述5次B樣條曲線擬合方法，在確定控制點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)向量之后，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，設(shè)置不同節(jié)點(diǎn)區(qū)間的插值點(diǎn)個(gè)數(shù)，擬合“曲柄—連桿”轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。曲柄在“尖嘴形取苗”軌跡區(qū)段相對(duì)初始位置的轉(zhuǎn)角為φ1b，相應(yīng)的連桿相對(duì)初始位置的轉(zhuǎn)角為φ2b，則傳動(dòng)比

ib=d（φ2b）d（φ1b）

（11）

因此，機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比i_總由傳動(dòng)比ia和傳動(dòng)比ib首尾相連而成，為離散點(diǎn)序列。

3.4"非圓齒輪設(shè)計(jì)

根據(jù)非圓齒輪的嚙合原理可以求得非圓齒輪的節(jié)曲線，以太陽(yáng)輪及第一中間輪為例，有參數(shù)關(guān)系如式（12）、式（13）和圖7所示。

r₃=ai1n1+i1n

₃=φ₁（12）

r₄=a－r₃，₄=∫^t₀i1nd₃

r₅=ai2n1+i2n，₅=₄

r₆=a－r₅，₆=∫₅₀i2nd₅（13）

式中：

r₃——太陽(yáng)輪極徑；

r₄——第一中間輪極徑；

r₅——第二中間輪極徑；

r₆——行星輪極徑；

a——齒輪中心距；

₃——太陽(yáng)輪極角；

₅——第二中間輪極角；

₆——行星輪極角。

通過坐標(biāo)變換，齒輪節(jié)曲線坐標(biāo)為

x=x₀+rcos

y=y₀+rsin

（14）

式中：

r——極徑；

——極角。

4"取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為便于取苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，基于MATLAB開發(fā)西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)（圖8）。通過輸入4個(gè)位姿詳細(xì)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)功能：計(jì)算一級(jí)非圓齒輪節(jié)曲線及二級(jí)傳動(dòng)節(jié)曲線和精確的取苗軌跡；取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬和測(cè)量；取苗機(jī)構(gòu)的最終設(shè)計(jì)。

基于取苗軌跡（圖1），應(yīng)用自主開發(fā)的設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行非圓齒輪行星輪系取苗的設(shè)計(jì)，由理論取苗軌跡（圖2）和設(shè)計(jì)平臺(tái)所求得的取苗軌跡（圖8）可知，通過設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡接與理論取苗軌跡基本一致，得出的一、二級(jí)齒輪節(jié)曲線和對(duì)應(yīng)的取苗軌跡（圖9），具體設(shè)計(jì)結(jié)果參數(shù)與設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求（表2）。

5"取苗機(jī)構(gòu)仿真與試驗(yàn)

5.1"虛擬樣機(jī)仿真與軌跡對(duì)比

根據(jù)上文得出的機(jī)構(gòu)參數(shù)，對(duì)非圓齒輪行星輪系回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于ADAMS軟件對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真，得出軌跡仿真圖10（b）?；诟咚贁z像技術(shù)，可以測(cè)得西蘭花取苗機(jī)構(gòu)的取苗軌跡如圖10（c）所示，三者軌跡基本一致，驗(yàn)證了取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。

5.2"試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取西蘭花缽苗為取苗和移栽對(duì)象。通過128孔可彎曲穴盤進(jìn)行育苗，育苗周期為28天，西蘭花缽苗根系較少、缽苗高度85～100mm，單株缽苗有3～4片葉子，缽苗所用培養(yǎng)基質(zhì)由草灰、蛭石及珍珠巖等材料組成，此次試驗(yàn)基質(zhì)含水率約為48％，移栽機(jī)秧箱尺寸規(guī)格（寬×長(zhǎng)）為280mm×720mm，如圖11所示。

5.3"試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2023年5月20日在嘉興市海寧市楊渡試驗(yàn)基地進(jìn)行。先在溫室內(nèi)啟動(dòng)移栽機(jī)使取苗機(jī)構(gòu)以恒定轉(zhuǎn)速循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷通過取苗、移苗、植苗及回程動(dòng)作驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的取苗性能姿態(tài)。如圖12所示，在驗(yàn)證取苗性能姿態(tài)后，對(duì)西蘭花缽苗進(jìn)行大田移栽試驗(yàn)來驗(yàn)證移栽機(jī)在田間的工作性能，如圖13所示。

大田移栽試驗(yàn)前用翻耕機(jī)深翻至30～35cm，做到深溝高畦，溝寬30cm，直溝深30cm，每20cm開一道橫溝，橫溝深35cm，形成周圍溝，連溝畦寬2.65m，畦面平整。其中，移栽機(jī)田間試驗(yàn)指標(biāo)有：取苗成功率η₁、移盤成功率η₃、漏栽率M、重栽率D、倒伏率T、傷苗率L、栽植合格率Q，試驗(yàn)中每株穴盤苗栽植狀態(tài)僅記錄一次，移栽機(jī)轉(zhuǎn)速為30r/min，栽植株距設(shè)定為260mm，具體性能試驗(yàn)各指標(biāo)采樣值如表3所示。

η₁=WW₀×100％

（15）

η₃=NN₁×100％

（16）

M=XLZW₀×100％

（17）

D=XCZW₀×100％

（18）

T=XDFW₀×100％

（19）

L=XSMW₀×100％

（20）

Q=NHGW₀×100％

（21）

式中：

W——成功取苗總株數(shù)；

W0——穴盤總數(shù)；

N——移盤總數(shù)；

N₁——未移盤成功總數(shù)；

XLZ——漏栽總株數(shù)；

XCZ——重栽總株數(shù)；

XDF——倒伏總株數(shù)；

XSM——傷苗總數(shù)；

NHG——

栽植合格株數(shù)，NHG=W₀－（XLZ+XCZ+XDF+XSM）。

5.4"試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知，移栽機(jī)的平均取苗成功率為95.002％，平均栽植成功率為92.97％，能夠較好地完成移栽作業(yè)，進(jìn)一步驗(yàn)證了西蘭花取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與實(shí)用性。

分析取苗和栽植失敗的原因主要有：（1）基質(zhì)的含水率較高，夾出缽苗時(shí)易夾碎基質(zhì)，導(dǎo)致持苗過程脫落。（2）培育的西蘭花缽苗直立性不足，帶苗現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，致使上下行的缽苗莖葉彼此纏繞，導(dǎo)致取苗出現(xiàn)空穴。（3）夾秧片夾緊力度不夠，基質(zhì)所受到的夾緊力由移栽臂內(nèi)部的彈簧提供，由于彈簧的預(yù)緊力不足，致使推苗桿回程不夠，最終導(dǎo)致缽苗在夾持過程中脫落。（4）栽植土地耕整程度不夠，鴨嘴栽植深度不夠，產(chǎn)生缽苗倒伏現(xiàn)象。

6"結(jié)論

1） 根據(jù)西蘭花缽苗移栽農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種基于非圓齒輪行星輪系的西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)，基于MATLAB開發(fā)西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2） 基于Burmester和混合四位置直線軌跡機(jī)構(gòu)綜合方法，采用5次B樣條曲線擬合取苗軌跡，運(yùn)用西蘭花移栽取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)求得滿足設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)解參數(shù)，當(dāng)直線軌跡長(zhǎng)度h₃=86.23mm，且傾角滿足α₁=137°、α₂=168°、α₃=108.6°要求時(shí)，取苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡滿足西蘭花取苗移栽的農(nóng)藝要求，保證取苗機(jī)構(gòu)在投苗階段時(shí)避免“甩苗”現(xiàn)象，提高投苗精準(zhǔn)度。

3） 通過ADAMS和高速攝像技術(shù)對(duì)取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)軌跡、仿真軌跡和取苗試驗(yàn)軌跡進(jìn)行對(duì)比，三者軌跡基本一致，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。對(duì)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行大田移栽試驗(yàn)，結(jié)果表明：平均栽植成功率為92.97％，平均取苗成功率為95.002％，進(jìn)一步驗(yàn)證取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

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