1、T 型开合槽型辅推机械式取苗末端执行器设计 韩绿化 叶梦蝶 翟晓南 张飞 刘洋 毛罕平 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室 江苏省农业装备与智能化高技术研究重点实验室 新疆农垦科学院机械装备研究所 摘 要： 设计了一种以夹紧取苗、张开推苗为工作模式的单驱动机械多针钳夹式取苗末端执行器, 利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗, 并驱动推苗环随动推钵放苗。应用解析法, 确定了取苗末端执行器的夹持机构和推苗机构结构参数关系。试制末端执行器, 将其安装在凸轮-连杆-滑槽组合式取苗机构上, 以番茄穴盘苗为对象, 进行对穴夹钵取苗性能测试。当取苗末端执行器对苗钵的夹取深度为 30mm、夹取
2、角度为 12、夹持力度为 3N 时, 在 40 株/min 取苗工作频率下, 该取苗末端执行器自动取苗平均成功率为 92.13%, 取苗效果满意。关键词： 穴盘苗; 移栽机; 取苗机构; 末端执行器; 钳夹式; 作者简介：韩绿化 (1980-) , 男, 河南商丘人, 助理研究员, 博士, (E-mail) 。作者简介：毛罕平 (1961-) , 男, 浙江宁波人, 教授, 博士生导师, (E-mail) 。收稿日期：2016-10-18基金：国家自然科学基金项目 (51475216) Design of End-effector in Picking up Seedlings with T-
3、type opening and Groove Profile PushingHan Lvhua Ye Mengdie Zhai Xiaonan Zhang Fei Liu Yang Mao Hanping Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University; Abstract： A new pincette-type end-effector in picking up seedlings was designed.It is the
4、mechanical separator system with a work mode of penetrating, grasping, pushing and discharging a seedling.By means of designing different dimensions of the T-type block for moving the pick-up pins open, the end-effector can meet the requirements of picking up seedlings in the different tray cells.Th
5、e structure parameters of grasping and pushing mechanism were established with the analytical method.A prototype of the pincette-type end-effector was constructed and test-operated to examine whether or not its functional requirements were satisfied.Taking 32-day-old tomato seedlings in the 128-cell
6、 trays as the objectives, the orthogonal experiments were conducted.As the penetration depth was 30 mm, the penetration depth was 12, and the grasping force was 3 N, the average success ratio in picking up seedlings was up to 92.13%, of which the quality of extracting seedlings was satisfactory.Keyw
7、ord： plug seedling; transplanter; pick-up device; end-effector; pincette type; Received： 2016-10-180 引言近年来, 随着蔬菜穴盘育苗技术的发展1, 以及劳动力成本的上升, 推动了自动移栽机械的研制开发工作, 已开发出多种形式的自动取苗机构2-3及末端执行器4-6。这些研究工作为我国蔬菜种植机械化生产做出了重要贡献。取苗末端执行器作为全自动移栽机的核心工作部件, 是直接接触作业对象的装置5, 而作业对象又是有生命的柔性苗-根-基质组成的复合体, 其机构参数设计是影响自动取苗移栽质量的重要因素之一,
8、 必须进行适应对象结构特性的夹取设计研究。为了自动高效移栽, 发明了多指多针气动取苗技术6-7, 具有取苗操作迅速、夹取灵活可控等特点。但这种气动取苗方式依赖气源动力, 在纯机械式取苗机构2-3上需要配置空压机及气动控制元件等附件, 生产应用中受到限制。本文考虑蔬菜苗钵结构特性, 兼顾自动取苗与投苗作业要求, 提出一种随动推苗环缩进夹苗、伸出推苗的机械式夹钵取苗方法, 进行取苗末端执行器结构参数设计, 开展自动取苗试验研究, 分析其工作效能。1 蔬菜苗钵结构特性以番茄为育苗对象, 使用浙江省盛世金农 PS 塑料 128 孔穴盘, 孔穴为正方形锥体, 上口径为 30mm, 下口径为 15mm,
9、穴深为 45mm, 依照我国农业行业标准蔬菜穴盘育苗通则 (NY/T2119-2012) 进行生产管理。成苗时, 每株幼苗的根系都完全自行盘结在各自的穴孔内, 将穴盘苗从穴孔中拉拔出来且不会出现散坨现象。在培育好的番茄穴盘苗中, 随机选取 60 株, 使用游标卡尺测量幼苗植株生长情况和钵体几何尺寸, 得到幼苗有 23 片真叶, 株高为 (112.56.75) mm, 叶展长为 (37.555.49) mm, 叶展宽为 (23.194.11) mm, 钵体上边长为 (28.121.02) mm, 下边长为 (16.040.57) mm, 钵体高度为 (42.221.62) mm, 钵体相对含水率
10、为 54.21%60.47%, 苗钵质量为 12.6415.86g。以穴孔中心为起始点, 不同秧苗所在钵体植入位置为终点, 描绘出穴盘苗植株在孔穴中的分布情况, 如图 1 所示。根据实测数据, 钵苗植株距穴孔中心最大偏距为 9.60mm, 最小偏距 0.78mm, 60 株穴盘苗偏离穴孔中心均值为 (4.761.02) mm。以与穴孔边界等长的四边形 ABCD 标示, 穴盘苗全位于四边形 ABCD 内。显然夹取针采用从四边形 ABCD 四角插入钵体夹紧来取苗, 能牢固抓住多数幼苗主根系, 并将幼苗植株捏住掌握在取苗手爪里。为此, 采用多针取苗技术能有效夹取生长在穴孔里的幼苗, 因钵体为根土结构
11、体, 夹取针入钵夹持部位应足够纤细, 保证夹持力度, 以最小插入破坏钵体整体性来执行夹取作业。在育苗农艺上, 也要尽量使穴盘苗植株生长在穴孔正中心, 有利于取苗末端执行器对正抓住幼苗主根系进行高效夹取作业, 这就要求在育苗时采用穴盘精播机对穴精准播种, 苗期管理时使幼苗植株直立生长。图 1 穴盘幼苗在孔穴中分布示意图 下载原图2 取苗末端执行器设计根据气动多针钳夹式取苗原理6, 发明了一种集夹持、推苗于一体的新型机械式取苗末端执行器8, 仅利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗, 并驱动推苗环随动推钵放苗, 减少了驱动力, 整体结构简单。取苗末端执行器主要由凸轮推杆机构、T 型开合槽板辅
12、推装置、机械手指夹取机构及弹簧收紧系统等构成, 如图 2 (a) 所示。其中, 凸轮推杆机构驱动 T 型斜切块上下运动, 弹簧收紧系统使机械手指紧靠 T 型斜切块斜切面, 从而实现机械手指上的夹取针开合;辅推槽板与 T 型斜切块通过滑槽连接, 在 T 型斜切块上下运动带动辅推槽板上的推苗环随动推钵放苗。2.1 夹钵取苗方法具体动作模式如图 2 所示。1) 在一个自动取苗周期内, 当取苗机构带动末端执行器执行取苗时, T 型斜切块平侧面使两根机械手指关节呈张开状态, 如图 2 (b) 所示。2) 对穴到位后, 4 根夹取针保持张开状态沿穴孔内壁锥度方向插进钵体, 如图2 (c) 所示。3) 夹取
13、针插入钵体最大深度后, T 型斜切块向上运动, 两根机械手指关节在收紧弹簧作用下, 机械手指关节上的滚子与 T 型斜切块斜侧面相切, 夹取针合拢夹紧穴盘苗钵体, 如图 2 (d) 所示, 于是在取苗机构带动下夹钵取苗。4) 当取苗末端执行器投苗时, T 型斜切块向下运动, 两根机械手指关节在收紧弹簧作用下, 机械手指关节上的滚子与 T 型斜切块平侧面再次相切, 撑开两根机械手指关节, 使夹取针呈张开状态, 如图 2 (e) 所示。5) T 型斜切块继续向下进给, 其端面驱动推苗环伸出推钵, 从而推落穴盘苗, 达到释放穴盘苗的目的, 如图 2 (f) 所示。图 2 取苗操作过程 下载原图1.凸轮
14、 2.推杆 3.安装块 4.T 型斜切块 5.辅推槽板 6.机械手指 7.收紧弹簧 8.推苗环 9.夹取针 10.幼苗 11.钵体 12.穴孔2.2 结构参数设计2.2.1 夹持机构取苗末端执行器的夹取机构原理如图 3 所示。整体上采用 T 型斜切块开合两侧夹取针方式, 通过设计不同 T 型斜切块斜切面, 可以满足不同规格尺寸的穴盘苗夹持要求。对穴盘苗钵体的夹持力度, 通过调节收紧弹簧的预紧力实现。图 3 末端执行器夹持作用苗钵示意图 下载原图1.T 型凸轮块 2、3.滚轮 4、5.夹取针 6.收紧弹簧 7.支架夹钵取苗的理想结构参数可描述为:夹取针应尽量沿穴孔内壁斜插穴盘苗钵体, 入钵深度在
15、穴孔高度范围内, 夹持空间应容得下幼苗植株。则夹钵取苗时, 取苗末端执行器夹取针的几何约束条件为式中 w1夹取针入钵夹持尺寸;w2夹取针入钵夹持针尖末端开口尺寸;l1夹取针有效长度尺寸;h2幼苗植株高度尺寸;夹取针入钵夹持角度;n穴孔下边长尺寸;m穴孔上边长尺寸;h1穴孔高度。设定滚轮半径为 r, 滚轮中心到夹取针的垂直安装距离为 d, 根据几何关系可得式中 wT 型斜切块推夹取针开合宽度尺寸;w2夹取针入钵夹持针尖末端开口尺寸;l1夹取针有效长度尺寸;夹取针入钵夹持角度。可见, 取苗末端执行器夹取针设计时要依据对象的特性进行, 包括穴孔的形状和规格尺寸, 以及穴盘苗的植株特性。在明确夹取针执
16、行参数的情况下, 通过设定具体安装位置, 可以计算需要的 T 型斜切块推动夹取针开合的斜切面宽度尺寸, 而其行程长度尺寸 l 要与推苗机构配合。对穴盘苗的夹取力设计, 应考虑夹持弹性变形, 适当增大收紧弹簧预紧力以稳定夹紧苗钵取苗6。2.2.2 推苗机构如图 4 所示, 取苗末端执行器推苗机构为滑杆-槽凸轮机构, 通过 T 型斜切块推动腰形槽滑杆上下滑移, 利用腰形槽滑杆和腰形槽横杆联动进行运动尺寸放大, 借住腰形槽横杆上的推苗环实现推钵退出夹取针, 从而达到释放穴盘苗的目的。根据三角函数关系, 得到式中 lT 型斜切块推苗行程尺寸;h3腰形槽滑杆 2、3 交叉点 O 与铰接点 A、B 连线的
17、垂直距离;h4铰接点 D 与腰形槽滑杆 2、3 交叉点 O 的垂直距离;h1推苗落体的所需距离。易得联立式 (3) 式 (5) , 在设定极限安装尺寸OAB 的情况下, 结合推苗行程尺寸要求 d, 可计算出 T 型斜切块推苗行程尺寸 l, 从而设计出符合要求的 T 型斜切块。进一步通过 LOA与 LOA尺寸比较, 可得出腰形槽滑杆的滑槽尺寸。而腰形槽横杆的滑槽尺寸为 D 与 D点在水平方向的距离, 即 LODsinAOF 与LODsinEOD, EOD与 LOA与 LOA尺寸相关, 于是确定出腰形槽横杆的滑槽尺寸, 从而完成整个推苗机构设计。图 4 末端执行器辅推作用苗钵示意图 下载原图1、1
18、.T 型凸轮块 2、2、3、3.腰形槽滑杆 4、4.腰形槽横杆 5.机架3 取苗试验与分析试制取苗末端执行器, 将其安装在凸轮-连杆-滑槽组合式取苗机构9上, 通过分析取苗机构工作循环规律, 利用反转法原理规划出驱动取苗末端执行器动作的凸轮轮廓曲线。采用线切割技术制造取苗末端执行器驱动凸轮, 将其安装在取苗机构动力输入轴上, 与取苗机构联动, 在取苗点实现对穴夹钵取苗, 在投苗点实现松钵放苗。所构建的取苗试验台如图 5 所示。以可移栽的番茄穴盘苗为对象, 开展末端执行器自动取苗试验。所用穴盘苗来自江苏省镇江市当地农户自行培育的种苗, 育苗基质为江苏省淮安市中诺农业科技发展有限公司生产的精装通用
19、型有机基质营养土, 每个穴孔基质填充 (33.52) cm, 所有番茄品种为“合作 908”粉红番茄, 使用浙江省盛世金农128 孔穴盘育苗。试验时, 苗龄 32 天, 两叶一心, 穴盘苗钵体含水率范围为63.93%66.44%。根据气动多针钳夹式取苗末端执行器6确定工作参数为夹取深度为 30mm, 夹取角度为 12, 夹持力度为 3N。在具体试验时, 设定取苗频率为 40 株/min, 每组开展 3 盘穴盘苗连续夹取作业, 重复 3 次, 考察取苗成功率情况。取苗成功率代表了取苗、带苗、投苗的成功情况10, 是自动取苗移栽性能好坏的综合表现, 作为取苗试验的考核指标。移栽成功率 SR定义为式
20、中 NSF进给穴孔总数 (个) ;NMS空穴数 (个) 。NFF取苗失败数, 主要包括幼苗未被取出、根坨破碎过半以及未成功投苗数 (株) 。NLD伤苗数 (株) 。图 5 自动取苗试验台 下载原图1.取苗电机 2.取苗机构 3.取苗末端执行器 4.穴盘苗 5.移箱机构 6.导苗筒对于蔬菜穴盘苗而言, 夹取针刺破叶子, 或者单个叶子被撕扯掉等现象, 不会对幼苗后期生长造成太大的影响, 这里 NLD只统计幼苗主茎折断情况。试验结果如表 1 所示。表 1 取苗性能试验结果 下载原表 从实际效果来看, 当取苗频率为 40 株/min 时, 该取苗末端执行器自动取苗成功率平均值为 92.13%。取苗后栽
21、培幼苗, 全部成活, 取苗效果较好。对未成功取出和根土破坏较大的穴盘苗, 使用柱塞将其从穴孔排水口顶出, 发现这些苗钵的盘根较少, 根系没有从穴孔底部到上部包裹基质体。因此, 提高育苗质量, 尤其是加强钵体盘根强度利于机械夹取。由表 1 可以看出:番茄穴盘苗断茎情况比较严重, 这是番茄苗生理结构脆弱所致。另外, 在机械夹取番茄穴盘苗时, 发现伤苗情况严重, 原因是番茄幼苗植株冠幅较大, 夹取针容易压折苗茎, 导致苗顶折断。为此, 培育根系发达的矮壮苗可有效减少取苗时的损伤。4 结论1) 在分析蔬菜苗钵结构特性的基础上, 根据气动多针钳夹式取苗原理, 设计了一种集夹持、推苗于一体的新型机械式取苗
22、末端执行器, 仅利用一个机械动力控制机械手指开合进行夹钵取苗, 并驱动推苗环随动推钵放苗。2) 试验表明:当夹取深度为 30mm、夹取角度为 12、夹持力度为 3N 时, 在 40株/min 取苗工作频率下, 该取苗末端执行器自动取苗平均成功率为 92.13%, 自动取苗效果满意。参考文献1张振国, 曹卫彬, 王侨, 等.穴盘苗自动移栽机的发展现状J.农机化研究, 2013, 35 (5) :327-241. 2陈科, 杨学军, 颜华, 等.基于 Matlab 的全自动移栽机取苗机构设计与参数优化J.农业机械学报, 2013, 44 (增刊 1) :24-26, 32. 3赵雄, 陈建能, 杨
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