193 食品機(jī)械 食品工業(yè) 2021 年第42卷第 9 期 水植生菜自動(dòng)采摘裝置整體方案設(shè)計(jì) 蔣會(huì)哲 1 張春燕 2 1 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州 450000 2 黃河科技學(xué)院 鄭州 450000 摘要由于農(nóng)用土地資源的不斷減少 水植栽培憑借其極高的資源利用率成為先進(jìn)的農(nóng)業(yè)發(fā)展技術(shù) 隨著農(nóng)村年 輕勞動(dòng)力不斷外移 水植栽培對自動(dòng)化設(shè)備需求越來越高 目前國內(nèi)外對水植栽培模式葉菜類的自動(dòng)采摘裝置的 研究較少 以水植生菜為研究對象 對標(biāo)人工采摘的特點(diǎn) 確定了自動(dòng)化采摘各環(huán)節(jié)機(jī)構(gòu)裝置所需具備的功能 通過 對比多種機(jī)構(gòu)方案 選擇了鏈輪定植板運(yùn)輸方案 根部剪刀切割方案 仿型手指拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案 最終得到了水 植生菜自動(dòng)采摘整體方案和工藝流程 關(guān)鍵詞 自動(dòng)化設(shè)備 水植生菜 自動(dòng)采摘 整體方案 Overall Scheme Design of Automatic Collection Device for Water Plant Lettuce JIANG Huizhe 1 ZHANG Chunyan 2 1 Zhengzhou Railway V ocational and Technical College Zhengzhou 450000 2 Huang He Science and Technology University Zhengzhou 450000 Abstract Due to the continuous reduction of agricultural land resources water planting has become an advanced agricultural development technology because of its high utilization rate of resources With the continuous migration of rural young labor force the demand for automation equipment in water planting cultivation is higher and higher At present there is little research on the automatic collection device of leaf vegetables in water planting cultivation mode at home and abroad In this paper the water plant lettuce is taken as the research object According to the characteristics of manual picking the functions required for each link of automatic picking are determined Through the comparison of various mechanism schemes the chain wheel fixed transportation scheme root scissors cutting scheme and imitation finger extraction and handling mechanism scheme are selected Finally the overall scheme and technological process of water plant lettuce automatic collection are obtained Keywords automation equipment water plant lettuce automatic acquisition overall scheme 日益增長的人口和土地資源減少產(chǎn)生的矛盾一直 以來是全球面臨的主要難題 如何減少土地占用率同 時(shí)提高農(nóng)作物產(chǎn)量迫在眉睫 1 其中蔬菜作為人們食 譜中關(guān)鍵的一環(huán) 具有重要的營養(yǎng)價(jià)值和商業(yè)效益 2 目前傳統(tǒng)的土壤種植蔬菜產(chǎn)能已無法滿足人們需求 植物工廠種植模式已逐漸流行全球 據(jù)預(yù)測 2020年 中國植物工廠規(guī)模將達(dá)到100億 相關(guān)產(chǎn)業(yè)及生產(chǎn)設(shè) 備都將井噴式發(fā)展 3 4 植物工廠是通過人為營造植物所生長的環(huán)境條 件 從而達(dá)到植物快速高效成長的一種現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 方式 5 7 水植栽培是植物工廠的典型代表 可以采用 立體栽培方式從而提高土地利用率 同時(shí)直接對農(nóng)作 物根部輸送營養(yǎng)液 使農(nóng)作物加速生長 培養(yǎng)作物的 生長速度為常規(guī)土壤種植的2 4倍 土地利用率更是 高達(dá)40 108倍 8 隨著我國農(nóng)村年輕勞動(dòng)力不斷外移 植物工廠對 自動(dòng)化程度要求越來越高 9 以水植生菜為例 目前 國內(nèi)外生菜的立體搬運(yùn) 根部切割 拔取 包裝都是 以人工為主 10 Hayashi 11 設(shè)計(jì)出茄子自動(dòng)采摘設(shè)備 Reed 12 周云山等 13 都設(shè)計(jì)了蘑菇自動(dòng)采摘設(shè)備 12 13 杜冬冬等 14 設(shè)計(jì)了一種甘藍(lán)自動(dòng)采摘設(shè)備 但僅僅適 用于大田種植方式 目前對于水植栽培模式葉菜類的 自動(dòng)采摘設(shè)備研究較少 因此 此次研究以水植生菜 為試驗(yàn)對象 對生菜的自動(dòng)采摘方案進(jìn)行研究 以期 為水植生菜自動(dòng)采摘設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一定參考 1 水培生菜培養(yǎng)及采摘現(xiàn)狀分析 水植生菜目前常用的栽培方式有平面栽培和立體 栽培兩種 15 平面栽培方式如圖1 a 所示 將生菜 置于玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行日光培養(yǎng) 立體栽培方式如圖1 b 所示 生菜錯(cuò)落分布在封閉植物工廠內(nèi) 采用 LED人工光源進(jìn)行培養(yǎng) 圖1 水培生菜栽培方式 食品工業(yè) 2021 年第42卷第 9 期 194 食品機(jī)械 據(jù)調(diào)查 平面栽培模式和立體栽培模式 營養(yǎng)液 輸送 循環(huán) 監(jiān)測 調(diào)控均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 播種 移 栽定值 生菜采摘卻依然以人工為主 水植生菜目前的人工采摘方式主要有去根采摘和 留根采摘兩種 勞動(dòng)力成本高 熟練的作業(yè)人員采摘 的生菜品質(zhì)高 不散葉 完整性好 去根采摘方式如 圖2 a 所示 作業(yè)人員在定值板上將生菜根莖去除 后進(jìn)行采摘 留根采摘方式如圖2 b 所示 生菜在 銷售時(shí)全部保留著根須 圖2 水培生菜栽培方式 去根采摘方式在生菜銷售時(shí)不能體現(xiàn)其水培特 征 導(dǎo)致銷售價(jià)格偏低 留根采摘方式體現(xiàn)了水培特 征 滿足了消費(fèi)者購買生菜后的培育和欣賞 但生菜 根部太長且大部分為根須 因此最佳方案為采用部分 留根采摘 即留取生菜主根長部分進(jìn)行采摘 2 自動(dòng)采摘裝置性能及分析 結(jié)合生菜人工采摘方式的分析 想實(shí)現(xiàn)水培生菜 的自動(dòng)采摘裝置 需要具備的主要功能有 1 水 培生菜定植板的自動(dòng)運(yùn)輸功能 2 單株水培生菜 根須自動(dòng)切割功能 3 將去除根須的單株生菜從 定植板中自動(dòng)取出的功能 4 水培生菜的自動(dòng)搬 運(yùn)功能 各個(gè)環(huán)節(jié)的主要性能需求如表1所示 表1 生菜采摘裝置各環(huán)節(jié)主要性能需求 項(xiàng)目 性能需求 定植板 利于輸送 強(qiáng)度高 滿足生菜水培生長條件 定植板輸送 可自動(dòng)檢測定植板 運(yùn)輸全過程平穩(wěn)進(jìn)行無抖動(dòng)和 偏離 行程明確可達(dá)指定位置 根須切割 根須切除干凈且切除后根部平齊 生菜拔取 生菜從定值板中取出無損傷 拔取過程平穩(wěn) 生菜運(yùn)輸 可自動(dòng)檢測生菜 運(yùn)輸全過程平穩(wěn)不損傷生菜 行程 明確可達(dá)指定位置 3 水培生菜自動(dòng)采摘裝置方案制定 3 1 定植板輸送機(jī)構(gòu)方案制定 借鑒物流運(yùn)輸過程中的自動(dòng)化裝置及定植板輸送 所需滿足的性能 水培生菜定植板輸送裝置的工作流 程如圖3所示 根據(jù)常見的運(yùn)送模式給出如圖4 a 所示的帶輪 輸送和如圖4 b 所示的鏈輪輸送兩種方案 使用帶 輪運(yùn)輸?shù)姆绞娇梢员ＷC運(yùn)輸過程平穩(wěn) 但定植板的質(zhì) 量會(huì)對輸送帶形變產(chǎn)生影響 另外需要固定定植板的 輸送軌跡 因此會(huì)引入 L 型擋板用于支撐和定位 定植板 這樣會(huì)使輸送帶的磨損進(jìn)一步加大 為了使 生菜根部和定植板順利進(jìn)入輸送線 需要較大的張緊 力 會(huì)進(jìn)一步磨損輸送帶 但帶式輸送構(gòu)造相對簡 單 成本較低 鏈傳動(dòng)運(yùn)輸相對于帶傳輸不易磨損 且不需要太 大的張緊力 在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以實(shí)現(xiàn)輸送線的 間歇輸送 運(yùn)輸定植板的倍速鏈型材自帶擋板 可以 保證定植板的運(yùn)輸路線 定植板輸入端無滾筒 可以 使輸送線變短 但其構(gòu)造相對復(fù)雜 成本較高 二者 對比如表2所示 圖3 定植板輸送裝置工作流程 圖4 定植板輸送機(jī)構(gòu)方案 表2 定植板輸送機(jī)構(gòu)方案比較 項(xiàng)目 輪張緊力 磨損 輸送平穩(wěn)性 擋邊制作 成本 帶式運(yùn)輸 較大 大 很平穩(wěn) 需要 低 鏈?zhǔn)竭\(yùn)輸 小 小 平穩(wěn) 無需 較高 195 食品機(jī)械 食品工業(yè) 2021 年第42卷第 9 期 考慮到大量作業(yè)時(shí) 對輸送裝置磨損性能要求更 高 建議采用鏈輪運(yùn)輸方案 3 2 根部切割機(jī)構(gòu)方案制定 在定值板輸送機(jī)構(gòu)暫停期間 根部切割機(jī)構(gòu)需要 在去除多余根系保留主根從而使生菜具備水植特性 通過查閱國內(nèi)外切割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)及水植生菜切割 所需匹配的條件 提出3種根部切割機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行對 比 圖5 a c 分別為環(huán)形帶刀切割機(jī)構(gòu) 剪刀切割 機(jī)構(gòu) 往復(fù)式切割機(jī)構(gòu) 圖5 根部切割機(jī)構(gòu)方案 環(huán)形帶刀切割機(jī)構(gòu)為土壤種植葉菜類采收時(shí)常采 用的切割機(jī)構(gòu) 環(huán)形帶刀在兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下對蔬菜根 部進(jìn)行連續(xù)切割 運(yùn)行平穩(wěn) 水培生菜根部由于無土 相對輕飄 采用環(huán)形帶刀切割機(jī)構(gòu)很難保證切割后生 菜根部的齊平性 影響生菜水培特性 剪刀切割機(jī)構(gòu)是根據(jù)人工去根方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的 其運(yùn)行平穩(wěn) 通過外力使剪刀開閉從而進(jìn)行切根操 作 因此其控制系統(tǒng)相對復(fù)雜 但是能很好地保證水 培生菜根部的平齊性 如圖5 b 所示 此處將剪刀 設(shè)計(jì)成一段固定 一段旋轉(zhuǎn)的方式 可以一定程度上 降低剪刀開閉的復(fù)雜性 剪刀一側(cè)采用連接板固定 在單桿雙作用氣缸的推動(dòng)下可以進(jìn)行移動(dòng) 通過設(shè)計(jì) 不同大小的剪刀從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)生菜根部同時(shí)切割 提 高工作效率 可用于大量作業(yè) 往復(fù)式切割機(jī)構(gòu)和環(huán)形帶刀切割一樣 依靠刀片 與根部接觸產(chǎn)生的切割力進(jìn)行切割 但水植生菜根部 較輕 因此也不能保證水培生菜根部的平齊性 切割 刀片固定在一維的連桿上 因此在切割過程相對不平 穩(wěn) 容易產(chǎn)生較大噪音 三種根部切割機(jī)構(gòu)的對比如 表3所示 表3 根部切割機(jī)構(gòu)方案比較 項(xiàng)目 運(yùn)行平穩(wěn)性 根部平齊性 切割復(fù)雜性 環(huán)形帶刀切割 很平穩(wěn) 不平齊 簡單 剪刀切割 平穩(wěn) 平齊 較復(fù)雜 往復(fù)式切割 較不平穩(wěn) 不平齊 簡單 3 3 生菜拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案制定 生菜拔取機(jī)構(gòu)最重要的是要保證可以無損傷地將 根須切割后的水植生菜從定值板中取出 同時(shí)將生菜 運(yùn)往下一工站輸送裝置 對于小型物件 常見的抓取 方式有氣爪抓取和仿型手指抓取 現(xiàn)針對這兩種方 式提供兩種拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行對比 如圖6 a b 所示 圖6 拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案 食品工業(yè) 2021 年第42卷第 9 期 196 食品機(jī)械 對于氣爪拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 位于雙軸氣缸下端的氣 爪一般為通用結(jié)構(gòu) 其抓取力接近 但不同生菜其展 開度和根莖直徑是有區(qū)別的 因此存在部分生菜被拔 取時(shí)出現(xiàn)損傷 出現(xiàn)脫落 若想解決該現(xiàn)象 就需要 針對不同生長情況的水植生菜設(shè)計(jì)不同的氣爪進(jìn)行拔 取 這會(huì)大大增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和成本 對于仿型手指拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 其整體架構(gòu)與氣爪 拔取方式相近 位于雙軸氣缸下方的仿型手指其指間 間距和高度均可以進(jìn)行調(diào)節(jié) 從而可應(yīng)用于不同生長 情況的水植生菜 通用性高 成本低 兩種方案的對 比如表4所示 表4 生菜拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案比較 項(xiàng)目 葉損傷 通用性 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性 氣爪拔取 大 較窄 復(fù)雜 仿型手指拔取 小 廣泛 簡單 3 4 水培生菜自動(dòng)采摘最終方案制定 基于前3小節(jié)對自動(dòng)采集裝置各機(jī)構(gòu)方案的分析 對比 分別選用鏈輪定值板運(yùn)輸方案 根部剪刀切割 方案 仿型手指拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案 其構(gòu)成的自動(dòng)采 集最終方案如圖7所示 配合上控制系統(tǒng) 其整個(gè)工 藝流程圖如圖8所示 注 1 水培生菜 2 定值板 3 仿型手指 4 雙軸氣缸 5 無桿氣缸 6 倍速鏈輪 7 電機(jī) 8 單桿雙作用氣缸 9 切割剪刀 10 升降桿 圖7 水培生菜自動(dòng)采摘最終方案 圖8 水培生菜自動(dòng)采集方案工藝流程 4 結(jié)論 首先對目前水培生菜的人工采摘方式進(jìn)行了分 析 基于人工采摘方式給出自動(dòng)采集方式各個(gè)環(huán)節(jié)機(jī) 構(gòu)裝置所需具備的功能和性能 分別對定植板輸送機(jī) 構(gòu) 根部切割機(jī)構(gòu) 拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)的多個(gè)方案進(jìn)行了 對比分析 最終選擇了鏈輪定值板運(yùn)輸方案 根部剪 刀切割方案 仿型手指拔取搬運(yùn)機(jī)構(gòu)方案 確定了水 培生菜自動(dòng)采摘的整體方案和工藝流程 對水植生菜 各重要環(huán)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和方案進(jìn)行對比 為水植生菜 自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)提供一定的參考意義 參考文獻(xiàn) 1 闞大學(xué) 中國蔬菜產(chǎn)業(yè)國際市場勢力實(shí)證研究 J 江蘇農(nóng) 業(yè)科學(xué) 2013 41 1 391 394 2 陳恒峰 郭輝 盛會(huì) 等 生菜自動(dòng)化生產(chǎn)方案設(shè)計(jì) J 農(nóng) 業(yè)科技與裝備 2016 7 34 35 3 劉文科 劉義飛 人工光植物工廠技術(shù)裝備與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的 戰(zhàn)略思考 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2017 37 9 32 39 4 孫劍玲 我國設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展思路 J 種子科技 2019 37 13 134 137 5 JIANG Z G Development status problems and countermeasures of facility agriculture in Beijing J Engineering in Agriculture 2015 8 2 39 45 6 趙云霞 幾種代表植物工廠化栽培技術(shù)研究 D 南京 南 京大學(xué) 2018 7 滕星 高星愛 姚麗影 等 植物工廠水培生菜技術(shù)研究進(jìn) 展 J 東北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017 42 1 40 45 8 HU M C A sustainable vegetable supply chain using plant factories in Taiwanese markets A Nash cournot model J International Journal of Production Economics 2014 18 12 49 52 9 揣成智 王建清 李樹 等 塑料包裝袋保鮮果蔬的研究 J 包裝與食品機(jī)械 1997 6 4 8 10 楊艷麗 江海宇 楊丹彤 水培葉菜自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng) J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2010 26 5 35 37 11 HAYASHI S K Robotic harvesting system for eggplants J Jarq Japan Agricultural Research Quarterly 2015 36 3 163 168 12 REED J N Automatic mushroom harvester development J Journal of Agricultural Engineering Research 2001 78 1 15 23 13 周云山 李強(qiáng) 李紅英 計(jì)算機(jī)視覺在蘑菇采摘機(jī)器人上 的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2011 11 7 27 32 14 杜冬冬 費(fèi)國強(qiáng) 王俊 等 自走式甘藍(lán)收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 2 31 37 15 劉士哲 水培蔬菜產(chǎn)業(yè)化前景及存在問題和解決途徑 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 2017 37 22 39 45