11 農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第5期 蔬菜工廠化生產(chǎn)自動(dòng)移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 顧小小 1 李 偉 2 朱春燕 1 解安東 2 李長興 1 張樣平 3 1 上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所 上海市 201106 2 安徽工業(yè)大學(xué)智能裝備技術(shù)研究院 安徽馬鞍山 243002 3 上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司 上海市 201210 摘要 針對植物工廠穴盤苗高精度移栽的生產(chǎn)需求 設(shè) 計(jì)了一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動(dòng)移苗設(shè) 備 該設(shè)備主要由種植盤庫機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)接臺(tái) 育苗盤輸送 線 桁架直線模組和抓取裝置等部分組成 試驗(yàn)證明設(shè) 備運(yùn)行精度高 可靠性強(qiáng) 自動(dòng)移苗設(shè)備在正常生產(chǎn) 速度下 48棵 min 移栽速度的最大誤差為 2 s 在 誤差允許范圍 3 s內(nèi) 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下 移栽 速度隨脈沖參數(shù)的提升而上升 最高移栽平均速度可達(dá) 90棵 min 移栽速度的上升并不會(huì)影響移栽的成功率 移栽平均成功率可達(dá)97 關(guān)鍵詞 植物工廠 自動(dòng)移苗 穴盤 輸送裝置 抓取 裝置 0 引言 穴盤苗移栽是設(shè)施內(nèi)工廠化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié) 1 穴 盤苗移栽可以縮短作物的生長發(fā)育期 錯(cuò)開成熟期 提 高產(chǎn)量 2 發(fā)達(dá)國家對移栽機(jī)的研究起步較早 3 L J Kutz 等研發(fā)第一個(gè)被應(yīng)用到苗圃植物移栽的機(jī)器人 4 Yang Y 等設(shè)計(jì)帶滑動(dòng)針夾持器的四自由度SCARA工業(yè)機(jī)器人 5 Takashi等發(fā)明了一套自動(dòng)化移栽系統(tǒng) 并引入托杯轉(zhuǎn)移 缽苗 6 K H Ryu等設(shè)計(jì)帶視覺系統(tǒng)的全自動(dòng)移苗機(jī) 7 美 國RAPID的RTW系列全自動(dòng)移苗機(jī)可多穴盤同時(shí)抓取 8 總體而言 國外移苗機(jī)成套設(shè)備體積較為龐大 無法較 好地適應(yīng)我國實(shí)際生產(chǎn)的需要 且存在通用性差 難以 控制 成本較高等問題 上個(gè)世紀(jì)九十年代 國內(nèi)開始溫室缽苗移栽機(jī)械的 研究 吉林工業(yè)大學(xué)研制出針對空氣整根營養(yǎng)缽育苗移 栽系統(tǒng) 9 范云翔等研制溫室全自動(dòng)移栽機(jī) 10 邱立春 等發(fā)明多個(gè)移栽機(jī)械手移栽的穴盤苗移栽機(jī) 11 韓綠化 等設(shè)計(jì)了一種穴盤苗移栽機(jī)兩指四針錯(cuò)夾式取苗末端執(zhí) 行器 12 然而 受定位精準(zhǔn)度 抓取效率 生產(chǎn)成本等 因素的制約 國內(nèi)穴盤苗移栽裝備自動(dòng)化程度低 成本 高 13 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 14 可靠性差 15 尚無法適應(yīng)蔬菜工廠 化生產(chǎn)的實(shí)際要求 針對現(xiàn)狀 本研究結(jié)合長三角地區(qū) 綠葉菜工廠化生產(chǎn)的需求 研制從96穴育苗盤移苗到8 穴種植盤的高速 高精度自動(dòng)移苗機(jī) 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理 1 抓手 2 夾爪氣缸 3 X 軸 4 Z1軸 5 Y2軸電機(jī) 6 Z1軸電機(jī) 7 種植盤庫 8 Z2軸電機(jī) 9 Y1軸電機(jī) 10 Z2軸 11 X軸電機(jī) 12 X軸 13 育苗盤輸送線 14 夾爪氣缸 15 抓手 16 轉(zhuǎn)接臺(tái) 17 桁架 18 Y1軸 19 Y2軸 圖1 自動(dòng)移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖 整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括種植盤庫 轉(zhuǎn)接臺(tái) 育苗盤輸送 線 桁架直線模組和抓取裝置 圖1 工作流程 向種植盤庫填充空種植盤 機(jī)械臂復(fù) 位 插板氣缸伸出 拖住種植盤 頂升氣缸升起頂起種 植盤 插板氣缸縮回 頂升氣缸下落一個(gè)種植盤的距離 時(shí) 插板氣缸伸出 拖住上面的種植盤 落下的種植盤 與頂升氣缸一起下落到最低位置 頂升氣缸桿縮回帶動(dòng) 托架下降 將下落的種植盤送至轉(zhuǎn)接臺(tái)的種植盤輸送 線 種植盤輸出裝置接到信號(hào)后將空種植盤運(yùn)輸?shù)较尬谎b 置處等待移苗 育苗盤輸送線運(yùn)送育苗盤到指定位置 阻 擋氣缸伸出擋住育苗盤 夾爪氣缸收縮 驅(qū)動(dòng)抓手夾住種 植杯移至種植盤 夾爪氣缸伸長 夾爪將種植杯放入種植 基金項(xiàng)目 上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目 滬農(nóng)科創(chuàng)字 2018 第 3 1號(hào) 12 農(nóng)業(yè)裝備 農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第5期 盤 移苗完成后 種植盤限位裝置放行 推盤裝置將種植 盤推上AGV小車 由其運(yùn)送種植盤至種植床 2 關(guān)鍵部件 2 1 穴盤及種植杯 為避免抓取裝置損傷幼苗 設(shè)計(jì)滿足機(jī)械臂抓取強(qiáng) 度要求的種植杯 抓手抓取栽有幼苗的種植杯來移栽 種植杯杯沿直徑35 mm 杯沿下方直徑27 mm 杯底直徑 23 mm 杯高40 mm 配套設(shè)計(jì)孔數(shù)8 12 行 列 555 mm 375 mm 長 寬 穴孔中心距45 mm 45 mm 穴孔口徑25 mm的種植盤 以及孔數(shù)2 4 行 列 430 mm 240 mm 長 寬 穴孔中心距100 mm 100 mm 穴孔口徑30 mm的育苗盤 2 2 種植盤庫 種植盤庫包括機(jī)架及種植盤裝置 分離裝置 導(dǎo)向 機(jī)構(gòu)和種植盤存放架 種植盤裝置包括托架和托架升降 機(jī)構(gòu) 選用30 30鋁型材 40 40鋁型材和40 40 4方 形鋼 根據(jù)種植盤尺寸及轉(zhuǎn)接臺(tái)高度 確定其長 寬 高分別為2 240 mm 540 mm 1 240 mm 種植盤存放架 有1組6個(gè)種植盤儲(chǔ)存?zhèn)} 每個(gè)儲(chǔ)存?zhèn)}最多可儲(chǔ)存12個(gè)種 植盤 種植盤庫最大可儲(chǔ)存72個(gè)種植盤 2 3 轉(zhuǎn)接臺(tái) 轉(zhuǎn)接臺(tái)結(jié)構(gòu)包括種植盤輸送裝置和限位裝置 輸送 裝置將種植盤庫中的種植盤送至機(jī)械臂處 限位裝置將 種植盤限制在移栽位置 為提高種植盤運(yùn)輸同步性 輸送裝置采用同步帶傳 動(dòng)運(yùn)送種植盤 其傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī) 主動(dòng)帶輪 從動(dòng)帶 輪 張緊輪 同步帶組成 6個(gè)導(dǎo)槽的7個(gè)主動(dòng)帶輪均設(shè)在 一根傳動(dòng)軸上 種植盤質(zhì)量為3 kg 運(yùn)輸速度為0 13 m s 根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 選用的同步帶規(guī)格為584 8M 40 選擇交流電機(jī)中的異步電機(jī)作為種植盤輸送裝置 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩以及功率選擇電機(jī)型號(hào)為 6IK300RGU CF 配減速比為25的減速機(jī) 經(jīng)減速機(jī)減 速后 額定轉(zhuǎn)速為 額定轉(zhuǎn)矩為 滿足設(shè)計(jì)要求 2 4 育苗盤輸送裝置 根據(jù)育苗盤的尺寸和特性選擇帶式輸送線進(jìn)行育 苗盤輸送 保證育苗盤在位置移動(dòng)過程中不松動(dòng) 不 落苗 并實(shí)現(xiàn)精確定位 輸送線配550 W普通三相異步 電動(dòng)機(jī) 輸送線長2 800 mm 寬485 mm 整體高度以 417 mm為基準(zhǔn) 可上下各調(diào)節(jié)30 mm 線體支架為4080 國標(biāo)型材 輸送線皮帶的回轉(zhuǎn)直徑不得大于60 mm 2 5 桁架直線模組 直線模組單體運(yùn)動(dòng)速度快 重復(fù)定位精度高 質(zhì)量 輕 所占空間小 壽命長 16 選用同步帶型直線模組 2個(gè)模組使用同一個(gè)X軸 抓取和放置種植杯時(shí) 兩個(gè)模 組分別動(dòng)作 互不干涉 無碰撞的風(fēng)險(xiǎn) 設(shè)計(jì)直線模組X軸和X 軸沿種植盤輸送線方向水平 直線行程為800 mm Y1軸和Y2軸沿垂直于種植盤輸送線 方向水平直線行程為800 mm Z1軸和Z2軸沿豎直方向上 下直線運(yùn)動(dòng)行程為700 mm 經(jīng)測算XYZ軸所承受的負(fù)載 分別為4 82 kg 6 77 kg 29 47 kg 根據(jù)以上參數(shù) 選擇 80型同步帶直線型模組 選用高慣性 高慣量 MHMF082L1U2M型伺服電 機(jī) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂沿XYZ軸運(yùn)動(dòng) 水平方向上伺服電 機(jī)通過X Y軸直線模組帶動(dòng)機(jī)械臂至指定抓苗 投苗位 置 垂直方向上伺服電機(jī)通過Z軸直線模組帶動(dòng)抓苗機(jī) 械手向下移動(dòng)夾取種植杯 2 6 抓取裝置 抓取機(jī)構(gòu)考慮到成本和調(diào)試同步性問題 采用模組 機(jī)械雙臂 由于種植杯呈圓柱狀且上方開口 不易吸 附 故選用夾取式末端 根據(jù)種植盤孔數(shù) 每個(gè)機(jī)械臂 配4個(gè)夾爪 夾爪夾取種植杯2 3處 直徑約26 mm 夾 爪松開時(shí)開度為31 mm 夾取時(shí)開度為25 mm 抓手分配盤上4條滑軌對應(yīng)4個(gè)夾爪 滑軌上端間距 同育苗盤穴孔中心距 下端間距同種植盤穴孔中心距 抓取育苗盤上種植杯后 夾爪氣缸伸長 4個(gè)夾爪沿分 配盤的滑軌向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度變距 從而與種植盤孔 距相適應(yīng) 3 試驗(yàn)與分析 3 1 試驗(yàn)條件及方法 試驗(yàn)區(qū)為1座13連棟13間玻璃溫室 配備育苗工 場 AGV小車等 測試環(huán)境溫度23 6 26 6 環(huán)境濕 度44 2 49 4 RH 移栽植株為苗齡14天的生菜 單株 平均重量4 8 g 含種植杯和基質(zhì) 尺寸37 mm 33 mm 高 寬 利用秒表對移苗作業(yè)做連續(xù)觀測 抓 手精準(zhǔn)夾取種植杯 并將其準(zhǔn)確投入種植盤穴孔內(nèi)視為 移栽成功 3 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 3 2 1 正常生產(chǎn)速度移栽性能測試 測試移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度 48棵 min 下移栽 效果 將種植盤庫全部擺滿種植盤 測試每層6個(gè)種植 盤全部移滿種植杯需要時(shí)間 含種植盤運(yùn)輸時(shí)間 機(jī)械 臂定位時(shí)間等所有準(zhǔn)備時(shí)間 由測試可知 移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度下 6個(gè)種植 盤全部擺滿需60 s左右 即6個(gè)種植盤 48個(gè)種植杯 全 13 農(nóng)業(yè)裝備農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備 2021年第5期 部完成移栽需60 s左右 即滿足48棵 min正常生產(chǎn)要求 移栽速度最大誤差為 2 s 在誤差允許范圍 3 s內(nèi) 滿 足設(shè)計(jì)要求 設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定 育苗盤 種植盤定位 準(zhǔn)確 抓手抓取精準(zhǔn) 種植杯能精準(zhǔn)投入種植盤孔穴 內(nèi) 平均移栽成功率98 22 3 2 2 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下的移栽性能測試 從機(jī)械臂完成定位開始 至設(shè)備完成育苗盤中48個(gè) 種植杯 1個(gè)機(jī)械臂完成24個(gè) 的抓取 移位 釋放動(dòng) 作作為一個(gè)測試周期 測試不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下移栽 速度 每種調(diào)速脈沖值下測試3次 取算術(shù)平均值 由測試可知 隨著脈沖參數(shù)提升 移栽速度幾乎 呈線性上升 調(diào)速脈沖值80 000時(shí) 移栽速度最快 平 均可達(dá)90棵 min 所有調(diào)速脈沖值下平均移栽成功率為 97 27 移栽成功率與移栽速度之間沒有顯著相關(guān)性 在調(diào)速脈沖值60 000時(shí) 移栽成功率最高 移苗設(shè)備在 不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下 整體運(yùn)行速度穩(wěn)定 各傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn) 機(jī)身沒有異常振動(dòng) 移栽效果良好 沒有 卡盤現(xiàn)象 4 結(jié)語 本研究設(shè)計(jì)的96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動(dòng) 移苗設(shè)備主要由種植盤庫機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)接臺(tái) 育苗盤輸送 線 桁架直線模組和抓取裝置等部分組成 種植盤庫 和轉(zhuǎn)接臺(tái)分別用于存放和輸送種植盤 種植盤輸送線 運(yùn)行速度300 mm s 單次輸送種植盤數(shù)量6個(gè) 育苗盤 輸送線用于輸送育苗盤 運(yùn)行速度300 mm s 單次輸 送育苗盤數(shù)量為2個(gè) 桁架直線模組和抓取裝置用于準(zhǔn) 確抓取育苗盤中的種植杯并移入種植盤內(nèi) 該模組結(jié) 構(gòu)簡潔 定位精準(zhǔn) 2個(gè)機(jī)械臂 運(yùn)行速度為800 mm s 最大拾取距離800 mm 重復(fù)定位精度0 05 mm 抓 手采用分配盤結(jié)構(gòu) 多個(gè)抓手之間的相對距離能夠保 持一致 抓手抓取種植杯 不直接抓取幼苗 不會(huì)對 幼苗造成損傷 對設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn) 正常生產(chǎn)速度下 48棵 min 移栽速度的最大誤差為 2 s 在誤差允許范圍 3 s內(nèi) 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下 移栽速度隨脈沖參數(shù)的提升 而上升 最高移栽平均速度可達(dá)90棵 min 移栽速度的 上升并不會(huì)影響移栽的成功率 移栽平均成功率可達(dá) 97 試驗(yàn)證明設(shè)備整體精度高 穩(wěn)定性強(qiáng) 參考文獻(xiàn) 1 胡建平 嚴(yán)宵月 何俊藝等 缽苗移栽機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 研究 J 農(nóng)機(jī)化研究 2014 12 122 127 2 張振國 穴盤苗移栽機(jī)自動(dòng)取苗裝置的設(shè)計(jì)與仿真 D 新 疆 石河子大學(xué) 2013 1 47 3 張健 蔬菜移栽機(jī)取送苗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究 D 重慶 西 南大學(xué) 2018 1 100 4 KUTZ L J MILES G E HAMMER P A et al Robotic transplanting of bedding plants J American Society of Agricultural Engineers 1987 30 3 586 590 5 Yang Y Ting K C Giacomelli G A Factors affecting performance of sliding needles gripper during robotic transplanting of seedlings J Applied Engineering in Agriculture 1991 7 4 493 498 6 Takashi Onosaka Kenji Okuno Kiyoshi Uchida Transplanter P 歐洲專利 1996 05 22 7 Ryu K H Kim G Han J S Development of a robotic transplanter for bedding plants J Journal of Agricultural Engineering Research 2001 78 2 141 146 8 解杰 取栽一體式花卉自動(dòng)移栽機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) D 浙 江 浙江理工大學(xué) 2017 1 76 9 孫廷綜 馬成林 紀(jì)春千 空氣整根營養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng) 技術(shù)的研究開發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 1991 7 2 86 91 10 范云翔 楊子萬 Adekola K A 等 溫室全自動(dòng)移栽機(jī)的研 究開發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 1996 12 2 111 115 11 邱立春 西素博 王榮華等 一種穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī) P 中國 專利 2009 09 25 12 韓綠化 毛罕平 嚴(yán)蕾等 穴盤育苗移栽機(jī)兩指四針鉗夾式 取苗末端執(zhí)行器 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2015 46 7 23 30 13 倪有亮 金誠謙 劉基 全自動(dòng)移栽機(jī)取送苗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與 試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 23 10 19 14 張麗華 邱立春 田素博 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究進(jìn)展 J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 2009 5 28 31 15 蔣卓華 溫室缽苗移栽機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及移栽過程力學(xué)分析 D 浙江 浙江大學(xué) 2017 1 126 16 韓綠化 蔬菜穴盤苗缽體力學(xué)分析與移栽機(jī)器人設(shè)計(jì)研究 D 江蘇 江蘇大學(xué) 2014 1 190