花卉種苗移植機(jī)器人的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn) 劉 凱 1 黎 波 2 殷振新 2 辜 松 2 1 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510515 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 廣州 510642 摘 要 移植機(jī)器人是未來智能設(shè)施園藝育苗機(jī)械化生產(chǎn)的發(fā)展方向 具有廣闊的應(yīng)用前景 為了提高花卉種 苗移植的自動(dòng)化水平 針對(duì)花卉穴盤種苗 并通過穴盤和苗缽輸送機(jī)構(gòu) 機(jī)械臂 移植機(jī)械手的設(shè)計(jì) 構(gòu)建了雙移 植手花卉種苗移植機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)了穴盤苗缽定位 等距進(jìn)給動(dòng)作 可完成穴盤苗由穴盤向苗缽的自動(dòng)化移植作 業(yè) 性能試驗(yàn)結(jié)果表明 雙移植手花卉種苗移植機(jī)器人作業(yè)生產(chǎn)率可達(dá) 1772 株 h 作業(yè)成功率達(dá)到 91 5 關(guān)鍵詞 設(shè)施園藝 花卉種苗 移植機(jī)器人 移植機(jī)械手 定位精度 中圖分類號(hào) S223 92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1003 188X 2020 11 0123 04 0 引言 移植作業(yè)是育苗生產(chǎn)過程的重要環(huán)節(jié) 目的是為 了保證幼苗有足夠的生長空間 把幼苗從高密度的穴 盤移植到低密度的苗缽中 以保證秧苗的進(jìn)一步生 長 1 2 移植作業(yè)一般都是在溫室中進(jìn)行 而溫室內(nèi) 溫度高 濕度大 作業(yè)環(huán)境比較惡劣 且勞動(dòng)強(qiáng)度大 用機(jī)械化 自動(dòng)化等先進(jìn)生產(chǎn)手段提高移植作業(yè)的自 動(dòng)化程度 是擴(kuò)大溫室栽培規(guī)模 提高生產(chǎn)效率的有 效解決途徑 3 4 由于國外勞動(dòng)力成本高 溫室內(nèi)機(jī)械化作業(yè)技術(shù) 十分發(fā)達(dá) 在植物工廠的移植機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用已被廣 泛重視 并取得了良好的效果 自 20 世紀(jì) 80 年代開 始 荷蘭等先進(jìn)技術(shù)國家先后建立了一批植物工廠 采用溫室 穴盤培養(yǎng)基種植秧苗 當(dāng)秧苗長到一定大 小 就對(duì)穴盤中的秧苗進(jìn)行移植 5 6 國外在秧苗移 植時(shí)通常采用串聯(lián)機(jī)構(gòu) 且 一 般 是 定 位 定 量 抓 取 7 9 國內(nèi)花卉移植機(jī)的研究還處于研發(fā)階段 10 13 K C Ting 和 Y Yang 等人研制的移植機(jī) 把幼苗從 600 穴的育苗盤中移植到 48 穴的苗盤中 該機(jī)本體部 分由 4 個(gè)自由度執(zhí)行結(jié)構(gòu)和夾持器組成 力覺傳感器 保證夾持器夾住而不損傷蔬菜苗 14 15 北京農(nóng)業(yè)智 能裝備技術(shù)研究中心的馮青春等人設(shè)計(jì)了由上位機(jī) 擴(kuò)展多路電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的幼苗根部夾持手抓 移植成 功 收稿日期 2019 09 28 基金項(xiàng)目 廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2019B020222004 作者簡介 劉 凱 1983 男 遼寧鐵嶺人 講師 E mail liu kai3343 163 com 通訊作者 辜松 1963 男 廣東汕頭人 教授 博士生導(dǎo)師 E mail sgu666 sina com 率 95 以上 16 針對(duì)花卉苗移植模式 設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單 作 業(yè)準(zhǔn)確率高 節(jié)省人工的溫室秧苗移植機(jī) 并對(duì)夾持 手的搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 移植機(jī)械手 穴盤定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì) 和集成 且進(jìn)行了性能試驗(yàn) 1 總體方案 1 1 總體結(jié)構(gòu) 移植機(jī)器人由穴盤 苗缽輸送機(jī)構(gòu) 搬運(yùn)機(jī)械臂 和移植機(jī)械手構(gòu)成 如圖 1 所示 1 苗缽輸送機(jī)構(gòu) 2 穴盤輸送機(jī)構(gòu) 3 移植機(jī)械手 4 機(jī)架 5 X Z 移動(dòng)機(jī)構(gòu) 圖 1 雙移植機(jī)械手花卉種苗移植機(jī)器人主體結(jié)構(gòu) Fig 1 The main structure of the transplanting robot with double hands for tray seedlings of flower 321 2020 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 022 穴盤 苗缽輸送機(jī)構(gòu)的作用是運(yùn)輸穴盤或苗缽至 工作位置 由 2 條輸送帶構(gòu)成 第 1 條輸送帶輸送穴 盤 第 2 條輸送苗缽 穴盤 苗缽輸送機(jī)構(gòu)上方設(shè)置有 搬運(yùn)機(jī)械臂 針對(duì)工藝要求及現(xiàn)場空間位置情況 設(shè) 計(jì)搬運(yùn)機(jī)械臂能在 X 軸 Z 軸做直線運(yùn)動(dòng) 移植機(jī)械 手作為執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在搬運(yùn)機(jī)械臂的帶動(dòng)下 結(jié)合氣缸 驅(qū)動(dòng) 可以實(shí)現(xiàn)幼苗的抓取動(dòng)作 考慮到移植生產(chǎn)率 設(shè)置了 2 個(gè)移植機(jī)械手 1 2 工作原理 如圖 2 所示 工作時(shí) 系統(tǒng)啟動(dòng)后程序進(jìn)行初始化 復(fù)位 按下啟動(dòng)按鈕后輸送機(jī)構(gòu)傳送帶啟動(dòng) 穴盤和 苗缽在輸送帶的帶動(dòng)下向工作位置前進(jìn) 穴盤和苗缽 在輸送機(jī)構(gòu)的輸送下到達(dá)工作位置 待兩邊均到位 后 移植機(jī)械手在搬運(yùn)機(jī)械臂的帶動(dòng)下移動(dòng)到穴盤上 方 兩個(gè)移植機(jī)械手排成一線 在搬運(yùn)機(jī)械臂帶動(dòng)下 運(yùn)動(dòng)到取穴盤正上方 再向下運(yùn)動(dòng) 機(jī)械手到達(dá)靠近 取苗盤時(shí) 機(jī)械手上的驅(qū)動(dòng)氣缸向下抓取秧苗 然后 向上提起 機(jī)械手到達(dá)上限位時(shí) 移植機(jī)械手水平運(yùn) 動(dòng)到苗缽上方 向下運(yùn)動(dòng) 把秧苗垂直放入放苗盤中 最后 機(jī)械手垂直向上回到上限位 完成一次作業(yè) 當(dāng)穴盤或苗缽?fù)瓿梢恍械囊浦埠?輸送機(jī)構(gòu)自動(dòng)進(jìn)給 到下一行 直至結(jié)束移植 圖 2 移植手移植作業(yè)流程 Fig 2 The operation process of Transplanting hands 由于 2 個(gè)移植機(jī)械手的最小距離大于兩個(gè)相鄰穴 空的間距 故采用隔一個(gè)移植方式 即 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 的移植方案 如圖 3 所示 2 系統(tǒng)構(gòu)成模塊 2 1 穴盤 苗缽輸送機(jī)構(gòu) 穴盤 苗缽輸送機(jī)構(gòu)的主要功能是輸送苗盤 與 安裝在其上方的搬運(yùn)機(jī)械臂 移植機(jī)械手協(xié)調(diào)配合實(shí) 現(xiàn)幼苗的移植 根據(jù)總體移植的設(shè)計(jì)要求 選用并行的兩條輸送 帶輸送苗盤 一條輸送穴盤 另一條輸送苗缽 穴盤 輸送帶設(shè)有導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 確保穴盤在輸送帶上不發(fā)生滑 動(dòng)和軸向串動(dòng) 圖 3 移植手移植作業(yè)路徑 Fig 3 The transplanting trace 2 2 搬運(yùn)機(jī)械臂 搬運(yùn)機(jī)械臂按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標(biāo)系主要分類 為關(guān)節(jié)型機(jī)械手臂和直角坐標(biāo)機(jī)械手臂等 目前 被 廣泛應(yīng)用的直角坐標(biāo)機(jī)械手臂主要由直線運(yùn)動(dòng)單元 組成 主要由電機(jī)和導(dǎo)軌組成 其傳動(dòng)形式主要可以 分為兩種 一是采用同步齒型帶傳動(dòng) 由于齒型皮帶 受力后變形會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)精度降低 所以重復(fù)精度一般 較低 但其運(yùn)動(dòng)速度較快 在長距離搬運(yùn)過程中采用 該種傳動(dòng)方式可大幅度節(jié)省運(yùn)行時(shí)間 二是采用滾 珠絲杠傳動(dòng) 傳動(dòng)精度較高 一般為 0 105mm 但速度 較慢 本設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮到移植效率和搬運(yùn)距離 選用 同步齒形帶傳動(dòng)方式 直角坐標(biāo)機(jī)械手臂各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo) 系中的 X Y 和 Z 軸 X 軸和 Y 軸是水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軸 Z 軸是上下運(yùn)動(dòng)軸 由于傳送機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了 Y 軸運(yùn)動(dòng)的 功能 因此設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂只設(shè)計(jì)了 2 個(gè)自由度 分 別由 X 軸和 Z 軸組成 考慮到 2 個(gè)移植機(jī)械手能在 多點(diǎn)位精確定位 且保證高速運(yùn)行 液壓傳動(dòng)和氣壓 傳動(dòng)機(jī)械臂無法實(shí)現(xiàn)該要求 故采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) Z 軸鏈傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng) X 軸同步帶傳動(dòng)裝置 如圖 4 所 示 2 3 移植機(jī)械手 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速 反應(yīng)靈敏 阻力 損失和泄漏較小且成本低廉 加之幼苗抓取載荷較 輕 因此移植機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式 3 系統(tǒng)控制方案 移植機(jī)器人控制器負(fù)責(zé)輸送機(jī)構(gòu) 搬運(yùn)機(jī)械臂 421 2020 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期 移植機(jī)械手的控制作業(yè) 如圖 5 所示 移植機(jī)器人輸 入設(shè)備為光纖傳感器和光電傳感器 通過檢測穴盤的 前端 實(shí)現(xiàn)穴盤的工作位置行走及等距進(jìn)給 機(jī)械臂 控制模塊負(fù)責(zé)雙機(jī)械手的協(xié)調(diào)同步定位 確保兩移植 機(jī)械手按預(yù)定時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行抓取 末端執(zhí)行器控制模 塊可以根據(jù)控制器程序開關(guān)量 進(jìn)而通過直流繼電器 控制電磁閥 實(shí)現(xiàn)氣缸的伸出與縮回 實(shí)現(xiàn)花卉種苗 的抓取 1 Z 軸鏈傳動(dòng)裝置 2 移植機(jī)械手 3 X 軸同步帶裝置 圖 4 X Z 移動(dòng)機(jī)構(gòu)和移植機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Schematic diagram of X Z moving mechanism and transplanting manipulator 圖 5 移植機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig 5 The structure of robot control system X 軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)行控制是通過 FX1N 40MT 主單元進(jìn)行控制 程序中主要用到了原點(diǎn)回歸指令 DZ N 和絕對(duì)位置定位指令 DD VA 當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī) 構(gòu)位置發(fā)生偏移或者運(yùn)行過程中突然發(fā)生斷電時(shí) 重 新上電后控制系統(tǒng)無法識(shí)別運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的當(dāng)前位置 伺 服電機(jī)可利用電機(jī)尾部的編碼器解決該問題 但一般 情況下也會(huì)執(zhí)行該程序以校正其原點(diǎn)位置 此時(shí)可 運(yùn)行原點(diǎn)回歸程序 使運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)找到其原點(diǎn)位置 4 移植機(jī)器人定位精度和作業(yè)性能試驗(yàn) 4 1 定位精度試驗(yàn) 移植機(jī)器人采用 Y 軸輸送機(jī)構(gòu) X 軸同步帶傳動(dòng) 和 Z 軸鏈傳動(dòng)的 3 自由度協(xié)作方式 為了提高作業(yè) 生產(chǎn)率 需要在保證作業(yè)質(zhì)量的過程中盡可能提高作 業(yè)速度 其中 X 軸同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在整個(gè)移植過程 中的耗時(shí)最長 因此進(jìn)行了定位試驗(yàn) 在確保滿足作 業(yè)精度的前提下獲取 X 軸移植機(jī)械手的最佳運(yùn)動(dòng)速 度 具體試驗(yàn)方法是 在原點(diǎn)處設(shè)置光電傳感器 在 目標(biāo)位置設(shè)置標(biāo)尺 試驗(yàn)標(biāo)簽 指針安裝在滑塊上 指 向標(biāo)尺方向 當(dāng)機(jī)械手回到原點(diǎn)后 運(yùn)行絕對(duì)位置定 位程序 使機(jī)械手前進(jìn)到目標(biāo)位置 然后 利用數(shù)碼相 機(jī)的近拍功能采集圖片 按照此方法重復(fù) 1 次 獲得 的兩張圖片中指針在標(biāo)尺上所指的刻度 則兩個(gè)刻度 的差 X 反應(yīng)了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)定位精度 試驗(yàn)首先確定運(yùn)動(dòng)平臺(tái)承受負(fù)載情況下運(yùn)行的最 高速度 規(guī)劃運(yùn)行速度變化區(qū)間 避免因?yàn)槌僭斐?的電機(jī)過載 由于速度與控制電機(jī)的脈沖輸出頻率 相關(guān) 最終確定脈沖輸出頻率最高為 42 000Hz 對(duì)影 響定位精度的另一指標(biāo) 電機(jī)加減速時(shí)間進(jìn)行區(qū)間 判定 伺服電機(jī)的加減速時(shí)間通常不能低于 100ms 由 于機(jī)械臂帶有負(fù)載 最終確定加減速時(shí)間最低為 300ms 4 2 作業(yè)性能試驗(yàn) 為了解移植機(jī)器人的作業(yè)性能 獲取移植機(jī)器人 作業(yè)生產(chǎn)率 使用移植機(jī)器人系統(tǒng)完成 5 個(gè)穴盤的移 植試驗(yàn) 試驗(yàn)過程中采用秒表記錄作業(yè)過程耗時(shí)情 況 計(jì)時(shí)從穴盤到達(dá)工作位置開始 用秒表記錄作業(yè) 過程耗時(shí)情況 計(jì)時(shí)從穴盤到達(dá)工作位置開始 至完 成最后一排穴孔移植結(jié)束 試驗(yàn)對(duì) 5 個(gè)穴盤種苗分別進(jìn)行移植 試驗(yàn)結(jié)果記 錄如表 1 所示 表 1 移植作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 The test results of the transplant operation performance 穴盤編號(hào) 移植成功率 時(shí)間 s 作業(yè)效率 株 h 1 1 93 405 1777 2 90 5 408 1764 3 92 5 404 1782 4 91 5 405 1777 5 90 408 1764 由表 1 可知 平均移植成功率達(dá)到 91 5 平均移 521 2020 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期 植作業(yè)生產(chǎn)率達(dá)到 1772 株 h 由于輸送機(jī)構(gòu)過程耗時(shí) 較長 建議后補(bǔ)穴盤之間的間距小于 30mm 5 結(jié)論 1 構(gòu)建了移植機(jī)器人系統(tǒng) 完成了各關(guān)鍵部件的 設(shè)計(jì)對(duì)進(jìn)行了集成 機(jī)器人由兩個(gè)移植機(jī)械手構(gòu)成 實(shí)現(xiàn)了相互協(xié)作移植作業(yè)過程 2 移植機(jī)械手采用針式抓取移植 最大程度降低 了對(duì)種苗根部的損傷 3 依據(jù)移植作業(yè)流程 對(duì)移植機(jī)械手的移植路徑 進(jìn)行規(guī)劃 并對(duì)各路徑點(diǎn)時(shí)間節(jié)拍進(jìn)行預(yù)設(shè) 從而保 證移植作業(yè)高效執(zhí)行 4 性能試驗(yàn)表明 移植作業(yè)生產(chǎn)率為 1772 株 h 移植成功率為 21 5 參考文獻(xiàn) 1 李振堅(jiān) 花卉種苗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與創(chuàng)新 J 中國農(nóng)村科技 2015 6 42 45 2 辜松 設(shè)施園藝現(xiàn)代生產(chǎn)裝備與技術(shù) M 北京 中國農(nóng) 業(yè)出版社 2015 1 2 3 岳建魁 郭俊先 梁佳 等 國內(nèi)外移栽機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 J 新疆農(nóng)機(jī)化 2016 5 30 32 4 齊飛 周新群 張躍峰 等 世界現(xiàn)代化溫室裝備技術(shù)發(fā) 展及對(duì)中國的啟示 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008 24 10 279 285 5 辜松 楊艷麗 張躍峰 荷蘭溫室盆花自動(dòng)化生產(chǎn)裝備系 統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2012 28 19 1 8 6 秦四春 辜松 王躍文 歐洲水培葉菜機(jī)械規(guī)?；a(chǎn)系 統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2017 39 12 264 268 7 辜松 我國設(shè)施園藝生產(chǎn)作業(yè)裝備發(fā)展淺析 J 現(xiàn)代農(nóng) 業(yè)裝備 2019 40 1 4 11 8 張躍峰 楊艷麗 初麒 等 設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)裝備系統(tǒng) J 農(nóng)機(jī)化研究 2018 40 10 257 261 9 辜松 設(shè)施園藝裝備化作業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展建議 J 農(nóng) 業(yè)工程技術(shù) 2018 38 4 10 15 10 劉凱 辜松 PLC 在穴盤苗移栽機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng) 用 J 農(nóng)機(jī)化研究 2009 31 12 179 181 11 劉凱 2YZ 2000 型秧苗移栽機(jī)關(guān)鍵部件的開發(fā)研究 C 中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì) 2011 年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集 重 慶 西南大學(xué)出版社 2011 22 25 12 趙崢嶸 毛罕平 韓綠化 等 輕簡型半自動(dòng)移栽機(jī)的設(shè) 計(jì)及試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化究 2019 41 10 174 179 13 胡建平 張晨迪 王留柱 等 全自動(dòng)溫室缽苗移栽機(jī)設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械報(bào) 2016 47 S1 149 154 14 K C Ting Giacomelli G A Shen S J obot workcell for transplanting of seedlings part I Layout and materials flow J Trans ASAE 1990 33 3 1005 1010 15 K C Ting Giacomelli G A Shen S J et al obot workcell for transplanting of seedlings part II End effector devel opment J Trans ASAE 1990b 33 3 1013 1017 16 馮青春 王秀 姜?jiǎng)P 等 花卉幼苗自動(dòng)移栽機(jī)關(guān)鍵部件 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 29 6 21 27 Design and Performance Test of Transplanting obot for Flower Seedlings Liu Kai 1 Li Bo 2 Yin Zhenxin 2 Gu Song 2 1 Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic Guangzhou 510515 China 2 South China Agricultural Universi ty Guangzhou 510642 China Abstract The transplanting robot is the development direction of the mechanized production of intelligent facilities horti cultural seedlings in the future and has broad application prospects In order to improve the automation level of flower seedling transplanting this paper designed a transplanting robot for flower plug seedling Through the design of the seed ling tray and flowerpot transport mechanism mechanical arm and transplanting manipulator the double transplanting hand flower species was constructed The flower seedling transplanting robot realizes the positioning of the plug seedling and the equidistant feeding action and can complete the automatic transplanting operation of the plug seedling from the seedling tray to the flowerpot Through the automated transplanting performance test of the flower plug seedlings to the flowerpot the double transplanting hand flower seedling transplanting robot has an operating productivity of 1772 plants hour and with a success rate of 91 5 Key words facility horticulture tray seedlings of flower transplanting robot transplanting manipulator positioning ac curacy 621 2020 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期