穴盤苗單驅(qū)動(dòng)四齒移植機(jī)械手的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 劉 凱 1 黎 波 2 姜德 龍 2 辜 松 2 劉厚 誠 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 種苗移植機(jī)是設(shè)施園藝種苗生產(chǎn)提高生產(chǎn)效率 降低勞動(dòng)力成本 提高企業(yè)效率的智能化裝備 而移植 機(jī)械手是種苗移植機(jī)的關(guān)鍵部件 針對(duì)不同的種植方法與種植對(duì)象 移植手的形式與規(guī)格都有很大的差別 為 此 針對(duì)花卉穴盤種苗提出了一種單驅(qū)動(dòng)四齒移植手 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 作業(yè)可靠 有較大的適應(yīng)性 針對(duì)設(shè)計(jì)出的移 植機(jī)械手 進(jìn)行穴盤花卉種苗移植性能試驗(yàn) 結(jié)果表明 在 50mm 行程筆形氣缸驅(qū)動(dòng)下 采用泥炭配合珍珠巖基 質(zhì)培育種苗 當(dāng)土壤含水量為 60 手指鋼齒傾斜角為 5 手指鋼齒直徑為 2mm 時(shí) 移植成功率平均可達(dá) 93 傷苗率小于 0 5 關(guān)鍵詞 設(shè)施農(nóng)業(yè) 穴盤苗 移植機(jī)械手 單驅(qū)動(dòng) 中圖分類號(hào) S223 92 S220 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1003 188X 2020 12 0184 04 0 引言 移栽作業(yè)是育 苗 生 產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)作過程之一 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 穴盤移栽到低密度的穴盤或花盆中 以保證秧苗的進(jìn) 一步生長 1 2 移栽作業(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)手段提高移栽作 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 率的有效解決辦法 3 5 移植機(jī)械手作為 移 植機(jī)的關(guān)鍵部件 國內(nèi)很多高 校及研究機(jī)構(gòu) 如沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 6 南京 農(nóng) 業(yè)大學(xué) 7 華南 農(nóng) 業(yè)大學(xué) 8 10 浙江 大 學(xué) 11 中國 農(nóng) 業(yè)大學(xué) 12 江蘇 大 學(xué) 13 14 吉林 大 學(xué) 15 北京 工 業(yè)大學(xué) 16 及北 京 農(nóng) 業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心 17 對(duì)穴盤種苗移植 機(jī) 械 手都進(jìn)行了不同程度的研究 筆者針對(duì)穴盤花卉種苗 設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 作業(yè)可靠的單驅(qū)動(dòng)四齒移植機(jī)械手 同時(shí)進(jìn)行了性能 試驗(yàn) 1 設(shè)計(jì) 方 案 本文 設(shè) 計(jì)的穴盤苗移植手的基本作業(yè)技術(shù)要求 如下 能夠快速 準(zhǔn)確地取苗 運(yùn)苗和移栽幼苗 要 收稿 日 期 2019 09 28 基金項(xiàng)目 十三五 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2017YFD0701504 作者簡(jiǎn)介 劉 凱 1983 男 遼寧鐵嶺人 講師 E mail liukai 3343 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 求執(zhí) 行 機(jī)構(gòu)具有精度高 動(dòng)作快 承載能力強(qiáng)及足夠 的工作空間 手指具有一定的開閉范圍且應(yīng)具有 適當(dāng)?shù)膴A緊力 手指的開閉范圍即從張開到閉合繞 支點(diǎn)轉(zhuǎn)過的角度 角度越小 越不利于夾持 另外 雖 然幼苗和基質(zhì)的質(zhì)量很小 但如果夾持力小仍會(huì)導(dǎo)致 取苗失敗 所以應(yīng)保證手指具有一定得夾持力 以使 基質(zhì)不會(huì)在運(yùn)行過程中脫落 具有一定的通用性 末端執(zhí)行器一般都是專門設(shè)計(jì)的 為了使其具有一定 的通用性 應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)具有一定的可調(diào)性 以利于 針對(duì)不同的作物進(jìn)行移栽作業(yè) 末端執(zhí)行器工作流 程圖如圖 1 所示 圖 1 末端 執(zhí) 行器工作流程圖 Fig 1 Working procedure of end effector 1 取苗 過 程 取苗包括手指的伸出 手指鋼齒向 內(nèi)側(cè)夾持和整體上移運(yùn)動(dòng) 氣缸伸出推動(dòng)手指鋼齒插 入基質(zhì) 之后氣缸縮回 4 個(gè)手指鋼齒向內(nèi)夾持 然后 機(jī)械手整體上移完成取苗動(dòng)作 2 運(yùn)苗過程 運(yùn)苗即移植機(jī)械手實(shí)現(xiàn)橫向移動(dòng) 481 2020 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 12 033 由水平運(yùn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 運(yùn)動(dòng)過程中應(yīng)盡量保證幼 苗的平穩(wěn)運(yùn)輸 3 栽苗過程 栽苗與取苗的動(dòng)作正好相反 首先 移植機(jī)械手整體下移 當(dāng)幼苗進(jìn)入穴孔時(shí)氣缸縮回 手指鋼齒打開 然后整體上移 完成移植 根據(jù)以上作業(yè)流程 設(shè)計(jì)出如圖 2 所示移植機(jī)械 手 主要由筆形驅(qū)動(dòng)氣缸 手指鋼齒 手指鋼齒導(dǎo)向 板 機(jī)械手 L 型固定板及鋼齒固定座構(gòu)成 該移植機(jī)械手在筆形氣缸驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行對(duì)幼苗基 質(zhì)的夾持動(dòng)作 如圖 3 所示 其中 圖 3 a 筆形氣缸 桿伸出 手指鋼齒相對(duì)于移植手 L 形固定座為縮回狀 態(tài) 移植手處于非工作狀態(tài) 當(dāng)如圖 3 b 所示筆形氣 缸桿伸出后 手指鋼齒相對(duì)于移植手 L 形固定座伸 出 移植手處于工作狀態(tài) 可完成對(duì)秧苗基質(zhì)的夾持 作業(yè) 1 手指 鋼 齒 2 鋼齒固定座 3 筆形氣缸 4 移植手 L 形固定座 5 鋼齒導(dǎo)向板 圖 2 移植機(jī)械手主體結(jié)構(gòu) Fig 2 Main body structure of transplanting manipulator 圖 3 移植 機(jī) 械手工作原理 Fig 3 The working principle of transplanting manipulator 2 移植作業(yè)性能試驗(yàn) 2 1 材料與試驗(yàn)條件 試驗(yàn) 前 調(diào) 節(jié)移植機(jī)械手氣缸氣壓為 0 3MPa 準(zhǔn) 備 10mm 20mm 標(biāo)準(zhǔn)穴盤和苗缽 2 2 試驗(yàn)指標(biāo)與評(píng)價(jià)方法 試驗(yàn)把土壤含水量 鋼尺傾角和鋼尺直徑作為主 要影響因素 測(cè)定這 3 個(gè)因素對(duì)幼苗的抓取影響的顯 著程度 通過理論分析和仿真 得到土壤含水量 鋼尺 傾角和鋼尺直徑對(duì)移植機(jī)械手移植成功率和傷苗率 的影響 每個(gè)因素選取 3 個(gè)水平記性正交試驗(yàn) 因素 水平表如表 1 所示 表 1 試驗(yàn)因素水平表 Table 1 Coding of test factors and levels 編碼 土 壤含水率 鋼尺傾斜角 鋼尺直徑 mm 1 60 4 2 2 70 5 3 3 80 6 4 2 3 試驗(yàn) 方 法 由于單一的試驗(yàn)指標(biāo)不能得到理想的試驗(yàn)結(jié)果 因此采用雙指標(biāo)分析 在多指標(biāo)正交試驗(yàn)中 各指標(biāo) 的最佳試驗(yàn)方案之間存在一定的矛盾 在評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié) 果時(shí)需要兼顧兩個(gè)指標(biāo) 從而找出使得每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo) 都盡可能好的試驗(yàn)方案 本試驗(yàn)分析采用綜合評(píng)分 法進(jìn)行評(píng)價(jià) 共 2 個(gè)指標(biāo) 即移植成功率和傷苗率 移植成功率越高越好 設(shè)置加權(quán)系數(shù)為 4 傷苗率越低 越好 設(shè)置加權(quán)系數(shù)為 1 5 2 4 試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)分公式為 綜合評(píng)分 1 5 傷苗率 4 移植成 功率 試驗(yàn)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表 2 所示 表 2 測(cè)試 分 數(shù)標(biāo)準(zhǔn) Table 2 Standard of testing score 傷苗率 得分 移植成功率 得分 0 1 10 1 2 8 2 3 6 3 4 94 4 94 96 6 96 98 8 98 100 10 2 5 試驗(yàn) 結(jié) 果 通過極差分析得到最優(yōu)水平組合 當(dāng)土壤含水量 為 60 手指鋼齒傾斜角為 5 手指鋼齒直徑為 2mm 時(shí) 綜合效果最佳 在此組合下進(jìn)行移植樹驗(yàn)證試驗(yàn) 見圖 4 結(jié)果如表 3 所示 由表 3 可知 移植機(jī)械手 581 2020 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 的移 植 成功率平均達(dá)到 93 傷苗率小于 0 5 另 外 穴盤種苗的長勢(shì)也對(duì)移植成功率有影響 有待今 后對(duì)此方面進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)研究 移植機(jī)械手的作業(yè)試驗(yàn)如圖 4 所示 圖 4 移植 機(jī) 械手樣機(jī) Fig 4 Transplant manipulator prototype 表 3 移植機(jī)械手作業(yè)性能試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Transplant manipulator performance test results 穴盤編號(hào) 移植成功率 時(shí)間 s 作業(yè)效率 株 h 1 1 92 5 405 1777 2 91 0 408 1764 3 94 0 404 1782 4 91 5 405 1777 5 95 0 408 1764 6 95 0 403 1778 7 92 5 404 1782 8 90 0 408 1764 9 95 0 403 1778 10 92 5 404 1782 3 結(jié)論 1 設(shè)計(jì) 了 一種移植機(jī)械手 對(duì)鋼尺角度 伸出長 度等參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì) 確定了最佳角度為 85 2 針對(duì)移植機(jī)械手進(jìn)行了性能試驗(yàn) 對(duì)氣缸壓力 進(jìn)行了單因素試驗(yàn) 得到最佳汽缸壓力分別為 0 35 MPa 參數(shù)優(yōu)化和正交試驗(yàn)結(jié)果表明 在最優(yōu)水平組 合時(shí) 移植機(jī)械手抓取幼苗質(zhì)量最佳 移植成功率高于 90 傷苗率低低于 0 5 參考文獻(xiàn) 1 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 2 劉煒 劉繼展 穴盤苗移栽機(jī)器人末端執(zhí)行器綜述 J 農(nóng) 機(jī)化研究 2013 35 7 6 10 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 張 詩 田素 博 邱立春 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與仿真 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2007 38 3 437 439 7 孫國祥 汪 小旵 何國敏 等 穴盤苗移栽機(jī)末端執(zhí)行器設(shè) 計(jì)與虛擬樣機(jī)分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2010 41 10 48 53 8 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 39 12 179 181 9 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 10 黎波 辜松 初麒 等 椰糠培育葉菜種苗移植機(jī)械手設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2017 33 14 18 24 11 童俊華 蔣 煥煜 蔣卓華 等 缽苗自動(dòng)移栽機(jī)器人抓取指 針夾持苗坨參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2014 30 16 8 16 12 王蒙蒙 宋 建農(nóng) 劉彩玲 等 蔬菜移栽機(jī)曲柄擺桿式夾苗 機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 14 31 49 57 13 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 14 繆 小花 毛 罕平 韓綠化 等 黃瓜穴盤苗拉拔力及缽體抗 壓性能影響因素分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2013 44 S1 27 32 15 王 躍勇 于 海業(yè) 穴盤幼苗機(jī)械手取苗基質(zhì)完整率影響 因素試驗(yàn)與分析 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 14 65 71 16 高 國華 馮 天翔 李福 斜入式穴盤苗移栽手爪工作參數(shù) 優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2015 31 24 16 22 17 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 27 681 2020 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 Design and Experiment of the Single drive and Four Finger Transplanting Manipulator Liu Kai 1 Li Bo 2 Jiang Delong 2 Gu Song 2 Liu Houcheng 2 1 Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic Guangzhou 510515 China 2 South China Agricultural Universi ty Guangzhou 510642 China Abstract The seedling transplanting machine is an intelligent equipment for improving the production efficiency reduc ing the labor cost and improving the efficiency of the enterprise The transplanting manipulator is a key component of the seedling transplanting machine and the transplanting manipulator forms and specifications are very different when used for different planting methods and planting objects In this paper a single drive four finger transplanting manipulator is proposed for flower seedlings The transplanting manipulator has simple structure reliable operation and great adaptabili ty Aim at the designed transplant manipulator through the transplanting performance test of the flower plug seedlings it is concluded that the seedlings are cultivated with peat and perlite substrate under the driving of 50 mm pen shaped cylinders and the angle of the transplanted steel finger is 25 the substrate moisture content is 75 the transplant suc cess rate can reach 90 and the injury rate is less than 0 5 Key words facility agriculture plug seedlings transplanting manipulator single drive 上接 第 135 頁 20 馬軍 民 全 膜雙壟溝播玉米穴播機(jī)的設(shè)計(jì) D 蘭州 甘 肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 2010 21 趙武云 戴飛 楊杰 等 玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播 機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2013 44 11 91 97 22 劉 軍干 王 天辰 閻發(fā)旭 等 直插式覆膜小麥穴播機(jī)的設(shè) 計(jì) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2001 17 5 55 58 23 陳曉光 左 春檉 高峰 直插式播種機(jī)的研究 直插式 成穴器 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 1993 9 3 66 70 24 孫 偉 吳建 民 黃曉鵬 等 勺匙式玉米精量取種器的設(shè)計(jì) 與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2011 27 10 17 21 25 于建群 馬 成林 陳曉光 等 打孔式播種機(jī)的研究進(jìn)展 J 吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 1995 25 1 115 119 26 徐仲儒 試 驗(yàn)回歸設(shè)計(jì) M 哈爾濱 黑龍江科技出版社 1998 Abstract ID 1003 188X 2020 12 0129 EA esearch and Experiment on Pricking Hole Mechanism of Corn Precision Bar Type Planter Zhou Fujun Zhang Chunlei Li Mutong Li Tianyu Wu Hao Engineering College Northeast Agricultural University Harbin 150030 China Abstract To get around the problem of the serious disturbance of the soil great seeding height high consumption and the opener is easy to be intertwined by the field sundries when ditching to plant corn a pressure type mechanism of corn hill drop planter is developed realize precise sowing of corn By using the box experiment analyzed the working parame ters of the opening structure studyed rule of the influence of the parameter to indenting quality Make forward speed of the machine soil depth of the opening structure taper angel of it as impact factor with the Box Behnken center combi nation experimental design methods the influence rule on the quality of cover earth for the process parameters was ana lyzed Get parameter optimization combination range opening and closing pin installation Angle 5 13 cavitation device capacity 100mm to118mm cavitation device 15 Optimizing parameters meet the performance requirements of corn planting provide the foundation for further research The primary performance testing of the complete machine will be conducted Key words corn precision planting bar type duck rostra type punching opener 781 2020 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期