第 33 卷    第 4 期                         農(nóng)  業(yè)  工  程  學(xué)  報(bào)                                Vol.33  No.4 2017 年      2月           Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering         Feb. 2017     69   幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)張   青1,2，呂亞軍1，初   麒1，黎   波1，王躍文1，楊艷麗3，辜   松1（ 1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州  510642；   2. 滁州學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，滁州  239000；  3. 廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州  510642）  摘   要： 幼苗氣力拾取機(jī)構(gòu)是育苗生產(chǎn)裝備的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，拾取機(jī)構(gòu)采用氣力拾取方法撿拾剛性平臺(tái)上的幼苗時(shí)，由于幼苗存在個(gè)體差異，氣力拾取手固定的吸附位置難以同時(shí)適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)耗能多的問題。針對(duì)以上問題，該文提出了一種由氣力拾取手與彈性苗托構(gòu)成的幼苗氣力柔性拾取方法，設(shè)計(jì)了采用直徑為0.32 mm 鋼絲進(jìn)行緩沖的彈性苗托，對(duì)彈性苗托的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，并對(duì)剛性平臺(tái)與彈性苗托的拾取性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：彈性苗托的兩根緩沖鋼絲支撐間距為 9 mm，苗托槽口深度為 6 mm，鋼絲固定邊距為 4 mm的條件下，可保證對(duì) 2.8 5.1 mm 范圍內(nèi)茄子接穗苗的吸附成功率達(dá)到 90%以上。在保證吸附直徑 4 mm 茄子接穗苗成功的情況下，采用剛性平臺(tái)時(shí)，平均幼苗損傷率為 21%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.08 s；采用結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的彈性苗托時(shí)，平均幼苗損傷率降至 5%，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)損傷率減少 16%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間減少至 0.03 s，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少 62.5%。該研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)機(jī)器人幼苗拾取裝置的開發(fā)提供了參考。  關(guān)鍵詞： 機(jī)械化；優(yōu)化；設(shè)計(jì)；幼苗；氣力拾?。粡椥悦缤?；剛性平臺(tái)；負(fù)壓  doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 中圖分類號(hào)： S233.74           文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A           文章編號(hào)： 1002-6819(2017)-04-0069-07 張  青，呂亞軍，初  麒，黎  波，王躍文，楊艷麗，辜  松. 幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(4)：6975.    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010    http:/www.tcsae.org Zhang Qing, L Yajun, Chu Qi, Li Bo, Wang Yuewen, Yang Yanli, Gu Song. Design and experiment on flexible seedling seat of pneumatic pick-up for seedlingsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 69 75. (in Chinese with English abstract)    doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010    http:/www.tcsae.org 0  引  言設(shè)施園藝生產(chǎn)是勞動(dòng)力密集型產(chǎn)業(yè)1-3，據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部 USDA 園藝專項(xiàng)調(diào)查 2014 數(shù)據(jù)顯示， 在園藝生產(chǎn)中勞動(dòng)力成本達(dá)到總生產(chǎn)成本的 40%4。 中國(guó)設(shè)施園藝生產(chǎn)機(jī)械化率僅在 32.5%的低水平5-7，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比有著很大的差距，近年中國(guó)人工成本也迅速攀升， 2001 年至 2010 年，增長(zhǎng)了 237.3%，年均上漲 14.6%8-9。因此在勞動(dòng)力成本增加和機(jī)械化程度低的 2 個(gè)因素作用下，中國(guó)設(shè)施園藝生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化裝備需求大幅增加10-11。  園藝生產(chǎn)的育苗環(huán)節(jié)作業(yè)量大，對(duì)生產(chǎn)裝備的需求最緊迫12-14。對(duì)于育苗生產(chǎn)裝備而言如嫁接機(jī)器人、組培機(jī)器人等，幼苗拾取機(jī)構(gòu)（嫁接機(jī)器人拾取接穗苗、組培機(jī)器人拾取待移栽幼苗）是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)的重要部件15-17，相對(duì)于工業(yè)零件整齊均一化，幼苗拾取機(jī)構(gòu)適應(yīng)幼苗個(gè)體差異帶來的尺寸和形態(tài)變化一直以來是育收稿日期： 2016-06-19    修訂日期： 2016-12-25 基金項(xiàng)目：國(guó)家“ 863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（ 2013AA10240603） ；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（ 20124404110004）  作者簡(jiǎn)介：張   青，女（漢） ，安徽安慶人，助教，主要從事智能裝備的研究與教學(xué)。廣州   華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 510642。  Email： qingzhang416sina.com 通信作者：辜   松，男（漢） ，廣東廣州，教授，博士，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)智能裝備的研究。廣州   華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 510642。  Email： sgu666sina.com 苗生產(chǎn)裝備開發(fā)的技術(shù)難題18-20。  針對(duì)幼苗拾取機(jī)構(gòu)適應(yīng)幼苗個(gè)體差異的問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了多種形式的柔性拾取方法21-23。東芝公司在研制組培機(jī)器人時(shí)，開發(fā)出一種應(yīng)變片柔性?shī)A持手；東京大學(xué)開發(fā)出一種鈦鎳記憶合金柔性?shī)A持手，以上 2種力定位形式的柔性?shī)A持手可實(shí)現(xiàn)柔性?shī)A持拾取幼苗，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，至今沒有得到推廣應(yīng)用24。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)上述柔性?shī)A持手結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出了氣力柔性拾取方法，該拾取法是利用負(fù)壓吸附幼苗，實(shí)現(xiàn)對(duì)幼苗的柔性撿拾與夾持。樓建忠等在開發(fā)嫁接機(jī)時(shí)，提出了利用吸頭吸附接穗幼苗子葉的方法25-26。楊艷麗等27提出了利用負(fù)壓吸附砧木子葉的方法，實(shí)現(xiàn)砧木定位。賈冬冬等28設(shè)計(jì)了一種吸附幼苗莖稈的負(fù)壓夾持手。李愷等29針對(duì)柔嫩組培苗設(shè)計(jì)了采用硅橡膠管制成的負(fù)壓拾取手。分析以上氣力拾取研究結(jié)果可知，現(xiàn)有研究雖然采用了氣力柔性拾取機(jī)構(gòu)，但針對(duì)托放被拾取幼苗的剛性平臺(tái)，吸嘴固定的吸附位置難以同時(shí)適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)耗能多的問題。  本文提出一種由氣力拾取手與彈性苗托構(gòu)成的幼苗氣力柔性拾取方法，采用彈性苗托放置幼苗，配合氣力拾取手柔性吸附幼苗莖桿的方式拾取幼苗， 以期解決現(xiàn)有拾取機(jī)構(gòu)依托剛性平臺(tái)難以適應(yīng)幼苗個(gè)體差異性的問題。  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2017 年    70 1  氣力拾取特性分析 氣力拾取機(jī)構(gòu)依托剛性平臺(tái)拾取幼苗時(shí)，存在難以適應(yīng)幼苗尺寸和形態(tài)變化的問題。為了解決這一問題，本文首先對(duì)幼苗進(jìn)行剛性平臺(tái)上的氣力拾取特性分析。氣力拾取機(jī)構(gòu)由氣力拾取手、機(jī)械手和剛性平臺(tái)等組成，如圖 1a 所示。氣力拾取手為固定于機(jī)械手末端的負(fù)壓吸嘴，利用真空發(fā)生器產(chǎn)生負(fù)壓，茄苗擺放在剛性平臺(tái)上，由可編程邏輯控制器（ programmable logic controller，PLC）控制機(jī)械手和真空發(fā)生器，進(jìn)行拾取幼苗作業(yè)。試驗(yàn)時(shí)真空發(fā)生器供給負(fù)壓值設(shè)為 32 kPa；考慮到幼苗的個(gè)體差異性，茄苗為苗徑在 3.8 4.2 mm 范圍內(nèi)的茄苗。試驗(yàn)考察不同吸附距離 h（圖 1a） 情況下成功拾起幼苗時(shí)的耗時(shí)情況。吸附距離 h 為幼苗平置于剛性平臺(tái)上負(fù)壓吸嘴距莖稈上表面的高度，分別設(shè)為 0， 1， 2， 3 mm。試驗(yàn)考察指標(biāo)為拾取耗時(shí)情況以吸附響應(yīng)時(shí)間來衡量，  其測(cè)定方法為：?jiǎn)?dòng)真空發(fā)生器為負(fù)壓吸嘴提供負(fù)壓，通過 PLC 控制氣力拾取手到達(dá)吸附位置（避開茄苗真葉），到達(dá)吸附位置后 PLC 啟動(dòng)其一內(nèi)置計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，接著利用真空壓力傳感器感知吸嘴內(nèi)部達(dá)到的負(fù)壓值，當(dāng)茄苗被吸附后吸嘴內(nèi)真空壓力定會(huì)達(dá)到設(shè)定值 32 kPa 以上，這時(shí)真空壓力傳感器會(huì)向 PLC 傳遞信號(hào)停止內(nèi)部計(jì)時(shí)，所記錄時(shí)間即為吸附響應(yīng)時(shí)間。每個(gè)吸附距離分別進(jìn)行 10 次拾取試驗(yàn)。  1.機(jī)械手   2.負(fù)壓吸嘴   3.茄苗   4.剛性平臺(tái)  1.Manipulator  2.Negative pressure sucker  3.Eggplant seedlings  4.Rigid platform 注： h 為吸附距離即幼苗平置于剛性平臺(tái)上吸嘴與幼苗莖稈上表面之間的高度， mm。  Note: h is adsorption distance, i.e., the height between the sucker and the upper surface of the seedling stem when the seedling placed on the rigid platform, mm. 圖 1  氣力拾取手吸附示意圖  Fig.1  Adsorption of negative pressure pick-up finger 試驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示， 當(dāng)吸附距離從 0 增至 2 mm 時(shí)，平均吸附響應(yīng)時(shí)間由 0.08 增至 0.4 s，響應(yīng)時(shí)間增加了 5倍，大大降低了生產(chǎn)效率，吸附距離增至 3 mm 時(shí)，已無法成功拾取幼苗。  表 1  吸附響應(yīng)時(shí)間與吸附距離的關(guān)系 Table 1  Relationship between response time and adsorption distance 吸附響應(yīng)時(shí)間  Response time/s 吸附距離  Adsorption distance h/mm 最大值  Max 最小值  Min 平均值  Mean 標(biāo)準(zhǔn)差  Standard deviation0 0.1 0.05 0.08 0.03 1 0.25 0.13 0.19 0.06 2 0.55 0.29 0.4 0.14 3 無法吸附  無法吸附   吸附距離為 0 時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.03，說明吸附響應(yīng)時(shí)間分布較集中，拾取作業(yè)較穩(wěn)定，當(dāng)吸附距離增大時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸變大，拾取作業(yè)的不穩(wěn)定性隨之增加，這是由于幼苗真葉的存在，幼苗置于剛性平臺(tái)上時(shí)處于一端高，一端低的狀態(tài)，而吸附距離設(shè)置為幼苗平置在剛性平臺(tái)上時(shí)吸嘴與莖稈表面之間的高度，當(dāng)吸嘴拾取幼苗時(shí)，易出現(xiàn)拾取手未到達(dá)既定的吸附距離吸嘴就已經(jīng)接觸到幼苗了，導(dǎo)致幼苗在剛性平臺(tái)上的位置發(fā)生變動(dòng)，當(dāng)拾取手到達(dá)既定的吸附距離時(shí)，吸嘴無法與幼苗莖稈對(duì)位吸附，影響吸附響應(yīng)時(shí)間，并存在吸嘴擠壓幼苗的情況，對(duì)幼苗造成損傷。  綜上所述，吸附距離顯著地影響吸附響應(yīng)時(shí)間，而依托剛性平臺(tái)拾取時(shí)拾取手固定的吸附距離無法適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，這是氣力拾取機(jī)構(gòu)在剛性平臺(tái)上拾取幼苗時(shí)，存在損傷幼苗、作業(yè)耗時(shí)長(zhǎng)耗能多的根本原因。  針對(duì)上述問題， 本文設(shè)計(jì)了彈性苗托， 如圖 1b 所示，幼苗放置于彈性苗托中的緩沖鋼絲上，由緩沖鋼絲的彈性變形來緩沖吸附不同苗徑幼苗時(shí)的壓力，從而避免對(duì)幼苗造成剛性擠壓損傷，因此對(duì)于吸附不同苗徑幼苗時(shí)，彈性苗托均可保證吸附距離為 0； 并且彈性苗托上設(shè)有 V形槽口，槽口對(duì)幼苗有定位作用，解決放置于剛性平臺(tái)上的幼苗在拾取時(shí)幼苗位置易發(fā)生變動(dòng)，無法定位難以拾取的問題。  2  彈性苗托設(shè)計(jì) 2.1  設(shè)計(jì)條件 本文以茄子嫁接用接穗為作業(yè)對(duì)象，研究氣力柔性拾取特性。 選取 100 株嫁接期茄子接穗苗 （真葉 5 7 片） ，采用千分尺對(duì)其幾何形態(tài)特征值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表 2所示。其中苗徑取距茄苗根部第一片真葉與距根部最近第二片真葉中間位置處莖桿直徑，吸附長(zhǎng)度為距茄苗根部第一片真葉與距根部最近第二片真葉之間的莖桿長(zhǎng)度即吸附位置處莖桿的長(zhǎng)度，葉跨度為垂直于茄苗莖桿方向上，真葉之間最大的間距，如圖 2 所示。  表 2  茄苗幾何形態(tài)特征值 Table 2  Geometric feature value of eggplant seedlings  參數(shù)  Parameter 苗徑  Stem diameter/mm吸附長(zhǎng)度  Adsorption length H1/mm 苗質(zhì)量Weight/g葉跨度  Leaf span D/mm極限值  Limit values2.8 5.1 9.1 15.3 0.8 3.2 79.5 100.3 平均值 Mean 4 12.2 2 89.9 由表 2 可知，茄苗吸附長(zhǎng)度為 H1=9.1 15.3 mm。為了在不損傷茄苗的情況下，拾取手拾取所有茄苗，則拾取長(zhǎng)度應(yīng)小于 9.1 mm，但考慮到便于拾取手結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，拾取長(zhǎng)度取為 9 mm。  采用力學(xué)特性萬能試驗(yàn)臺(tái)（ ZP-20N）對(duì) 30 株茄苗力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試樣本取為吸附位置處莖桿，統(tǒng)計(jì)出茄苗莖桿的徑向壓縮屈服點(diǎn)壓力為 (2.140.60) N，超過茄苗屈服點(diǎn)壓力，茄苗將被壓壞。拾取手作業(yè)時(shí)對(duì)第 4 期  張   青等：幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)  71 茄苗的壓力 F 簡(jiǎn)化為作用在兩緩沖鋼絲中間位置處的集中力，為確保所有茄苗不會(huì)被壓壞，茄苗承受的壓力 F應(yīng)小于茄苗屈服點(diǎn)壓力的最小值 1.54 N。  注： H1為吸附長(zhǎng)度即為吸附位置處莖稈的長(zhǎng)度， mm； D 為葉跨度， mm。 Note: H1is adsorption length, i.e., the length of the stem at the adsorption site, mm; D is leaf span, mm. 圖 2  嫁接期茄苗  Fig.2  Eggplant seedlings 根據(jù)李愷等29的研究，本文所采用的負(fù)壓吸嘴由壁厚為 0.5 mm 硅橡膠管制成，吸嘴長(zhǎng)度為 9 mm，吸嘴寬度為 1.5 mm，導(dǎo)苗唇高為 1.5 mm，其中導(dǎo)苗唇可起到導(dǎo)向的作用，增大吸嘴與幼苗的接觸面積，從而提高拾取手的吸附力，有利于吸附苗托中傾斜幼苗和小尺寸幼苗，其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。  圖 3  負(fù)壓吸嘴  Fig.3  Negative pressure sucker 2.2  苗托結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  根據(jù)氣力拾取特性分析，拾取手利用負(fù)壓吸嘴柔性拾取苗托中的茄苗，由此可見苗托結(jié)構(gòu)形式將會(huì)影響拾取手的拾取效果。  彈性苗托由置苗板、緩沖鋼絲和固定板組成，如圖 4所示， 其中置苗板與緩沖鋼絲成對(duì)設(shè)置， 置苗板上設(shè)有 V形槽口，用于對(duì)幼苗進(jìn)行定位，緩沖鋼絲與置苗板鉸連接，一端設(shè)計(jì)為固定鉸支座，另一端設(shè)計(jì)為滑動(dòng)鉸支座。茄苗的直徑為 2.8 5.1 mm，為了適應(yīng)直徑范圍內(nèi)的全部茄苗，苗托寬度 （圖 4b）應(yīng)設(shè)計(jì)為可適應(yīng)最大直徑的茄苗，同時(shí)考慮到便于結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) =5 mm。放入苗托中的茄苗由兩根緩沖鋼絲支撐，由于拾取長(zhǎng)度為9 mm，設(shè)計(jì)兩根緩沖鋼絲之間的距離即支撐間距 et為9 mm，考慮到置苗板厚度，鋼絲固定點(diǎn)到置苗板的距離e 即邊距（圖 4c）設(shè)計(jì)為 3 mm，后續(xù)將通過試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化。由于茄苗最大葉跨度 100.3 mm，葉跨度近似以莖稈為軸線呈對(duì)稱分布，故苗托高度 h0設(shè)計(jì)為 50 mm。  1.茄苗   2.置苗板   3.緩沖鋼絲   4.固定板  1.Eggplant seedlings  2.Plate to put seedling  3.Buffering steel cable  4.Fixing plate 注： F 為拾取手拾取作業(yè)時(shí)吸嘴對(duì)茄苗的壓力， N； et為兩根緩沖鋼絲之間的距離即支撐間距， mm； 為苗托寬度， mm； e 為鋼絲固定點(diǎn)與置苗板之間的距離即邊距， mm； 為置苗板 V 形槽口上邊緣與底邊緣之間的距離即槽口深度， mm； h0為苗托總高， mm。  Note: F is pressure on surface of seedling when picking hand picking up seedlings, N; etis support spacing which is distance between buffering steel cables, mm; is width of seedling seat, mm; e is side distance which is distance between fixation point to plate, mm; is notch depth which is distance between top and bottom edges of V-notch of plate, mm; h0is height of seedling seat, mm. 圖 4  彈性苗托示意圖  Fig.4  Schematic diagram of flexible seedling seat 拾取作業(yè)時(shí)由人工將茄苗放置于置苗板 V 形槽口中，茄苗莖稈由兩根緩沖鋼絲柔性支撐。置苗板 V 形槽口在直徑方向?qū)τ酌邕M(jìn)行定位，克服了現(xiàn)有拾取機(jī)構(gòu)幼苗放置于剛性平臺(tái)上時(shí)無法定位，拾取困難等問題；彈性苗托具有一定的高度，幼苗在緩存鋼絲上處于平置的狀態(tài)，解決了幼苗置于剛性平臺(tái)上由于真葉的存在處于一端高、一端低的狀態(tài)，導(dǎo)致拾取作業(yè)不穩(wěn)定的問題；在緩沖鋼絲的彈性變形作用下，當(dāng)吸嘴接觸幼苗時(shí)，鋼絲彎曲變形幼苗隨之下沉，從而避免對(duì)幼苗剛性擠壓，并可保證吸附不同直徑幼苗時(shí)，吸附距離為 0，從而解決了采用剛性平臺(tái)時(shí)固定的吸附距離吸嘴擠壓幼苗造成損傷的問題。  2.3  緩沖鋼絲受力分析  緩沖鋼絲的彎曲變形特性直接影響拾取作業(yè)效果，變形過小，拾取時(shí)將對(duì)幼苗造成擠壓損傷，變形過大，吸嘴與幼苗莖稈之間存在一定的吸附距離，無法使吸嘴負(fù)壓腔封閉，導(dǎo)致對(duì)幼苗的吸附力不足，影響拾取效果。  由于緩沖鋼絲與置苗板之間鉸連接，并且一端為固定鉸支座、另一端為滑動(dòng)鉸支座，將單根緩沖鋼絲簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁，其受力分析的簡(jiǎn)化模型如圖 5 所示。根據(jù)材料力學(xué)理論30，可知承受集中力簡(jiǎn)支梁的中點(diǎn)撓度計(jì)算公式為  3148cF lwEI=              （ 1）  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2017 年    72 式中 l 為緩沖鋼絲兩端鉸接點(diǎn) A、 B 之間的距離， mm；wc為緩沖鋼絲彎曲變形后的中點(diǎn)撓度值， mm； F1為吸嘴對(duì)幼苗的壓力 F 分解到其中一根鋼絲上的分壓力， N； I為緩沖鋼絲的慣性矩； E 為緩沖鋼絲的彈性模量。  注： A, B 為緩沖鋼絲兩端鉸接點(diǎn)； C 為吸嘴對(duì)幼苗壓力作用點(diǎn)； wc為緩沖鋼絲彎曲變形后的中點(diǎn)撓度值， mm； l 為鉸接點(diǎn) A、 B 之間的距離， mm； F1為吸嘴對(duì)幼苗的壓力 F 分解到其中一根鋼絲上的分壓力， N。  Note: A and B are hinge points at end of buffering steel cable; C is action point of sucker pressuring on seedling; wcis deflection of buffering steel cable after bending, mm; l is distance between hinge points A and B, mm; F1is the pressure of sucker pressuring F on seedling decomposition to one of the steel cable, N. 圖 5  緩沖鋼絲受力分析圖  Fig.5  Diagram of force analysis of buffering steel cable 由 2.1 節(jié)分析可知，茄苗承受壓力 F 應(yīng)小于 1.54 N，設(shè)計(jì)時(shí) F 取 1.54 N，將壓力 F 分解到兩根緩沖鋼絲上，則其中一根鋼絲承受壓力 F1為 F 的一半即 F1=0.77 N（茄苗苗質(zhì)量相對(duì)于壓力 F 較小，不予考慮）；受拾取手結(jié)構(gòu)尺寸限制， l 設(shè)計(jì)為 20 mm；作業(yè)時(shí)為達(dá)到較好的吸附效果，吸嘴與最小苗徑 2.8 mm 茄苗接觸時(shí)吸附距離為0 mm，此時(shí)要求緩沖鋼絲撓度| wc| 1.15 mm，才能保證拾取最大直徑 5.1 mm茄苗時(shí)不損傷幼苗， 取| wc|=1.15 mm，進(jìn)一步分析撓度的方向可知， wc=1.15 mm；為了獲得較好的變形性能，選用常用的碳素彈簧鋼絲（ 65 Mn），其彈性模量 E 為 210 GPa。  通過式（ 1）可知緩沖鋼絲的慣性矩為 I=5.3110-16m4。對(duì)于截面形狀為圓形的鋼管其慣性矩計(jì)算公式為式 （ 2） 。通過式（ 2）確定緩沖鋼絲直徑 d 為 0.32 mm。  464dI =                 （ 2）  3  幼苗氣力拾取試驗(yàn) 拾取試驗(yàn)一是探究采用彈性苗托后的拾取作業(yè)特性及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，二是對(duì)剛性平臺(tái)和彈性苗托 2 種工況下的拾取特性進(jìn)行對(duì)比。  3.1  彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)  3.1.1  試驗(yàn)材料與方法 如圖 4 所示，幼苗由兩根緩沖鋼絲兩點(diǎn)支撐，故支撐間距 et影響拾取效果，由于拾取手拾取長(zhǎng)度為 9 mm，拾取手拾取位置為兩根緩沖鋼絲之間的幼苗莖稈位置即吸附位置 （圖 2） ， 故支撐間距 et三水平取為 7， 9， 11 mm。放入彈性苗托中的幼苗由置苗板 V 形槽口限位，故鋼絲固定點(diǎn)到置苗板的距離即邊距 e與置苗板槽口深度 影響拾取性能， e 過大會(huì)導(dǎo)致幼苗限位不佳，而 e 過小會(huì)導(dǎo)致苗托兩端幼苗懸空，同樣不能較好定位幼苗；由于幼苗端頭有真葉， 過大會(huì)導(dǎo)致真葉受到擠壓， 影響后續(xù)作業(yè)， 過小達(dá)不到限位的作用。根據(jù)前期設(shè)計(jì)，邊距 e 三水平分別取為 2， 3， 4 mm；由于最大苗徑為 5.1 mm，為容納所有嫁接用茄苗 三水平分別為 4， 5， 6 mm。試驗(yàn)考察et、 e 和 變化下的拾取作業(yè)性能，包括吸附成功率和幼苗損傷率， 其中幼苗被成功拾取后并向上提起 5 mm 離開苗托時(shí)牢固吸附在負(fù)壓吸嘴上為吸附成功；幼苗莖桿表面出現(xiàn)明顯壓傷破損、真葉折斷統(tǒng)稱為幼苗損傷。試驗(yàn)時(shí)苗徑為平均苗徑 4 mm（實(shí)際包括苗徑 3.8 4.2 mm），真空度為 32 kPa，吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.08 s，采用三因素三水平全排列方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共計(jì) 27 組，為了測(cè)得吸附成功率和幼苗損傷率，每組試驗(yàn)重復(fù) 30 次，試驗(yàn)氣路連接如圖 6 所示29。  1.負(fù)壓吸嘴   2.幼苗   3.苗托槽口   4.緩沖鋼絲   5.壓縮機(jī)   6.氣動(dòng)開關(guān)     7.真空發(fā)生器   8.真空壓力傳感器  1.Negative pressure sucker  2.Seedlings  3.Seedling seat notch  4.Buffering steel cable  5.Compressor  6.Pneumatic switch  7.Vacuum generator  8.Vacuum pressure sensor 圖 6  拾取手氣路連接示意圖  Fig.6  Schematic diagram of pick-up finger gas path connection 3.1.2  優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)結(jié)果如表 3 所示。支撐間距 et，邊距 e 和槽口深度 的極差 R 分別為 60， 20 和 46，故 3 個(gè)因素對(duì)吸附成功率影響顯著性為支撐間距 et>槽口深度 >邊距 e。  根據(jù)表 3，支撐間距影響最顯著。這是因?yàn)橹伍g距過小，負(fù)壓吸嘴接觸幼苗時(shí)，幼苗移動(dòng)，與吸嘴產(chǎn)生對(duì)位偏差，無法形成封閉負(fù)壓腔，導(dǎo)致吸附失敗，進(jìn)一步分析可知，支撐間距為 7 mm 時(shí)，吸附成功率為 0 37%。而支撐間距過大，吸嘴接觸幼苗時(shí)，易導(dǎo)致幼苗莖桿發(fā)生較大彎曲，同樣影響吸附成功率，可知支撐間距為11 mm 時(shí)，吸附成功率為 7% 77%。  槽口深度對(duì)吸附成功率影響較顯著，兩者之間呈單調(diào)上升的關(guān)系，主要反映在槽口深度太小，拾取時(shí)幼苗彎曲變形易偏至槽口外，不利于幼苗定位，當(dāng)槽口深度約等于最大苗徑 5.1 mm 時(shí)，仍有部分幼苗彎曲變形偏至槽口外，無法定位，試驗(yàn)顯示最佳槽口深度為 6 mm。邊距總體上對(duì)吸附成功率影響較小。  由表 3 可知，支撐間距對(duì)幼苗損傷率影響較顯著，支撐間距為 7 和 11 mm 時(shí)，幼苗損傷率相對(duì)于支撐間距為 9 mm 時(shí)較大。極差分析結(jié)果顯示，支撐間距為 9 mm，邊距為 4 mm，槽口深度為 6 mm 為最佳吸附作業(yè)參數(shù)組合， 此時(shí)可保證對(duì) 2.8 5.1 mm 范圍內(nèi)嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率達(dá)到 90%以上，幼苗損傷率 10%以下。  第 4 期  張   青等：幼苗氣力拾取彈性苗托的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)  73 表 3  彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果 Table 3  Results of optimization flexible seedling seat 序號(hào)  No. 支撐間距  Support spacing et/mm 邊距  Side  distance e/mm 槽口深度Notch  depth /mm 幼苗損傷率Injury  rate/% 吸附成功率Success rate of adsorption/%1 7 2 4 10 0 2 7 2 5 13 3 3 7 2 6 17 13 4 7 3 4 10 0 5 7 3 5 10 7 6 7 3 6 17 20 7 7 4 4 17 0 8 7 4 5 7 7 9 7 4 6 7 37 10 9 2 4 17 13 11 9 2 5 7 50 12 9 2 6 0 90 13 9 3 4 7 37 14 9 3 5 7 80 15 9 3 6 3 97 16 9 4 4 7 73 17 9 4 5 7 93 18 9 4 6 7 93 19 11 2 4 7 7 20 11 2 5 10 27 21 11 2 6 13 60 22 11 3 4 7 7 23 11 3 5 10 43 24 11 3 6 17 77 25 11 4 4 7 10 26 11 4 5 13 57 27 11 4 6 17 77 K187  263  147   K2627  367  367   K3363  447  563   k110  29  16    k270  41  41    k340  50  63    R 60  20  46    注：以吸附成功率為指標(biāo)對(duì)各因素進(jìn)行極差分析。  Note: Success ratio of adsorption as an indicator is used to analyze the range of various factors.  3.2  拾取方式比較試驗(yàn)  3.2.1  試驗(yàn)材料與方法 為比較彈性苗托和剛性平臺(tái) 2 種工況下的拾取性能，進(jìn)行拾取方式比較試驗(yàn)，如圖 7 所示。根據(jù)彈性苗托優(yōu)化試驗(yàn)，彈性苗托的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)均設(shè)為最佳參數(shù)，選取苗徑為 4 mm 的茄苗，通過變化供給負(fù)壓和苗質(zhì)量，保持吸附距離為 0 的情況下，分別考察采用彈性苗托和剛性平臺(tái)時(shí)的拾取作業(yè)特性。供給負(fù)壓分別為 10， 32， 54 kPa，苗質(zhì)量分別為 1， 2， 3 g，考察指標(biāo)為幼苗損傷率和吸附響應(yīng)時(shí)間?？紤]到茄子接穗苗個(gè)體差異性，苗徑為 4 mm 的茄苗包括 3.8 4.2 mm 范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為1 g 的茄苗包括在 0.8 1.2 g 范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為 2 g的茄苗包括在 1.8 2.2 g 范圍內(nèi)茄苗，苗質(zhì)量為 3 g 的茄苗包括在 2.8 3.2 g 范圍內(nèi)茄苗。 采用兩因素三水平全排列方案設(shè)計(jì)試驗(yàn)，共計(jì) 9 組，為了測(cè)得幼苗損傷率，每組試驗(yàn)重復(fù) 30 次。  1.負(fù)壓吸嘴   2.茄苗   3.剛性平臺(tái)   4.彈性苗托  1.Negative pressure sucker  2.Eggplant seedlings  3.Rigid platform  4.Flexible seedling seat 圖 7  拾取方式比較試驗(yàn)  Fig.7  Comparison experiment of pick-up mode 3.2.2  比較試驗(yàn)結(jié)果與分析 試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示，采用剛性平臺(tái)時(shí)，平均幼苗損傷率為 21%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.08 s；而采用彈性苗托后，平均幼苗損傷率降至 5%，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)損傷率減少 16%，平均吸附響應(yīng)時(shí)間減少至 0.03 s，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少 62.5%。  表 4  比較拾取試驗(yàn)結(jié)果  Table 4  Results of comparative pick-up experiment 幼苗損傷率  Injury rate/% 響應(yīng)時(shí)間  Response time/% 序號(hào) No.供給負(fù)壓Supply pressure/kPa 苗質(zhì)量Seedling weight/g剛性平臺(tái)Rigid platform 彈性苗托Flexible seat 剛性平臺(tái)Rigid platform彈性苗托Flexible seat 1 10 1 27 7 0.1 0.03 2 10 2 23 10 0.12 0.04 3 10 3 30 7 0.15 0.05 4 32 1 23 0 0.05 0.02 5 32 2 13 3 0.08 0.02 6 32 3 20 7 0.1 0.04 7 54 1 17 7 0.05 0.01 8 54 2 13 3 0.05 0.01 9 54 3 23 3 0.06 0.02 平均值Mean 32 2 21 5 0.08 0.03 據(jù)表 4 可知，采用剛性平臺(tái)時(shí)，響應(yīng)時(shí)間與供給負(fù)壓呈單調(diào)下降的關(guān)系，當(dāng)供給負(fù)壓為 10 kPa 時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.1 0.15 s，增至 32 kPa 時(shí)，吸附響應(yīng)時(shí)間減少至 0.05 0.1 s，供給負(fù)壓繼續(xù)增長(zhǎng)，吸附響應(yīng)時(shí)間始終大于 0.05 s。分析其原因可知：由于負(fù)壓吸嘴從剛性平臺(tái)上拾取幼苗，作業(yè)時(shí)吸附距離設(shè)置為 0，而大部分茄苗由于有真葉的存在，當(dāng)吸嘴接觸茄苗時(shí)，茄苗發(fā)生偏移，導(dǎo)致吸附響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。  改用彈性苗托后，由于置苗板的限位作用，始終保持較小的吸附響應(yīng)時(shí)間，其平均吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.03 s，相比剛性苗座平均吸附響應(yīng)時(shí)間 0.08 s，減少了 62.5%。  采用剛性平臺(tái)時(shí)，幼苗損傷率為 13% 30%。試 驗(yàn) 時(shí)吸附距離為 0 mm，即吸嘴與苗徑上表面接觸，但是由于茄苗端頭真葉的存在，實(shí)際茄苗在剛性平臺(tái)上時(shí)并不是平置，而是一端高一端低（圖 7a），故拾取作業(yè)時(shí)定會(huì)對(duì)幼苗造成一定損傷，嚴(yán)重時(shí)將幼苗從中折斷，由于真葉大小、形狀不同，導(dǎo)致擠壓時(shí)間不同以及茄苗幼嫩程度不同等等造成了損傷率的變化。進(jìn)一步分析可知，供給負(fù)壓從 10 增至 32 kPa 時(shí)，損傷率呈減小的趨勢(shì)，當(dāng)供農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)（ http:/www.tcsae.org）                                 2017 年    74 給負(fù)壓繼續(xù)增大時(shí)，損傷率基本保持在 13% 23%之間。改用彈性苗托后，幼苗損傷率較剛性平臺(tái)時(shí)大大降低，損傷率均小于 10%。  響應(yīng)時(shí)間與苗質(zhì)量呈單調(diào)遞增的關(guān)系。幼苗損傷率與苗質(zhì)量之間無較明顯單調(diào)關(guān)系，呈現(xiàn)隨機(jī)變化。  4  結(jié)  論 1）采用氣力拾取手輔助以彈性苗托拾取幼苗，可以克服在剛性平臺(tái)上由于固定的吸附位置難以適應(yīng)幼苗的尺寸和形態(tài)變化，并降低拾取作業(yè)時(shí)幼苗損傷率和提高吸附成功率。  2）彈性苗托的兩根緩沖鋼絲支撐間距為 9 mm，苗托槽口深度為 6 mm，鋼絲固定邊距為 4 mm 的條件下，可保證對(duì) 2.8 5.1 mm 范圍內(nèi)嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率達(dá)到 90%以上。  3）對(duì)直徑為 4 mm 嫁接用茄子接穗苗在剛性平臺(tái)與彈性苗托 2 種工況下的拾取作業(yè)性能進(jìn)行比較：采用彈性苗托時(shí)幼苗損傷率降至 5%，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)幼苗損傷率減少 16%；平均吸附響應(yīng)時(shí)間為 0.03 s，相對(duì)于剛性平臺(tái)時(shí)作業(yè)時(shí)間減少 62.5%，大幅提高生產(chǎn)率，降低耗氣量。  參  考  文  獻(xiàn) 1 張躍峰，秦四春 . 設(shè)施園藝智能化發(fā)展趨勢(shì)與路徑 J. 當(dāng)代農(nóng)機(jī)， 2016(2)： 21 22. 2 曹楠，鮑順淑，袁雪鋒，等 . 荷蘭、德國(guó)典型溫室園藝設(shè)施功能與布局解析 J. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)， 2016， 36(10)：58 64. 3 辜松，張躍峰，丁小明，等 . 實(shí)用主義指引的設(shè)施園藝工廠化：美國(guó)設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)考察紀(jì)實(shí) J. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2016,36(1)： 68 74. 4 劉珊 . 2014 年美國(guó)農(nóng)業(yè)部園藝產(chǎn)業(yè)專項(xiàng)調(diào)查要點(diǎn)探析 N.溫室園藝農(nóng)業(yè)工程技術(shù)， 2016-03-18. 5 李中華，孫少磊，丁小明，等 . 我國(guó)設(shè)施園藝機(jī)械化水平現(xiàn)狀與評(píng)價(jià)研究 J. 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2014， 51(6)： 11431148. 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