花卉種苗移植機器人的設(shè)計與性能試驗 劉 凱 1 黎 波 2 殷振新 2 辜 松 2 1 廣東機電職業(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 移植機器人是未來智能設(shè)施園藝育苗機械化生產(chǎn)的發(fā)展方向 具有廣闊的應(yīng)用前景 為了提高花卉種 苗移植的自動化水平 針對花卉穴盤種苗 并通過穴盤和苗缽輸送機構(gòu) 機械臂 移植機械手的設(shè)計 構(gòu)建了雙移 植手花卉種苗移植機器人 實現(xiàn)了穴盤苗缽定位 等距進給動作 可完成穴盤苗由穴盤向苗缽的自動化移植作 業(yè) 性能試驗結(jié)果表明 雙移植手花卉種苗移植機器人作業(yè)生產(chǎn)率可達 1772 株 h 作業(yè)成功率達到 91 5 關(guān)鍵詞 設(shè)施園藝 花卉種苗 移植機器人 移植機械手 定位精度 中圖分類號 S223 92 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 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 以保證秧苗的進一步生 長 1 2 移植作業(yè)一般都是在溫室中進行 而溫室內(nèi) 溫度高 濕度大 作業(yè)環(huán)境比較惡劣 且勞動強度大 用機械化 自動化等先進生產(chǎn)手段提高移植作業(yè)的自 動化程度 是擴大溫室栽培規(guī)模 提高生產(chǎn)效率的有 效解決途徑 3 4 由于國外勞動力成本高 溫室內(nèi)機械化作業(yè)技術(shù) 十分發(fā)達 在植物工廠的移植機器人研發(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 就對穴盤中的秧苗進行移植 5 6 國外在秧苗移 植時通常采用串聯(lián)機構(gòu) 且 一 般 是 定 位 定 量 抓 取 7 9 國內(nèi)花卉移植機的研究還處于研發(fā)階段 10 13 K C Ting 和 Y Yang 等人研制的移植機 把幼苗從 600 穴的育苗盤中移植到 48 穴的苗盤中 該機本體部 分由 4 個自由度執(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)計了由上位機 擴展多路電機驅(qū)動節(jié)點的幼苗根部夾持手抓 移植成 功 收稿日期 2019 09 28 基金項目 廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目 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 針對花卉苗移植模式 設(shè)計了一種結(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 并對夾持 手的搬運機構(gòu) 移植機械手 穴盤定位系統(tǒng)進行設(shè)計 和集成 且進行了性能試驗 1 總體方案 1 1 總體結(jié)構(gòu) 移植機器人由穴盤 苗缽輸送機構(gòu) 搬運機械臂 和移植機械手構(gòu)成 如圖 1 所示 1 苗缽輸送機構(gòu) 2 穴盤輸送機構(gòu) 3 移植機械手 4 機架 5 X Z 移動機構(gòu) 圖 1 雙移植機械手花卉種苗移植機器人主體結(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 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 022 穴盤 苗缽輸送機構(gòu)的作用是運輸穴盤或苗缽至 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 苗缽輸送機構(gòu)上方設(shè)置有 搬運機械臂 針對工藝要求及現(xiàn)場空間位置情況 設(shè) 計搬運機械臂能在 X 軸 Z 軸做直線運動 移植機械 手作為執(zhí)行機構(gòu) 在搬運機械臂的帶動下 結(jié)合氣缸 驅(qū)動 可以實現(xiàn)幼苗的抓取動作 考慮到移植生產(chǎn)率 設(shè)置了 2 個移植機械手 1 2 工作原理 如圖 2 所示 工作時 系統(tǒng)啟動后程序進行初始化 復(fù)位 按下啟動按鈕后輸送機構(gòu)傳送帶啟動 穴盤和 苗缽在輸送帶的帶動下向工作位置前進 穴盤和苗缽 在輸送機構(gòu)的輸送下到達工作位置 待兩邊均到位 后 移植機械手在搬運機械臂的帶動下移動到穴盤上 方 兩個移植機械手排成一線 在搬運機械臂帶動下 運動到取穴盤正上方 再向下運動 機械手到達靠近 取苗盤時 機械手上的驅(qū)動氣缸向下抓取秧苗 然后 向上提起 機械手到達上限位時 移植機械手水平運 動到苗缽上方 向下運動 把秧苗垂直放入放苗盤中 最后 機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?輸送機構(gòu)自動進給 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 個移植機械手的最小距離大于兩個相鄰穴 空的間距 故采用隔一個移植方式 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 苗缽輸送機構(gòu) 穴盤 苗缽輸送機構(gòu)的主要功能是輸送苗盤 與 安裝在其上方的搬運機械臂 移植機械手協(xié)調(diào)配合實 現(xiàn)幼苗的移植 根據(jù)總體移植的設(shè)計要求 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)向機構(gòu) 確保穴盤在輸送帶上不發(fā)生滑 動和軸向串動 圖 3 移植手移植作業(yè)路徑 Fig 3 The transplanting trace 2 2 搬運機械臂 搬運機械臂按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標(biāo)系主要分類 為關(guān)節(jié)型機械手臂和直角坐標(biāo)機械手臂等 目前 被 廣泛應(yīng)用的直角坐標(biāo)機械手臂主要由直線運動單元 組成 主要由電機和導(dǎo)軌組成 其傳動形式主要可以 分為兩種 一是采用同步齒型帶傳動 由于齒型皮帶 受力后變形會導(dǎo)致傳動精度降低 所以重復(fù)精度一般 較低 但其運動速度較快 在長距離搬運過程中采用 該種傳動方式可大幅度節(jié)省運行時間 二是采用滾 珠絲杠傳動 傳動精度較高 一般為 0 105mm 但速度 較慢 本設(shè)計優(yōu)先考慮到移植效率和搬運距離 選用 同步齒形帶傳動方式 直角坐標(biāo)機械手臂各個運動軸通常對應(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)運動軸 Z 軸是上下運動軸 由于傳送機構(gòu)實現(xiàn)了 Y 軸運動的 功能 因此設(shè)計的機械手臂只設(shè)計了 2 個自由度 分 別由 X 軸和 Z 軸組成 考慮到 2 個移植機械手能在 多點位精確定位 且保證高速運行 液壓傳動和氣壓 傳動機械臂無法實現(xiàn)該要求 故采用伺服電機驅(qū)動 Z 軸鏈傳動裝置和驅(qū)動 X 軸同步帶傳動裝置 如圖 4 所 示 2 3 移植機械手 由于氣壓傳動系統(tǒng)的動作迅速 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 因此移植機械手采用氣壓傳動方式 3 系統(tǒng)控制方案 移植機器人控制器負(fù)責(zé)輸送機構(gòu) 搬運機械臂 421 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 移植機械手的控制作業(yè) 如圖 5 所示 移植機器人輸 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 實現(xiàn)穴盤的工作位置行走及等距進給 機械臂 控制模塊負(fù)責(zé)雙機械手的協(xié)調(diào)同步定位 確保兩移植 機械手按預(yù)定時間節(jié)拍進行抓取 末端執(zhí)行器控制模 塊可以根據(jù)控制器程序開關(guān)量 進而通過直流繼電器 控制電磁閥 實現(xiàn)氣缸的伸出與縮回 實現(xiàn)花卉種苗 的抓取 1 Z 軸鏈傳動裝置 2 移植機械手 3 X 軸同步帶裝置 圖 4 X Z 移動機構(gòu)和移植機械手結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Schematic diagram of X Z moving mechanism and transplanting manipulator 圖 5 移植機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig 5 The structure of robot control system X 軸運動平臺的運行控制是通過 FX1N 40MT 主單元進行控制 程序中主要用到了原點回歸指令 DZ N 和絕對位置定位指令 DD VA 當(dāng)運動機 構(gòu)位置發(fā)生偏移或者運行過程中突然發(fā)生斷電時 重 新上電后控制系統(tǒng)無法識別運動機構(gòu)的當(dāng)前位置 伺 服電機可利用電機尾部的編碼器解決該問題 但一般 情況下也會執(zhí)行該程序以校正其原點位置 此時可 運行原點回歸程序 使運動機構(gòu)找到其原點位置 4 移植機器人定位精度和作業(yè)性能試驗 4 1 定位精度試驗 移植機器人采用 Y 軸輸送機構(gòu) X 軸同步帶傳動 和 Z 軸鏈傳動的 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 軸同步帶傳動機構(gòu)在整個移植過程 中的耗時最長 因此進行了定位試驗 在確保滿足作 業(yè)精度的前提下獲取 X 軸移植機械手的最佳運動速 度 具體試驗方法是 在原點處設(shè)置光電傳感器 在 目標(biāo)位置設(shè)置標(biāo)尺 試驗標(biāo)簽 指針安裝在滑塊上 指 向標(biāo)尺方向 當(dāng)機械手回到原點后 運行絕對位置定 位程序 使機械手前進到目標(biāo)位置 然后 利用數(shù)碼相 機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 則兩個刻度 的差 X 反應(yīng)了運動平臺的重復(fù)定位精度 試驗首先確定運動平臺承受負(fù)載情況下運行的最 高速度 規(guī)劃運行速度變化區(qū)間 避免因為超速造成 的電機過載 由于速度與控制電機的脈沖輸出頻率 相關(guān) 最終確定脈沖輸出頻率最高為 42 000Hz 對影 響定位精度的另一指標(biāo) 電機加減速時間進行區(qū)間 判定 伺服電機的加減速時間通常不能低于 100ms 由 于機械臂帶有負(fù)載 最終確定加減速時間最低為 300ms 4 2 作業(yè)性能試驗 為了解移植機器人的作業(yè)性能 獲取移植機器人 作業(yè)生產(chǎn)率 使用移植機器人系統(tǒng)完成 5 個穴盤的移 植試驗 試驗過程中采用秒表記錄作業(yè)過程耗時情 況 計時從穴盤到達工作位置開始 用秒表記錄作業(yè) 過程耗時情況 計時從穴盤到達工作位置開始 至完 成最后一排穴孔移植結(jié)束 試驗對 5 個穴盤種苗分別進行移植 試驗結(jié)果記 錄如表 1 所示 表 1 移植作業(yè)性能試驗結(jié)果 Table 1 The test results of the transplant operation performance 穴盤編號 移植成功率 時間 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 平均移植成功率達到 91 5 平均移 521 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 植作業(yè)生產(chǎn)率達到 1772 株 h 由于輸送機構(gòu)過程耗時 較長 建議后補穴盤之間的間距小于 30mm 5 結(jié)論 1 構(gòu)建了移植機器人系統(tǒng) 完成了各關(guān)鍵部件的 設(shè)計對進行了集成 機器人由兩個移植機械手構(gòu)成 實現(xiàn)了相互協(xié)作移植作業(yè)過程 2 移植機械手采用針式抓取移植 最大程度降低 了對種苗根部的損傷 3 依據(jù)移植作業(yè)流程 對移植機械手的移植路徑 進行規(guī)劃 并對各路徑點時間節(jié)拍進行預(yù)設(shè) 從而保 證移植作業(yè)高效執(zhí)行 4 性能試驗表明 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 1 李振堅 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)外移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀 J 新疆農(nóng)機化 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) 展及對中國的啟示 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2008 24 10 279 285 5 辜松 楊艷麗 張躍峰 荷蘭溫室盆花自動化生產(chǎn)裝備系 統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2012 28 19 1 8 6 秦四春 辜松 王躍文 歐洲水培葉菜機械規(guī)模化生產(chǎn)系 統(tǒng) J 農(nóng)機化研究 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 在穴盤苗移栽機器人控制系統(tǒng)中的應(yīng) 用 J 農(nóng)機化研究 2009 31 12 179 181 11 劉凱 2YZ 2000 型秧苗移栽機關(guān)鍵部件的開發(fā)研究 C 中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會 2011 年學(xué)術(shù)年會論文集 重 慶 西南大學(xué)出版社 2011 22 25 12 趙崢嶸 毛罕平 韓綠化 等 輕簡型半自動移栽機的設(shè) 計及試驗 J 農(nóng)機化究 2019 41 10 174 179 13 胡建平 張晨迪 王留柱 等 全自動溫室缽苗移栽機設(shè) 計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械報 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 姜凱 等 花卉幼苗自動移栽機關(guān)鍵部件 設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 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 化 研 究 第 11 期