孫 哲 張春龍 馬瑤瑤 張 淦 李 偉 譚豫之

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

擺動式間苗機器人鋤刀優(yōu)化設計與試驗

孫 哲 張春龍 馬瑤瑤 張 淦 李 偉 譚豫之

(中國農業(yè)大學工學院， 北京 100083)

為提高條播作物的間苗作業(yè)效率，針對作物秧苗的初次間苗，設計了擺動式間苗鋤刀。建立了間苗鋤刀的運動學模型，并通過仿真間苗鋤刀工作過程，模擬了間苗鋤刀的運動軌跡。選取間苗鋤刀的不同刀刃長度、刀刃與刀柄夾角、刀柄長度和刀柄頂端與作物行中心偏距優(yōu)化參數(shù)進行正交試驗，將覆蓋率和入侵率作為間苗除凈率和傷苗率的預測模型，得出最佳結構參數(shù)組合為:刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長度75 mm、刀柄長度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°。對優(yōu)化后的間苗鋤刀進行大田間苗試驗，試驗結果表明：平均除凈率為89.4%，傷苗率為7.2%，滿足間苗要求。

間苗機器人； 機械間苗； 間苗鋤刀； 參數(shù)優(yōu)化； 正交試驗

引言

以機械方式進行間苗作業(yè)具有污染少、效率高的特點[1]。部分發(fā)達國家間苗機已推廣使用，國內間苗機發(fā)展較慢，目前間苗主要采用傳統(tǒng)的人工間苗[2-3]和化控間苗[4-5]。人工間苗存在工作量大、效率低等問題，化控間苗又會導致出苗不均，需人工進行后續(xù)補苗[6]。為了實現(xiàn)高效率、低成本的間苗作業(yè)，國外已研發(fā)出基于多傳感器融合的自動間苗機器人，與傳統(tǒng)間苗相比，機械間苗可在均勻間苗的基礎上大幅度提高工作效率，并產生巨大的經(jīng)濟效益[7-8]。

間苗鋤刀是間苗的執(zhí)行機構，直接影響間苗效果和效率。德國Fahse公司生產的MONOMAT-S型電子間苗機采用槽輪機構，將電動機的連續(xù)轉動轉換成間苗鋤刀的擺動，電動機轉動一周，鋤刀完成一次擺動間苗動作[9-10]。瑞典BMA機械式間苗機可調整楔形鋤鏟長度和擺動頻率控制株距，通過動力輸出軸帶動橫移機構和間苗鋤刀橫向擺動，完成垂直于作物行的間苗作業(yè)[11]。美國SIEMENS等[12-13]設計的自動化間苗機器能夠控制執(zhí)行部件噴射方向與位置，通過選擇性的對準作物秧苗噴灑藥劑，達到等距間苗目的。張順祥[14]設計了一款手動遙控鋤草間苗機，將卡盤安裝在電動機主軸上，卡盤外圈連接鐮刀刀片，采用按鈕開關控制電動機轉動，從而帶動刀片旋轉，完成間苗作業(yè)。近年來，國內自動化間苗機的研究工作鮮有報道[15]。

但上述間苗裝置內部機構過于復雜，為此本文設計一種擺動式間苗鋤刀，并對其運動軌跡進行模擬仿真，采用正交試驗對間苗鋤刀結構參數(shù)進行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)組合。通過大田間苗試驗驗證該間苗鋤刀的作業(yè)效果，為機械間苗技術提供一種新型的末端執(zhí)行方案。

1 間苗鋤刀運動軌跡規(guī)劃

1.1 間苗機器人及間苗鋤刀結構

擺動式間苗機器人如圖1所示。其主要包括機器人移動平臺、上位機控制系統(tǒng)、擺動缸、仿形測速輪、橫移機構和末端執(zhí)行器。其中，末端執(zhí)行器由刀尖頂端相對的兩把間苗鋤刀組成，如圖2所示。每把鋤刀通過刀柄與擺動缸相連，用于控制鋤刀躲避與割除作物。工作時間苗鋤刀不僅隨間苗機器人前進，還要繞其刀柄頂端擺動。通過上位機控制系統(tǒng)控制間苗鋤刀的轉速與轉角，從而完成留苗與除苗動作，如圖3所示。

圖1 擺動式間苗機器人結構簡圖Fig.1 Diagram of swing motion thinning robot1.機器人移動平臺 2.上位機控制系統(tǒng) 3.末端執(zhí)行器 4.擺動缸 5.仿形測速輪 6.橫移機構

圖2 間苗鋤刀結構圖Fig.2 Structure diagram of thinning hoe

圖3 間苗過程示意圖Fig.3 Schematic diagram of thinning process

1.2 間苗鋤刀運動學模型

間苗過程為兩把間苗鋤刀對稱開合，可采用單側間苗鋤刀為研究對象，建立其運動模型。以鋤刀在起始位置時的刀刃尖端為坐標原點建立直角坐標系，y軸正方向與間苗機器人前進方向一致，間苗鋤刀繞其刀柄頂端B點向x軸正方向擺動。間苗鋤刀的運動過程為間苗鋤刀隨機器人前進和繞其刀柄頂端擺動的合成運動。選取刀刃尖端A點為研究對象，設該點在t=0時處于如圖4a所示位置，任意時刻位置如圖4b所示。

圖4 運動分析圖Fig.4 Diagrams of kinematics analysis

則該點的運動軌跡方程為

(1)

其中

式中l(wèi)p——刀柄頂端與作物行中心偏距，mmlb——刀柄長度，mmld——刀刃長度，mmlc——刀柄頂端與刀刃尖端距離，mmθ——刀柄頂端與刀刃尖端連線與前進方向的夾角，(°)

β——刀刃與刀柄夾角，(°)

v——間苗機器人前進速度，mm/s

ω——間苗鋤刀角速度，(°)/s

t——時間，s

1.3 間苗鋤刀運動軌跡仿真

間苗機器人作業(yè)時，其以速度v沿作物秧苗所在行向前行駛。當兩把間苗鋤刀閉合時，其刀刃將作物秧苗從根部切除，此區(qū)域為除苗區(qū)；當兩把間苗鋤刀打開時，其刀刃避讓作物秧苗，此區(qū)域為留苗區(qū)。設定間苗的除苗與留苗的距離分別為l與d時，為保證間苗機器人完成留苗動作，間苗鋤刀的角速度需滿足

(2)

根據(jù)上述要求，用圖形軟件對間苗鋤刀的間苗工作過程進行模擬仿真，其運動軌跡如圖5所示。

2 間苗鋤刀優(yōu)化設計

2.1 預測模型

間苗機器人的作業(yè)效果主要取決于除苗區(qū)的除凈率和留苗區(qū)的傷苗率。而間苗鋤刀的結構參數(shù)是間苗效果的重要影響因素。除凈率與間苗作業(yè)前后的除苗區(qū)剩余秧苗數(shù)相關，傷苗率與留苗區(qū)作業(yè)前后損傷秧苗數(shù)相關。由于目前尚未進行作物秧苗生長狀況模擬，較難獲得條播作物除苗和留苗株數(shù)，故以面積覆蓋率和入侵率[16]作為間苗除凈率和傷苗率的預測模型。

圖5 間苗鋤刀工作過程仿真結果Fig.5 Simulation of thinning hoe working process

圖6為間苗鋤刀在間苗區(qū)域的間苗示意圖。覆蓋率和入侵率直接影響著除凈率和傷苗率，覆蓋率越大，除苗效果越好；入侵率越小，傷苗概率越低。根據(jù)作物秧苗根系大小設置一個保護區(qū)，其直徑為b。由圖6可知，在間苗工作過程中，鋤刀所覆蓋區(qū)域與保護區(qū)將作物秧苗所在行分為3個區(qū)域。其中區(qū)域1為間苗鋤刀覆蓋區(qū)域；區(qū)域2為間苗鋤刀與保護區(qū)的重疊區(qū)域，該區(qū)域內的秧苗存在傷苗情況；區(qū)域3為間苗鋤刀未覆蓋區(qū)域，該區(qū)域內的秧苗存在未被割除情況。

圖6 間苗區(qū)域示意圖Fig.6 Simulation sketch of thinning area

覆蓋率計算公式為

(3)

式中f——覆蓋率，%Sf——鋤刀覆蓋區(qū)域面積，mm2Sw——鋤刀未覆蓋區(qū)域面積，mm2

入侵率計算公式為

(4)

式中r——入侵率，%Sc——鋤刀與保護區(qū)重疊區(qū)域面積，mm2Sb——保護區(qū)面積，mm2

2.2 正交試驗設計

確定本試驗測定指標為不同結構參數(shù)[17-20]下間苗鋤刀的覆蓋率和入侵率，將間苗鋤刀的刀柄頂端與作物行中心偏距、刀刃長度、刀柄長度和刀刃與刀柄夾角作為優(yōu)化參數(shù)，如圖7 所示。間苗鋤刀的入土角與刃角為刀刃上下兩側的斜角，可降低鋤刀入土阻力和鋤刀運動過程中的摩擦力。但入土角與刃角的參數(shù)變化不會改變鋤刀工作過程中覆蓋區(qū)域的形狀與大小，因此不影響間苗的覆蓋率與入侵率，故本文不做分析。

圖7 間苗鋤刀結構參數(shù)圖Fig.7 Structure parameters diagram of thinning hoe

試驗因素和水平見表1，選用L16(45)表進行正交試驗，加入空白列估計隨機誤差。在正交試驗中，間苗作業(yè)的除苗與留苗的距離分別為200 mm與150 mm，作物植株保護區(qū)直徑為80 mm。正交試驗方案與結果如表2所示。A、B、C、D為因素水平值。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels

表2 正交試驗方案與結果Tab.2 Schemes and results of orthogonal experiment

2.3 數(shù)據(jù)分析

對試驗結果進行直觀分析，根據(jù)極差大小得到因素A、B、C、D對覆蓋率與入侵率影響的因素優(yōu)水平、主次順序及優(yōu)化組合。

覆蓋率正交試驗極差分析結果見表3，空白列極差為0.583，說明試驗誤差較小，數(shù)據(jù)準確度較高。通過表3可得覆蓋率的優(yōu)化組合為C1A4D1B1，即刀柄長度130 mm、刀柄頂端與作物行中心偏距50 mm、刀刃與刀柄夾角75°、刀刃長度85 mm。

表3 覆蓋率正交試驗極差分析Tab.3 Range analysis of coverage rate from orthogonal experiment

對于覆蓋率性能指標，刀柄長度對其影響最大，刀柄長度越大，間苗鋤刀的覆蓋率越高。主要原因是：間苗鋤刀靠近作物秧苗，刀柄長度越大，避苗時鋤刀所需擺角越小，間苗鋤刀掃過的覆蓋區(qū)域越大。刀柄頂端與作物行中心偏距對其影響次之，刀刃長度對其影響最小。

同上，通過表4可得空白列極差為1.358，試驗誤差較小，數(shù)據(jù)準確度較高。入侵率的優(yōu)化組合為B4D4A2C4，即刀刃長度70 mm、刀刃與刀柄夾角60°、刀柄頂端與作物行中心偏距60 mm、刀柄長度100 mm。

表4 入侵率正交試驗極差分析Tab.4 Range analysis of overlap ratio from orthogonal experiment

對于入侵率性能指標，刀刃長度對其影響最大。刀刃長度越小，間苗鋤刀入侵作物秧苗保護帶的概率越小，主要原因是：間苗鋤刀靠近作物秧苗，刀刃長度越小，避苗曲線越接近圓弧，間苗鋤刀入侵保護區(qū)越小。刀刃與刀柄夾角對其影響次之，刀柄長度對其影響最小。

通過對比覆蓋率的優(yōu)化組合C1A4D1B1和入侵率的優(yōu)化組合B4D4A2C4可以看出，覆蓋率與入侵率相互牽制，覆蓋率越大，入侵率也越大。為保證間苗覆蓋率的前提下減少入侵率，需權衡二者關系，故綜合分析試驗因素對2個試驗性能指標的影響及其因素優(yōu)化組合，選出A3B3C1D3、A3B3C1D2、A3B2C1D3、A3B2C1D24個組合方案。

由于選出的上述4個方案均不在16組試驗中，故須追加試驗，試驗結果見表5。相較于試驗7和試驗14，此4個方案得到的試驗結果覆蓋率均高于92%，由于在實際間苗作業(yè)過程中存在其他因素影響，間苗機器人的傷苗率會偏高，故希望入侵率越小越好，確定最優(yōu)組合為A3B3C1D3，其中刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長度75 mm、刀柄長度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°，對應覆蓋率為92.25%、入侵率為6.13%。

表5 追加試驗安排與結果Tab.5 Additional experiment and results

為驗證優(yōu)化后間苗鋤刀的間苗效果，加工制造結構參數(shù)為刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長度75 mm、刀柄長度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°的間苗鋤刀，并在中國農業(yè)大學通州試驗站進行間苗試驗，試驗作物為白菜。間苗機器人作業(yè)速度為1.5 km/h，對條播長度為120 m的白菜秧苗進行連續(xù)間苗，設定間苗作業(yè)的除苗與留苗的距離分別為200 mm與150 mm，作物植株保護區(qū)直徑為80 mm，測試效果如圖8所示，間苗機器人樣機如圖9所示。隨機選取4塊長度為10 m區(qū)域并記錄間苗作業(yè)前后植株數(shù)量。經(jīng)過統(tǒng)計記錄，試驗數(shù)據(jù)見表6。其中，在留苗區(qū)白菜子葉和根莖被破壞的植株數(shù)與留苗區(qū)總植株數(shù)的比值為傷苗率；在除苗區(qū)被完全切除的白菜植株數(shù)與除苗區(qū)總植株數(shù)的比值為鋤凈率。

由表6可知，樣機作業(yè)效果良好，平均除凈率為89.4%，傷苗率為7.2%。除凈率與仿真得到的覆蓋率相比，其值偏??；傷苗率與仿真得到的入侵率相比，其值偏大，原因有：間苗機器人作業(yè)過程中存在震動，造成間苗鋤刀運動偏差；間苗機器人控制系統(tǒng)存在一定的誤差；地面存在凹凸起伏情況。

圖8 間苗試驗效果Fig.8 Test results of thinning hoe

圖9 間苗機器人實物圖Fig.9 Photo of thinning robot

%

3 結論

(1)對間苗鋤刀結構參數(shù)及運動軌跡進行了優(yōu)化仿真，并通過正交試驗方法得出了間苗鋤刀結構參數(shù)對覆蓋率與入侵率的影響規(guī)律。其中，對覆蓋率影響大小依次為刀柄長度、刀柄頂端與作物行中心偏距、刀刃與刀柄夾角、刀刃長度；對入侵率影響大小依次為刀刃長度、刀刃與刀柄夾角、刀柄頂端與作物行中心偏距、刀柄長度。通過覆蓋率和入侵率預測除凈率和傷苗率，覆蓋率越大，除苗效果越好；入侵率越小，傷苗概率越低。

(2)正交試驗優(yōu)化所得間苗鋤刀的最佳組合參數(shù)為:刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長度75 mm、刀柄長度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°。

(3)采用優(yōu)化組合參數(shù)制造間苗鋤刀，并進行間苗試驗，試驗結果表明：平均除凈率為 89.4%，傷苗率為7.2%，試驗效果良好，優(yōu)化結果準確有效。

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OptimalDesignandExperimentofThinningHoeforSwingMotionThinningRobot

SUN Zhe ZHANG Chunlong MA Yaoyao ZHANG Gan LI Wei TAN Yuzhi

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

As the scale of agricultural production gradually expands, agriculture is developing forward to mechanization and intelligent direction. At present the main ways of domestic thinning are artificial thinning and chemical control thinning. Artificial thinning has the disadvantages of low efficiency and high labor intensity. Chemical control thinning makes seedling emergence come out not evenly, and people have to fill the gaps manually. Mechanical thinning can improve the working efficiency and bring great economic benefits with even seedling. The swing motion thinning robot was designed for the first thinning of seedlings and the kinematics model was established for the optimal to simulate the moving path. Then the virtual orthogonal experiment was done by different optimal edge lengths, different angles between optimal edge and optimal handle, different optimal handle lengths and different distances between optimal handle and center of crop-row. The prediction model of weeding rate and wounded seedling rate were analyzed by taking the coverage rate and the inbreaking rate as evaluation indexes. Based on the calculation, the best parameters in combination were as follows: distance between optimal handle and center of crop-row of 55 mm, optimal edge length of 75 mm, optimal handle length of 130 mm, angle between optimal edge and optimal handle of 65°.The experiment result verified that the simulation and orthogonal experiment were accurate and efficient with good operation effectiveness of the prototype, and the weeding rate reached 89.4%, yet the wounded seedling rate was only 7.2%.

thinning robot; mechanical thinning; thinning hoe; parameter optimization; orthogonal experiment

S224.5

A

1000-1298(2017)09-0070-06

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.009

2016-12-09

2017-01-13

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2015BAD23B02)和國家自然科學基金項目(31601217)

孫哲(1990—)，男，博士生，主要從事農業(yè)機器人研究，E-mail： 799435186@qq.com

譚豫之(1964—)，男，教授，博士生導師，主要從事農業(yè)機器人和智能化農業(yè)裝備研究，E-mail： Yztan@cau.edu.cn