張衛(wèi)星 辛 亮 解江濤 薛向磊 單伊尹

(東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

現有旱田作物缽苗移栽機通過夾取秧苗方式移栽，主要分為夾取莖稈式和夾取土缽式[1-4]。前者通過末端執(zhí)行器夾取缽苗的莖稈將缽苗從穴盤拔出，后者則是通過夾取土缽將缽苗從穴盤中取出。番茄在我國既是經濟作物又是大田作物，其莖稈脆嫩，在機械化移栽番茄苗時，通過末端執(zhí)行器的擠壓力夾取秧苗，會對莖稈造成嚴重的損傷，不僅會影響秧苗后期長勢，嚴重時會夾斷莖稈；而通過夾取土缽的方式可以避免對秧苗和根的損傷，因此，對于機械化移栽番茄及類似秧苗，應利用夾缽式缽苗移栽機構。

近年來，國內外學者對夾缽式移栽機構開展了一系列研究[5-6]。CHOI等[7]提出了一種曲柄滑道式移栽機構，通過推桿驅動取苗針閉合與張開，完成取苗、投苗動作，取苗成功率高達97%，但易傷根，移栽效率僅為30～40株/(min·行)；澳大利亞Transplant system公司開發(fā)的HD系列全自動移栽機采用氣缸驅動末端執(zhí)行器扎入土缽完成取苗，移栽效率高，但結構復雜、成本高[8]；王蒙蒙等[9]提出了一種曲柄擺桿式夾苗機構，該機構對土缽造成的損傷減輕且取苗成功率較高，但通過兩套機構完成取苗動作，結構復雜，效率較低；蔣卓華等[10]研制的穴盤苗自動移栽機末端執(zhí)行器，取苗過程對土缽的損傷程度較小，但該機構不適用于大田作業(yè)，更適用于室內工廠化移栽。因此，目前還沒有適合我國大面積推廣應用的輕簡型高效番茄缽苗移栽機構。

針對夾缽式移栽機構的發(fā)展現狀及面臨問題，本文提出一種探入式番茄缽苗移栽機構。該機構末端執(zhí)行器中的秧針在取苗和植苗過程均沿著缽盤內壁的方向運動，通過探入和脫離缽體完成夾缽和投苗動作，可以避免對土缽和根系的損壞；同時采用非圓齒輪行星系機構，僅用一套回轉機構完成番茄移栽過程，將末端執(zhí)行器與回轉機構相結合對該機構進行優(yōu)化設計，以簡化優(yōu)化難度，得到滿足番茄缽苗移栽要求的運動軌跡和姿態(tài)。

1 設計要求及工作原理

1.1 設計要求

根據番茄移栽的農藝要求，課題組曾提出系列模擬人工移栽姿態(tài)的夾缽式“鷹嘴形”移栽軌跡[11]，該軌跡完全通過非圓齒輪行星系及固定在栽植臂上的取秧夾實現。在取苗階段的軌跡是一段近似直線的曲線段且與秧苗放置方向近似平行，以確保秧針能將秧苗從穴盤中順利地取出，但優(yōu)化較難且極易造成齒輪節(jié)曲線有明顯的內凹和外凸，如圖1a，難以形成符合要求的齒廓；并且還會出現第一段栽植臂長度與齒輪中心距比值過大的優(yōu)化結果，這種結構極易產生巨大的振動和慣性力，如圖1b。為了避免以上問題，本文提出了一種探入式番茄缽苗移栽機構，將難以優(yōu)化形成的取秧段“鷹嘴”軌跡用探入式取秧夾實現，形成如圖1c所示軌跡，相比而言該行星系中齒輪節(jié)曲線更為圓滑，也沒有出現第一段栽植臂的長度與齒輪中心距的比值過大的問題。

圖1 番茄缽苗移栽軌跡Fig.1 Trajectories of potted tomatoes seedling transplanting mechanism

1.2 工作原理

圖2 探入式缽苗移栽機構簡圖Fig.2 Schematics of extensible potted seedling transplanting mechanism1.太陽軸 2.太陽輪 3.中間輪 4.中間軸 5.行星輪 6.行星軸 7.齒輪箱 8.后蓋 9.栽植臂殼體 10.撥叉軸 11.撥叉 12.凸輪 13.雙面齒條 14.彈簧 15.圓齒輪 16.單面齒條

探入式番茄缽苗移栽機構總體包括傳動機構和末端執(zhí)行器兩部分，如圖2所示。傳動部分由3個相互嚙合的非圓齒輪組成；末端執(zhí)行器部分由雙面齒條、2個圓齒輪、2個單面齒條、凸輪、撥叉組成。動力由太陽軸輸入，驅動齒輪箱勻速轉動，使其內部非圓齒輪相互嚙合轉動，帶動栽植臂做不等速運動。固接于齒輪箱的凸輪與鉸接于栽植臂的撥叉相互作用，使撥叉繞著撥叉軸做往復的擺動，撥叉的另一側與雙面齒條用高副連接，使得雙面齒條在栽植臂內做往復直線運動。在雙面齒條的兩側對稱地分布兩個圓柱齒輪與其嚙合，使圓柱齒輪轉動，在每個圓柱齒輪的外側各布置一個單面齒條與其嚙合，單面齒條帶動秧針一起做直線運動實現取秧和推秧。

栽植臂殼體內部的兩單面齒條呈錐形配置，其夾角與秧盤穴口錐角一致。在取苗過程，兩秧針沿著秧盤內壁插入到缽穴內，隨即凸輪鎖緊，撥叉不再擺動，秧針相對于栽植臂的直線運動停止，移栽機構通過兩秧針的錐度夾緊配合沿著軌跡的“鷹嘴”段將缽苗從秧盤中取出，完成取苗動作；缽苗隨軌跡輸送秧苗，在栽植過程時，秧針由凸輪、撥叉控制，沿固定錐度回收，將缽苗推出完成栽植動作。齒輪箱的勻速圓周運動、非圓齒輪行星輪系的不等速運動、栽植臂殼體中的直線運動，合成形成了如圖1c所示的移栽軌跡。該移栽機構利用探出的秧針快速地在取苗階段形成類似直線的軌跡，解決了以往非探入式移栽機構在取苗階段栽植臂絕對轉角過大的問題，保證在取苗階段秧針不攪動土缽，避免秧針對土缽和根系的傷害。

2 理論模型的建立

2.1 行星輪系理論模型

以經過變換的封閉帕斯卡蝸線為非圓齒輪的節(jié)曲線[12-13]，其中r(φ)為節(jié)曲線的向徑，φ為節(jié)曲線向徑的極角。

如圖3所示，以行星架的轉動中心O1為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸建立坐標系。

圖3 非圓齒輪行星輪系機構簡圖Fig.3 Schematic of non-circular gear train

令θH0為行星架初始安裝角，角速度為ω，本文以逆時針轉動為正，順時針轉動為負。則行星架轉角為

θ=ωt

(1)

行星架的絕對轉角為

θH(θ)=θH0+θ

(2)

太陽輪相對行星架的轉角為

θ′1(θ)=-θ

(3)

太陽輪絕對轉角為

θ1(θ)=θH

(4)

太陽輪節(jié)曲線極徑為r1(φ)，若相互嚙合的兩齒輪中心距為a，根據齒輪嚙合基本原理[14]，中間輪的節(jié)曲線極徑為r2(φ)=a-r1(φ)，行星輪的節(jié)曲線極徑為r3(φ)=a-r2(φ)。則中間輪相對于行星架轉角為

(5)

中間輪絕對轉角為

θ2(θ)=θH(θ)+θ′2(θ)

(6)

建模時為了增加機構的可調性，便于優(yōu)化出圖1c所示的軌跡，引進行星架拐角θ0。

行星輪相對于行星架轉角為

(7)

由于行星架拐角的引入，導致行星輪初始安裝角為

(8)

行星輪的絕對轉角為

θ3(θ)=θH(θ)+θ0+θ30-θ′3(θ)

(9)

行星架轉動中心坐標為

(10)

中間輪轉動中心坐標為

(11)

行星輪轉動中心坐標為

(12)

L1、L2分別表示第1段栽植臂O3E和第2段栽植臂EF的長度，θE0為栽植臂初始安裝角，θF0為第2段栽植臂與第1段栽植臂的拐角，則E、F坐標為

(13)

(14)

2.2 末端執(zhí)行器理論模型

以凸輪轉動中心O3為坐標原點，水平方向為X軸，豎直方向為Y軸建立坐標系，如圖4所示。由栽植臂尖點運動學規(guī)律可以求出栽植臂上任一點的運動規(guī)律[15]。設F′的初始坐標為(xF′0,yF′0)，H的初始坐標為(xH0，yH0)。由于末端執(zhí)行器上下對稱，所以只對上半部分進行分析。

圖4 移栽機構末端執(zhí)行器結構簡圖Fig.4 End-effector structure schematic of transplanting mechanism

采用反轉法對末端執(zhí)行器進行運動學建模[14]。即在整個末端執(zhí)行器上加一個公共轉角-θ′3(θ)，此時，栽植臂殼體相對機架的角度為θ′3(θ)-θ′3(θ)=0，凸輪相對于機架角度為0-θ′3(θ)=-θ′3(θ)。根據凸輪運動規(guī)律可推出F′點運動規(guī)律，設F′坐標的變化規(guī)律為ΔH(θ)。則F′相對栽植臂的位移為

(15)

在圖4中雙面齒條的長度為L3，圓柱齒輪的半徑為r，單面齒條的長度為L4，單面齒條安裝角(與X軸正向夾角)為α，則G相對栽植臂的位移為

(16)

圓柱齒輪相對栽植臂轉角為

(17)

H點相對栽植臂的位移為

(18)

I點相對栽植臂的位移為

(19)

3 參數優(yōu)化仿真與栽植臂絕對轉角分析

3.1 優(yōu)化目標的確立

根據番茄缽苗移栽的農藝要求，結合機構特性，共設立17個優(yōu)化目標[16-19]：軌跡高度大于220 mm；齒輪模數大于2.2 mm；栽植過程中栽植臂不推倒秧苗；齒輪箱最低點距地面高度大于25 mm；取秧角介于315°～335°之間；推秧角介于270°～290°之間；角度差介于40°～60°之間；秧針從缽盤取苗過程中轉角不超過13°；拔苗長度大于40 mm；取苗過程缽苗與秧盤不干涉；秧苗直立度大于75°；初始位置兩秧針尖點距離為36～39 mm；取苗秧針傾角在13°～15°之間；最低點時兩秧針尖點距離為16.5～19 mm；初始位置雙面齒條與土缽不干涉；秧針入缽深度大于30 mm；末端執(zhí)行器秧針探出時總長度不超過120 mm。

3.2 優(yōu)化設計軟件開發(fā)

根據所建立的理論模型，基于Visual Basic 6.0開發(fā)了移栽機構的輔助優(yōu)化設計軟件，該軟件可在優(yōu)化過程中實現人機交互且操作簡單，可大幅度減少優(yōu)化的時間。優(yōu)化設計軟件的界面如圖5所示。

圖5 移栽機構優(yōu)化軟件界面Fig.5 Interface of optimization software for transplanting mechanism

運用上述移栽機構優(yōu)化設計軟件，通過人機交互的方式進行參數優(yōu)化[20]，得到一組滿足番茄缽苗移栽農藝要求的結構參數。

3.3 栽植臂絕對轉角分析

秧針從開始探入缽盤到土缽完全離開缽盤這一過程中，秧針會隨栽植臂擺動，從而造成秧針在缽盤中對土缽進行攪動，對土缽產生一定程度的損壞，并且擺角越大，損壞程度越高。因此，取苗過程中控制栽植臂轉角對于保證缽苗的移栽質量極為重要。

本文所優(yōu)化栽植臂的絕對轉角變化曲線如圖6所示。通過優(yōu)化設計軟件可知，秧針開始進入土缽時行星架轉角為185°，土缽完全離開缽盤時行星架轉角為215°，分析圖6可以看出，在取苗過程中栽植臂絕對轉角只是在小范圍內波動，曲線段近似一段直線，符合取苗過程中秧針不攪動土缽的要求。行星架相對轉角在340°～20°(下一周期)時為投苗階段，此階段栽植臂轉角曲線也近似直線段，波動極小，可以有效避免在栽植過程中秧苗傾倒，符合栽植的農藝要求。行星架相對轉角在215°～340°范圍時為輸送階段，在這一階段栽植臂絕對轉角曲線波動較大，但此過程中秧苗完全脫離了缽盤且秧針與缽苗之間無相對運動，不會對土缽造成損壞。行星架相對轉角在20°～185°范圍內為栽植結束到開始取苗階段，此階段秧針與土缽沒有任何接觸，栽植臂絕對轉角波動變化不會對土缽產生損壞。在整個移栽周期內栽植臂絕對轉角變化曲線較為光滑，說明非圓齒輪在傳動的過程中振動較小，運轉平穩(wěn)，齒輪嚙合良好。

圖6 栽植臂絕對轉角變化曲線Fig.6 Changing curve of absolute angle of transplanting-arm

3.4 移栽機構的絕對軌跡分析

移栽過程中，栽植動作對秧苗的栽植質量起關鍵的作用，而栽植動作的好壞一般通過移栽機構的絕對軌跡體現出來。非探入式移栽機構的絕對軌跡一般為底部是“環(huán)扣”狀曲線，絕對運動軌跡往往會在栽植臂完成栽植后，推倒前一次已經栽植好的秧苗，嚴重影響栽植的質量。

圖7 移栽機構的絕對運動軌跡Fig.7 Absolute trajectory of transplanting mechanism

圖7所示為優(yōu)化設計軟件所輸出的移栽機構的絕對運動軌跡，該絕對軌跡的下部為栽植階段的軌跡，是在非圓齒輪行星輪系的不等速運動、秧針的直線運動和機器的運動復合形成的栽植階段“V”字形軌跡，前一周期的栽植階段軌跡與下一周期的取秧軌跡無交點，此軌跡可以保證將缽苗栽植后至下一次移栽周期開始前，不推倒前一周期已栽植好的缽苗，符合該移栽機構的設計要求。

4 試驗驗證

4.1 移栽機構仿真驗證

根據優(yōu)化設計軟件所優(yōu)化得到的機構最優(yōu)結構參數，對移栽機構在NX 8.0中進行三維結構設計并完成裝配。然后將裝配好的三維模型導入ADAMS 2014中進行虛擬仿真，所得的相對運動軌跡與優(yōu)化的理論軌跡基本一致，初步驗證了機構原理的正確性和結構的合理性，虛擬仿真軌跡如圖8所示。

圖8 虛擬仿真軌跡Fig.8 Trajectory of virtual simulation

4.2 高速攝影驗證試驗

通過虛擬仿真驗證機構結構合理后，對機構進行物理樣機加工，為了提高研發(fā)效率，采取3D打印技術對部分零件進行制造，完成移栽機構的裝配。在試驗臺上，采用高速攝影技術對移栽機構運行進行記錄，并得到樣機實際工作過程中秧針尖點軌跡及姿態(tài)，如圖9所示。

圖9 物理樣機的實際工作軌跡Fig.9 Trajectory of physical prototype

圖10分別為優(yōu)化的理論軌跡與物理樣機實際工作軌跡在坐標系中的示意圖。圖10a中，秧針開始探出時的坐標點為A，秧針探出結束時的坐標點(最右點)為B，土缽完全脫離秧盤時的軌跡坐標點為C，秧針開始回收時的軌跡坐標點為D，秧針回收結束時的軌跡坐標點為E，軌跡最高點為F。圖10b中，與實際工作軌跡相互對應的點分別為a、b、c、d、e、f，兩軌跡坐標及對比誤差如表1所示。通過兩組數據的對比可以看出，理論軌跡與實際軌跡上各點坐標之間略有差別，分析主要原因有：物理樣機加工的過程中會存在誤差；在實際作業(yè)的過程中機器存在振動。但經過分析兩軌跡存在的誤差在允許范圍內，不會影響移栽機構的實際作業(yè)效果。

圖10 理論軌跡與實際軌跡對比Fig.10 Comparison of theoretical and actual trajectories

理論坐標實際坐標誤差A(149.66, 206.83)a(148.86, 206.83)(-0.8, 0)B(197.31, 175.17)b(196.00, 174.91)(-1.31, -0.26)C(163.90, 200.82)c(163.10, 200.82)(-0.8, 0)D(22.18,0.85)d(22.17,0.85)( -0.01,0)E(56.02, 14.96)e(55.06, 14.40)(-0.96, -0.56)F(106.71, 233.03)f(105.91, 233.03)(-0.80, 0)

4.3 物理樣機取苗與栽植試驗

為了進一步驗證探入式缽苗移栽機構的實用性能，本文對移栽機構進行取苗與栽植試驗，如圖11所示。

圖11 取苗與栽植試驗Fig.11 Test of picking seeding and transplanting

試驗地點為東北農業(yè)大學工程學院農業(yè)機械化實驗中心，試驗選用苗高為150 mm左右、苗齡為45 d的番茄缽苗[21]，在育秧的過程中選用壽禾粉冠F1號番茄種子，育秧基質選用原土與番茄育苗專用營養(yǎng)土的混合物，其配比(原土與營養(yǎng)土的體積比)為1∶1[22]。為了配合課題組所研發(fā)的秧箱，本試驗選用特定軟質秧盤進行育苗，每張秧盤的穴數為120穴，軟質秧盤的上穴口尺寸為37 mm×37 mm，下穴口尺寸為17 mm×17 mm，穴口深度為40 mm。將裝配好的移栽機構安裝到課題組自主研發(fā)的水旱田多功能試驗臺上進行性能試驗[23]?？紤]到3D打印移栽機構部分零件的強度，試驗過程設定工作轉速為30 r/min。

選取3盤番茄缽苗共360株進行試驗，試驗過程中移栽機構將缽苗順利從缽盤中完全取出即為取苗成功，其中從缽盤中成功取出的數量為334株，取苗成功率為92.8%；而成功取出的缽苗經過移栽機構的輸送成功栽植到土槽中的數量為323株，移栽成功率為89.7%；在農藝上栽植后以秧苗的直立度(秧苗與地面的水平夾角)大于45°為栽植合格，大于70°為栽植優(yōu)良[24-26]，移栽成功的秧苗中直立度大于45°的秧苗數量為311株，栽植合格率為86.4%，直立度大于70°的秧苗數量為214株，栽植優(yōu)良率為59.4%。以上試驗數據均符合栽植要求，驗證了移栽機構性能的合理性與實用性。經過分析，造成秧苗未從穴盤中成功取出的主要原因包括：秧苗的盤根狀況不佳，導致在秧針夾取土缽的過程中基質破碎；部分秧苗在生長的過程中產生了連根的現象，秧針夾取土缽的過程中阻力過大未能將秧苗取出。造成秧苗未能成功栽植到土槽中的主要原因為：在輸送的過程中由于振動造成土缽基質的松動脫落，導致秧苗在兩秧針間脫落。造成秧苗合格率過低的主要原因為：土槽所開穴口深度不夠或者穴口過大，且在栽植過程中沒有及時進行覆土、鎮(zhèn)壓等過程。

5 結論

(1)提出了一種探入式番茄缽苗移栽機構，可以實現夾取土缽的取苗方式，結構簡單，成本低，能夠避免秧針對土缽和根系的損傷。

(2)根據探入式移栽機構的結構特點，結合番茄缽苗移栽的農藝要求，確立了優(yōu)化目標，并開發(fā)了優(yōu)化設計軟件，通過人機交互的方式，優(yōu)化得到一組滿足番茄缽苗移栽要求的結構參數。

(3)利用物理樣機，進行高速攝像試驗，得到樣機的實際工作軌跡，通過對比理論軌跡與實際工作軌跡，驗證了機構原理和機構設計的正確性。

(4)進行臺架試驗，得到探入式移栽機構的取苗成功率為92.8%，移栽成功率為89.7%，栽植合格率為86.4%，栽植優(yōu)良率為59.4%，驗證了移栽機構的實用性。