張 靜，龍新華，韓長杰，袁盼盼，高 杰

機械驅(qū)動式辣椒穴盤苗自動取投苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗

張 靜1，龍新華1，韓長杰1※，袁盼盼1，高 杰2

（1. 新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊 830052； 2. 新疆中收農(nóng)牧機械有限公司，烏魯木齊 830052）

針對目前半自動移栽機人工取投苗勞動強度大、工作效率低，控制系統(tǒng)復雜等問題，該研究結(jié)合當前新疆穴盤苗移栽作業(yè)模式和農(nóng)藝要求，模仿人工取喂苗的方式設(shè)計了一種機械驅(qū)動式辣椒穴盤苗自動取投苗系統(tǒng)。該自動取投苗系統(tǒng)由地輪提供動力，通過穴盤進給裝置的橫向送苗驅(qū)動機構(gòu)和縱向送苗驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動穴盤橫向、縱向準確移位，實現(xiàn)128穴整盤穴盤苗的自動進給，通過機械取投苗裝置實現(xiàn)穴盤苗的自動取投。根據(jù)“己”字型穴盤進給方案和機械手取投苗軌跡與姿態(tài)要求，確定了機械取投苗裝置偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和拔取驅(qū)動機構(gòu)各構(gòu)件的尺寸參數(shù)，構(gòu)建了機械自動取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置的運動學模型，分析得出機械手末端位移、速度、加速度方程以及偏轉(zhuǎn)、拔取驅(qū)動裝置的主要參數(shù)和運動規(guī)律。為驗證該系統(tǒng)的作業(yè)性能，利用Solidworks軟件對機械手取投苗軌跡和運動規(guī)律進行仿真分析，選取苗齡60 d、基質(zhì)含水率24.61%～31.57%的辣椒穴盤苗進行室內(nèi)樣機穴盤進給位移可靠性試驗和取投苗試驗。試驗結(jié)果表明，機械手仿真運動軌跡滿足設(shè)計要求；穴盤縱向和橫向進給位移與理論偏差小于1 mm，滿足穴盤進給裝置的供苗要求；在取投苗速度64～88株/min范圍內(nèi)，隨著取苗速度的增加，取苗成功率、投苗成功率先增大后減少，輸苗成功率總體波動較小，取投苗總成功率先增大后減少，取投苗速度80株/min時效果最佳，此時系統(tǒng)平均取投苗總成功率、取苗成功率、投苗成功率、輸苗成功率分別為92.54%、92.93%、99.57%和100.00%，作業(yè)過程中無傷苗情況，滿足穴高45 mm的辣椒穴盤苗栽植前自動進給穴盤苗、取投苗、輸苗等作業(yè)要求。研究結(jié)果可為后續(xù)機械式自動穴盤移栽機的設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；試驗；移栽；穴盤苗；機械驅(qū)動；自動取投苗；辣椒

0 引 言

隨著穴盤育苗技術(shù)的日益成熟，穴盤苗移栽技術(shù)逐漸被應(yīng)用于辣椒、番茄等蔬菜作物的規(guī)?；灾?，以緩和季節(jié)矛盾，提高定植成活率和土地利用產(chǎn)出率[1-2]。然而在穴盤苗移栽種植過程中，人工作業(yè)勞動強度大、效率低，不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的趨勢。在旱地移栽領(lǐng)域，國外主要在經(jīng)濟作物半自動、全自動移栽機方面進行了設(shè)備研發(fā)，技術(shù)相對成熟，可靠性較高，但整體結(jié)構(gòu)較為復雜，價格昂貴，專用性強，大都不能滿足國內(nèi)農(nóng)藝種植要求和生產(chǎn)條件[3-5]。國內(nèi)在引進吸收國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要對盤夾式、鏈夾式、盤式、導苗管式、帶式、吊籃式等半自動移栽機進行了研究[5-9]，但移栽作業(yè)通常由人工輔助進行取苗和投苗工作，作業(yè)效率、勞動強度和作業(yè)成本未能得到很大改善。

近年來，為了實現(xiàn)穴盤苗的自動供苗和取投苗，提高機械化作業(yè)效率，國內(nèi)學者在半自動移栽機的基礎(chǔ)上，結(jié)合機、電、氣一體化技術(shù)，設(shè)計研發(fā)了夾持缽苗莖部及扎入缽體的取投苗機械手[10-14]，并通過自動化監(jiān)測手段控制苗盤的橫向和縱向步進移位實現(xiàn)自動取投苗[15-16]。李華等[17-18]研發(fā)的移栽機通過PLC控制實現(xiàn)了自動送苗機構(gòu)與取苗機構(gòu)的精準配合，工作時各機構(gòu)協(xié)調(diào)運行完成開溝、鋪地膜、鋪設(shè)滴灌軟管、自動移栽等工作。郭林強[19]以機、電、氣結(jié)合的方式控制氣動式移栽機的供苗機構(gòu)，將穴盤苗進給氣動式取苗裝置，待氣動式取苗裝置取苗后，投苗至分苗機構(gòu)，再由分苗機構(gòu)將秧苗轉(zhuǎn)移到栽植器中進行栽植。吳儉敏等[20]基于PLC控制研制的苗盤缽苗自動識別及控制裝置，能實現(xiàn)對缽苗的自動檢測，并通過控制苗盤的橫向和縱向步進移位實現(xiàn)快速補苗，大大減少了漏栽率。然而現(xiàn)有自動取投系統(tǒng)大都采用繁雜的電氣裝置，主要以氣缸作為執(zhí)行元件，采用氣壓進行驅(qū)動，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)較為復雜，成本相對較高，雖在實驗室條件下取得了一定的效果，但考慮到取苗機械手數(shù)量、取苗與投苗的工作時間間隔，系統(tǒng)單位時間內(nèi)工作效率受到了一定的限制，且工作時易出現(xiàn)氣缸氣壓不穩(wěn)定的情況，因此在實際生產(chǎn)過程中的可靠性有待進一步驗證，目前尚未有成熟產(chǎn)品。部分學者也嘗試采用純機械驅(qū)動方式代替電氣控制進行移栽機研制。董哲[21]研發(fā)的蔬菜穴盤苗自動取苗裝置采用頂出與夾取結(jié)合的方式進行整排取苗，并以純機械驅(qū)動的方式實現(xiàn)自動輸送穴盤苗、頂苗、夾苗、喂苗等工作，但整體結(jié)構(gòu)較為復雜，機型較大。隨著移栽作物種類需求的增加及穴盤苗栽植面積的增長，半自動移栽機已不能滿足日益增長的移栽要求，研發(fā)具有穩(wěn)定性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的自動取投苗系統(tǒng)非常必要。

為進一步簡化移栽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高移栽效率和穩(wěn)定性，本文在前期穴盤苗自動移栽機自動取投系統(tǒng)的基礎(chǔ)上[22-23]，以新疆廣泛栽植的辣椒為研究對象，選用機械驅(qū)動代替現(xiàn)有電、氣、液控制，設(shè)計一種機械驅(qū)動式自動輸送苗盤和取、喂苗自動取投系統(tǒng)，建立取苗、送苗等關(guān)鍵部件的動力學模型，優(yōu)化取投苗驅(qū)動裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合軌跡提取、運動曲線分析和試驗驗證移栽可靠性，以期為辣椒穴盤苗機械式自動移栽裝置的研制提供參考。

1 機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

自動取投苗系統(tǒng)是移栽機的核心工作部件，良好的取投苗性能是保證栽植性能的基礎(chǔ)。穴盤苗機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)主要由動力傳送子系統(tǒng)、穴盤進給裝置、自動取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置、輸送喂入裝置、機架、機械手等構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作流程如圖1所示。自動取投苗系統(tǒng)中各運動部件采用機械傳動的方式進行驅(qū)動和控制。

1.2 工作原理

作業(yè)時，取投苗系統(tǒng)動力由地輪提供，經(jīng)動力傳送子系統(tǒng)進行動力分配后，驅(qū)動穴盤進給裝置將穴盤橫向和縱向步進移位進給穴盤苗至取苗位置，同時驅(qū)動取投苗裝置進行取投苗工作，依次完成取苗、拔苗、回程、投苗動作，再由輸送喂入裝置對投入的穴盤苗進行連續(xù)輸送，在喂苗口逐個投入栽植器，然后回轉(zhuǎn)進行循環(huán)接苗，最后由栽植器進行栽植作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

參照JB/T 10291-2013標準[24]，并結(jié)合新疆辣椒穴盤苗移栽種植農(nóng)藝要求，確定系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 動力傳送子系統(tǒng)

動力傳送子系統(tǒng)用于自動取投苗系統(tǒng)各裝置的動力傳遞，傳動機構(gòu)以串聯(lián)和并聯(lián)的形式實現(xiàn)動力分配（圖2）。輸入動力首先經(jīng)鏈傳動直接輸送給穴盤進給裝置進給穴盤苗，同時傳遞至自動取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置，驅(qū)動機械手進行取投苗，動力由錐齒輪系換向和齒輪系加速后，再經(jīng)鏈傳動傳遞至輸送喂入裝置，帶動輸送喂入裝置進行連續(xù)輸送苗工作。根據(jù)各裝置工作要求，確定各級傳動比依次為1(1/2)=1，2(3/4)=2，3(5/6)=1，4(7/8)=1，5(9/10)=1。

1.動力源 2.穴盤進給裝置 3.自動取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置 4.輸送喂入裝置

1.Power source 2.Plug tray feeding device 3.Driving device of automatic seedlings taking and throwing mechanism 4.Conveying and feeding device

注：1為鏈輪Ⅰ齒數(shù)；2為鏈輪Ⅱ齒數(shù)；3為大齒輪齒數(shù)；4為小齒輪齒數(shù)；5為鏈輪Ⅲ齒數(shù)；6為鏈輪Ⅳ齒數(shù)；7為錐齒輪Ⅰ齒數(shù)；8為錐齒輪Ⅱ齒數(shù)；9為鏈輪Ⅴ齒數(shù)；10為鏈輪Ⅵ齒數(shù)。

Note:1is the teeth number of sprocket Ⅰ,2is the teeth number of sprocket Ⅱ,3is the teeth number of sprocketlarge gear,4is the teeth number of sprocketsmall gear,5is the teeth number of sprocket Ⅲ,6is the teeth number of sprocket Ⅳ,7is the teeth number of bevel gears Ⅰ,7is the teeth number of bevel gears Ⅱ,9is the teeth number of sprocket Ⅴ,10is the teeth number of sprocket Ⅵ.

圖2 動力傳送子系統(tǒng)

Fig.2 Power transmission subsystem

2.2 穴盤進給裝置

穴盤進給裝置主要由供苗動力傳動部件、機架、縱向送苗驅(qū)動機構(gòu)、橫向送苗驅(qū)動機構(gòu)、穴盤步進移位部件組成，如圖3所示。動力經(jīng)由動力傳送機構(gòu)總成傳輸后，帶動橫向送苗驅(qū)動機構(gòu)、縱向送苗驅(qū)動機構(gòu)依次完成橫向、縱向間歇輸送穴盤苗作業(yè)。其中，橫向送苗驅(qū)動機構(gòu)采用往復絲杠和滑塊組合結(jié)構(gòu)，以凸輪分割器實現(xiàn)間歇運動。根據(jù)設(shè)計要求，凸輪分割器選用1/2周期，即橫向送苗在機械手一次取喂苗周期的后半個周期完成，機械手在進行二次取苗時，穴盤經(jīng)歷停歇→移動→停歇的狀態(tài)，并依此確定往復絲杠螺距20 mm，圈數(shù)為1.5圈?？v向送苗驅(qū)動部件采用棘輪和四桿機構(gòu)組合結(jié)構(gòu)，曲柄通過連桿帶動搖桿每擺動一次，棘輪轉(zhuǎn)過一個棘齒，穴盤步進一格。穴盤步進輸送鏈輪分度圓直徑81.37 mm，棘輪齒數(shù)為8個，即棘輪每轉(zhuǎn)過1齒，棘輪轉(zhuǎn)過角度為45°，穴盤步進一格，曲柄和搖桿尺寸分別為25.00和66.00 mm。

為確保取苗作業(yè)的順利進行，穴盤進給裝置需適時、準確地橫向和縱向進給穴盤苗，為減少進給次數(shù)，參照本課題組之前的研究[22]，設(shè)計穴盤以“己”字型進行步進移位進給穴盤苗，實現(xiàn)連續(xù)送盤定位。

2.3 機械取投苗裝置

機械取投苗裝置是機械驅(qū)動式自動取投系統(tǒng)的核心部件，完成從穴盤苗中取苗，再轉(zhuǎn)移至投苗位置進行投苗工作。根據(jù)人工取喂苗作業(yè)形式，取投苗裝置主要由機械手、機械手固定座、偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)、動力輸入軸、雙排鏈輪、傳動鏈、從動鏈輪、機架、傳動軸、拔取驅(qū)動機構(gòu)、擺臂、導軌、滑塊等組成，如圖4所示。機械手并排固定安裝在機械手固定座上，可沿安裝在擺臂上的導軌移動。機械取投苗裝置經(jīng)由動力輸入軸驅(qū)動主從動鏈輪轉(zhuǎn)動，帶動偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的凸輪控制滾子軸承的運動，驅(qū)動擺臂帶動機械手完成下降、停止、上升、停止等動作，從動鏈輪同時帶動拔取驅(qū)動機構(gòu)，通過拉桿推動機械手固定座作直線運動，從而實現(xiàn)機械手完成停止、下降、停止、上升等動作，準確完成取苗點拔苗和投苗點投苗動作，擺臂和機械手周期性勻速交替動作。偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和拔取驅(qū)動機構(gòu)的凸輪運動過程如圖5所示。

2.3.1 驅(qū)動機構(gòu)

1）偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)

偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)主要由擺臂、偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪、固定軸、偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪、滾子軸承Ⅰ、齒條、滑塊Ⅰ、導軌Ⅰ、傳動軸、齒輪、穴盤組成，如圖6所示。工作時，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪通過滾子軸承Ⅰ推動齒條的上下運動，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，進而驅(qū)動擺臂在投苗位置與取苗位置之間往復擺動，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)最終驅(qū)動機械手完成偏轉(zhuǎn)（～）、停止（～）、回轉(zhuǎn)（～）、停止（～）等動作。其中，推動齒條旋轉(zhuǎn)所需的推力需滿足如下關(guān)系：

式中1為齒輪的扭矩，N·m；為齒輪旋轉(zhuǎn)需承受的負載重力，N；為有效力臂的長度，m；為齒輪實際所需的扭矩，N·m；為安全系數(shù)；為偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪對齒條的推力，N；為齒輪的半徑，m。

測得齒輪旋轉(zhuǎn)需承受的負載重力為113.40 N，有效力臂長度為0.16 m，齒輪半徑為0.022 5 m，安全系數(shù)取1.5，依此計算得出齒輪的扭矩1為18.14 N·m，齒輪實際所需的扭矩為27.22 N·m，齒條的所需的推力為1 209.60 N。

1.擺臂 2.偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪驅(qū)動軸 3.偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪 4.滾子軸承Ⅰ 5.齒條 6.滑塊Ⅰ 7.導軌Ⅰ 8.傳動軸 9.齒輪 10.穴盤

1.Swing arm 2.Driving shaft of deflection driving cam 3.Deflection driving cam 4.Roller bearing Ⅰ 5.Rack 6.Slider Ⅰ 7.Guide Ⅰ 8.Transmission shaft 9.Gear 10.Plug tray

注：1為凸輪基圓圓心；2為傳動軸鉸接點；、、和為凸輪輪廓上的點；和分別為機械手偏轉(zhuǎn)取苗的起始點和終點；0和1分別為凸輪基圓半徑和最大外輪廓半徑，m；為齒輪的直徑，m；為凸輪角速度，rad·s-1；為偏轉(zhuǎn)角度，(°)；為滑塊Ⅰ運動速度，m·s-1。

Note:1is the center of the CAM base circle;2is the hinge point of driving shaft;、、andare points on cam contour;andare the starting point and the end point of manipulator's deflection seedling taking, respectively;0and1are base circle radius and maximum outer contour radius of cam, m;is the diameter of the gear, m;is the angular velocity of cam, rad·s-1;isthe deflection Angle, (°);is the speed of slider Ⅰ, m·s-1.

圖6 偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)簡圖

Fig.6 Diagram of deflection driving mechanism

2）穴苗拔取驅(qū)動機構(gòu)

拔取驅(qū)動機構(gòu)主要由擺臂、傳動軸、固定橫梁、直線軸承、連接頭、滾子軸承Ⅱ、拔取驅(qū)動凸輪、導軌Ⅱ、滑塊Ⅱ、機械手固定座、細軸、機械手等組成（圖7）。驅(qū)動凸輪安裝在傳動軸上，滾子軸承Ⅱ與驅(qū)動凸輪上的滑道緊密貼合，導軌Ⅱ安裝在滑塊Ⅱ上，滑塊Ⅱ固定于擺臂，為達到機械手取投苗的運動要求，驅(qū)動機構(gòu)需完成停止、拔取、停止、投放4個階段的動作。以驅(qū)動凸輪作為主動件限制滾子軸承Ⅱ的運動，通過拉桿驅(qū)動機械手作直線往復運動。

1.傳動軸 2.拔取驅(qū)動凸輪 3.滾子軸承Ⅱ 4.拉桿 5.直線軸承

1.Shaft 2.Pulling driving cam 3.Roller bearing Ⅱ 4.Tie rod 5.Linear bearing

注：0為凸輪基圓圓心；、、和為凸輪輪廓上的點；0和1分別為凸輪基圓半徑和最大外輪廓半徑，m；為凸輪角速度，rad·s-1。

Note:0is the cam base circle center;,,andare points on cam contour;0and1are base circle radius and maximum outer contour radius of cam, m;is the angular velocity of cam, rad·s-1.

圖7 拔取機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

Fig.7 Structure diagram of pulling driving mechanism

2.3.2 機械手

機械手采用氣驅(qū)動，各機械手相互獨立，作業(yè)對象為吸塑成型的128穴矩形穴盤苗。穴盤（535 mm× 280 mm× 45 mm）以橫向16穴、縱向8穴姿態(tài)放置，穴形呈四棱臺形（31.75 mm×31.75 mm），相鄰兩穴孔中心距為31.75 mm。為防止出現(xiàn)掛苗、帶苗情況，采用間隔取苗的方式取苗，8個機械手并排安裝在機械手固定座上。為適應(yīng)不同穴盤高度，取苗爪在拉桿上的高度可調(diào)。機械手間距為63.5 mm，以拖拉機電瓶供電，以拖拉機自帶的氣泵和自鎖控制電路控制取苗爪實現(xiàn)定點定位精準取苗，投苗。機械手開閉控制電路由2個接近開關(guān)、1個中間繼電器、1個電磁閥、1個12 V直流電源組成。機械手分布及控制電路如圖8所示。

3 機械取投苗裝置驅(qū)動機構(gòu)的運動學分析

3.1 偏轉(zhuǎn)驅(qū)動過程運動學分析

為達到機械手的取苗運動要求，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)需驅(qū)動機械手完成偏轉(zhuǎn)、停止、回轉(zhuǎn)、停止4個階段的動作要求。通過對偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)上述4個階段運動學分析確定機構(gòu)相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)。

3.1.1 偏轉(zhuǎn)機構(gòu)數(shù)學模型

機械手從水平面偏轉(zhuǎn)至傾斜穴盤上的取苗位置進行取苗時，驅(qū)動凸輪通過控制齒條上下運動，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)機械手跟隨擺臂到達取苗位置，偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)各工作階段參數(shù)滿足：

式中S為滾子軸承Ⅰ從點至點的位移，mm；S為滾子軸承Ⅰ從點至點的位移，mm；S為滾子軸承Ⅰ點至點的位移，mm；S為滾子軸承Ⅰ從點至點的位移，mm；為齒輪的直徑，mm；1、2、3、4為各階段齒條運動的距離，mm；1、2為擺臂分別到達取苗、投苗位置的偏轉(zhuǎn)角度，（°）；0為穴苗拔取驅(qū)動凸輪的基圓半徑，mm；1為穴苗拔取驅(qū)動凸輪的最大外輪廓半徑，mm。

根據(jù)設(shè)計要求，選取齒輪直徑為45 mm，依此求得齒條運動距離為23.55 mm，擺臂偏轉(zhuǎn)角度即穴盤傾斜放置角度為60°，基圓半徑0為30 mm，最大外輪廓半徑1為53.55 mm。在動力輸入軸轉(zhuǎn)速=10 r/min下，基于多項式擬合法，用Matlab軟件對偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪理論輪廓曲線參數(shù)方程進行求解[25-31]，結(jié)果顯示三次擬合時效果最佳，驅(qū)動凸輪輪廓曲線參數(shù)方程如式（3），具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

式中為運動循環(huán)周期，s。

表2 偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.1.2 偏轉(zhuǎn)機構(gòu)運動學模型

對偏轉(zhuǎn)機構(gòu)的偏轉(zhuǎn)、回轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)進行分析，建立以偏轉(zhuǎn)凸輪轉(zhuǎn)動中心為坐標原點，水平方向為軸，垂直方向為軸的直角坐標系，如圖9所示，以機械手作為質(zhì)點，對其進行運動學分析。

1.偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪 2.滾子軸承Ⅰ 3.導軌Ⅰ

1.Deflection driving cam 2.Roller bearing Ⅰ 3.Slider Ⅰ

注：12為凸輪基圓圓心；13為凸輪和滑塊Ⅰ機構(gòu)連接點；23為齒輪和滑塊Ⅰ機構(gòu)連接點；為坐標原點；、-、a、a-分別為凸輪偏轉(zhuǎn)過程和回轉(zhuǎn)過程的4個位置點；1為偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪角速度，rad s-1；2為齒輪角速度，rad s-1；為機械手擺動角度，(°)；x和y分別為偏轉(zhuǎn)角度時點橫坐標和縱坐標，m；x-和y-分別為回轉(zhuǎn)角度時-點橫坐標和縱坐標，m；為齒條的運動速度，mm·s-1；v和v分別為點和-點的線速度，mm·s-1。

Note:12is the cam base circle center;13is the institutions connection points for cam and slider Ⅰ;23is the institutions connection points for gear and the slider Ⅰ;is the origin of the coordinates;,-,a, anda-is the 4 position points of cam deflection process and rotation process respectively;1is the angular velocity of deflection driving cam, rad s-1;2is the angular velocity of the gear, rad s-1;is the swing angles, (°);xandyare the abscissa and ordinate of pointfor deflection angle, respectively, m；x-andy-are the abscissa and ordinate of point-for deflection angle, m;is the motion speed of rack, mm·s-1;vandvare the linear velocities at pointand point-, respectively, mm·s-1.

圖9 偏轉(zhuǎn)機構(gòu)運動簡圖

Fig.9 Kinematic diagram of deflection mechanism

在偏轉(zhuǎn)階段，齒條的速度為

依此求得偏轉(zhuǎn)階段機械手末端的位移方程、速度方程、加速度方程分別為

在回轉(zhuǎn)階段，機械手末端的位移方程、速度方程、加速度方程分別為

式中下標-表示回轉(zhuǎn)階段。

3.2 拔取驅(qū)動過程運動學分析

根據(jù)機械手的取苗作業(yè)要求，穴苗拔取機構(gòu)需完成停歇、拔取、停歇、投放動作。為獲得滿足辣椒穴盤苗自動拔取苗作業(yè)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)，保證良好的作業(yè)性能，需以拔取苗時齒條運動速度和軌跡等目標進行機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

3.2.1 拔取機構(gòu)數(shù)學模型

拔取機構(gòu)以驅(qū)動凸輪作為主動件限制滾子軸承Ⅱ的運動，從而改變機械手的運動（圖10）。第一階段為準備階段，機械手停歇，隨擺臂偏轉(zhuǎn)至取苗位置。拔取驅(qū)動凸輪驅(qū)動機械手向下運動進行投放苗。拔取過程各階段位移變化滿足式（11）所示關(guān)系：

式中L、L、L、L分別為滾子軸承Ⅱ從點至點、點至點、點至點、點至點的位移，mm。

式中為運動循環(huán)周期，s。

表3 穴苗拔取驅(qū)動凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)

3.2.2 拔取機構(gòu)運動學模型

對拔取驅(qū)動機構(gòu)進行研究，建立以拔取凸輪轉(zhuǎn)動中心為坐標原點，水平方向為軸，垂直方向為軸的直角坐標系，如圖10所示，齒條運動速度滿足如式（13）所示關(guān)系。通過分析拔取機構(gòu)齒條運動速度對取苗軌跡的影響，得出滿足辣椒穴盤苗自動拔取苗作業(yè)要求的機構(gòu)參數(shù)組合。

4.拔取驅(qū)動凸輪 5.滾子軸承Ⅱ 6.直線軸承

4.Puling driving cam 5.Roller bearing Ⅱ 6.Linear bearing

注：為坐標原點；為滾子軸承Ⅱ鉸接點；、、和為凸輪輪廓上的點；45為凸輪和滾子軸承Ⅱ機構(gòu)連接點；46為滾子軸承Ⅱ和直線軸承機構(gòu)連接點；為拔取驅(qū)動凸輪角速度，rad·s-1；2為齒輪角速度，rad·s-1；1為齒條的運動速度，mm·s-1。

Note:is the origin of coordinates;is roller bearing Ⅱ articulated point;,,andare points on cam contour;45is connection points for cam and roller bearing Ⅱ institutions;46is connection points for roller bearing Ⅱand linear bearing;is the angular velocity of driving cam, rad·s-1;2is the angular velocity of gear, rad·s-1;1is the motion speed of rack, mm·s-1.

圖10 穴苗拔取機構(gòu)運動簡圖

Fig.10 Kinematic diagram of seedlings pulling mechanism

4 試驗驗證

4.1 取投苗軌跡和姿態(tài)驗證

為驗證機械取投苗裝置設(shè)計是否滿足工作要求，結(jié)合機械取投苗裝置驅(qū)動機構(gòu)的運動學分析結(jié)果，用SolidWorks軟件的motion模塊對機械取投苗裝置進行仿真分析，當自動取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置動力輸入轉(zhuǎn)速為10 r/min，獲得機械手取投苗軌跡（圖11）和取投苗的速度曲線（圖12）。

根據(jù)圖11和圖12可知，取投苗過程主要分為如下4個階段：

1）取苗準備段（軌跡段）：偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穴苗拔取驅(qū)動凸輪停止，機械手以為初始點向取苗位置移動，到達取苗位置點，偏轉(zhuǎn)角位移為0°～60°。根據(jù)取苗階段速度曲線可知，在0～1 s內(nèi)（取苗階段），機械手的切向速度先增加后減少，在取苗點處為0，符合定點夾苗要求。

2）夾苗拔取段（軌跡段）：偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪停止，拔取驅(qū)動凸輪向下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，機械手拔取帶動穴盤苗從點向上運動至點，偏轉(zhuǎn)角為60°～180°。根據(jù)拔苗階段速度曲線可知，在1～3 s內(nèi)（拔苗階段），機械手的徑向速度保持恒定，為0.2 mm/s，保證拔苗工作的穩(wěn)定進行。

3）持苗回轉(zhuǎn)段（軌跡段）：偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，穴苗拔取驅(qū)動凸輪停止，機械手在偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)的作用下夾持穴苗從點向下移動至點，偏轉(zhuǎn)角為180°～240°。根據(jù)回程階段速度曲線可知，在3～4 s內(nèi)（回程階段），機械手的切向速度先減少后增加，方向與取苗階段相反，在點切向速度為0，符合定點投苗要求。

4）投放苗段（軌跡段）：偏轉(zhuǎn)驅(qū)動凸輪停止，拔取驅(qū)動凸輪向上發(fā)生偏轉(zhuǎn)，機械手在穴苗拔取驅(qū)動機構(gòu)的作用下從點垂直向下移動至點釋放穴盤苗，偏轉(zhuǎn)角為240°～360°，隨后以為起始點，以相同運動軌跡開始下一次取投苗作業(yè)。根據(jù)投苗階段速度曲線可知，在4～6 s內(nèi)（投苗階段），機械手投苗徑向速度恒定且與拔苗速度相等，方向相反，滿足穩(wěn)定投放苗要求。

4.2 樣機試驗

為進一步驗證穴盤苗機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)的可行性，根據(jù)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，將設(shè)計的穴盤進給裝置、機械取投苗裝置、輸送喂入裝置等裝置進行整合，搭建機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)試驗平臺，并參照旱地栽植機械標準[24]進行樣機試驗。

4.2.1 試驗條件

試驗于2019年11月3日在新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)牧機械試驗室內(nèi)進行。試驗用秧苗為標準培育的128穴型、60 d苗齡（育苗時間為2019年9月2日至11月2日）辣椒苗，穴盤苗平均高度163.5 mm，穴盤內(nèi)所有秧苗均為優(yōu)質(zhì)秧苗，漲勢良好，缽體無破損。穴盤內(nèi)基質(zhì)由草炭、蛭石、珍珠巖按照體積比1:1:1配得（基質(zhì)含水率24.61%～31.57%）。輸入動力由電機提供，所用壓縮空氣由氣泵（ZBM-0.1/8型，壓力保持在0.6～0.8 MPa之間）提供，經(jīng)減壓閥調(diào)整輸出氣壓穩(wěn)定在0.6 MPa，通過變頻器（臺達VFD015M43B，精度0.1 Hz）調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，機械式自動取投苗系統(tǒng)試驗平臺如圖13所示。

4.2.2 試驗方法

1）穴盤進給試驗

根據(jù)辣椒穴盤規(guī)格尺寸可知，相鄰兩穴孔中心距（即理論偏移距離）為31.75 mm。穴盤橫向移動時，選取左側(cè)和右側(cè)兩個待取苗點，分別以橫向移位待取苗點距理論待取苗點的距離（左和右）及橫向移動距離為試驗指標；穴盤縱向移動時，選取上側(cè)和下側(cè)兩個待取苗的點，分別以縱向移位待取苗點距理論待取苗點的距離及縱向移動距離為試驗指標；以此測算出平均進給位移和標準差，以驗證穴盤進給裝置在橫向與縱向橫向移動的距離與理論移動的距離是否一致。

2）取投苗性能試驗

因試驗平臺未搭載栽植器進行實際田間土壤栽植試驗，故參照《旱地栽植機械標準》，先重點考察不同取投苗速度對自動取投系統(tǒng)取投苗成功率的影響，以此確定較佳的取投苗速度；然后測定該取投苗速度下取苗、投苗、輸苗等各主要環(huán)節(jié)的成功率以及取投苗過程中的基質(zhì)損失率。重復3次試驗取平均值，試驗過程通過數(shù)碼相機記錄。

取投苗成功率：

以取苗成功率1、投苗成功率2、輸苗成功率3、取投苗總成功率作為取投苗性能評價指標，按下列公式計算：

式中0為每盤穴盤苗初始株數(shù)；1為機械手每盤成功取苗株數(shù)；2為機械手每盤準確投入苗筒株數(shù)；為苗筒輸苗成功（無卡滯、無夾苗）株數(shù)。

基質(zhì)損失率：

為考察機械手取苗和系統(tǒng)輸送轉(zhuǎn)移過程中造成的基質(zhì)損失情況，將隨機選取的穴盤苗標記序號并采用電子天平對其稱量（0），然后將穴盤苗放回穴盤中，對取投后的穴盤苗稱量（M），以此計算基質(zhì)損失率μ，評價系統(tǒng)自動取苗對基質(zhì)的影響。

式中0為穴盤苗取投前的質(zhì)量，g；M為穴盤苗取投后的質(zhì)量，g；μ為基質(zhì)損失率，%；為穴盤苗標號。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 穴盤進給移位的準確性

隨機抽取8盤長勢相當?shù)难ūP苗進行穴盤進給移位試驗，分別測算縱向位移和橫向位移，結(jié)果如表4。由表4可知，縱向移動的平均距離為31.54 mm，橫向移動的平均距離為31.76 mm，縱向和橫向的偏移距離與理論偏移距離存在一定的誤差，但最大偏差距離均小于1mm，穴盤進給裝置基本符合供苗功能要求。

表4 穴盤進給試驗結(jié)果

4.3.2 取苗速度對取投苗成功率的影響

隨機抽取4盤長勢相當、可移栽的穴盤苗進行不同取苗速度試驗。根據(jù)機械驅(qū)動式自動取投系統(tǒng)的移栽效率要求，經(jīng)過初期試驗，電機輸出轉(zhuǎn)速范圍為8～11 r/min時，取投苗系統(tǒng)能按功能要求完成取投苗動作，因此試驗中依次選取對應(yīng)上述適宜電機輸出轉(zhuǎn)速范圍的取苗速度64、72、80、88株/min。不同取苗速度下的試驗結(jié)果如表5所示。

注：為取苗速度，株·min-1；0為穴盤苗初始株數(shù)；1為成功取苗株數(shù)；2為準確投苗株數(shù)；為輸苗成功株數(shù)；1為取苗成功率，%；2為投苗成功率，%；3為輸苗成功率，%；為取投苗總成功率，%。下同。

Note:is the rate of seedlings taking, plants·min-1;0is the initial number of plug seedlings;1is the number of successful taking seedlings;2is the number of accurately throwing seedlings;is the number of successful transplanting seedlings;1is the success rate of seedlings taking, %;2is the success rate of seedlings throwing, %;3is the success rate of seedlings transplanting,%;is the total success rate of seedlings taking and throwing, %. The same below.

由表5可知，隨著取苗速度的增加，取苗成功率1、投苗成功率2先增大后減少；輸苗成功率3總體波動較??；取投苗總成功率先增大后減少。在取苗速度80株/min時，取苗成功率1為93.75%，投苗成功率2為99.17%，輸苗成功率3為99.16%，取投苗總成功率達92.19%，取投苗效果最佳。結(jié)合試驗過程觀察，取苗速度過高，即地輪速度過高時，取投苗系統(tǒng)從穴盤轉(zhuǎn)移缽苗過程會出現(xiàn)甩苗，機械手未運行至目標位置便開始下一動作或抖動等。

4.3.3 取投苗可靠性分析

根據(jù)取苗速度試驗測得的較佳取苗速度，任取8盤穴盤苗在80株/min的取苗速度下進行取投苗可靠性驗證試驗，試驗結(jié)果如表6。由表6可知，該試驗條件下系統(tǒng)的平均取投苗總成功率、取苗成功率1、投苗成功率2、輸苗成功率3分別為92.54%、92.93%、99.57%和100.00%。其中，輸苗成功率3較為穩(wěn)定，取苗成功率1與取投苗總成功率總體變化趨勢相同。由于部分試驗穴盤苗盤根情況較差，枝葉過于緊湊，機械手運轉(zhuǎn)苗過程中存在抖動，一定程度上影響了系統(tǒng)取投苗總成功率。

4.3.4 穴盤苗高度對基質(zhì)損失率的影響

基質(zhì)損失率是影響秧苗移栽后根系再生長和栽植質(zhì)量的主要指標。隨機選取18株長勢良好的穴盤苗，在較佳取苗速度80株/min條件下進行試驗，試驗結(jié)果如表7所示。試驗用穴盤苗的高度基本分布在150～170 mm之間，最小基質(zhì)損失率為2.12%，最大基質(zhì)損失率為14.27%，平均基質(zhì)損失率9.44%，均小于25%，滿足設(shè)計要求。通過對試驗過程觀察可知，穴盤苗基質(zhì)損失率波動范圍較大（SD=3.65%）的主要原因是部分秧苗根系不夠發(fā)達，基質(zhì)較松散，在取投苗過程中機械手的一些抖動、投苗和輸送過程中穴盤苗落苗沖擊和苗筒的間歇振動均對基質(zhì)損失造成了一定影響。

表7 基質(zhì)損失率試驗結(jié)果

綜合上述試驗結(jié)果，該系統(tǒng)雖未搭載栽植器進行實際田間栽植試驗，參照《旱地栽植機械》所設(shè)計的自動取投苗系統(tǒng)取投苗效率為80株/min，遠高于規(guī)定的栽植頻率；取苗成功率、投苗成功率、輸苗成功率和取投苗總成功率均大于90%，高于規(guī)定的栽植合格率；且平均基質(zhì)損失率低于10%，未發(fā)現(xiàn)傷苗情況，低于規(guī)定的傷苗率。該取投苗系統(tǒng)穴盤苗取投效果較好，能夠滿足栽植前自動進給穴盤苗、取投苗、輸苗等作業(yè)要求。

5 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種針對128穴軟穴盤辣椒苗移栽的機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)，根據(jù)“己”字型穴盤苗步進移位進給方案及人工取投苗作業(yè)形式，確定了穴盤進給裝置、機械取投苗裝置、輸送喂入裝置的結(jié)構(gòu)方案及動力傳送系統(tǒng)方案。

2）根據(jù)機械手取投苗軌跡與姿態(tài)要求，確定了偏轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)和穴苗拔取驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了機械取投苗機構(gòu)驅(qū)動裝置的運動學模型，分析得出機械手末端位移、速度、加速度方程，并得出偏轉(zhuǎn)凸輪和拔取驅(qū)動凸輪三項式擬合理論輪廓曲線參數(shù)方程及以結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3）利用Solidworks軟件獲得取投苗軌跡和運動曲線，證明機械手運動規(guī)律滿足設(shè)計要求；試制了自動取投系統(tǒng)樣機和試驗臺架，以128穴辣椒苗進行室內(nèi)穴盤進給移位試驗、取投苗試驗和基質(zhì)損失率試驗，試驗結(jié)果表明：穴盤縱向和橫向進給位移與理論偏差距離小于1 mm，驗證了穴盤進給裝置設(shè)計的合理性；取投苗系統(tǒng)能按設(shè)計要求完成各項動作，較佳取苗速度80株/min，滿足自動取投苗系統(tǒng)設(shè)計要求；平均取投苗總成功率、取苗成功率、投苗成功率、輸苗成功率分別為92.54%、92.93%、99.57%和100.00%；平均基質(zhì)損失率為9.44%；達到《旱地栽植機械》中的相應(yīng)要求。

本文所設(shè)計的機械驅(qū)動式自動取投苗系統(tǒng)主要以機械控制的形式實現(xiàn)整盤穴盤苗的自動取投功能，可通過調(diào)節(jié)取苗爪在拉桿上的高度滿足不同高度穴盤苗栽植要求，實現(xiàn)連續(xù)整盤穴盤苗的自動取投功能，有待與栽植器配合開展后續(xù)研究。

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Design and experiments of mechanically-driven automatic taking and throwing system for chili plug seedlings

Zhang Jing1, Long Xinhua1, Han Changjie1※, Yuan Panpan1, Gao Jie2

(1.,,830052,;2.830052,)

Manual handling of plug seedling has significantly confined the mechanized planting in previous semi-automatic transplanting machines. It is necessary to update the current complex control system with high labor intensity and low work efficiency. In this study, a mechanically- driven system with automatic picking and throwing for plug seedling was developed, combining the latest transplanting mode of plug seedling and agronomic requirements in Xinjiang Region, China. Two devices were designed, including the tray feeding device as well as the mechanical seedlings taking and throwing device. The new system was mainly composed of power transmission subsystem, tray feeding, mechanical seedlings taking/throwing, and conveying device. The horizontal and vertical seedling driving mechanism was used for the tray feeding device to drive the plug for the automatic feeding and taking of 128-hole plug seedlings. The driven power was from the ground wheel. Moreover, the mechanical transmission was realized through the deflection/picking cam driving mechanism and the manipulator. The trajectory and posture of the manipulator were set in the “”-shaped plug feeding plan for taking and throwing seedlings. The dimensional relationship of the deflection/taking driving mechanism was determined for the mechanical seedlings taking and throwing device. A kinematics model was constructed for the driving device in the mechanical seedling taking and feeding mechanism. The main parameters were analyzed, including the end displacement, velocity, acceleration of manipulator, and motion equations of deflection and extraction drive device. SolidWorks software was used to simulate the trajectory and motion of the seedling, in order to verify the performance of the system. The transplanting objects were selected as the pepper plug seedlings with a 60-day seedling age and a substrate moisture content of 24.61% to 31.57%. A displacement reliability test of hole-plate feeding and an experiment indoor were carried out to determine the main technical parameters, and thereby to evaluate the indicators of performance. The standard of “dry land planting machinery” was used to describe the planting performance of clamp- and hanging-cup type transplanter. Test results showed that the motion track of the manipulator reached the design requirements, where the deviation was less than 1 mm for the simulated distance between the longitudinal and transverse displacements of hole-plate feeding, compared with the theoretical value. The seedlings taking and throwing system realized various actions, according to the design requirements. There was a significant impact of seedlings taking rate on the success rate in the range of 64-88 plants/min. Specifically, the success rate of seedlings taking and throwing increased first and then decreased, with the increase of seedlings taking rate. The total success rate of seedlings taking and throwing first increase and then decrease, and the overall success rate of seedling transplantation fluctuated slightly. The best performance was achieved at the taking rate of 80 plants/min, where the average values of the total success rate of seedlings taking and throwing, the success rate seedlings takign, the success rate of seedlings throwing, and the success rate of seedling transplantation were 92.54%, 92.93%, 99.57%, and 100.00%, respectively. The dispersion degree of each success rate index was small, and there was no damage to the seedlings during the process. In addition, the indicators were in agreement with the specified values of planting performance in the mechanical industry standard. The planting frequency and qualification rate were 80 plants/min and higher than 90%, respectively. The missed taking rate and seedling damage rate were lower than 5%. These results further demonstrated that the developed system met the demands of automatic feeding of plug seedlings, taking and throwing seedlings, as well as seedling delivery before planting pepper plug seedlings with a hole height of 45 mm, together with the feasibility and reliability of the access system. The findings can provide a potential reference to design the follow-up mechanical automatic plug transplanter.

agricultural machinery; experiments; transplanting; plug seedling; mechanical driven; automatic seedlings taking and throwing; chili

張靜，龍新華，韓長杰，等. 機械驅(qū)動式辣椒穴盤苗自動取投苗系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2021，37(5)：20-30.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.003 http://www.tcsae.org

Zhang Jing, Long Xinhua, Han Changjie, et al. Design and experiments of mechanically-driven automatic taking and throwing system for chili plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 20-30. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.003 http://www.tcsae.org

2020-11-23

2021-01-11

國家重點研發(fā)計劃（2017YFD0700800）；國家自然科學基金項目（50905153，51565059）；自治區(qū)重點研發(fā)計劃（2018B01001-3）；自治區(qū)天山青年計劃（2017Q018）

張靜，博士生，講師，研究方向為智能機械化裝備與無損品質(zhì)檢測。Email：Zj_xjau@vip.163.com

韓長杰，教授，博士生導師，博士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與智能農(nóng)業(yè)裝備。Email：hcj_627@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.003

S223.9

A

1002-6819(2021)-05-0020-11