顧小小，李 偉，朱春燕，解安東，李長(zhǎng)興，張樣平

（1.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，上海市 201106；2.安徽工業(yè)大學(xué)智能裝備技術(shù)研究院，安徽馬鞍山 243002；3.上海綠立方農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，上海市 201210）

0 引言

穴盤(pán)苗移栽是設(shè)施內(nèi)工廠(chǎng)化生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)[1]，穴盤(pán)苗移栽可以縮短作物的生長(zhǎng)發(fā)育期，錯(cuò)開(kāi)成熟期，提高產(chǎn)量[2]。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)移栽機(jī)的研究起步較早[3]。L.J.Kutz等研發(fā)第一個(gè)被應(yīng)用到苗圃植物移栽的機(jī)器人[4]。Yang Y等設(shè)計(jì)帶滑動(dòng)針夾持器的四自由度SCARA工業(yè)機(jī)器人[5]。Takashi等發(fā)明了一套自動(dòng)化移栽系統(tǒng)，并引入托杯轉(zhuǎn)移缽苗[6]。K.H.Ryu等設(shè)計(jì)帶視覺(jué)系統(tǒng)的全自動(dòng)移苗機(jī)[7]。美國(guó)RAPID的RTW系列全自動(dòng)移苗機(jī)可多穴盤(pán)同時(shí)抓取[8]?？傮w而言，國(guó)外移苗機(jī)成套設(shè)備體積較為龐大，無(wú)法較好地適應(yīng)我國(guó)實(shí)際生產(chǎn)的需要，且存在通用性差、難以控制、成本較高等問(wèn)題。

上個(gè)世紀(jì)九十年代，國(guó)內(nèi)開(kāi)始溫室缽苗移栽機(jī)械的研究。吉林工業(yè)大學(xué)研制出針對(duì)空氣整根營(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽系統(tǒng)[9]。范云翔等研制溫室全自動(dòng)移栽機(jī)[10]。邱立春等發(fā)明多個(gè)移栽機(jī)械手移栽的穴盤(pán)苗移栽機(jī)[11]。韓綠化等設(shè)計(jì)了一種穴盤(pán)苗移栽機(jī)兩指四針錯(cuò)夾式取苗末端執(zhí)行器[12]。然而，受定位精準(zhǔn)度，抓取效率，生產(chǎn)成本等因素的制約，國(guó)內(nèi)穴盤(pán)苗移栽裝備自動(dòng)化程度低、成本高[13]，結(jié)構(gòu)復(fù)雜[14]，可靠性差[15]，尚無(wú)法適應(yīng)蔬菜工廠(chǎng)化生產(chǎn)的實(shí)際要求。針對(duì)現(xiàn)狀，本研究結(jié)合長(zhǎng)三角地區(qū)綠葉菜工廠(chǎng)化生產(chǎn)的需求，研制從96穴育苗盤(pán)移苗到8穴種植盤(pán)的高速、高精度自動(dòng)移苗機(jī)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

整機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括種植盤(pán)庫(kù)、轉(zhuǎn)接臺(tái)、育苗盤(pán)輸送線(xiàn)、桁架直線(xiàn)模組和抓取裝置（圖1）。

圖1 自動(dòng)移苗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

工作流程：向種植盤(pán)庫(kù)填充空種植盤(pán)，機(jī)械臂復(fù)位。插板氣缸伸出，拖住種植盤(pán)，頂升氣缸升起頂起種植盤(pán)，插板氣缸縮回，頂升氣缸下落一個(gè)種植盤(pán)的距離時(shí)，插板氣缸伸出，拖住上面的種植盤(pán)，落下的種植盤(pán)與頂升氣缸一起下落到最低位置。頂升氣缸桿縮回帶動(dòng)托架下降，將下落的種植盤(pán)送至轉(zhuǎn)接臺(tái)的種植盤(pán)輸送線(xiàn)，種植盤(pán)輸出裝置接到信號(hào)后將空種植盤(pán)運(yùn)輸?shù)较尬谎b置處等待移苗。育苗盤(pán)輸送線(xiàn)運(yùn)送育苗盤(pán)到指定位置，阻擋氣缸伸出擋住育苗盤(pán)。夾爪氣缸收縮，驅(qū)動(dòng)抓手夾住種植杯移至種植盤(pán)，夾爪氣缸伸長(zhǎng)，夾爪將種植杯放入種植盤(pán)。移苗完成后，種植盤(pán)限位裝置放行，推盤(pán)裝置將種植盤(pán)推上AGV小車(chē)，由其運(yùn)送種植盤(pán)至種植床。

2 關(guān)鍵部件

2.1 穴盤(pán)及種植杯

為避免抓取裝置損傷幼苗，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足機(jī)械臂抓取強(qiáng)度要求的種植杯，抓手抓取栽有幼苗的種植杯來(lái)移栽。種植杯杯沿直徑35 mm，杯沿下方直徑27 mm，杯底直徑23 mm，杯高40 mm，配套設(shè)計(jì)孔數(shù)8×12（行×列），555 mm×375 mm（長(zhǎng)×寬），穴孔中心距45 mm×45 mm，穴孔口徑25 mm的種植盤(pán)，以及孔數(shù)2×4（行×列），430 mm×240 mm（長(zhǎng)×寬），穴孔中心距100 mm×100 mm，穴孔口徑30 mm的育苗盤(pán)。

2.2 種植盤(pán)庫(kù)

種植盤(pán)庫(kù)包括機(jī)架及種植盤(pán)裝置、分離裝置、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和種植盤(pán)存放架。種植盤(pán)裝置包括托架和托架升降機(jī)構(gòu)，選用30×30鋁型材、40×40鋁型材和40×40×4方形鋼，根據(jù)種植盤(pán)尺寸及轉(zhuǎn)接臺(tái)高度，確定其長(zhǎng)、寬、高分別為2 240 mm、540 mm、1 240 mm。種植盤(pán)存放架有1組6個(gè)種植盤(pán)儲(chǔ)存?zhèn)}，每個(gè)儲(chǔ)存?zhèn)}最多可儲(chǔ)存12個(gè)種植盤(pán)，種植盤(pán)庫(kù)最大可儲(chǔ)存72個(gè)種植盤(pán)。

2.3 轉(zhuǎn)接臺(tái)

轉(zhuǎn)接臺(tái)結(jié)構(gòu)包括種植盤(pán)輸送裝置和限位裝置。輸送裝置將種植盤(pán)庫(kù)中的種植盤(pán)送至機(jī)械臂處，限位裝置將種植盤(pán)限制在移栽位置。

為提高種植盤(pán)運(yùn)輸同步性，輸送裝置采用同步帶傳動(dòng)運(yùn)送種植盤(pán)，其傳動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、主動(dòng)帶輪、從動(dòng)帶輪、張緊輪、同步帶組成，6個(gè)導(dǎo)槽的7個(gè)主動(dòng)帶輪均設(shè)在一根傳動(dòng)軸上。種植盤(pán)質(zhì)量為3 kg，運(yùn)輸速度為0.13 m/s，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用的同步帶規(guī)格為584-8M-40。

選擇交流電機(jī)中的異步電機(jī)作為種植盤(pán)輸送裝置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩以及功率選擇電機(jī)型號(hào)為6IK300RGU-CF，配減速比為25的減速機(jī)，經(jīng)減速機(jī)減速后，額定轉(zhuǎn)速為，額定轉(zhuǎn)矩為，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.4 育苗盤(pán)輸送裝置

根據(jù)育苗盤(pán)的尺寸和特性選擇帶式輸送線(xiàn)進(jìn)行育苗盤(pán)輸送，保證育苗盤(pán)在位置移動(dòng)過(guò)程中不松動(dòng)、不落苗，并實(shí)現(xiàn)精確定位。輸送線(xiàn)配550 W普通三相異步電動(dòng)機(jī)；輸送線(xiàn)長(zhǎng)2 800 mm，寬485 mm，整體高度以 417 mm為基準(zhǔn)，可上下各調(diào)節(jié)30 mm；線(xiàn)體支架為4080國(guó)標(biāo)型材；輸送線(xiàn)皮帶的回轉(zhuǎn)直徑不得大于60 mm。

2.5 桁架直線(xiàn)模組

直線(xiàn)模組單體運(yùn)動(dòng)速度快、重復(fù)定位精度高、質(zhì)量輕、所占空間小、壽命長(zhǎng)[16]。選用同步帶型直線(xiàn)模組，2個(gè)模組使用同一個(gè)X軸，抓取和放置種植杯時(shí)，兩個(gè)模組分別動(dòng)作，互不干涉，無(wú)碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)直線(xiàn)模組X軸和X+軸沿種植盤(pán)輸送線(xiàn)方向水平直線(xiàn)行程為800 mm，Y1軸和Y2軸沿垂直于種植盤(pán)輸送線(xiàn)方向水平直線(xiàn)行程為800 mm，Z1軸和Z2軸沿豎直方向上下直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)行程為700 mm。經(jīng)測(cè)算XYZ軸所承受的負(fù)載分別為4.82 kg、6.77 kg、29.47 kg。根據(jù)以上參數(shù)，選擇80型同步帶直線(xiàn)型模組。

選用高慣性（高慣量）MHMF082L1U2M型伺服電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂沿XYZ軸運(yùn)動(dòng)，水平方向上伺服電機(jī)通過(guò)X、Y軸直線(xiàn)模組帶動(dòng)機(jī)械臂至指定抓苗、投苗位置。垂直方向上伺服電機(jī)通過(guò)Z軸直線(xiàn)模組帶動(dòng)抓苗機(jī)械手向下移動(dòng)夾取種植杯。

2.6 抓取裝置

抓取機(jī)構(gòu)考慮到成本和調(diào)試同步性問(wèn)題，采用模組機(jī)械雙臂。由于種植杯呈圓柱狀且上方開(kāi)口，不易吸附，故選用夾取式末端。根據(jù)種植盤(pán)孔數(shù)，每個(gè)機(jī)械臂配4個(gè)夾爪，夾爪夾取種植杯2/3處（直徑約26 mm），夾爪松開(kāi)時(shí)開(kāi)度為31 mm，夾取時(shí)開(kāi)度為25 mm。

抓手分配盤(pán)上4條滑軌對(duì)應(yīng)4個(gè)夾爪，滑軌上端間距同育苗盤(pán)穴孔中心距，下端間距同種植盤(pán)穴孔中心距。抓取育苗盤(pán)上種植杯后，夾爪氣缸伸長(zhǎng)，4個(gè)夾爪沿分配盤(pán)的滑軌向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高精度變距，從而與種植盤(pán)孔距相適應(yīng)。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件及方法

試驗(yàn)區(qū)為1座13連棟13間玻璃溫室，配備育苗工場(chǎng)、AGV小車(chē)等。測(cè)試環(huán)境溫度23.6～26.6℃，環(huán)境濕度44.2～49.4%RH。移栽植株為苗齡14天的生菜，單株平均重量4.8 g（含種植杯和基質(zhì)），尺寸37 mm×33 mm（高×寬）。利用秒表對(duì)移苗作業(yè)做連續(xù)觀(guān)測(cè)。抓手精準(zhǔn)夾取種植杯，并將其準(zhǔn)確投入種植盤(pán)穴孔內(nèi)視為移栽成功。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 正常生產(chǎn)速度移栽性能測(cè)試

測(cè)試移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度（48棵/min）下移栽效果。將種植盤(pán)庫(kù)全部擺滿(mǎn)種植盤(pán)，測(cè)試每層6個(gè)種植盤(pán)全部移滿(mǎn)種植杯需要時(shí)間（含種植盤(pán)運(yùn)輸時(shí)間、機(jī)械臂定位時(shí)間等所有準(zhǔn)備時(shí)間）。

由測(cè)試可知，移苗設(shè)備在正常生產(chǎn)速度下，6個(gè)種植盤(pán)全部擺滿(mǎn)需60 s左右，即6個(gè)種植盤(pán)（48個(gè)種植杯）全部完成移栽需60 s左右，即滿(mǎn)足48棵/min正常生產(chǎn)要求。移栽速度最大誤差為+2 s，在誤差允許范圍±3 s內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。設(shè)備整體運(yùn)行穩(wěn)定，育苗盤(pán)、種植盤(pán)定位準(zhǔn)確，抓手抓取精準(zhǔn)，種植杯能精準(zhǔn)投入種植盤(pán)孔穴內(nèi)，平均移栽成功率98.22%。

3.2.2 不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下的移栽性能測(cè)試

從機(jī)械臂完成定位開(kāi)始，至設(shè)備完成育苗盤(pán)中48個(gè)種植杯（1個(gè)機(jī)械臂完成24個(gè)）的抓取、移位、釋放動(dòng)作作為一個(gè)測(cè)試周期，測(cè)試不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下移栽速度，每種調(diào)速脈沖值下測(cè)試3次，取算術(shù)平均值。

由測(cè)試可知，隨著脈沖參數(shù)提升，移栽速度幾乎呈線(xiàn)性上升，調(diào)速脈沖值80 000時(shí)，移栽速度最快，平均可達(dá)90棵/min。所有調(diào)速脈沖值下平均移栽成功率為97.27%。移栽成功率與移栽速度之間沒(méi)有顯著相關(guān)性，在調(diào)速脈沖值60 000時(shí)，移栽成功率最高。移苗設(shè)備在不同調(diào)速脈沖值參數(shù)下，整體運(yùn)行速度穩(wěn)定，各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)身沒(méi)有異常振動(dòng)，移栽效果良好，沒(méi)有卡盤(pán)現(xiàn)象。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的96穴育苗盤(pán)移苗到8穴種植盤(pán)的自動(dòng)移苗設(shè)備主要由種植盤(pán)庫(kù)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)接臺(tái)、育苗盤(pán)輸送線(xiàn)、桁架直線(xiàn)模組和抓取裝置等部分組成，種植盤(pán)庫(kù)和轉(zhuǎn)接臺(tái)分別用于存放和輸送種植盤(pán)，種植盤(pán)輸送線(xiàn)運(yùn)行速度300 mm/s，單次輸送種植盤(pán)數(shù)量6個(gè)；育苗盤(pán)輸送線(xiàn)用于輸送育苗盤(pán)，運(yùn)行速度300 mm/s，單次輸送育苗盤(pán)數(shù)量為2個(gè)；桁架直線(xiàn)模組和抓取裝置用于準(zhǔn)確抓取育苗盤(pán)中的種植杯并移入種植盤(pán)內(nèi)。該模組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，定位精準(zhǔn)；2個(gè)機(jī)械臂，運(yùn)行速度為800 mm/s，最大拾取距離800 mm，重復(fù)定位精度0.05 mm；抓手采用分配盤(pán)結(jié)構(gòu)，多個(gè)抓手之間的相對(duì)距離能夠保持一致；抓手抓取種植杯，不直接抓取幼苗，不會(huì)對(duì)幼苗造成損傷。

對(duì)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，正常生產(chǎn)速度下（48棵/min），移栽速度的最大誤差為+2 s，在誤差允許范圍±3 s內(nèi)；不同調(diào)速脈沖參數(shù)值下，移栽速度隨脈沖參數(shù)的提升而上升，最高移栽平均速度可達(dá)90棵/min。移栽速度的上升并不會(huì)影響移栽的成功率，移栽平均成功率可達(dá)97%，試驗(yàn)證明設(shè)備整體精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)。