胡 飛 郭 棟 陳彩蓉 顏 華 尹文慶 於海明

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院， 南京 210031; 2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031；3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

膜上育苗移栽有早熟增產(chǎn)、增強光效、提高幼苗成活率、提升蔬菜品質(zhì)等多種優(yōu)點，研發(fā)蔬菜膜上移栽機具有重要意義[1]。栽植裝置作為移栽機的核心工作部件，其性能直接影響栽植質(zhì)量和頻率[2-3]。

膜上移栽機采用打穴投苗的作業(yè)方式以減小對地膜的破壞，但也極大地限制了栽植頻率。目前適用于膜上作業(yè)的主要有水輪式移栽機、吊杯式移栽機和行星輪式移栽機。美國Kennco公司水輪式膜上移栽機[4]可以完成單行或多行膜上栽植作業(yè)，但栽植頻率一般不超過20株/(min·行)，且容易出現(xiàn)撕膜問題；日本久保田公司全自動膜上移栽機，由吊杯完成破膜、成穴和栽植作業(yè)，栽植頻率可達到60株/(min·行)，但對育苗要求高；井關(guān)PVHR2型移栽機栽植頻率可達到60株/(min·行)，但小株距栽植時穴口株距占比過大，易撕裂地膜[5]。封俊等[6]對帶偏心機構(gòu)的吊杯式移栽機進行運動軌跡分析，栽植頻率一般不超過30株/(min·行)，且余擺線運動產(chǎn)生的穴口較大[7]，破膜嚴重；胡建平等[8]設(shè)計了行星輪栽植機構(gòu)并進行試驗研究，該機構(gòu)可以滿足多株距移栽要求，栽植頻率達60株/(min·行)，由于缽苗栽植過程中栽植軌跡環(huán)扣較大[9]，容易對地膜形成較大損傷。

針對蔬菜膜上移栽膜口大、栽植頻率低等問題，本文設(shè)計一種栽植頻率可達70株/(min·行)的復(fù)合曲柄搖桿式膜上雙行栽植裝置，并以其核心部件復(fù)合曲柄搖桿栽植機構(gòu)為研究對象，建立運動學(xué)模型，得出吊杯的位移方程和運動軌跡方程，分析各桿長度對運動特性的影響，采用逐次逼近的方法進行參數(shù)優(yōu)化；通過田間試驗驗證該裝置的作業(yè)性能，以期為蔬菜膜上高速自動移栽機的研制提供參考。

1 栽植裝置設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

栽植裝置的作用是將缽苗完好地移栽入土，因此所設(shè)計的栽植裝置要以某一特定的運動軌跡完成入土、打穴、栽植及出土等一系列復(fù)雜的周期性作業(yè)任務(wù)，具體設(shè)計要求如下：

(1) 栽植吊杯的軌跡要求

要保證缽苗栽植直立度、減少地膜破損，要求作業(yè)軌跡近似余擺線[10]，即實現(xiàn)零速投苗；接苗時，接苗點附近的軌跡要平緩，以方便接苗；吊杯入土?xí)r，其軌跡切線與栽植平面形成的角度應(yīng)盡量接近90°，保證良好的破土成穴效果及栽植直立度。

(2) 栽植吊杯的姿態(tài)要求

在完成栽植的過程中，吊杯的姿態(tài)要求始終處于豎直狀態(tài)，以確保缽苗隨著吊杯呈直立狀態(tài)被移栽入土，從而保證栽植直立度。

(3) 栽植吊杯的開合要求

栽植吊杯主要作用是完成接苗、運苗、打穴和栽植等作業(yè)任務(wù)。吊杯在運苗及打穴階段要處于閉合狀態(tài)，當(dāng)?shù)醣瓿纱蜓ㄇ姨幱谧畹忘c時，吊杯可立即打開投放缽苗，完成栽植，直至吊杯最低點高于缽苗適當(dāng)距離，在下次接苗前閉合，以免出現(xiàn)帶苗現(xiàn)象。

1.2 栽植裝置組成與工作原理

基于以上設(shè)計要求，以曲柄搖桿機構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合平行四邊形機構(gòu)，設(shè)計了一種蔬菜膜上雙行栽植裝置，如圖1所示，OA為曲柄，繞點O勻速轉(zhuǎn)動，CC′為機架，CB、C′B′為搖桿，BD、B′D′為連桿，BB′、DD′為連接桿，各桿件鉸接在一起，曲柄搖桿機構(gòu)實現(xiàn)吊杯的軌跡要求，桿件所構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)CC′B′B與BB′D′D實現(xiàn)吊杯的姿態(tài)要求。吊杯的開合通過凸輪擺桿機構(gòu)控制拉絲實現(xiàn)，當(dāng)?shù)醣畹忘cE運動到接苗點b完成接苗，缽苗與吊杯一起運動到栽植點a，此時，凸輪推動擺桿，擺桿拉動拉絲打開吊杯，投放缽苗，完成栽植，吊杯保持打開狀態(tài)到點c在彈簧作用下閉合。

復(fù)合曲柄搖桿機構(gòu)與栽植吊杯組成一個栽植單體。兩行栽植單體同軸驅(qū)動且曲柄相位差180°，分別安裝在機架兩側(cè)，隨著曲柄軸的轉(zhuǎn)動，兩側(cè)吊杯運動慣性力方向相反，互相抵消一部分[11]，有利于提高栽植裝置整體運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)周期性雙行栽植。

作業(yè)時，在拖拉機的牽引下，地輪通過鏈傳動將動力傳遞到曲柄軸，軸上的曲柄OA逆時針轉(zhuǎn)動，帶動曲柄搖桿運動，栽植頻率通過控制拖拉機的前進速度調(diào)節(jié)；株距通過改變鏈傳動的傳動比進行調(diào)節(jié)。

2 栽植機構(gòu)運動學(xué)模型

為了便于對栽植機構(gòu)進行分析，以曲柄旋轉(zhuǎn)中心O為原點建立坐標(biāo)系(如圖1所示)。設(shè)x軸沿水平方向且x軸正方向與機組前進方向相反，y軸沿豎直方向，逆時針轉(zhuǎn)動方向為正。在進行運動學(xué)分析時，以曲柄OA為原動件，所有連桿都視為剛性零件，不發(fā)生彈性變形，不存在轉(zhuǎn)動間隙[12]。在機構(gòu)OABC中，由矢量方程lOA+lAB=lOC+lCB得

(1)

(2)

式中xA——點A橫坐標(biāo)

yA——點A縱坐標(biāo)

xC——點C橫坐標(biāo)

yC——點C縱坐標(biāo)

lAB——連桿AB長度

lBC——搖桿BC長度

θ1——連桿AB角位移

θ2——搖桿BC角位移

φ——AC連線角位移

點E是吊杯栽植軌跡的發(fā)生點，其運動特性決定著栽植機構(gòu)的作業(yè)性能。栽植作業(yè)中機具以速度v前進，可得點E的位移方程為

(3)

式中l(wèi)OA——曲柄OA長度

lAD——桿件AD長度

lED——點D到點E的距離

t——曲柄轉(zhuǎn)動時間

ω——曲柄OA角速度

θ0——曲柄OA初始角度

點Ex方向與y方向速度為

(4)

點Ex方向與y方向加速度為

(5)

3 主要參數(shù)對栽植機構(gòu)運動特性影響分析與優(yōu)化設(shè)計

3.1 主要參數(shù)對栽植機構(gòu)運動特性的影響

吊杯的栽植軌跡及運動特性直接影響栽植機構(gòu)的栽植性能，基于上述運動學(xué)模型及推導(dǎo)方程，采用Matlab軟件，通過控制變量的方法，分析各設(shè)計參數(shù)對栽植軌跡與運動特性的影響，為下一步的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。以辣椒缽苗尺寸作為設(shè)計依據(jù)，根據(jù)軌跡要求及運動學(xué)仿真分析程序初步得到一組符合要求的桿長：lOA=50 mm、lAB=120 mm、lBC=170 mm、lAD=190 mm。設(shè)機組前進速度為0.27 m/s，栽植頻率為70株/(min·行)，分別改變各桿長度，栽植軌跡變化如圖2所示。

由圖2可以看出，隨著曲柄長度lOA的增加，吊杯的運動軌跡曲線高度由242 mm逐漸增加到261 mm，入土后軌跡環(huán)扣水平方向最大距離由19 mm逐漸增加到25 mm，入土深度(壟面到軌跡最低點的距離)由71 mm逐漸增加到80 mm，入土?xí)r的軌跡切線與壟面的夾角由86.2°逐漸增加到88.3°，所以曲柄長度lOA影響栽植深度、栽植直立度及破土成穴的效果，同時也與移栽后膜口尺寸(環(huán)扣越小尺寸越小)有關(guān)；隨著連桿長度lAB的增加，吊杯的運動軌跡曲線高度由242 mm逐漸減小到216 mm，入土后軌跡環(huán)扣水平方向最大距離由19 mm逐漸增加到25 mm，入土深度由71 mm逐漸減小到53 mm，入土?xí)r的軌跡切線與壟面的夾角變化不大，投苗點(上止點附近)軌跡趨向凸起，所以連桿長度lAB與投苗(軌跡平緩則有利于投苗)的要求及膜口尺寸有關(guān)；隨著搖桿長度lBC的增加，吊杯的運動軌跡曲線高度由242 mm逐漸減小到229 mm，入土后軌跡環(huán)扣水平方向最大距離由19 mm逐漸增加到26 mm，入土深度由71 mm逐漸減小到35 mm，入土?xí)r的軌跡切線與壟面的夾角由86.2°逐漸增加到102°，軌跡出現(xiàn)前傾現(xiàn)象，所以搖桿長度lBC不僅影響栽植深度，還對直立度、破土效果及膜口尺寸有一定的影響。隨著桿件長度lAD的增加，吊杯的運動軌跡曲線整體向后平移，桿件長度lAD對栽植軌跡影響較小。

吊杯y向速度、加速度變化曲線如圖3、4所示。

從圖3可以看出，吊杯y方向速度隨著曲柄長度lOA、桿件長度lAD的增加而變大；隨著連桿長度lAB、搖桿長度lBC的增加而減小，各桿長度變化對吊杯y方向速度影響并不顯著。

從圖4可以看出，吊杯在y方向加速度隨著曲柄長度lOA的增加有微小的增加，即曲柄長度lOA對加速度無顯著影響；吊杯在y方向加速度隨著連桿長度lAB、搖桿長度lBC的增加而減小，在峰值處變化顯著，此時是吊杯完成栽植的時刻，加速度越大，缽苗與吊杯脫離更迅速；桿件長度lAD對加速度無明顯影響。

吊杯x向速度、加速度變化曲線如圖5、6所示。

從圖5可以看出，吊杯在x方向速度隨著曲柄長度lOA、搖桿長度lBC的增加而變大；隨著連桿長度lAB的增加而減?。粭U件長度lAD的變化對吊杯在x方向速度影響不明顯。

從圖6可以看出，吊杯在x方向加速度隨著曲柄長度lOA、連桿長度lAB的增加而增大，在峰值處變化顯著，此時是吊杯完成接苗后運苗的時刻，加速度越大運苗效率越高；搖桿長度lBC、桿件長度lAD對吊杯在x方向加速度無明顯影響。

3.2 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

在明確各設(shè)計參數(shù)對栽植機構(gòu)栽植軌跡和運動特性的影響后，為進一步提高栽植機構(gòu)的作業(yè)性能，對機構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計[13-14]。

3.2.1優(yōu)化目標(biāo)分析

根據(jù)辣椒缽苗膜上移栽的農(nóng)藝要求，需要確定栽植機構(gòu)在栽植過程中所需滿足的目標(biāo)要求，具體目標(biāo)如下：

在滿足農(nóng)藝要求條件下，為提高栽植頻率，栽植軌跡在y方向的行程不可過大，故得目標(biāo)函數(shù)1為

f1=min(yEmax-yEmin)

(6)

由分析可知，lAB越小則投苗點處的軌跡越平緩，利于投苗，得目標(biāo)函數(shù)2為

f2=min(lAB)

(7)

為實現(xiàn)穩(wěn)定栽植，其最大慣性力應(yīng)盡可能的小，得目標(biāo)函數(shù)3為

(8)

f4=min(|xd-xe|)

(9)

為保證良好的破土效果，栽植軌跡入土處的切線與壟面的夾角β應(yīng)盡可能為90°，得目標(biāo)函數(shù)5為

f5=min(|90°-β|)

(10)

栽植機構(gòu)的優(yōu)化受到4個方面的約束：曲柄搖桿存在條件；機構(gòu)y方向行程大于等于230 mm以滿足栽植農(nóng)藝要求；軌跡環(huán)扣存在條件；搖桿B′C′在豎直方向的角度φ>0，保證桿件所構(gòu)成的平行四邊形機構(gòu)的穩(wěn)定性。根據(jù)以上約束得約束函數(shù)為

(11)

3.2.2栽植機構(gòu)仿真分析與優(yōu)化

復(fù)合曲柄搖桿栽植機構(gòu)的優(yōu)化屬于多目標(biāo)、多參數(shù)的復(fù)雜優(yōu)化問題?；诮⒌脑灾矙C構(gòu)數(shù)學(xué)模型及計算機圖形學(xué)有關(guān)方法[15-16]，采用Matlab軟件編寫了栽植機構(gòu)運動學(xué)仿真分析與優(yōu)化程序，人機交互界面如圖7所示，包括參數(shù)輸入?yún)^(qū)、程序控制區(qū)、優(yōu)化結(jié)果及圖像顯示區(qū)。該程序通過對栽植機構(gòu)的運動特性和運動狀態(tài)的模擬，通過參數(shù)的調(diào)節(jié)以達到所設(shè)定的目標(biāo)，實現(xiàn)對栽植機構(gòu)的優(yōu)化。

在綜合分析不同參數(shù)對目標(biāo)影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，借助人機交互界面，采用逐次逼近的方法獲得了一組滿足栽植目標(biāo)的較優(yōu)栽植機構(gòu)參數(shù)[17-18]：lOA=48 mm，lAB=125 mm，lBC=160 mm，lAD=200 mm。表1為優(yōu)化前后各優(yōu)化目標(biāo)及設(shè)計目標(biāo)參數(shù)對比。

經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，栽植軌跡如圖8a所示，在x方向的速度與加速度曲線如圖8b、8c所示。

從表1可以得出，優(yōu)化后f1比優(yōu)化前小，說明優(yōu)化后機構(gòu)的軌跡行程變短，利于高速栽植的實現(xiàn)；f3減小，說明優(yōu)化后機構(gòu)的慣性力減小，機具的振動減小，栽植更加穩(wěn)定；f4減小，說明優(yōu)化后機構(gòu)的栽植軌跡環(huán)扣更小，減小破膜程度；f5減小，說明優(yōu)化后機構(gòu)的栽植軌跡入土處切線與壟面的夾角更接近90°，利于破土。除f2稍有增加，各目標(biāo)函數(shù)值均小于優(yōu)化前，說明本次優(yōu)化可靠。圖8對應(yīng)標(biāo)出了栽植點a與接苗點b。由于栽植時缽苗相對于地面運動而接苗時缽苗相對于機具運動，所以分析栽植點a應(yīng)考慮動軌跡對應(yīng)的運動，接苗點b應(yīng)考慮靜軌跡對應(yīng)的運動。栽植點a位于環(huán)扣內(nèi)，由圖8b可知，此時水平方向速度接近于零，有利于實現(xiàn)零速栽植，保證缽苗栽植直立度，并且由圖8c可知，該點x方向加速度較小，利于穩(wěn)定栽植。接苗點b處軌跡平緩，吊杯水平方向速度較小，利于吊杯平穩(wěn)接苗，加速度較大，提高運苗效率。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對比Tab.1 Comparison of parameters before and after optimization

4 栽植裝置仿真與試驗

4.1 蔬菜膜上雙行栽植裝置運動仿真

根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)，綜合考慮結(jié)構(gòu)配置，利用Creo軟件建立蔬菜膜上雙行栽植裝置三維模型，如圖9所示。該裝置由機架、復(fù)合曲柄搖桿栽植機構(gòu)、吊杯和吊杯開合控制機構(gòu)等組成。整機左右對稱布置，復(fù)合曲柄搖桿機構(gòu)驅(qū)動吊杯往復(fù)運動完成接苗和栽植；吊杯作為末端執(zhí)行裝置，負責(zé)將缽苗植入土壤；吊杯開合控制機構(gòu)保證吊杯在規(guī)定位置及時、準(zhǔn)確的開合。為驗證設(shè)計的正確性，在Creo中進行運動學(xué)仿真分析，得到吊杯栽植軌跡、速度與加速度曲線分別如圖9、10所示。

圖9所示的栽植軌跡與圖8a軌跡基本一致，軌跡高度相差1.3%(仿真軌跡高度為243 mm，理論分析的軌跡高度為240 mm)。兩側(cè)的栽植軌跡相差半個周期，吊杯在接苗點處閉合，在到達栽植深度時打開，說明復(fù)合曲柄搖桿機構(gòu)和吊杯開合控制機構(gòu)設(shè)計合理。由圖10和圖8b、8c比較可知，仿真所得到的速度、加速度曲線與理論分析所得基本一致，在環(huán)扣內(nèi)存在零速栽植點，接苗點的速度與加速度值相差較小，分別為0.04 m/s和0.16 m/s2(仿真的速度與加速度分別0.36 m/s、4.31 m/s2，理論分析值為0.4 m/s、4.47 m/s2)，綜上可以驗證該裝置設(shè)計的合理性。

4.2 田間試驗

4.2.1試驗條件與方法

為驗證栽植裝置的作業(yè)性能，于2020年10月9日在江蘇省南京市江寧區(qū)谷里農(nóng)業(yè)科技園進行了田間試驗。試驗前對試驗田進行耕整，起壟覆膜。壟寬700 mm、壟高150 mm、壟面平整、含水率18.2%、土壤硬度1.08 kPa、無硬土塊。試驗采用苗期20 d，高約為15 cm的辣椒苗。檢測設(shè)備包括鋼卷尺(得力8203型)、數(shù)顯傾角儀(VICTOR5005型)、土壤硬度計(TYD-3型)、土壤水分儀(HT-41C型)、秒表等。試驗效果如圖11所示。

試驗時，以栽植頻率、栽植株距作為試驗因素，栽植頻率選取50株/(min·行)和70株/(min·行)兩個水平，栽植株距選取26 cm和30cm兩個水平。共進行4組試驗，每組栽植60株缽苗，栽植后，進行參數(shù)測量、數(shù)據(jù)記錄并按照試驗指標(biāo)統(tǒng)計分析。本次試驗以人工方式進行投苗，故不統(tǒng)計漏栽、重栽的情況。

4.2.2試驗結(jié)果與分析

根據(jù)機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10291—2013《旱地栽植機械》及農(nóng)藝要求，栽植性能指標(biāo)主要包括栽植質(zhì)量指標(biāo)和栽植精度指標(biāo)。栽植質(zhì)量指標(biāo)中要求：倒伏率小于等于7%、埋苗率小于等于5%、傷苗率小于等于5%、露苗率小于等于5%，栽植合格率大于等于90%。栽植精度指標(biāo)中要求：株距變異系數(shù)小于等于15%、栽植深度合格率大于等于75%。

破膜程度以缽苗栽植后所留膜口大小表征。為了更好發(fā)揮地膜早熟增產(chǎn)、增強光效的作用，移栽時吊杯對地膜的破壞越小越好。為了避免吊杯本身尺寸對破膜程度描述的影響，采用破膜程度評價方法[9]。圖12al為吊杯入土后最長舷線長度，h為入土深度；圖12b中s是栽植后所留膜口縱向最長距離。規(guī)定膜口縱向最長距離s和栽植器入土部分最長舷線長度l的長度差與最長舷線長度l的百分比作為地膜破損程度評價指標(biāo)，記為

(12)

p越接近于零，說明地膜破損程度越小，反之，地膜破損程度越大。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2、3所示。

表2 田間移栽試驗栽植質(zhì)量試驗結(jié)果Tab.2 Result of transplanting quality experiment

表3 田間移栽試驗栽植精度試驗結(jié)果Tab.3 Result of transplanting accuracy experiment

由表2可知，栽植頻率由50株/(min·行)增至70株/(min·行)，倒伏率隨之增加，這是由于栽植頻率高，缽苗入土?xí)r間短，壟面凹處無充足時間回足量的土導(dǎo)致，這要求移栽前要保證壟面平整。各組的試驗指標(biāo)均小于旱地栽植機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，說明蔬菜膜上雙行栽植裝置設(shè)計合理、性能穩(wěn)定。在試驗狀態(tài)下，栽植頻率達到70株/(min·行)，栽植頻率優(yōu)于國內(nèi)市場上其他種類的膜上栽植機構(gòu)，提高了作業(yè)效率。由表3可知，該裝置在不同的株距與栽植頻率組合下，平均株距與設(shè)計株距基本接近，株距變異系數(shù)最大為6.35%，遠小于旱地栽植機械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值(15%)；隨著栽植頻率由50株/(min·行)增至70株/(min·行)，導(dǎo)致株距變異系數(shù)與膜口縱向長度均有小幅度增加，這是由于隨栽植頻率的增加，地表不平導(dǎo)致的機具振動增大，吊杯振動也隨之加??；栽植深度合格率在94%以上，且各組變化不大，高于旱地栽植機械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)值(75%)，栽植合格率均在90 %以上。膜口長度平均值約為10.44 cm，破膜程度約為18%，考慮到栽植器入土部分最長舷線約為8.6 cm，膜口長度較小，尺寸穩(wěn)定，適合膜上高速栽植作業(yè)。

5 結(jié)論

(1)針對蔬菜膜上移栽膜口大、栽植頻率低等問題，設(shè)計了一種雙行栽植單體同軸驅(qū)動且曲柄相位差180°的復(fù)合曲柄搖桿式蔬菜膜上雙行栽植裝置，并對其結(jié)構(gòu)特點和工作原理進行了闡述。

(2)建立了栽植機構(gòu)的運動學(xué)模型，采用Matlab軟件編寫仿真分析與優(yōu)化程序，借助人機交互界面，采用逐次逼近的方法進行參數(shù)優(yōu)化，得到一組較優(yōu)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：lOA=48 mm，lAB=125 mm，lBC=160 mm，lAD=200 mm。

(3)以辣椒缽苗為對象進行田間試驗。該裝置在不同的栽植頻率與株距的組合下，栽植合格率均在90 %以上，栽植深度合格率在94%以上，株距變異系數(shù)最大為6.35%，膜口長度平均值約為10.44 cm，破膜程度約為18%，栽植頻率可達到70株/(min·行)。試驗結(jié)果表明：該栽植裝置栽植性能良好，能夠滿足蔬菜膜上栽植的要求。