袁 挺 張 宇 尹金亮 汪 瀚 張志芹 譚豫之

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，辣椒等經(jīng)濟型作物占我國蔬菜的種植比重逐漸增加，成為農(nóng)民增收的重要途徑。蔬菜缽苗育苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但缽苗移栽仍以人工及半自動移栽為主，勞動強度高、作業(yè)效率低、機械化程度不高，不利于規(guī)范化管理，不能滿足現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求[1]。半自動移栽機缺少取投苗裝置，不能實現(xiàn)缽苗的全自動移栽作業(yè)，所以蔬菜缽苗全自動移栽機的研究關鍵在于取投苗裝置[2]。

發(fā)達國家研制的取投苗裝置較為成熟。歐美研制機型偏大型化及電氣液化，日韓研制機型偏小型化及純機械化[3-4]。意大利Ferrari公司設計了一種頂夾結合式取苗裝置，電氣液結合驅動，取苗效率高，傷苗率低，作業(yè)規(guī)模大，但引進國內(nèi)后出現(xiàn)堵苗現(xiàn)象，且只適用于硬質泡沫苗盤[5]。日本井關農(nóng)機株式會社研制了一種兩針機械手回轉取苗裝置，純機械結構，利用內(nèi)部行星齒輪運動及半齒輪的間歇停頓特性與外部軌槽滑道復合形成特定取苗軌跡，結構緊湊，性能穩(wěn)定，但機構復雜，軌槽滑道易磨損[6-7]。國內(nèi)對取投苗裝置的研究取得了長足的進展[8]，提出了頂出式、迎苗夾取(主莖或基質)式、頂出夾取式及氣力式[9]等取苗方式[10]。劉念聰?shù)萚11]提出了全自動單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)，該裝置機構緊湊，對苗適應性好，取苗成功率高。謝守勇等[12]提出了一種斜插夾缽式取苗裝置，該裝置結構簡單，動作連貫，但主動桿轉速不易過高。倪有亮等[13]設計了縱/橫向移盤機構、頂夾式取苗機構等，完成缽苗的隔穴頂出和夾取，但該機構取苗中使送盤裝置平移需要較大動力。王蒙蒙等[14]提出了一種曲柄搖桿式取苗機構，對苗盤的適應性強，傷苗率低，但需將苗頂出后再夾取。俞高紅團隊[15-17]提出一種回轉式蔬菜缽苗取苗機構，該機構復合了一個或兩個以上相同的取苗機構，利用不完全共軛變性橢圓齒輪，配合齒輪箱其他零件，可實現(xiàn)一種特殊的非勻速間歇運動，實現(xiàn)高速取苗，但部分零件結構復雜。現(xiàn)有取投苗裝置存在結構復雜、機構間協(xié)作性要求高等問題。

本文結合以上分析，提出一種結構簡單、取投苗動作連貫、動力要求小及取投苗軌跡簡單的全自動曲柄搖桿-導軌組合式取投苗裝置。以取投苗位置為參數(shù)要求，通過理論研究和仿真分析，進行取投苗裝置設計和參數(shù)優(yōu)化，結合樣機試驗和相關分析，以期獲得一種結構合理、取投苗性能優(yōu)穩(wěn)快、使用方便的全自動取投苗裝置，為蔬菜缽苗移栽機的全自動化提供技術支撐。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

曲柄搖桿-導軌組合式取投苗裝置安裝在自制的試驗平臺上，如圖1所示。試驗平臺主要由分苗裝置、導苗裝置、送盤裝置、取投苗裝置與機架等部分組成。穴苗盤傾斜放置到送盤裝置上，取投苗裝置與送盤裝置配合完成取苗作業(yè)，與導苗裝置及分苗裝置協(xié)調完成投苗作業(yè)。取投苗裝置主要由曲柄搖桿-導軌機構、取苗橫向移位機構及6個取苗爪等組成，具體結構如圖2所示。取苗爪結構如圖3所示。

圖1 試驗平臺結構圖Fig.1 Structure diagram of test platform1.分苗裝置 2.導苗裝置 3.苗盤 4.送盤裝置 5.取投苗裝置 6.機架

圖2 取投苗裝置結構簡圖Fig.2 Diagram of seedling taking and dropping device1.從動搖桿轉動軸 2.從動搖桿 3.機架 4.T型軸承座 5.T型軸 6.直線導軌滑塊 7.直線導軌軌道 8.導軌限位塊 9.上連接U型槽 10.橫移連接角鋁 11.橫移氣缸固定角鋁 12.橫移氣缸 13.橫移圓軌道 14.成排取苗機械爪 15.直線軸承 16.取苗機械爪橫向移位機構固定角鋁 17.直線導軌軌道內(nèi)鉸鏈 18.從動搖桿外鉸鏈 19.同步帶傳動 20.取苗步進電機 21.動力輸入軸 22.動力輸入軸軸承座 23.主動曲柄 24.連桿

圖3 取苗爪結構簡圖Fig.3 Diagram of mechanical claw for seedling collection1.取苗針 2.苗針架 3.氣缸 4.安裝U型槽 5.固定鉸鏈板 6.苗針固定塊 7.擋板

1.2 工作過程及工作原理

取投苗試驗平臺的作業(yè)流程如圖4所示。送盤裝置依次將每行穴盤苗送至取苗位。取苗爪在初始位置是張開狀態(tài)。取苗步進電機通過主動曲柄帶動從動搖桿連續(xù)前后往復擺動。取苗爪的軌跡是由直線導軌軌道在從動搖桿擺動拉動下的直線運動和直線導軌軌道隨導軌滑塊以T型軸軸心為圓心的圓周轉動復合而成，如圖5所示，曲柄搖桿-導軌機構即可同時帶動成排6個取苗爪完成運動至取苗點、插入基質、取出缽苗、運送缽苗及運動至投苗點等一系列連貫動作，不需添加輔助機構。取苗時，從動搖桿向后擺動，當取苗爪的末端與苗盤上表面即將接觸時，取苗氣缸回縮，取苗爪開始收緊逐漸抓入缽苗基質約30 mm深，完成整排缽苗的半排間隔抓苗[2,18]；在主動曲柄的連續(xù)帶動下，從動搖桿向前擺動至前極限位置，將缽苗拔出穴盤送至導苗裝置正上方，取苗氣缸伸出帶動苗針架推苗、完成投苗。隨后橫移氣缸回縮帶動取苗爪向右平移一個穴盤位完成整排取投苗。分苗裝置轉動，依次將缽苗落入栽植機構完成栽植。

圖4 取投苗試驗平臺作業(yè)流程圖Fig.4 Operation flow chart of test platform for seedling taking and feeding

圖5 取投苗工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of seedling taking and feeding

圖6 取苗機械爪取投苗工作過程示意圖Fig.6 Schematics of working process of seedling picking and dropping by claw of seedling picking machine

圖6所示為取苗爪取苗與投苗工作過程示意圖，圖中黑色實心箭頭表示取苗爪整體運動情況，黑色空心箭頭表示取苗氣缸的運動情況。

2 關鍵部件設計

2.1 送盤裝置傾斜角確定

圖7所示是用實驗法對穴盤苗的重心位置進行確定[19]。測出穴盤苗的重力P和距離L。 因為整盤穴盤苗的播種、生長環(huán)境和生長時間相同，且經(jīng)過挑苗，可以認為整盤穴盤苗均勻分布，則重心O在對稱軸線上，需要測定重心O距離地面的高度h。

圖7 重心確定受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram for center of gravity determination

設定穴苗盤右支撐點到電子秤水平面垂直距離H=50 mm。由于所使用穴盤為72穴標準穴盤，所以L與穴苗盤重心到右支撐點對齊距離s為定值。根據(jù)辣椒苗高度與試驗基質含水率的不同，可得出不同情況下的支撐力F與P值。因為此時穴苗盤是平衡的，使用結構靜力學理論，計算得出h取值范圍為30.15～69.25 mm。

在傾斜的送盤裝置上放置苗盤時，操作要求是將苗盤的最下面的穴盤格卡在仿形桿上，其受力分析如圖8所示，穴苗盤隨著送盤裝置傾斜角β增大只產(chǎn)生繞著支撐點A的轉動而不產(chǎn)生滑動。

圖8 苗盤放置示意圖Fig.8 Schematic of seedling tray placement

如圖8所示,h=lOQ，lTQ和lRT已知，lRT垂直lOQ于T，由三角形相關定理計算可得α=31.25°，若要保證苗盤不繞點R旋轉傾覆，則OR不能與水平面垂直，則β<58.75°。為防止缽苗脫落，需β<75.3°[1]。綜上，β取50°。

2.2 取投苗裝置結構設計

若僅采用曲柄搖桿機構進行取投苗時，則需要頂苗機構的輔助[14]。當取苗末端在取苗點垂直穴盤且近似直線運動夾取缽苗時具有較好的取苗效果；當缽苗處于豎直狀態(tài)時具有較好的投苗效果[20-21]。根據(jù)上述取苗軌跡的設計要求，提出曲柄搖桿-導軌組合式取投苗裝置，主要由搖桿-導軌部件及曲柄搖桿部件等組成。

2.2.1搖桿-導軌部件結構設計

如圖9所示，取投苗時，DE帶動FEG進行運動。取苗時，為了減小取苗末端對缽苗基質的損傷，此時點E的速度必須垂直于穴苗盤表面，且不能有其它方向的分量，故此時FE與DE垂直，即α2=90°。從缽苗的運動及分苗裝置的布置尺寸考慮，選取DE的擺角為90°，即φ=90°。

圖9 搖桿-導軌部件結構簡圖Fig.9 Structural diagram of rocker slide rail components

在直角梯形FE1DE2中有

(1)

式中e——上搖桿長度，mm

f1、f2——導軌有效作業(yè)長度，mm

α1——投苗位搖桿和滑軌夾角，(°)

α0——滑軌完成一次取投苗擺動角，(°)

基于送盤裝置的安裝位置及EG1的長度確定上搖桿的長度e，分析如下：取苗時，作取苗位置穴盤底部中心K到固定機架JL的垂線KL垂直于點L，作鉸鏈點E1到機架JL的垂線E1N垂直于點N。作NI垂直E1J于點I。如圖10所示。

圖10 取苗位置中上搖桿長度分析圖Fig.10 Length analysis diagram of middle and upper rocker at seedling taking position

運用數(shù)學三角函數(shù)理論對圖10進行分析得

(2)

式中i——取苗位上的穴盤缽穴底部中心到穴盤架頂點M的直線距離，mm

j——取苗位上的穴盤缽穴底部中心到機架的垂直距離，mm

k——E1J長度，mm

m——鉸鏈點E1到取苗位上的穴盤缽穴底部中心的距離，mm

計算可得195.2 mm≤e≤303.7 mm?？紤]到結構的緊湊性，選擇e=210 mm。將e代入式(1)中，即可求得導軌取苗有效作業(yè)長度f1=334 mm，導軌投苗有效作業(yè)長度f2=274 mm。此時確定了搖桿的固定點D和滑軌中滑塊的安裝位置F。

2.2.2曲柄搖桿部件結構設計

為了使上搖桿的搖動角達到90°，并且保證擺動的連續(xù)性及控制的簡便性，選擇曲柄搖桿機構作為動力機構(圖11)。

圖11 曲柄搖桿部件結構簡圖Fig.11 Structural diagram of crank rocker components

搖桿CD和上搖桿DE為剛性連接，則可以確定搖桿CD的擺角為ψ=90°；為了縮短末端夾苗距離，減少對基質的沖擊損傷，故采用無急回特性曲柄搖桿機構[22]，速度比系數(shù)K=1，最小傳動角為γmin=44°。

在無急回特性曲柄搖桿機構中[2]，極位夾角等于0°。有

(3)

最小傳動角為

(4)

式中a——主動曲柄AB長度，mm

b——連桿BC長度，mm

c——從動搖桿CD長度，mm

d——兩固定點A、D之間距離，mm

考慮到機器安裝的尺寸布局，設定c=165 mm，將γmin=44°、ψ=90°代入式(3)、(4)，得到a=116.7 mm，b=625.8 mm，d=636.5 mm。機架與地面平行。

2.3 取投苗裝置運動學分析

在取投苗的取苗行程時，為了保證抓取成功率與減少缽苗基質損傷，要求在取苗點的速度接近0；在接近投苗點時，為了保證缽苗投苗的穩(wěn)定性，水平加速度需接近0；在投苗位置，為了保證缽苗豎直落入分苗杯，水平速度和加速度均需接近0。對取投苗裝置進行運動分析，如圖12所示。

圖12 取投苗裝置運動分析Fig.12 Motion analysis of seedling taking and feeding device

由圖12可得曲柄搖桿機構矢量方程為

lDA+lAB=lDC+lCB

(5)

在x軸和y軸上的投影為

(6)

式中δ1——主動曲柄AB位置角，(°)

δ2——連桿BC位置角，(°)

δ3——從動搖桿CD位置角，(°)

由式(6)求出滑軌方位角δ3為

(7)

其中

(8)

式(6)對時間求導得

(9)

式中ω1——主動曲柄角速度，rad/s

ω2——連桿角速度，rad/s

ω3——從動搖桿角速度，rad/s

由式(9)求得搖桿角速度ω3和角加速度a3為

(10)

(11)

對于搖桿-導軌機構的矢量方程為

lDE+lEF=lDF

(12)

在x軸和y軸上的投影方程為

(13)

式中δ5——上搖桿DE位置角，(°)

δ6——導軌EF位置角，(°)

xF——旋轉點F橫坐標

yF——旋轉點F縱坐標

fi——導軌上點E、F之間距離

由式(13)求出導軌的位置角δ6及fi為

(14)

(15)

其中

δ5=π-δ3

(16)

式(14)對時間求導得導軌的角速度為

(17)

其中

ω5=ω3

(18)

式中ω5——上搖桿角速度，rad/s

ω6——導軌角速度，rad/s

式(17)對時間求導得導軌的角加速度為

(19)

由圖12得到取投苗末端點G的坐標為

(20)

式中g——鉸鏈點E到取投苗末端終點G的長度，mm

則取投苗末端終點G的速度和加速度為

(21)

(22)

其中

a5=a3

(23)

2.4 取投苗裝置運動學仿真分析

為了驗證取投苗裝置是否符合取投苗運動要求，將取投苗模型導入ADAMS中進行虛擬仿真，對模型各個部件進行質量賦予、重力設置及各個連接點約束設定，設置起始點為投苗位置，設置主動曲柄的轉速為15 r/min，即取苗末端4 s完成一次取投苗行程(在2 s處進行取苗)，此時整機取投苗速度為90株/min，得到圖13所示的取投苗末端速度、加速度曲線。

圖13 取投苗末端運動學仿真速度與加速度曲線Fig.13 Velocity and acceleration curves of kinematic simulation at end of seedling feeding

如圖13所示，取苗速度在取苗點為0，有利于取苗成功；在投苗位置附近，水平加速度較小，有利于增大缽苗運輸?shù)姆€(wěn)定性[23]；在投苗點處，末端水平速度較小且水平加速度較小，有利于缽苗豎直投苗精度，提高投苗成功率；在取苗處的切向加速度為0，但其他各個加速度較大，這是由曲柄搖桿機構本身的運動特性引起的[14]，會對基質產(chǎn)生一定的損傷，需要在試驗中對損傷程度進行探究。

3 取投苗軌跡驗證

在取投苗裝置的設計中，試驗取投苗軌跡是否跟仿真設計軌跡一致，影響到整個裝置的工作性能和作業(yè)質量[24]。將取投苗裝置三維模型導入ADAMS中虛擬仿真，選用末端取苗針尖點進行標記追蹤，設置整體取投苗速度為90株/min，得到圖14所示的取投苗末端運動軌跡。

圖14 取投苗仿真軌跡Fig.14 Simulation track of seedling taking and throwing

搭建取投苗裝置樣機，設定整體取投苗速度90株/min，驅動步進電機轉速15 r/min。使用Phantom v 9.1高速攝像機進行運動視頻錄制，設置采樣頻率為100 f/s，采用補光燈(JINBEI EF-200型)進行補光。在Phantom配套PCC 3.6軟件對圖像進行分析，獲得取投苗末端的實際運動軌跡如圖15所示，可以看出實際運動軌跡基本可以復現(xiàn)仿真軌跡，驗證了取投苗裝置設計的正確性和可行性。

圖15 取投苗高速攝像機拍攝軌跡Fig.15 Shooting track of seedling taking and throwing high-speed camera

4 取投苗試驗

4.1 試驗條件

為了進一步測試樣機平臺的實際取投苗性能，如圖16所示，于2021年9—12月在學院地下室進行實際作業(yè)試驗。試驗對象選用辣椒苗，壯苗(長勢良好、高度均勻且缽體充實完整的缽苗)率為100%，苗盤規(guī)格為6×12的72穴標準穴盤，基質為泥炭、珍珠巖、蛭石，體積比為3∶1∶1。

圖16 樣機及取投苗試驗Fig.16 Seedling taking and feeding test

4.2 試驗因素及指標

根據(jù)旱地栽植機械行業(yè)標準(JB/T 10291—2013)中相關技術要求進行試驗方案設計，自動移栽機的移栽效率大于等于90株/min，屬于高速移栽。根據(jù)機器實際情況，試驗中取投苗速度分別設置為90、120、150株/min，均為整機單行移栽頻率。在辣椒苗的取投苗過程中，如果苗齡過大、苗株過高、葉展過寬，會產(chǎn)生枝葉纏繞、掛苗等現(xiàn)象[25-26]，影響取投苗成功率；而植株較小又不符合實際栽植要求，經(jīng)過實地調查，110～160 mm辣椒苗適于實際種植，故試驗辣椒苗高分別設定為110、130、160 mm，對應的苗齡為33、40、48 d。缽苗含水率影響基質之間的粘結力、缽體的力學特性、缽體與苗盤之間的粘附力等[27]，經(jīng)過多次預試驗，發(fā)現(xiàn)若基質含水率過高(大于70%)，基質粘結力不足，取苗成功率過低；基質含水率過低(小于20%)，缽苗易發(fā)生脫水，種植存活率較低[27]，故試驗基質含水率分別設定為40%、50%、60%。

以取投苗速度、苗株高度和基質含水率為影響因素，以取苗成功率S1、傷苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4為考察指標，進行三因素三水平正交試驗。表1為因素水平表。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

取苗成功率S1為

(24)

傷苗率S2為

(25)

投苗成功率S3為

(26)

取栽成功率S4為

(27)

式中N1——缽苗完整的(定性認為取出后基質塊保持原有形狀且莖葉無可見損傷的缽苗為完整缽苗，根據(jù)觀察實時取苗現(xiàn)場及觀察取苗攝像得出)從穴盤中取出來的數(shù)量，株

N2——從分苗裝置落下的缽苗產(chǎn)生莖葉破損、折斷及基質散坨損失超20%的數(shù)量，株

N3——將缽苗完整投入分苗裝置的數(shù)量，株

N4——從分苗裝置落下的合格缽苗數(shù)量，株

N——試驗缽苗壯苗總數(shù)，株

4.3 試驗方法

正交試驗方案如表2所示。按照表中數(shù)據(jù)依次改變裝置的取投苗速度、苗株高度和基質含水率。每組試驗144株(2盤)，10組試驗，9組正交試驗，1組優(yōu)選驗證試驗。每組試驗均完成取苗、投苗等流程，每組試驗均進行攝像。每組試驗結束后根據(jù)攝像及現(xiàn)場試驗結果記錄統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)，并進行方

表2 取投苗正交試驗方案和結果Tab.2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking

差分析和極差分析，確定影響因素的主次順序，選出最佳因素參數(shù)組合，優(yōu)選后進行試驗驗證。

4.4 試驗結果與分析

由表2得知，3種取投苗速度平均取栽成功率分別為87.96%、82.18%、75.93%；3種苗株高度平均取栽成功率分別為86.81%、83.80%、75.46%；3種基質含水率平均取栽成功率分別為79.17%、83.10%、83.80%。對試驗結果用SPSS進行極差及方差分析，如表3、4所示。對于取苗成功率，取投苗速度影響最大，苗株高度次之，基質含水率最小且不顯著；對于傷苗率，三者影響均不顯著；對于投苗成功率，取投苗速度影響較顯著，苗株高度影響較顯著，基質含水率影響不顯著。綜上得到最佳因素參數(shù)組合為A1B1C2，即取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm、基質含水率50%。

表3 極差分析Tab.3 Range analysis

為驗證正交試驗結果的合理性，進行優(yōu)選驗證試驗。優(yōu)選驗證試驗結果顯示：取苗成功數(shù)為137株，傷苗數(shù)為2株，投苗成功數(shù)為134株，即：取苗成功率為95.14%，傷苗率為1.39%，投苗成功率為93.05%，取栽成功率為91.67%，優(yōu)選驗證試驗

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

的總體成功率高于正交試驗，試驗效果達到了預期。

取投苗速度是影響取投苗顯著的因素。觀察發(fā)現(xiàn)，取苗時，運動速度過快導致末端夾取缽苗時間過短夾緊程度不夠；投苗時，運動速度過快導致缽苗下落時苗葉卡在苗夾中帶偏的概率增大。苗株高度對取苗、投苗成功率的影響較顯著，原因在于苗株較大時葉展較大，產(chǎn)生了兩種掛苗現(xiàn)象：在取苗中，葉展較大缽苗莖葉之間產(chǎn)生纏繞，間隔取苗時將左右上下臨近穴孔的缽苗帶出。在投苗時莖葉卡到取苗末端縫隙里，無法投下，甚至影響下次取苗。試驗中的傷苗率均低于6%，說明取苗點產(chǎn)生的加速度不足以對基質產(chǎn)生較大損傷。

5 結論

(1)設計了一種全自動曲柄搖桿-導軌組合式蔬菜缽苗取投苗裝置，對取投苗過程進行了運動學理論分析和仿真分析，獲取了取投苗運動仿真曲線和試驗軌跡曲線，驗證了設計的可行性和科學性。

(2)以取投苗速度、苗株高度和基質含水率為影響因素，以取苗成功率S1、傷苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4為考察指標，進行了三因素三水平正交試驗。以最佳的參數(shù)組合：取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm和基質含水率50%進行了優(yōu)選參數(shù)驗證試驗，試驗結果為取苗成功率95.14%、傷苗率1.39%、投苗成功率93.05%、取栽成功率91.67%，試驗效果良好。