陶玉龍，潘 婷，潘 昱，曹 昕，王兆坤

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225000）

0 引 言

作為機(jī)械化穴盤(pán)育苗技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，移栽具有非常顯著的特點(diǎn)，不僅對(duì)氣候具有補(bǔ)償作用，還能促進(jìn)作物提早生育，具有非常重要的綜合效益?？梢猿浞掷霉鉄豳Y源，能夠獲得很好經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也具有非?？陀^的社會(huì)效益。一直以來(lái)，作為勞動(dòng)密集型作業(yè)，蔬菜種植的成本中，勞動(dòng)力成本占據(jù)到一半以上[1-2]。超過(guò)六成的蔬菜品種，種植方式都是依賴于育苗移栽。秧苗手工栽植過(guò)程，需要反復(fù)的彎腰和肢體屈伸，勞動(dòng)強(qiáng)度非常高，僅次于收獲作業(yè)。因此，如果能夠利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)自動(dòng)化，就能為溫室栽培規(guī)模的擴(kuò)大，提供必要的基礎(chǔ)，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高。

我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀：穴盤(pán)苗移栽技術(shù)處于半自動(dòng)栽苗水平，研發(fā)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、功能精良，而實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗全自動(dòng)移裁的關(guān)鍵是適于當(dāng)?shù)赜缟a(chǎn)的取苗裝置的研發(fā)[3]。當(dāng)前，實(shí)際能投入到生產(chǎn)應(yīng)用的自動(dòng)移栽機(jī)相對(duì)較少，究其原因，主要是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中取苗爪與缽體作用規(guī)律不清，穴盤(pán)苗的生物力學(xué)特性數(shù)據(jù)匱乏，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與育苗工藝無(wú)法結(jié)合，這些都嚴(yán)重制約著自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展。

國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀：在溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)器人方面，國(guó)外主要研究了移栽機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)、末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)以及移栽機(jī)整體控制方式。

世界各國(guó)基本都沒(méi)有高效、高速移栽機(jī)器人，因此移栽機(jī)械化這塊領(lǐng)域，仍是未來(lái)農(nóng)機(jī)機(jī)械化和現(xiàn)代化的發(fā)展重點(diǎn)區(qū)域之一[4]。

1 主要研究?jī)?nèi)容

（1）研究目標(biāo)

利用現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用，大大改善勞動(dòng)作業(yè)條件。

（2）主要內(nèi)容

前期：①搜尋理論模型，并用SolidWorks 初步建模；②設(shè)計(jì)圖像收集系統(tǒng)，建立機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與CCD（電荷藕合器件圖像傳感器）攝像頭通信功能，捕獲穴盤(pán)圖像并實(shí)時(shí)記錄；③研究穴盤(pán)幼苗葉片特征參數(shù)檢測(cè)方法; ④研究適合移栽的穴盤(pán)幼苗的識(shí)別算法。

中期：⑤建立移栽系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與PLC（可編程邏輯控制器）相互的通信功能;⑥研究機(jī)械手移栽路徑規(guī)劃;⑦設(shè)計(jì)合理的末端執(zhí)行器。

后期：⑧開(kāi)發(fā)基于VC++的穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽軟件平臺(tái):靜態(tài)分析部分和動(dòng)態(tài)移栽部分；⑨實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)器人實(shí)時(shí)檢測(cè)自動(dòng)移栽功能。

最后，完成實(shí)踐測(cè)試以及相關(guān)論文的撰寫(xiě)。

（3）擬解決的問(wèn)題

移栽機(jī)器播種工作不穩(wěn)定，運(yùn)行軌跡與預(yù)期有偏差等。

2 創(chuàng)新特色

本項(xiàng)目提出智能、高速的移栽形式，設(shè)計(jì)了一種高速移栽的智能機(jī)器人，可完善傳統(tǒng)移栽技術(shù)有關(guān)方面的缺陷，提高移栽技術(shù)的效率，有利于推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的進(jìn)程。

3 主要研究方法

項(xiàng)目研究方法：采用理論到實(shí)踐的方法，先合作進(jìn)行產(chǎn)品的三維創(chuàng)作，再進(jìn)行理論分析。首先進(jìn)行圖像的獲取，再進(jìn)行圖像校正，包括穴盤(pán)檢測(cè)、傾斜校正、區(qū)域識(shí)別，然后進(jìn)行健康識(shí)別，選出健康的幼苗，最后進(jìn)行移栽優(yōu)化，識(shí)別出最優(yōu)化的路徑，達(dá)到高速的目標(biāo)。

4 移栽機(jī)器人研發(fā)

4.1 并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)

以40 日齡黃瓜穴盤(pán)苗為例，根據(jù)移栽對(duì)象，結(jié)合其移栽軌跡的需求，在高度方向移栽距離的設(shè)置上，要高于穴盤(pán)苗高度（1 200 mm），以實(shí)現(xiàn)安全取苗的目的[5]。從而，將移栽軌跡的高度設(shè)為1 300 mm。再結(jié)合穴盤(pán)的實(shí)際規(guī)格，將寬度跨度設(shè)置為4 800 mm，相應(yīng)的對(duì)角最大距離，設(shè)置為6 000 mm。此外，還考慮輸送裝置的間隔距離，并聯(lián)機(jī)器人的移栽工作空間設(shè)置為6 000 mm×4 800 mm×1 300 mm，由3條支鏈組進(jìn)行固定。

圖1 3 支鏈并聯(lián)機(jī)器人

4.2 輸送裝置設(shè)計(jì)

在本次移栽的過(guò)程中，要將苗從128 孔穴盤(pán)向72 孔穴盤(pán)進(jìn)行移栽。而自動(dòng)化作業(yè)的開(kāi)展，建立在配套輸送裝置完善的基礎(chǔ)上，需要配合并聯(lián)移栽機(jī)器人，開(kāi)展相應(yīng)的穴盤(pán)運(yùn)輸移動(dòng)[6]。為了實(shí)現(xiàn)上述作業(yè)，需要設(shè)計(jì)兩條輸送帶進(jìn)行配合:一條輸送帶，用來(lái)負(fù)責(zé)將黃瓜苗從128 孔穴盤(pán)，向并聯(lián)機(jī)器人的移栽區(qū)域進(jìn)行輸送。在移栽作業(yè)完成后，負(fù)責(zé)將空置的穴盤(pán)，向收集處進(jìn)行輸送。另外的一條輸送帶，負(fù)責(zé)將黃瓜苗從72 孔空穴盤(pán)向并聯(lián)機(jī)器人的移栽作業(yè)位置進(jìn)行輸送，作業(yè)任務(wù)完成之后，將移栽后剩下的穴盤(pán)，直接向下一步工序的位置進(jìn)行輸送。在這個(gè)過(guò)程中，還需要注意穴盤(pán)推桿的裝置，將其準(zhǔn)確地在鏈條上進(jìn)行定位安裝。如此，一旦電機(jī)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，安裝在鏈輪上的鏈條，也會(huì)隨之進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)穴盤(pán)到移栽作業(yè)位置。

圖2 苗盤(pán)輸送裝置

4.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室并聯(lián)移栽機(jī)器人由框架結(jié)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)器人及輸送裝置三大部件組成，如圖3 所示。其中的一條輸送裝置，在鏈傳動(dòng)的作用下，對(duì)培育好的128 孔穴盤(pán)苗進(jìn)行輸送，將其運(yùn)輸?shù)讲⒙?lián)移栽機(jī)器人的作業(yè)區(qū)域。并且，還要通過(guò)穴盤(pán)擋板（安裝在鏈條上）將每個(gè)穴盤(pán)間隔開(kāi)來(lái)。另一條輸送裝置，將72 孔空穴盤(pán)向并聯(lián)移栽機(jī)器被移栽的作業(yè)區(qū)域進(jìn)行移送。在這個(gè)位置，等待移栽作業(yè)。移栽機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)布置在靜平臺(tái)上，驅(qū)動(dòng)并聯(lián)移栽機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過(guò)PLC 控制末端取苗爪的移栽作業(yè)。

圖3 溫室并聯(lián)移載機(jī)機(jī)器人

5 結(jié) 語(yǔ)

機(jī)械化穴盤(pán)育苗技術(shù)，主要是利用穴盤(pán)作育苗容器，采用包括草灰、蛙石、珍珠巖等材料在內(nèi)的輕基質(zhì)材料作為育苗基質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上形成的一種一穴一粒、一次性成苗的現(xiàn)代化育苗方法，具有出苗率高，出苗整齊、出苗快、病蟲(chóng)害少、省工、省時(shí)等許多優(yōu)點(diǎn)。