陳玉華，張廣川

（1.江蘇電子信息職業(yè)學院 智能制造學院，江蘇 淮安 223003；2.江蘇電子信息職業(yè)學院黨政辦，江蘇 淮安 223003）

1 背景

水稻是世界上栽培面積和總產(chǎn)量僅次于小麥的重要作物，也是我國最重要的糧食作物，全國60%的人口以稻米為主食。隨著我國城市化發(fā)展，用作工業(yè)原料和飼料的專用稻產(chǎn)量也將逐步上升。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《“十四五”全國種植業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，2020年全國水稻播種面積3 006.67×104hm2、產(chǎn)量2 118.5×108kg?！笆奈濉逼陂g，我國將以農(nóng)機農(nóng)藝和信息化融合為重點，加大配套技術和使用高效農(nóng)機裝備研發(fā)和應用，推進各環(huán)節(jié)機具裝備的組裝協(xié)同，提升水稻機插等薄弱環(huán)節(jié)的機械化水平。

插秧機是將稻苗植入稻田中的一種農(nóng)業(yè)機械。進行種植時，首先以機械爪從苗床中取出數(shù)株稻苗植入田中的泥土，為了保持苗床與地面的角度為直角，機械爪的前端移動時必須采取橢圓形的動作曲線。動作是靠著旋轉式或變形齒輪的行星機構來完成，前進的引擎同時可以帶動這些動作機械。插秧機在泥土上行進必須有止滑的車輪及浮行設計。插苗若是成片，則是從特定的秧苗箱中取出稻苗，再以機械方式種植。即便擁有插秧機這種高效率的機械投入，依然會因多種因素的影響，導致秧苗傾斜。傾斜可使得作物的產(chǎn)量和質(zhì)量降低，增加收獲的難度，傾斜的秧苗在后期的成長中由于光照不充分，根系不牢固等，使得其感染其他病癥的概率將會大大提升。因此，設計一種能夠?qū)ρ砻缣飪?nèi)傾斜的秧苗進行及時扶正，助其正常生長的插秧用輔助裝置有著很重要的實際意義。

2 插秧用輔助裝置的設計機構及原理

針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種插秧用輔助裝置的技術方案，該設計能夠通過調(diào)節(jié)秧苗周圍土壤的疏密松緊程度來完成對秧苗根部附近土壤的擾動，從而在減少對秧苗根系的直接接觸和損傷的情況下自動扶正秧苗。其構成結構及具體實施原理如下。

2.1 插秧用輔助裝置主要構成結構

設計的插秧用輔助裝置包括平臺1，平臺1的遠地側上設有若干個卡鍵2，本裝置可通過卡鍵2將裝置固定在插秧機或者移動工具上。平臺1的近地側上沿平臺1長度方向依次設有檢測組3和撥正組4，見圖1。

圖1 主體結構示意圖（俯視）Fig.1 The schematic diagram of main structure(top view)

檢測組3設置了一個攝像裝置5（光傳感器），還在攝像裝置5的周向設置了四個蘸土桿6，每個蘸土桿6沿長度方向標有刻度，能夠限制住平臺1的大致高度。4個蘸土桿6各自的底部陷入的深度稍有不同，再通過攝像裝置5的拍攝，能夠較為精確的計算出當前檢測組3所檢測的區(qū)域的秧苗和土壤間的相對位置關系，得出較為精確的秧苗傾斜程度，見圖2。

圖2 主體結構示意圖（仰視）Fig.2 The schematic diagram of main structure(bottom view)

撥正組4包括一吊臂7，吊臂7本身不旋轉，吊臂7的底部套設一轉盤8，轉盤8上設置有若干個（該設計為3個）擾土器9，相鄰的兩個擾土器9在轉盤8表面上所形成的夾角為120°。

每個擾土器9包括兩種功能桿，分別為松土桿10和緊土桿11，功能桿為空心管，見圖3。松土桿10的空心管內(nèi)腔通過泵機12連通至第一倉室13（里面存放水），緊土桿11的空心管內(nèi)腔通過泵機12連通至第二倉室14（里面存放砂土），功能桿為伸縮結構，見圖4。各功能桿和吊臂7之間的摩擦忽略不計。圖1和圖2中的撥正組4的各功能桿均處于收縮狀態(tài)；圖3中與地面接觸的功能桿的底部已部分插入泥土中。

圖3 撥正工作示意圖Fig.3 The schematic diagram of straightening

圖4 使用流程Fig.4 The usage process

圖4 平臺內(nèi)部部分結構示意圖Fig.4 The structure diagram of internal part of platform

松土桿10和緊土桿11由于需要跟隨轉盤8的旋轉發(fā)生角度偏移，所以松土桿10和緊土桿11連接到泵機12的管路中增加了彈性伸縮軟管15。擾土器9每次工作完成后會回歸初始狀態(tài)下的位置，則可避免彈性伸縮軟管15的過分拉伸或者纏繞等。擾土器9的底部彎曲且指向軸心。每個功能桿的內(nèi)腔的口徑沿功能桿的出料方向逐漸擴大，在功能桿對秧苗根部區(qū)域輸出水或者其余物料時能夠減緩沖擊力。

2.2 插秧用輔助裝置實施過程

在檢測組3完成檢測后，對傾斜程度較為明顯的秧苗由撥正組4進行撥正。攝像裝置5經(jīng)過對該區(qū)域的圖像采集后，傳輸?shù)教幚砥?，計算出大致的撥正所需工作量，當平臺1繼續(xù)移動后，撥正組4將會位于原先檢測出的傾斜的秧苗上方。在不需要撥正秧苗時，擾土器9的6根功能桿均處于收縮狀態(tài)，即功能桿的底部不接觸水田，此時蓋板16需要封閉。當秧苗傾斜時，秧苗朝哪個方向傾斜，轉盤8在采集圖像后的處理器控制器控制下發(fā)生轉動，確保俯視情況下的秧苗所在直線與其中一個擾土器9所在直線重合，直線兩側的兩個擾土器9此時將收縮狀態(tài)的緊土功能桿下放，另一擾土器9將收縮狀態(tài)的松土功能桿下放，在下放的3個功能桿下放到泥土中，進入到秧苗根部區(qū)域時，蓋板16打開，功能桿能夠開始進行物料輸送，即緊土桿11向秧苗根部區(qū)域輸入砂土，松土桿10向秧苗根部區(qū)域輸入水，見圖5。輸送完成后，將蓋板16封閉，蓋板16在輸料的最終階段關閉，應盡早關閉，防止田里的泥土或水體封閉在功能桿內(nèi)，影響之后的田里作業(yè)。

圖5 蓋板示意圖Fig.5 The schematic diagram of cover plate

在秧苗根部的松緊情況發(fā)生變化的情況下，植物的傾斜角度會逐漸縮小，根據(jù)實際情況，每個擾土器9不一定均參與撥正，擾土器9的數(shù)量越多，角度的撥正雖然精度會提高，但是過多擾土器9對土壤造成的擾動，會造成秧苗根部區(qū)域的泥土過于松散，所以在諸多因素的考慮下，擾土器9的數(shù)量需要控制在3～6根即可。擾土器9設置是為了讓傾斜的秧苗能夠朝著相反區(qū)域進行移動，擾土器9的數(shù)量和排布，將會對相反區(qū)域的范圍進行限定，防止二次傾斜（即由原先的一側傾斜，經(jīng)過撥正，但各擾土器角度未控制好，致使秧苗僅改變了傾斜的方向）。當秧苗的傾斜程度過大時或者秧苗完全倒伏在泥土中時，撥正組4可選擇不下放功能桿，或者下放松土功能桿，將秧苗的根部區(qū)域徹底變松，平臺1上還可加設回收組（回收組應包括抓取裝置和回填裝置，該設計未體現(xiàn)），對該無法撥正的秧苗進行秧苗的回收和重填操作。

3 插秧用輔助裝置的特點

插秧用輔助裝置設計具有以下有益特點：①本設計通過擾土器上的兩種功能桿來調(diào)節(jié)秧苗周圍土壤的疏密松緊程度來完成對秧苗根部附近土壤的擾動，減少對秧苗根系的直接接觸和損傷，扶正秧苗，助其正常生長；②不同的泵機將第一倉室和第二倉室內(nèi)的物料傳輸?shù)焦δ軛U內(nèi)，除了對泥土的擾動外，還能用于清理功能桿上或功能桿內(nèi)的泥土；③擾土器的底部不論彎曲還是筆直，均是直接作用秧苗根系的附近區(qū)域，這種間接式的撥正，對相對脆弱的秧苗起到了保護作用；④功能桿的內(nèi)腔功能桿的出料方向逐漸擴大，功能桿輸送出的物料無論是用于松土還是用于緊土，輸送到秧苗根部區(qū)域的那股壓力都會相對緩和，減少了對秧苗根部的沖擊；⑤檢測組設有光傳感器和蘸土桿，能夠相對準確地計算出當前地面的坑洼程度和秧苗的傾斜角度，以及為撥正組中的吊臂需要下降的高度提供數(shù)據(jù)基礎。

本設計方案解決了機插秧苗傾斜造成的水稻質(zhì)量、產(chǎn)量方面潛在的危害，減小秧苗扶正的勞動量，有利于進一步提升水稻機插機械化水平。