李旭 俞高紅 趙雄 王磊

摘要： 目前國內(nèi)移栽機(jī)尚無成熟的適用于青菜等多行密植蔬菜移栽的植苗機(jī)構(gòu)；針對(duì)小株距小行距、高效率的密植移栽要求，設(shè)計(jì)了一種非圓齒輪行星輪系八行同步植苗機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和田間移栽試驗(yàn)。對(duì)非圓齒輪行星輪系進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析，開發(fā)了植苗機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件；分析了不同機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)植苗軌跡姿態(tài)的影響，并通過人機(jī)交互的方式得到一組滿足青菜小株距移栽要求的機(jī)構(gòu)參數(shù)；建立了八行同步植苗機(jī)構(gòu)的三維模型，利用虛擬樣機(jī)仿真技術(shù)繪制出仿真軌跡，并與理論軌跡進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證植苗機(jī)構(gòu)三維設(shè)計(jì)的正確性；開展了田間移栽試驗(yàn)，以驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)的可行性和實(shí)用性。試驗(yàn)結(jié)果表明：在作業(yè)轉(zhuǎn)速為15 r/min、前進(jìn)速度為55 mm/s的情況下，八行植苗機(jī)構(gòu)的作業(yè)株距和行距均為110 mm，平均植苗成功率為93.9%，移栽密度超過70株/m2，試驗(yàn)移栽效率為240株/min，表明該機(jī)構(gòu)在機(jī)械化密植移栽作業(yè)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。該研究為高密度移栽機(jī)植苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，促進(jìn)了密植型蔬菜缽苗機(jī)械化移栽的進(jìn)程，為密植移栽機(jī)的進(jìn)一步研究提供技術(shù)支持和參考。

關(guān)鍵詞： 密植；植苗機(jī)構(gòu)；行星輪系；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；移栽試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： S223.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1673-3851 （2024） 01-0100-12

引文格式：鮑李旭，俞高紅，趙雄，等. 青菜高密度移栽機(jī)植苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2024，51（1）：100-111.

Reference Format： BAO Lixu， YU Gaohong， ZHAO Xiong， et al. Design and experiment of a planting mechanism of high-density transplanters for brassica chinensis［J］. Journal of Zhejiang Sci-Tech University，2024，51（1）：100-111.

Design and experiment of a planting mechanism of high-density transplanters for brassica chinensis

BAO Lixua， YU Gaohonga，b， ZHAO Xionga，b， WANG Leia，b

（a.School of Mechanical Engineering; b.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Planting Equipment Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract： ?At present， there is no mature seedling transplanting mechanism suitable for transplanting multiple rows of closely planted vegetables such as brassica chinensis in China; according to the requirements of close planting and transplanting with small plant spacing， small row spacing and high efficiency， an eight-row synchronous seedling planting mechanism with non-circular gear planetary gear train was designed， and the kinematics simulation and field transplanting experiment were carried out. The kinematics modeling and analysis of non-circular gear planetary gear train were carried out， and the auxiliary analysis and optimization design software of the seedling planting mechanism was developed; the effects of different mechanism parameters on the trajectory of seedlings were analyzed， and a set of mechanism parameters meeting the requirements of small plant spacing transplanting of brassica chinensis were obtained through human-computer interaction; the three-dimensional model of the eight-row synchronous seedling planting mechanism was established， the simulation trajectory was drawn by virtual prototype simulation technology， and the correctness of the three-dimensional design of seedling planting mechanism was verified by comparing with the theoretical trajectory; field transplanting experiments were carried out to verify the feasibility and practicability of the mechanism. The results showed that when the operating speed was 15 r/min and the forward speed was 55 mm/s， the operating plant spacing and row spacing of the eight-row seedling planting mechanism were both 110 mm， the average success rate of seedling planting was 93.9%， the transplanting density was more than 70 plants/m2， and the experimental transplanting efficiency was 240 plants/min， indicating the mechanism′s high application value in mechanized close planting and transplanting operation. This study provides a theoretical and experimental basis for the research and development of high-density transplanter seedling planting mechanisms， promotes the ?mechanized transplanting process of closed planted vegetable pot seedlings， and provides technical support and reference for the further research of dense transplanters.

Key words： close planting; seedling planting mechanism; planetary gear train; kinematic analysis; transplanting experiment

0引言

目前，由于水土流失、荒漠化等原因，中國的可種植土地面積在不斷減少。為了提高土地利用率，大多數(shù)的綠色蔬菜采取高密度種植［1］，即行距和株距都小于150 mm，如青菜、雞毛菜等［2］。這種高密度蔬菜種植主要依靠人工進(jìn)行移栽［3］，生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，密植移栽機(jī)是提升高密度種植效率的有效手段，但相關(guān)研究較少。

國外密植移栽機(jī)的研究主要集中在日本和韓國。如日本洋馬公司的PF2R型兩行自走式蔬菜移栽機(jī)［4］，采用行星輪系-滑道式取苗機(jī)構(gòu)以及鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)，該機(jī)型栽植行距為450 mm左右，作業(yè)株距為260～800 mm，作業(yè)效率可達(dá)2500株/（行·h），但其作業(yè)參數(shù)不能滿足國內(nèi)青菜密植移栽的要求。日本久保田公司的KP-201CR半自動(dòng)兩行自走式蔬菜移栽機(jī)［5］，該機(jī)型的作業(yè)行距和株距范圍分別為280～550 mm和220～800 mm，工作效率達(dá)1500株/（行·h），但其需要人工將秧苗喂入栽植吊杯，工作量大、效率低［6］，同樣不能滿足國內(nèi)密植移栽的要求。韓國的A5-1200型半自動(dòng)密植移栽機(jī)［7］，可以進(jìn)行8行移栽作業(yè)，行距設(shè)定為150 mm，而株距可在100～500 mm范圍內(nèi)調(diào)整，然而其在作業(yè)時(shí)需要2名操作人員手動(dòng)進(jìn)行取苗和投苗，雖然在一定程度上減少了勞動(dòng)力，但并未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；此外，該機(jī)器采用間歇式的移栽方式，工作效率相對(duì)較低，僅有600 株/（行·h）。目前國內(nèi)蔬菜移栽機(jī)的植苗機(jī)構(gòu)作業(yè)株距和行距都比較大，一般在300～500 mm，無法滿足密植型蔬菜小株距小行距的栽植農(nóng)藝要求［8］。植苗機(jī)構(gòu)作為移栽機(jī)重要的工作部件［9］，對(duì)移栽機(jī)的栽植效率以及栽植后的秧苗質(zhì)量均有較大影響，因此為了滿足密植型蔬菜小株距小行距的特定種植需求，設(shè)計(jì)一種與之相適應(yīng)的多行同步植苗機(jī)構(gòu)尤為關(guān)鍵。

近年來，國內(nèi)針對(duì)植苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)工作也取得了一定的進(jìn)展。黃前澤［10］、徐樂輝［11］提出了一種旋轉(zhuǎn)式非圓齒輪行星輪系單行植苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)植苗效率最高可達(dá)100株/min，但其設(shè)計(jì)的非圓齒輪與栽植軌跡主要針對(duì)大株距的移栽場(chǎng)合。吳彥強(qiáng)等［12］針對(duì)山東地區(qū)辣椒密植需求，研制了自走式高密度辣椒移栽機(jī)，該機(jī)型可同時(shí)栽植6行缽苗，作業(yè)行距為300 mm，株距在160 mm左右，可滿足青菜密植的株距、行距要求。汪應(yīng)萍［13］針對(duì)青菜密植移栽的農(nóng)藝要求，提出了一種史蒂芬森型六桿八行植苗機(jī)構(gòu)，其理論移栽株距和行距都為110 mm，軌跡設(shè)計(jì)滿足小株距移栽的農(nóng)藝要求，但由于連桿機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)振動(dòng)較大，限制了該植苗機(jī)構(gòu)的工作效率。

密植型蔬菜的經(jīng)濟(jì)價(jià)值高、產(chǎn)量需求大，國外尚無密植型全自動(dòng)移栽機(jī)，已有的小型移栽機(jī)不適用于中國密植農(nóng)藝要求。因此本文針對(duì)高密度、高效率兩大設(shè)計(jì)要求，配合八行取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行青菜缽苗移栽作業(yè)，在非圓齒輪行星輪系八行取苗機(jī)構(gòu)［14］的基礎(chǔ)上提出了一種非圓齒輪行星輪系八行植苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)小株距與小行距多行移栽，以解決密植型蔬菜的機(jī)械化移栽的難題，促進(jìn)密植型蔬菜缽苗機(jī)械化移栽的進(jìn)程，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，為密植移栽機(jī)的進(jìn)一步研究提供技術(shù)支持和參考。

1八行植苗機(jī)構(gòu)的工作原理

針對(duì)密植型蔬菜小行距小株距、多行同步植苗的農(nóng)藝要求，本文提出了一種非圓齒輪行星輪系八行植苗機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。該機(jī)構(gòu)主要分為兩部分：傳動(dòng)部分和鴨嘴式栽植器部分。齒輪箱對(duì)稱布置在機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)，兩個(gè)齒輪箱之間等間距布置有16個(gè)栽植器（上下各8個(gè)），實(shí)現(xiàn)八行同步移栽。

該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)部分由7個(gè)非圓齒輪組成，中間輪8和8′、行星輪9分別是由中間輪2和2′、行星輪3繞太陽輪1嚙合旋轉(zhuǎn)180°得到。太陽輪1、中間齒輪2和2′、行星齒輪3和行星架5構(gòu)成齒輪系傳動(dòng)，作業(yè)時(shí)太陽輪固定不動(dòng)，行星架順時(shí)針勻速轉(zhuǎn)動(dòng)［15］，太陽輪1與中間輪2相互嚙合傳動(dòng)，中間輪2′與中間輪2固定在一起，而中間輪2′與行星輪3相互嚙合傳動(dòng)，使得行星輪作逆時(shí)針非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)［16］，栽植器通過行星輪軸4與行星輪3固連，通過兩級(jí)非圓齒輪傳動(dòng)形成了植苗軌跡。

由于該植苗機(jī)構(gòu)整體是左右對(duì)稱的，以最左側(cè)的齒輪箱和栽植器為例，對(duì)其余14個(gè)栽植器及另一側(cè)齒輪箱進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。在旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)箱體上下對(duì)稱布置2個(gè)栽植器［17］。由于上下兩個(gè)栽植器是相同的，因此本文以上栽植器為例對(duì)如何進(jìn)行栽植作業(yè)作具體說明。栽植器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。固定板與行星輪軸固定在一起，而行星輪軸與行星輪也固定在一起，故行星輪會(huì)帶動(dòng)固定板一起作非勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。左右擺動(dòng)臂分別通過鉸鏈與固定板連接，在固定板轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，左擺動(dòng)臂會(huì)與固連在行星架上的凸輪推程段發(fā)生碰撞，左擺動(dòng)臂相對(duì)于固定板順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)而帶動(dòng)右擺動(dòng)臂相對(duì)于固定板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度。由于左右栽植嘴分別與左右擺動(dòng)臂固定在一起，故左右栽植嘴也會(huì)隨著左右擺動(dòng)臂同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)形成了栽植器的張開狀態(tài)，左擺動(dòng)臂與凸輪的遠(yuǎn)休止段碰撞，使栽植器的張開狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間。固定板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，在拉簧的拉力作用下，左擺動(dòng)臂與凸輪的回程段碰撞，左右栽植嘴迅速閉合。如此，行星架的周期性旋轉(zhuǎn)使栽植器進(jìn)入周期性的張開和閉合狀態(tài)。

2植苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段，以在滿足運(yùn)動(dòng)要求的前提下優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性［18］。由于八行植苗機(jī)構(gòu)兩側(cè)完全對(duì)稱，且一行8個(gè)栽植器運(yùn)動(dòng)軌跡完全一樣，故在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模時(shí)可只取一側(cè)栽植器作分析。非圓齒輪可簡(jiǎn)化為節(jié)曲線的形式，非圓齒輪間的嚙合旋轉(zhuǎn)可簡(jiǎn)化為節(jié)曲線間的純滾動(dòng)，本文構(gòu)建的植苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖3所示。以太陽輪旋轉(zhuǎn)中心O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系［19］，對(duì)X軸下方的非圓齒輪及栽植器進(jìn)行計(jì)算和求解，而上方的非圓齒輪及栽植器由前者繞太陽輪嚙合旋轉(zhuǎn)180°得到。首先分析行星輪系中各非圓齒輪之間存在的轉(zhuǎn)角關(guān)系，并構(gòu)建傳動(dòng)比函數(shù)；然后在齒輪嚙合中心距給定的條件下計(jì)算出非圓齒輪的節(jié)曲線坐標(biāo)，并推導(dǎo)出植苗機(jī)構(gòu)栽植器尖點(diǎn)D的位移和速度方程；最后獲得由栽植器尖點(diǎn)D周期運(yùn)動(dòng)形成的植苗軌跡。

植苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中的參數(shù)及其說明見表1。由于中間輪2和2′固連，它們?cè)趩挝粫r(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的角位移相等，故在建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型時(shí)，為了簡(jiǎn)化建模過程，可以將中間輪2和2′先視作同一個(gè)非圓齒輪，在后續(xù)計(jì)算非圓齒輪節(jié)曲線坐標(biāo)時(shí)再分開計(jì)算。

已知非圓齒輪節(jié)曲線是封閉的，即轉(zhuǎn)角φ變化范圍為φ∈［0，2π］。由于行星輪和中間輪的轉(zhuǎn)角是在同一時(shí)間內(nèi)完成的［20］，即存在對(duì)應(yīng)關(guān)系：φ31=f（φ21），當(dāng)φ21=0時(shí)φ31=0，當(dāng)φ21=2π時(shí)φ31=2π。根據(jù)上述轉(zhuǎn)角關(guān)系，先設(shè)定行星輪與中間輪的轉(zhuǎn)角函數(shù)關(guān)系為：

φ31=φ21+∑3i=1kisin（iφ21）（1）

將φ21=0及φ21=2π分別代入式（1）中，驗(yàn)證其滿足上述設(shè)定的轉(zhuǎn)角約束條件。

由式（1）可求得中間輪與行星輪的傳動(dòng)比函數(shù)：

i23=r32r23=ω2ω3=dφ21/dtdφ31/dt=11+∑3i=1ikicos（iφ21）（2）

其中：ω2為中間輪的自轉(zhuǎn)角速度；ω3為行星輪的自轉(zhuǎn)角速度。

由于太陽輪與中間輪，中間輪與行星輪之間的中心距是相等的，因此得到：

r23（φ23）+r32（φ32）=a，

r12（φ1）+r21（φ21）=a（3）

其中：φ23為中間輪相對(duì)于行星架的角位移；φ32為行星輪相對(duì)于行星架的角位移。

將式（3）代入式（2）中，可以得到：

r23（φ21）=a1+∑3i=1ikicos（iφ21）2+∑3i=1ikicos（iφ21），

r32（φ31）=a-r23（φ21）（4）

由于太陽輪和行星輪對(duì)稱分布在中間輪兩側(cè)，易知：

r21（φ21）=r23（φ21+π）（5）

將式（4）代入式（5）中，可以得到：

r21（φ21）=a1+∑3i=1（-1）iikicos（iφ21）2+∑3i=1（-1）iikicos（iφ21）（6）

由于太陽輪與中間輪的節(jié)曲線周長相等，則有：

∫2π0r21（φ21）dφ21=∫2π0r12（φ1）dφ1（7）

當(dāng)行星架轉(zhuǎn)過dφ1時(shí)，中間輪轉(zhuǎn)過dφ21，即r21（φ21）dφ21=r12（φ1）dφ1，則有：

φ1=∫φ210r21（φ21）a-r21（φ21）dφ21（8）

將式（6）代入式（8），可以得到：

φ1=φ21+∑3i=1（-1）ikisin（i·φ21）（9）

式（9）可改寫為φ1=F（φ21），則：

φ21=F-1（φ1）（10）

將式（10）代入式（1）中，便得到了φ31與φ1的函數(shù)關(guān)系，由于自變量φ1是已知量，故中間輪的角位移φ21和行星輪的角位移φ31可以輕易求解。

在用數(shù)值法求解行星輪系總傳動(dòng)比時(shí)，可以將行星架旋轉(zhuǎn)一周的轉(zhuǎn)角單位化，取360等分，則有：

i31=ω3ω1=-φ·31φ·1=-φ·311=-φ·31（11）

其中：ω1為行星架角速度（勻速），負(fù)號(hào)代表行星輪與行星架旋轉(zhuǎn)方向相反。

為了便于求解各個(gè)非圓齒輪的節(jié)曲線，需要對(duì)中間輪2和中間輪2′分開求解。根據(jù)行星輪系轉(zhuǎn)化原理，給太陽輪加上一個(gè)假想旋轉(zhuǎn)，大小等于行星架轉(zhuǎn)速ω1，方向與ω1相反，則行星輪系轉(zhuǎn)化為定軸輪系［21］。在轉(zhuǎn)化輪系中，行星輪與太陽輪的傳動(dòng)比在數(shù)值上等于原行星輪系中行星輪與行星架的傳動(dòng)比i31，中間輪2與太陽輪的傳動(dòng)比在數(shù)值上也等于原行星輪系中中間輪2與行星架的傳動(dòng)比i21：

i21=ω2ω1=φ·21φ·1=φ·211=φ·21（12）

則太陽輪與中間輪2嚙合的向徑分別為：

r21=a1+i21，

r12=a-r21（13）

中間輪2′與行星輪的傳動(dòng)比：

i32=i31i21（14）

則中間輪2′與行星輪嚙合的向徑分別為：

r32=a1+i32，

r23=a-r32（15）

至此，已知非圓齒輪節(jié)曲線的向徑和對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角，便可在極坐標(biāo)系下繪出非圓齒輪的節(jié)曲線。

接下來建立栽植器尖點(diǎn)D的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，其中行星輪軸心的位移方程為：

xO3=2acos（φ0+φ1），

yO3=2asin（φ0+φ1）（16）

栽植器尖點(diǎn)D的位移方程：

xD=xO3+Scos（φ0+φ1-φ31-α0-π），

yD=yO3+Ssin（φ0+φ1-φ31-α0-π）（17）

將式（16）和式（17）分別對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，可以得到行星輪軸心和栽植器尖點(diǎn)D的速度方程：

x·O3=-2aφ·1sin（φ1+φ0），

y·O3=2aφ·1cos（φ1+φ0）（18）

x·D=x·O3-Sφ·1-φ·31·sin（φ0+φ1-φ31-α0-π），

y·D=y·O3+Sφ·1-φ·31·cos（φ0+φ1-φ31-α0-π）（19）

3參數(shù)分析與優(yōu)化

3.1機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化軟件

栽植器軌跡的形狀是影響植苗功能的主要因素［22］。根據(jù)上文建立的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可知，為獲取一條符合青菜小株距移栽農(nóng)藝要求的植苗軌跡及軌跡參數(shù)，需要對(duì)非圓齒輪行星輪系各機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。這是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)多變量?jī)?yōu)化問題，每調(diào)整一次參數(shù)，都需要重新計(jì)算相關(guān)的數(shù)據(jù)，計(jì)算量龐大，而人機(jī)交互優(yōu)化方式能較好解決該難題。本文基于Visual Basic 6.0編寫了計(jì)算非圓齒輪節(jié)曲線的輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，為了便于用戶和計(jì)算機(jī)之間的信息交互，搭建了如圖4所示的用戶界面（UI），UI可以為設(shè)計(jì)工作帶來簡(jiǎn)便性和直觀性。該軟件的主界面包括菜單欄（區(qū)域1）、工具欄（區(qū)域2）、參數(shù)輸入欄（區(qū)域3）、參數(shù)輸出窗口（區(qū)域4）和圖形顯示窗口（區(qū)域5）等5個(gè)主要區(qū)域。

在機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過程中，相關(guān)參數(shù)的調(diào)整在參數(shù)輸入欄中進(jìn)行，而一些重要參數(shù)值的輸出，包括栽植器出土角和入土角等，則顯示在輸出窗口中。區(qū)域5是軟件的主要顯示和人機(jī)交互區(qū)域，通過調(diào)整區(qū)域3中的參數(shù)可以實(shí)時(shí)地將植苗機(jī)構(gòu)的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示在區(qū)域5中，包括栽植器尖點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡（靜軌跡）、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌

3.3植苗機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化步驟與結(jié)果

為了得到符合前文提出的若干優(yōu)化目標(biāo)的植苗軌跡，參數(shù)優(yōu)化過程如下：

a）預(yù)先人為給定一組各參數(shù)初始值，同時(shí)也會(huì)獲得對(duì)應(yīng)的植苗軌跡和一組優(yōu)化目標(biāo)值。

b）通過上述分析明確了各參數(shù)變化對(duì)植苗軌跡的影響規(guī)律，通過人機(jī)交互的方式不斷針對(duì)性改變上述各參數(shù)值大小，直到植苗軌跡和其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化目標(biāo)值逐步符合要求。

依據(jù)上述步驟，最終得到一組較優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)：a=59 mm，k1=-0.12，k2=0.07，k3=0，φ0=-54°，α0=-164°，γ0=142°，S=185 mm。此時(shí)，栽植器插入壟面的深度為60 mm，對(duì)應(yīng)于前文優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化結(jié)果如表2所示，相關(guān)數(shù)據(jù)在軌跡中測(cè)量的位置如圖10所示。

4八行植苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

4.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

非圓齒輪行星輪系八行同步植苗機(jī)構(gòu)的三維模型如圖11所示，該機(jī)構(gòu)由兩套對(duì)稱布置的行星輪系齒輪箱和上下布置的16個(gè)栽植器部件組成。在植苗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中，由于16個(gè)栽植器通過L型橫桿固連，故植苗軌跡完全相同。該八行植苗機(jī)構(gòu)設(shè)定的理論株距為110 mm，橫向連續(xù)布置的8個(gè)栽植器的間距為110 mm，故理論行距也為110 mm。

4.2植苗機(jī)構(gòu)仿真分析

基于SolidWorks Motion模塊對(duì)建立好的植苗機(jī)構(gòu)（單邊）進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到栽植器尖點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果，如圖12（a）所示；并將其與輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件中的理論軌跡作對(duì)比［25］，如圖12（b）所示，仿真軌跡與理論軌跡基本重合，對(duì)比情況驗(yàn)證了三維模型設(shè)計(jì)的正確性。

除了將仿真軌跡的形狀與理論軌跡做對(duì)比外，還需要驗(yàn)證本文提出的若干優(yōu)化目標(biāo)值。優(yōu)化目標(biāo)值在仿真軌跡中的示意圖如圖13所示，齒輪箱以連桿形式表示，壟面設(shè)定在軌跡最底端上方60 mm處。仿真結(jié)果與理論優(yōu)化值對(duì)比情況如表3所示，可以看出，同一優(yōu)化指標(biāo)下的仿真值和理論值基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維設(shè)計(jì)的正確性。

利用SolidWorks Motion模塊的速度分析功能導(dǎo)出栽植器下端尖點(diǎn)D一個(gè)周期內(nèi)的水平和豎直方向的速度變化數(shù)據(jù)，并在Origin中繪制仿真速度曲線和理論速度曲線進(jìn)行對(duì)比如圖14所示。由于零件間存在碰撞，所以曲線存在鋸齒狀波動(dòng)，但不會(huì)影響整體變化趨勢(shì)，仿真速度曲線與理論速度曲線基本重合，進(jìn)一步驗(yàn)證了三維模型設(shè)計(jì)的正確性。仿真設(shè)定的機(jī)架轉(zhuǎn)速為20 r/min，水平方向速度曲線在0.3 s左右時(shí)存在速度接近0 mm/s的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)的豎直方向速度曲線在0.3 s左右時(shí)存在速度為0 mm/s的時(shí)刻，此時(shí)栽植器正在執(zhí)行植苗動(dòng)作，可以實(shí)現(xiàn)接近零速度植苗。

5八行植苗機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證八行植苗機(jī)構(gòu)理論計(jì)算模型的正確性以及運(yùn)用到實(shí)際工作的可靠性，將實(shí)物樣機(jī)裝配在自主設(shè)計(jì)的青菜高密度八行自動(dòng)移栽機(jī)上進(jìn)行田間試驗(yàn)，八行植苗機(jī)構(gòu)實(shí)物樣機(jī)如圖15中矩形框內(nèi)所示，青菜高密度自動(dòng)移栽機(jī)整體如圖16所示。

試驗(yàn)場(chǎng)地壟面寬110 cm，壟高15 cm；試驗(yàn)選用培育時(shí)間為30 d的青菜苗，苗株高8～15 cm，真葉數(shù)3～5片，散坨率小于5%（缽苗的盤根效果會(huì)直接影響取苗效果）。植苗機(jī)構(gòu)田間試驗(yàn)如圖17所示，株距測(cè)量結(jié)果如圖18所示，相鄰青菜苗的距離約為110 mm，與理論設(shè)計(jì)株距一致，驗(yàn)證了實(shí)物樣機(jī)搭建的正確性。

試驗(yàn)中取苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速設(shè)置為15 r/min，由于取苗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周可取苗16株，八行植苗機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一周可以栽植缽苗16株，故對(duì)應(yīng)的植苗機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速也設(shè)置為15 r/min，移栽機(jī)前進(jìn)速度為55 mm/s，移栽株距和行距均為110 mm，故移栽效率為240株/min。移栽過程中，出現(xiàn)漏栽、倒伏、埋苗［26］均記為移栽失敗。試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)記錄的缽苗總數(shù)以及移栽成功數(shù)，可以計(jì)算出移栽成功率。由于缽苗移栽需要經(jīng)過取苗、植苗兩個(gè)階段，故移栽成功率實(shí)際上與取苗成功率、植苗成功率存在一定關(guān)系，而本文主要研究對(duì)象為植苗機(jī)構(gòu)，故應(yīng)由植苗成功率而非移栽成功率來反映機(jī)構(gòu)的實(shí)用性，所以還需要記錄取苗成功率。為了忽略取苗失敗的影響，假設(shè)取苗成功率可以達(dá)到100%。本文植苗成功率由式（21）計(jì)算得出：

σz/%=σyσq×100（21）

其中：σz為植苗成功率；σy為移栽成功率；σq為取苗成功率。

移栽試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表4所示，經(jīng)過10次移栽試驗(yàn)，平均植苗成功率達(dá)到93.9%。在取苗成功率假設(shè)為100%的前提下，植苗成功率未達(dá)到100%的主要原因在于取苗成功之后還存在推苗過程。在該過程中，如果缽苗沒有以較好的姿態(tài)落入栽植嘴中，會(huì)直接影響植苗效果，導(dǎo)致移栽失敗。

綜上所述，移栽失敗的原因主要有：a）漏栽。取苗機(jī)構(gòu)在推苗階段未能成功將缽苗推入栽植器中，存在缽苗葉子掛在取苗機(jī)構(gòu)上的情況。b）倒伏。在取苗機(jī)構(gòu)推苗后，缽苗由于與導(dǎo)苗杯存在碰撞，影響了缽苗下落的姿態(tài)，使其落入栽植器時(shí)缽苗基質(zhì)不再朝下。c）埋苗。壟面高低不平，部分缽苗栽植過深時(shí)會(huì)被覆土機(jī)構(gòu)的覆土過程掩埋。

青菜密植移栽照片如圖19所示，移栽密度超過70株/m2，從圖中可以看出，除去個(gè)別漏栽、倒伏、埋苗的情況，整體效果滿足青菜移栽農(nóng)藝要求，表明該非圓齒輪行星輪系八行植苗機(jī)構(gòu)具備可行性及實(shí)用性。

6結(jié)論

本文為實(shí)現(xiàn)青菜缽苗的機(jī)械化高效移栽作業(yè)，基于青菜缽苗移栽的株距行距農(nóng)藝要求，提出了一種旋轉(zhuǎn)式非圓齒輪行星輪系八行植苗機(jī)構(gòu)。通過開展非圓齒輪行星輪系的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與分析、參數(shù)優(yōu)化、植苗機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)仿真和田間試驗(yàn)等研究工作，得到的主要結(jié)論如下：

a）借助編寫的植苗機(jī)構(gòu)輔助分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，通過人機(jī)交互的方式獲得了一組最優(yōu)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，此時(shí)設(shè)計(jì)株距為110 mm，滿足青菜移栽的小株距要求。通過橫向連續(xù)布置八個(gè)栽植器實(shí)現(xiàn)八行同步植苗，此時(shí)設(shè)計(jì)行距為110 mm，滿足青菜移栽的小行距要求。

b）開展了植苗機(jī)構(gòu)三維模型的虛擬樣機(jī)仿真，并將仿真軌跡和理論軌跡進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了植苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性。

c）進(jìn)行了實(shí)物樣機(jī)的田間移栽試驗(yàn)，在作業(yè)轉(zhuǎn)速為15 r/min、前進(jìn)速度為55 mm/s的情況下，平均植苗成功率達(dá)到了93.9%，移栽密度超過70株/m2，滿足青菜小株距小行距移栽的農(nóng)藝要求，驗(yàn)證了該植苗機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。

本文為蔬菜缽苗密植移栽機(jī)植苗機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供了理論和試驗(yàn)依據(jù)，從而推動(dòng)密植型蔬菜機(jī)械化移栽的進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

［1］郭雷，于建，李愛英.有機(jī)蔬菜種植技術(shù)要點(diǎn)及其發(fā)展對(duì)策［J］.種子科技，2022，40（19）：74-76.

［2］王琪琛，張寒波，齊褀，等.青菜中高密度機(jī)械化移栽技術(shù)試驗(yàn)初報(bào)［J］.農(nóng)業(yè)開發(fā)與裝備，2018（10）：155-156.

［3］周海麗，楊偉，俞高紅，等.蔬菜缽苗移栽機(jī)開溝式多桿植苗機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，54（3）：79-86.

［4］趙晉，黃赟，潘松，等.江西省蔬菜移栽機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展分析［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2020，41（10）：61-65.

［5］崔志超，管春松，楊雅婷，等.蔬菜機(jī)械化移栽技術(shù)與裝備研究現(xiàn)狀［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2020，41（3）：85-92.

［6］Liu J D， Cao W B， Tian D Y， et al. Kinematic analysis and experiment of planetary five-bar planting mechanism for zero-speed transplanting on mulch film［J］. International Journal of Agricultural and Biological Engineering，2016， 9（4）： 84-91.

［7］王琪琛，夏煥，夏海榮，等.青菜移栽機(jī)選型與試驗(yàn)分析［J］.長江蔬菜，2020（1）：11-13.

［8］俞高紅，王磊，孫良，等.大田機(jī)械化移栽技術(shù)與裝備研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（9）：1-20.

［9］李林林，鄧干然，林衛(wèi)國，等.作物移栽機(jī)械栽植機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2022，43（1）：2-7.

［10］黃前澤.缽苗移栽機(jī)行星輪系植苗機(jī)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究及試驗(yàn)［D］. 杭州：浙江理工大學(xué)，2013：59-60.

［11］徐樂輝.大株距旋轉(zhuǎn)式行星輪系蔬菜缽苗栽植機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［D］. 杭州：浙江理工大學(xué)，2015：12-14.

［12］吳彥強(qiáng)，侯加林，黃圣海，等.自走式高密度智能辣椒移栽機(jī)的研制［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（4）：72-76.

［13］汪應(yīng)萍.小株距高密度植苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［D］. 杭州：浙江理工大學(xué)，2022：15-16.

［14］俞高紅，王系林，劉建剛，等.蔬菜缽苗密植移栽機(jī)多行取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，54（1）：94-103.

［15］周海麗，劉建剛，俞高紅，等.蔬菜移栽機(jī)斜齒輪-非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，54（8）：77-86.

［16］王磊，孫良，徐亞丹，等.基于遺傳算法的三臂輪系式栽植機(jī)構(gòu)多位姿運(yùn)動(dòng)綜合［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（6）：70-77.

［17］俞高紅，廖振飄，徐樂輝，等.大株距行星輪系蔬菜缽苗栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46（7）：38-44.

［18］Reza M N， Islam M N， Chowdhury M， et al. Kinematic analysis of a gear-driven rotary planting mechanism for a six-row self-propelled onion transplanter［J］. Machines， 2021，9（9）：183.

［19］廖宜濤，張百祥，鄭娟，等.氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（11）：86-99.

［20］許春林，呂志軍，辛亮，等.全自動(dòng)草莓缽苗移栽機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（8）：97-106.

［21］周永清，賀亮，顧林.基于虛擬樣機(jī)的超級(jí)稻高速插秧機(jī)分插機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2019，35（6）：62-66.

［22］Liu F， Hu J P， Huang Y S， et al. Design and simulation analysis of Transplanters planting mechanism［C］∥Computer and Computing Technologies in Agriculture Ⅳ： 4th IFIP TC 12 Conference， CCTA 2010， Nanchang， China， October 22-25， 2010， Selected Papers， Part I 4. Springer Berlin Heidelberg， 2011： 456-463.

［23］吳國環(huán)，俞高紅，葉秉良，等.行星輪系水稻缽苗移栽機(jī)構(gòu)正反求設(shè)計(jì)方法研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51（2）：85-93.

［24］黃佳輝. 行星輪系植苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［D］. 杭州： 浙江理工大學(xué)，2020：21-22.

［25］俞高紅，李成虎，汪應(yīng)萍，等.小株距高密度蔬菜植苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2023，54（3）：96-105.

［26］顧小小，朱春燕，成松松.上海市綠葉菜移栽種植模式及移栽設(shè)備應(yīng)用情況探討［J］.農(nóng)業(yè)工程技術(shù)，2022，42（25）：39-43.

（責(zé)任編輯：康鋒）

收稿日期： 2023-09-21網(wǎng)絡(luò)出版日期：2023-12-12網(wǎng)絡(luò)出版日期

基金項(xiàng)目： 上海市科技興農(nóng)項(xiàng)目（滬農(nóng)科創(chuàng)字（2021）第4-1號(hào)）;國家“十四五”重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022YFD2001800）；浙江省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2022C02002）

作者簡(jiǎn)介： 鮑李旭（1999—），男，安徽巢湖人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面研究。

通信作者： 俞高紅，E-mail：yugh@zstu.edu.cn