摘要： 工廠化水培生菜立體錯(cuò)位栽培系統(tǒng)是在不影響生菜光照的基礎(chǔ)上，兼顧提高單位面積栽培株數(shù)而發(fā)展起來(lái)的一種生菜栽培方法.為提高該系統(tǒng)機(jī)械化率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，針對(duì)立體錯(cuò)位栽培架特點(diǎn)，提出了在定植盤(pán)推入前將定植杯抬起一定高度，使定植杯跨過(guò)栽培槽堵頭，再將定植盤(pán)推上栽培槽的方法，并開(kāi)發(fā)出一套定植盤(pán)搬運(yùn)裝置.以生菜定植盤(pán)為試驗(yàn)對(duì)象，采用 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探究影響搬運(yùn)裝置上盤(pán)成功率的因素，并尋求最優(yōu)參數(shù)組合，試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)栽培槽水平安裝誤差為0～5 mm、導(dǎo)向板角度為60°、推進(jìn)速度為0.22 m/s時(shí)，上盤(pán)成功率達(dá)到99.33%，滿(mǎn)足工廠化水培生菜立體錯(cuò)位生產(chǎn)需求.

關(guān)鍵詞：" 生菜； 立體錯(cuò)位栽培； 搬運(yùn)裝置； 響應(yīng)面分析； 參數(shù)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)： S238" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：" A" 文章編號(hào)："" 1671-7775（2024）05-0535-09

引文格式：" 龔康鑫，席志君，賈冬冬，等. 基于立體錯(cuò)位栽培架的工廠化水培生菜搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，45（5）：535-543.

收稿日期："" 2023-01-09

基金項(xiàng)目：" 寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2019BBF02010）

作者簡(jiǎn)介："" 龔康鑫（1998—），男，江蘇泰州人，碩士研究生（877835897@qq.com），主要從事農(nóng)業(yè)智能裝備的研究.

郭文忠（1970—），男，寧夏中衛(wèi)人，研究員，博士生導(dǎo)師（guowz@nercita.org.cn），主要從事設(shè)施蔬菜栽培與智能裝備研究.

Handling equipment design and test of factory hydroponic

lettuce based on three-dimensional dislocation cultivation

GONG Kangxin1，2， XI Zhijun1，2， JIA Dongdong2， ZHU Qingzhen1， GUO Wenzhong2

（1. School of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu 212013， China; 2. Intelligent Equipment Technology Research Center， Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Beijing 100097， China）

Abstract： The three-dimensional dislocation cultivation system of factory hydroponic lettuce can be developed on the basis of increasing the number of cultivated plants per unit area without affecting the light of lettuce.To improve the mechanization rate of the system and reduce labor intensity， according to the characteristics of the three-dimensional dislocation cultivation， the planting cup was proposed to raise to a certain height before pushing the planting tray， and the colonization cup could cross the cultivation trough plug. The colonization tray was pushed up the cultivation trough， and a set of planting tray handling equipment was developed." Taking the lettuce colonization tray as test object， the Box-Behnken experimental design method was used to explore the factors affecting the success rate of the handling equipment on the plate， and the optimal parameter combination was discussed. The test results show that when the horizontal installation error of the cultivation tank is 0-5 mm with the guide plate angle of 60° and the advancing speed of 0.22 m/s， the largest success rate of the upper plate of 99.33% can be achieved， which can meet the three-dimensional dislocation production requirements of factory hydroponic lettuce.

Key words：" lettuce; three-dimensional dislocation cultivation; handling equipment; response surface analysis; parameter optimization

設(shè)施水培蔬菜有環(huán)境可控性好、生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)勢(shì)，是蔬菜生產(chǎn)的重要組成部分［1-4］.生菜定植盤(pán)搬運(yùn)是水培生菜生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但該環(huán)節(jié)機(jī)械化程度較低，主要靠人工搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，對(duì)高層栽培架搬運(yùn)困難［5-6］.

近年來(lái)，對(duì)于水培生菜定植盤(pán)搬運(yùn)設(shè)備，國(guó)內(nèi)外均進(jìn)行了相關(guān)研究，針對(duì)不同的栽培模式，開(kāi)發(fā)出了不同的搬運(yùn)機(jī)構(gòu).針對(duì)平面單層栽培模式，荷蘭Visser公司的植物工廠采用大型天車(chē)從單層栽培槽上方抓取漂浮板的搬運(yùn)方式，搬運(yùn)效率高，但單層栽培槽空間利用率不高［7］.垂直多層栽培模式在生菜生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，每組栽培架由若干層栽培槽組成，空間利用率高，但對(duì)下層栽培槽需額外補(bǔ)光［8］.Urban Barns Farming公司在其多層栽培架的栽培槽上安裝鏈條，實(shí)現(xiàn)了定植盤(pán)在栽培槽上的運(yùn)動(dòng)，但栽培架運(yùn)動(dòng)零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)困難［9］.周亞波等［10］研發(fā)的植物工廠栽培板物流搬運(yùn)裝置利用屋頂動(dòng)靜軌與剪叉式升降機(jī)構(gòu)搬運(yùn)定植盤(pán)可對(duì)任意位置定植盤(pán)進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)，靈活性高，但剪叉式機(jī)構(gòu)在執(zhí)行高層定植盤(pán)搬運(yùn)任務(wù)時(shí)定位精度有待進(jìn)一步提高.辜松等［11-12］開(kāi)發(fā)的植物工廠立體栽培種植板立體輸送系統(tǒng)利用推盤(pán)小車(chē)配合輸入輸出升降機(jī)可實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直多層栽培架的自動(dòng)搬運(yùn)作業(yè).

目前針對(duì)單層平面栽培及垂直多層栽培模式，國(guó)內(nèi)外均開(kāi)發(fā)出一些生菜定植盤(pán)搬運(yùn)設(shè)備，但對(duì)于立體錯(cuò)位栽培系統(tǒng)尚缺少相關(guān)研究.立體錯(cuò)位栽培架從下至上每層栽培槽數(shù)量逐層減少，可使不同層生菜接受太陽(yáng)光照，無(wú)需如垂直立體栽培模式對(duì)下層生菜進(jìn)行額外補(bǔ)光［13］.但采用立體錯(cuò)位栽培模式的不同高度栽培槽的水平位置不同，針對(duì)垂直多層栽培開(kāi)發(fā)的搬運(yùn)裝置不一定適用于立體錯(cuò)位栽培.因此文中開(kāi)發(fā)出一款適用于立體錯(cuò)位栽培系統(tǒng)的生菜定植盤(pán)搬運(yùn)裝置，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升該系統(tǒng)生菜生產(chǎn)的自動(dòng)化水平.

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

立體錯(cuò)位栽培架從下至上每層栽培槽數(shù)目逐層減少，栽培架層數(shù)及排列方式可根據(jù)生產(chǎn)區(qū)光照環(huán)境分布和栽培株數(shù)進(jìn)行調(diào)整，結(jié)構(gòu)如圖1所示.立體錯(cuò)位栽培架為3層栽培架，寬度1 400 mm，高度1 600 mm，層間距500 mm，每組長(zhǎng)度20 m，是立體錯(cuò)位栽培的一種適宜規(guī)格［14］.

栽培槽和栽培板結(jié)構(gòu)如圖2所示，栽培槽橫截面為U型，寬度300 mm，深度50 mm，材質(zhì)為PVC.栽培板大小為530 mm×307 mm，材質(zhì)為ABS，栽培板兩端有把手，一次可種植6棵生菜幼苗.所用的定植杯直徑40 mm，高60 mm，材質(zhì)為PVC，定植杯四周帶孔，便于根系生長(zhǎng).栽培槽兩側(cè)面安裝有流利條，栽培板可以放在流利條上沿著栽培槽移動(dòng).

文中著重探討將定植盤(pán)搬運(yùn)上栽培架的上盤(pán)部分，作業(yè)對(duì)象為40 d生菜幼苗，搬運(yùn)裝置如圖3所示，主要分為水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、豎直提升機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)，考慮到栽培架高度及傳送帶寬度，搬運(yùn)裝置z向高2 000 mm，x向長(zhǎng)1 000 mm，y向?qū)?00 mm.

裝備執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，水平電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，搬運(yùn)裝置沿水平軌道從其一端（裝備初始位置）運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)組栽培架處.傳送帶將待上架定植盤(pán)輸送至夾持機(jī)構(gòu)正下方.豎直提升電動(dòng)機(jī)工作，夾持機(jī)構(gòu)下降，直至夾持抓手底面下降至定植杯底部下方5 mm處停止.夾持抓手收縮，提升電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，夾持機(jī)構(gòu)將定植盤(pán)提升到目標(biāo)層栽培槽高度.推進(jìn)機(jī)構(gòu)工作，將定植盤(pán)推上目標(biāo)栽培槽，完成一次搬運(yùn)操作.搬運(yùn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到下一栽培槽對(duì)應(yīng)的水平位置，重復(fù)搬運(yùn)操作直至完成一組栽培架上所有定植盤(pán)搬運(yùn)任務(wù)后繼續(xù)沿水平軌道前進(jìn)，進(jìn)行下一組栽培架的搬運(yùn)工作.

2 關(guān)鍵部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 上盤(pán)方案設(shè)計(jì)

水培生菜栽培槽內(nèi)營(yíng)養(yǎng)液深度為15～20 mm，栽培槽兩端安裝30 mm高栽培槽堵頭，若將定植盤(pán)直接從栽培槽一端推入會(huì)導(dǎo)致栽培槽堵頭與定植杯干涉.因此，文中提出了一種新的定植盤(pán)推入方法，具體操作如圖4所示，取盤(pán)前夾持裝置處于張開(kāi)狀態(tài)位于定植盤(pán)正上方（圖4a），取盤(pán)時(shí)夾持抓手先向下運(yùn)動(dòng)抓住定植盤(pán)，后向上運(yùn)動(dòng)將定植杯從栽培板中提起一定高度，使得定植杯底面高于栽培槽堵頭（圖4b），推盤(pán)時(shí)推進(jìn)板將定植盤(pán)推上目標(biāo)栽培槽（圖4c），完成搬運(yùn)動(dòng)作.此方案避免了定植盤(pán)與栽培槽堵頭干涉的問(wèn)題.

2.2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，分為滾珠絲杠模塊與夾持抓手兩部分，夾持抓手呈L型，由豎直板與底面托板組成，豎直板與滾珠絲桿模組連接，底面托板呈階梯狀，總寬100 mm，較高面寬30 mm，長(zhǎng)440 mm.抓取提升定植盤(pán)時(shí)，定植杯既不會(huì)從底面托板上脫落，又可以被頂起一定高度.由于定植盤(pán)寬度為307 mm，為保證后續(xù)推盤(pán)動(dòng)作能順利完成，設(shè)計(jì)夾持機(jī)構(gòu)處于夾緊狀態(tài)時(shí)，夾持抓手豎直板相距310 mm，張開(kāi)時(shí)相距650 mm，夾緊運(yùn)動(dòng)行程340 mm.

為將定植盤(pán)順利推入栽培架，需保證定植杯與栽培槽堵頭之間不會(huì)產(chǎn)生干涉，因此定植杯底部需高于栽培槽堵頭，即定植盤(pán)距夾持抓手底面距離H需小于18 mm，考慮栽培架安裝誤差，H取13 mm.夾緊抓手底面階梯高度差△h決定了夾持抓手底面距定植盤(pán)距離H，當(dāng)H取13 mm時(shí)階梯高度差△h=5 mm.

2.2.2 滾珠絲杠模組設(shè)計(jì)

定植盤(pán)夾持運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)，采用滾珠絲杠模組實(shí)現(xiàn).滾珠絲杠模組主要由絲杠電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、導(dǎo)向桿、雙向絲杠、絲杠螺母、滑臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)如圖6所示.夾持抓手安裝在滑臺(tái)上，絲杠電動(dòng)機(jī)連接雙向絲杠為夾持運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，導(dǎo)向桿在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中起導(dǎo)向與支撐作用.

滾珠絲杠導(dǎo)程決定了其運(yùn)動(dòng)速度與定位精度，導(dǎo)程L為

L≥60vmaxNmax，（1）

式中： Nmax為電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速，r/min；vmax為最快進(jìn)給速度，m/s.

由傳感器實(shí)際測(cè)試可知，當(dāng)速度大于0.40 m/s時(shí)，傳感器檢測(cè)能力較差，影響定位精度.因此滾珠絲杠最大進(jìn)給速度vmax=0.40 m/s，市面上常見(jiàn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速Nmax=3 000 r/min，將上述數(shù)據(jù)帶入式（1）可得滾珠絲杠導(dǎo)程Lmax≥9 mm，選取導(dǎo)程為10 mm的推進(jìn)滾珠絲杠.

進(jìn)行搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，由于夾持抓手和定植盤(pán)的重力載荷作用于夾持滾珠絲杠模組的導(dǎo)向桿上，會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向桿發(fā)生徑向變形，如果徑向變形量過(guò)大，會(huì)對(duì)夾持動(dòng)作的精度產(chǎn)生負(fù)面影響.因此，需對(duì)導(dǎo)向桿的徑向變形進(jìn)行校核，以確保其穩(wěn)定性和承載能力符合要求.預(yù)選取導(dǎo)向桿直徑為12 mm，將夾持機(jī)構(gòu)三維模型導(dǎo)入ANSYS靜力學(xué)分析軟件中，導(dǎo)向桿與滾珠絲杠材料為鋼，其余零部件為鋁合金，在左右兩夾持抓手處各施加10 N拉力作為夾持抓手與定植盤(pán)自身重力；機(jī)構(gòu)處于夾緊狀態(tài)時(shí)左右兩抓手相距310 mm.導(dǎo)向桿網(wǎng)格單元尺寸為2 mm，生成共計(jì)316 817個(gè)節(jié)點(diǎn)、144 864個(gè)網(wǎng)格的有限元模型.此模型在z軸方向上的變形如圖7所示.

由仿真結(jié)果可知導(dǎo)向桿在定植盤(pán)及夾緊抓手重力作用下發(fā)生變形，最大變形處位于導(dǎo)向桿中間，最大變形量為0.107 mm.因此導(dǎo)向桿直徑選取12 mm，不會(huì)影響夾緊動(dòng)作精度，滿(mǎn)足作業(yè)需求.

2.3 推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上盤(pán)方案特點(diǎn)將推進(jìn)運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段.第1次推進(jìn)運(yùn)動(dòng)將夾持抓手與定植盤(pán)一起推到栽培架一端；第2次推進(jìn)運(yùn)動(dòng)將定植盤(pán)從夾持抓手推上栽培架，推進(jìn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖8所示.

第1次推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要由滑軌滑塊與推進(jìn)絲杠組成，滑軌滑塊承受夾持機(jī)構(gòu)及第2次推進(jìn)機(jī)構(gòu)重力，并為第1次推進(jìn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接滾珠絲杠為第1次推進(jìn)運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力.第1次推進(jìn)運(yùn)動(dòng)行程為260 mm，滑軌長(zhǎng)650 mm，推進(jìn)絲杠長(zhǎng)670 mm，導(dǎo)程10 mm.第2次推進(jìn)滾珠絲杠模組與夾持絲杠模組結(jié)構(gòu)相同，不再贅述.第2次推進(jìn)板安裝在絲杠滑臺(tái)上，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推進(jìn)板將定植盤(pán)沿推進(jìn)方向推上目標(biāo)栽培槽.定植盤(pán)長(zhǎng)530 mm，考慮栽培架安裝誤差，第2次推進(jìn)行程為550 mm，推進(jìn)絲杠長(zhǎng)度均為680 mm，導(dǎo)程10 mm.為便于安裝，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)與夾持電機(jī)型號(hào)相同，最大轉(zhuǎn)速均為3 000 r/min，由式（1）可得最大推進(jìn)速度為0.5 m/s.

2.3.2 推進(jìn)運(yùn)動(dòng)理論分析

由于在取盤(pán)時(shí)定植杯被抬起一定高度，栽培板對(duì)定植杯的約束作用減弱，推進(jìn)過(guò)程中定植杯會(huì)在慣性作用下翻轉(zhuǎn)甚至翻倒導(dǎo)致上盤(pán)失敗.因此需要研究定植杯在推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不發(fā)生翻倒的極限幾何條件，定植杯翻倒幾何條件分析如圖9所示.

由圖9可知，定植杯不發(fā)生翻倒需要滿(mǎn)足以下條件：以定植杯底部O為旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)，最遠(yuǎn)端P點(diǎn)與定植盤(pán)開(kāi)孔處剛好重合.

幾何極限翻倒條件為

dsin ζ=H，

Htan ζ+dcos ζ≤D，（2）

式中： H為定植盤(pán)距夾緊抓手底面距離；d為定植杯底面直徑；D為栽培板孔徑；ζ為定植杯底面與夾持抓手底面夾角.經(jīng)實(shí)際測(cè)量D=50 mm、d=40 mm，可得cos ζ=0.8、H≤24 mm.即定植盤(pán)距夾持抓手底面距離H小于24 mm時(shí)，定植杯在幾何條件下存在翻倒可能.

定植杯受慣性翻轉(zhuǎn)原理如下：在推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，定植杯因慣性與栽培板上定植杯孔壁碰撞，并繞支撐點(diǎn)O旋轉(zhuǎn)一定角度，若旋轉(zhuǎn)角度過(guò)大，定植杯便會(huì)翻倒.以定植杯為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，當(dāng)其重心作用線過(guò)定植杯支撐點(diǎn)O后，定植杯會(huì)翻倒.定植杯翻轉(zhuǎn)極限狀態(tài)時(shí)受力分析如圖10所示，此時(shí)O點(diǎn)位于重力作用線上.

由達(dá)朗貝爾原理［14］可得

ΣFx=0，

ΣFy=0，

ΣM=0，（3）

即

F1=FN2cos α-f2sin α-f1，

G=f2cos α+FN2sin α+FN1，

F1（L-H）=（G-FN1）Htan α+f1H，（4）

式中： F1為定植杯與基質(zhì)所受慣性力；FN1為夾緊抓手底面對(duì)定植杯底面支撐力；FN2為栽培板定植杯孔孔壁對(duì)定植杯側(cè)壁支撐力；G為帶幼苗定植杯重力； f1為定植杯底面與推進(jìn)面摩擦力； f2為定植杯與栽培板孔之間摩擦力；α為定植杯翻轉(zhuǎn)角；ε為重心翻轉(zhuǎn)點(diǎn)連線與杯底夾角； L為定植杯重心距夾緊抓手底面距離.

整理式（4）可得

α=arctanμ2L+L-HH-μ2GL（1+μ2）H（F1+μG）.（5）

由式（5）可知定植杯翻轉(zhuǎn)角α與F1、μ、G、L、H有關(guān).對(duì)同一批生菜幼苗可通過(guò)多次測(cè)量取均值的方式確定其重心位置、重力大?。℅=1.26 N）及定植杯與夾持抓手底面摩擦系數(shù)（μ=0.278），定植杯重心距夾緊抓手底面距離L隨翻轉(zhuǎn)角α變化而變化（L=sin α）. 因此影響翻轉(zhuǎn)角度的主要因素為H和F1. H與夾緊抓手底面階梯高度差△h有關(guān)，在2.2節(jié)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)定H=13 mm.慣性力F1與推進(jìn)速度有關(guān)，在推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中初步選定電動(dòng)機(jī)推進(jìn)最大速度為0.5 m/s.

2.3.3 定植杯推進(jìn)過(guò)程動(dòng)力學(xué)分析

在完成夾持及推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)后，需利用Adams對(duì)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證當(dāng)定植盤(pán)距夾持抓手底面距離H=13 mm、推進(jìn)速度為0.5 m/s時(shí)，定植杯不會(huì)在慣性作用下翻倒.

1） 模型導(dǎo)入及參數(shù)設(shè)置.在Solidworks完成對(duì)夾持機(jī)構(gòu)三維模型和相關(guān)零件材料屬性設(shè)定并做簡(jiǎn)化處理后導(dǎo)入Adams.對(duì)各運(yùn)動(dòng)部件添加約束.預(yù)選取直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)57BL77S10-230TF9、響應(yīng)時(shí)間為0.3 s、最大轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、最大推進(jìn)速度v1=0.5 m/s.根據(jù)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)在Adams內(nèi)編寫(xiě)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)STEP函數(shù)：

STEP（time，0，0，0.3，0.5）+STEP（time，0.3，0，1， 0）.

此函數(shù)模擬直流電動(dòng)機(jī)在0.3 s響應(yīng)時(shí)間后達(dá)到工作速度.為保證精度，設(shè)置仿真步數(shù)為100，仿真時(shí)間為1 s.

2） 仿真結(jié)果分析.當(dāng)推進(jìn)速度為0.5 m/s、H=13 mm時(shí)，定植杯及栽培板在推進(jìn)方向速度如圖11所示，定植杯質(zhì)心在高度方向位移如圖12所示.

由圖11可知，定植杯速度曲線（虛線）與栽培板速度曲線（實(shí)線）在B1點(diǎn)后重合度較高，表明在B1點(diǎn)后定植杯跟隨定植盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)，定植杯沒(méi)有翻倒.由于定植杯直徑（40 mm）略小于栽培板孔徑（50 mm），推進(jìn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行到A1點(diǎn)時(shí)定植杯與栽培板發(fā)生碰撞，定植杯隨栽培板開(kāi)始向前運(yùn)動(dòng).

由圖12可知，定植杯質(zhì)心起始與終止高度相同，表明定植杯在翻轉(zhuǎn)一定角度后重新回到原始高度，沒(méi)有因慣性而翻倒.B2點(diǎn)縱坐標(biāo)最高，表明B2點(diǎn)時(shí)定植杯因慣性翻轉(zhuǎn)到最高位置，此時(shí)定植杯翻轉(zhuǎn)角α最大.B2C2段存在多處波動(dòng)且波峰高度隨時(shí)間逐漸下降，表明定植杯在推進(jìn)過(guò)程中存在多次翻轉(zhuǎn)，但翻轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間逐漸減小，定植杯趨于穩(wěn)定.

綜合圖11、12動(dòng)力學(xué)分析可知，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)（轉(zhuǎn)速3 000 r/min）選型合適，夾持抓手結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)合理（定植盤(pán)距夾持抓手底面距離H=13 mm），推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定植杯不會(huì)在慣性作用下翻倒.

3 上盤(pán)性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)與對(duì)象

3.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

為測(cè)試生菜搬運(yùn)裝置的性能，搭建了生菜搬運(yùn)裝置的試驗(yàn)臺(tái)，以上盤(pán)成功率為試驗(yàn)指標(biāo)，以栽培架水平安裝誤差、栽培槽導(dǎo)向板角度、推進(jìn)速度為影響因素進(jìn)行三因素三水平試驗(yàn).試驗(yàn)地點(diǎn)為北京市農(nóng)科大廈B座7樓設(shè)施農(nóng)業(yè)智能裝備實(shí)驗(yàn)室.試驗(yàn)對(duì)象為帶幼苗定植盤(pán)（圖13），苗齡40 d，單株苗質(zhì)量0.126 kg（含基質(zhì)），栽培板質(zhì)量為0.684 kg，定植盤(pán)總質(zhì)量1.44 kg.

3.1.2 試驗(yàn)指標(biāo)

上盤(pán)成功率是評(píng)價(jià)搬運(yùn)裝置性能核心因素.若定植盤(pán)被順利推上栽培槽，且定植盤(pán)內(nèi)定植杯不發(fā)生翻倒便可認(rèn)為上盤(pán)作業(yè)成功.由2.3節(jié)對(duì)定植杯的受力分析及仿真可知，在推進(jìn)電動(dòng)機(jī)達(dá)到所能允許的最大推進(jìn)速度（0.5 m/s）時(shí)，定植杯不會(huì)因慣性翻倒，因此將定植盤(pán)未能成功推上栽培架定義為上盤(pán)失敗.以搬運(yùn)裝置搬運(yùn)定植盤(pán)數(shù)量Z0為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)上盤(pán)失敗的定植盤(pán)數(shù)量Z1.上盤(pán)成功率為

R1=Z0-Z1Z0×100%.（6）

3.1.3 影響因素分析

由上盤(pán)工作原理及前期預(yù)試驗(yàn)可知，立體錯(cuò)位栽培架水平安裝誤差、栽培槽導(dǎo)向板角度、推進(jìn)速度對(duì)上盤(pán)成功率影響較大，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)分析.

1） 立體錯(cuò)位栽培架水平安裝誤差.搬運(yùn)裝置在對(duì)同一組栽培架執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)時(shí)，由于立體錯(cuò)位栽培的特點(diǎn)，每個(gè)栽培槽在水平方向上均處于不同位置，由于栽培槽在水平方向上存在安裝精度誤差，搬運(yùn)裝置在運(yùn)動(dòng)到不同水平位置栽培槽時(shí)會(huì)存在定植盤(pán)沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)栽培槽的情況，進(jìn)而導(dǎo)致搬運(yùn)失敗.水平安裝誤差越大，越難上盤(pán)，水平誤差越小，安裝時(shí)越需要費(fèi)力調(diào)節(jié)且栽培架組數(shù)越多調(diào)節(jié)難度越大.因此將栽培架水平安裝誤差分為3組水平，分別為0～5 mm、5～10 mm和10～15 mm.

2） 栽培槽導(dǎo)向板角度.為提升上盤(pán)成功率，在栽培槽一端安裝導(dǎo)向板如圖14所示，在推進(jìn)過(guò)程中通過(guò)導(dǎo)向板的導(dǎo)向作用使定植盤(pán)導(dǎo)入栽培槽，完成上盤(pán)動(dòng)作.

導(dǎo)向板導(dǎo)向效果與導(dǎo)向板角度有關(guān)，角度越大，導(dǎo)向效果越差，角度越小，導(dǎo)向范圍越??；綜合考慮，以45°為基準(zhǔn)向上向下各取一角度即30°、45°和60°為試驗(yàn)水平.

3） 推進(jìn)速度.推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，速度越快，推力越大，推力產(chǎn)生的水平方向分力越大，定植盤(pán)越容易對(duì)準(zhǔn)栽培槽，上盤(pán)成功率越高.但推進(jìn)速度越快，推進(jìn)方向上定位誤差越大，上盤(pán)成功率越低.由2.2.2節(jié)可知，在滿(mǎn)足傳感器檢測(cè)精度條件下的最大推進(jìn)速度為0.40 m/s，取0.10、0.25和0.40 m/s 3組水平.

試驗(yàn)因素與水平如表1所示.

3.2 試驗(yàn)方案

采用 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以栽培架水平安裝誤差A(yù)、栽培槽導(dǎo)向板角度B、推進(jìn)速度C為試驗(yàn)因素，每因素選取3水平，以搬運(yùn)裝置完成一次上盤(pán)任務(wù)為一次試驗(yàn)，每組進(jìn)行100次試驗(yàn)，重復(fù)2次并取均值，記錄上盤(pán)成功率R1.試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示，采用Design-Expert12進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

3.3 回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert12建立上盤(pán)成功率R1與水平安裝誤差A(yù)、推進(jìn)速度B、導(dǎo)向板角度C的回歸模型，并驗(yàn)證模型及相關(guān)因素的顯著性，分析結(jié)果如表3所示.上盤(pán)成功率的回歸模型為

R1=96.800-1.560A+0.375B+0.188C+0.500AB-

0.125AC+0.4123A2-0.463B2+0.163C2.

由表3方差分析結(jié)果可知，該回歸模型極顯著（P≤0.01）且失擬項(xiàng)不顯著（Pgt;0.1），該回歸模型通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，具有可信度.對(duì)回歸模型分析可知，其回歸項(xiàng)C、AC、BC、C2的P值均大于0.1，影響不顯著.刪去上述不顯著項(xiàng)重新對(duì)上盤(pán)成功率R1回歸模型擬合，其回歸方程如下：

R1=96.870-1.560A+0.375B+0.186C+

0.500AB+0.421A2-0.454B2.

由回歸方程可知，各因素對(duì)上盤(pán)成功率影響程度由大到小排列為栽培架水平安裝誤差A(yù)，推進(jìn)速度B，導(dǎo)向板角度C.

栽培架水平安裝誤差A(yù)對(duì)上盤(pán)成功率R1影響極顯著，因?yàn)樵耘嗖蹆H比定植盤(pán)寬2～3 mm，水平方向誤差越大，定植盤(pán)越難對(duì)準(zhǔn)栽培槽，越難成功上盤(pán).導(dǎo)向板雖然對(duì)定植盤(pán)有引導(dǎo)作用但導(dǎo)向板引導(dǎo)范圍有限，當(dāng)水平方向誤差較大時(shí)，導(dǎo)向效果較差.水平方向誤差主要由水平電動(dòng)機(jī)定位誤差與栽培架水平安裝誤差組成，水平電動(dòng)機(jī)為伺服電動(dòng)機(jī)，其定位誤差可控制在1 mm以?xún)?nèi)，因此水平誤差主要為栽培架水平安裝誤差.由表2試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)栽培架水平安裝誤差控制在0～5 mm時(shí)，上盤(pán)成功率可達(dá)到98.5%以上，當(dāng)水平安裝誤差控制在5～10 mm時(shí)，上盤(pán)成功率最大可達(dá)到97.0%，為提高上盤(pán)成功率，栽培架水平安裝誤差應(yīng)控制在0～5 mm范圍內(nèi).

推進(jìn)速度B對(duì)上盤(pán)成功率R1有顯著影響主要是因?yàn)橥七M(jìn)電動(dòng)機(jī)為直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，速度越快，推力越大，推力在導(dǎo)向板作用下產(chǎn)生的往栽培槽中心運(yùn)動(dòng)的水平方向分力越大，導(dǎo)向效果越好，上盤(pán)成功率越大.但推進(jìn)速度增大會(huì)引起推進(jìn)方向定位精度的降低從而降低上盤(pán)成功率.

導(dǎo)向板角度C對(duì)上盤(pán)成功率影響最弱主要是因?yàn)閷?dǎo)向板角度越小，推力的水平方向分力越小，但只要推進(jìn)速度足夠大，還是可以產(chǎn)生足夠分力使定植盤(pán)重新對(duì)準(zhǔn)栽培槽.實(shí)際作業(yè)時(shí)應(yīng)盡量選擇較大角度導(dǎo)向板，增大引導(dǎo)范圍，充分發(fā)揮導(dǎo)向作用.

水平安裝誤差A(yù)與推進(jìn)速度B的交互項(xiàng)AB對(duì)上盤(pán)成功率R1有顯著影響，利用Design-Expert12對(duì)AB進(jìn)行響應(yīng)曲面分析，當(dāng)固定導(dǎo)向板角度C=60°時(shí)，交互項(xiàng)AB關(guān)于上盤(pán)成功率R1的響應(yīng)曲面圖如圖16所示.

由圖16可知，當(dāng)導(dǎo)向板角度C取60°時(shí)，水平安裝誤差A(yù)取0～3 mm、推進(jìn)速度B取0.22～0.28 m/s時(shí)，上盤(pán)成功率R1存在最優(yōu)解.固定推進(jìn)速度B，上盤(pán)成功率R1隨水平安裝誤差A(yù)的增大而減小.固定水平安裝誤差A(yù)，上盤(pán)成功率R1隨推進(jìn)速度B的增加先增大后減小.

3.4 參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

為探究上盤(pán)成功率與各影響因素之間的最優(yōu)關(guān)系，采用Design-Expert12中的Optimization模塊進(jìn)行優(yōu)化分析，最大化上盤(pán)成功率R1，尋找各影響因素的最優(yōu)參數(shù)組合.優(yōu)化條件如下：

max R1，

s.t.A∈（0～5，5～10，10～15），

0.1≤B≤0.4，

30° ≤C≤60°.（7）

優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)水平安裝誤差A(yù)取0～5 mm、推進(jìn)速度B取0.223 m/s、導(dǎo)向板角度C取59.289°，上盤(pán)成功率R1最高為99.004%.

為探究最優(yōu)參數(shù)組合的正確性，需進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.由于導(dǎo)向板角度C最優(yōu)參數(shù)與60°十分接近，考慮到加工成本問(wèn)題，驗(yàn)證試驗(yàn)中C取60°.以A=0～5 mm、B=0.22 m/s、C=60°進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在此試驗(yàn)組合下每組進(jìn)行100次試驗(yàn)，重復(fù)3次并取均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示.

由表4可知，在此最優(yōu)參數(shù)組合下，上盤(pán)成功率R1為99.33%，相較于原正交試驗(yàn)各組合最大成功率99%有一定提升且與優(yōu)化方案結(jié)果相符.

4 結(jié) 論

1） 針對(duì)立體錯(cuò)位栽培不同高度栽培槽處于不同水平位置的特點(diǎn)，選擇從栽培槽一端推入定植盤(pán)的方案，為避免推入時(shí)定植杯與栽培槽堵頭干涉，提出了在定植盤(pán)推入前將定植杯抬起一定高度，使定植杯跨過(guò)栽培槽堵頭，再將定植杯推上栽培槽的方法，基于此方法開(kāi)發(fā)了一種針對(duì)立體錯(cuò)位栽培架的生菜搬運(yùn)裝置.

2） 針對(duì)搬運(yùn)過(guò)程中定植杯運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的問(wèn)題進(jìn)行受力分析，得到定植杯翻轉(zhuǎn)角度的主要因素為推進(jìn)速度與夾持抓手臺(tái)階高度差△h.結(jié)合上述因素與上盤(pán)方案對(duì)夾持及推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)部件選型.利用Adams對(duì)推盤(pán)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，得到定植杯栽培板推進(jìn)方向速度曲線與定植杯質(zhì)心高度方向位移曲線，由仿真結(jié)果可知，當(dāng)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min（推進(jìn)速度=0.5 m/s）、夾持抓手臺(tái)階高度差△h=5 mm（定植盤(pán)距夾持抓手底面距離H=15 mm）時(shí)，定植杯在推進(jìn)過(guò)程中不會(huì)因慣性翻倒.

3） 基于此搬運(yùn)機(jī)構(gòu)采用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法探究影響搬運(yùn)裝置上盤(pán)成功率的主要影響因素，利用Design-Expert12軟件，建立了試驗(yàn)因素對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，利用Design-Expert12的Optimization模塊尋找最優(yōu)參數(shù)組合并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn).試驗(yàn)表明，當(dāng)栽培槽水平安裝誤差0～5 mm、導(dǎo)向板角度60°、推進(jìn)速度0.22 m/s時(shí)，上盤(pán)成功率可達(dá)到99.33%，此裝備具有穩(wěn)定的上盤(pán)性能，滿(mǎn)足設(shè)施生菜立體錯(cuò)位栽培需求，對(duì)提升生菜類(lèi)無(wú)人化生產(chǎn)水平具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

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（責(zé)任編輯 祝貞學(xué)）