摘要：目前菌草穴盤苗移栽過程中缺乏自動(dòng)取投苗裝置，通過分析取投苗裝置的工作原理，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，研發(fā)一種六桿式取投苗裝置。根據(jù)菌草穴盤苗缽體的抗壓力學(xué)特性、取投苗裝置的基本約束與空間約束，優(yōu)化分析得到各桿件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立虛擬樣機(jī)得到仿真軌跡和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。進(jìn)一步研制樣機(jī)，結(jié)合高速攝像技術(shù)獲取取投苗裝置的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)比兩種軌跡的一致程度，驗(yàn)證裝置設(shè)計(jì)的合理性。以取投“綠洲一號(hào)”菌草穴盤苗為例，將主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速、送苗裝置傾斜角以及缽體含水率作為試驗(yàn)因素，取苗成功率、投苗成功率作為響應(yīng)指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速為30 r/min、缽體含水率為60%、送苗裝置傾斜角為50°時(shí)，取投苗的效果最優(yōu)。重復(fù)試驗(yàn)表明，在最優(yōu)因素水平下，取苗成功率與投苗成功率分別為95.31%和93.4%。

關(guān)鍵詞：菌草穴盤苗；取投苗裝置；六桿裝置；自動(dòng)化移栽設(shè)備

中圖分類號(hào)：S223.92" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0009?09

Design and experiments analysis of automatic taking and throwing device for

“Juncao” plug seedlings

Ye Dapeng1， 2， Qing Jiaxing1， 2， Wu Yiteng1， Lai Hongkang1， Weng Haiyong1， 2， Li Qing1， 2

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou， 350100， China; 2. Fujian Key Laboratory of Agricultural Information Sensing Technology， Fuzhou， 350100， China）

Abstract： Seedling transplanting was considered as ones of key steps during “Juncao” planting. However， there is a lack of automatic taking and throwing devices in the in recent years. Alternatively， developing an automatic taking and throwing device can improve the transplanting efficiency as well as reduce labor intensity. This study aimed to develop a six?bar device by analyzing the working principle of device， establishing a kinematic model and optimizing structural parameters. According to the anti?pressure characteristics of the “Juncao” plug seedlings bowl and the basic and spatial constraints of the device， the structural parameters of each rod were optimized and analyzed， and the simulation trajectories and kinematic parameters were obtained by establishing a virtual prototype. Furthermore， a prototype was developed and then actual motion trajectory of the taking and throwing device was obtained via a high?speed camera. The consistency between the two trajectories was compared to verify the reasonability of the prototype. In order to ensure the availability of the developed device， the operation of taking and throwing was carried out by using “Juncao” （Oasis No.1） plug seedlings. The rotation speed of the active rod， the inclination angle of the seedling delivery device and the moisture content of the bowl were used as experimental factors， and the success rates of taking and throwing were used as response indicators. A three?factor and three?level orthogonal experiment was performed. The bench test showed that it achieved the best performance when the driving rod speed， water content of the bowl and inclination angle of the seedling feeding device was 30 r/min， 60% and 50 °， respectively. Repetitive experiments by using the optimal factor level also reached the success rates of taking and throwing of 95.31% and 93.4%.

Keywords： “Juncao” plug seedlings; taking and throwing seedlings device; six?bar device; automatic transplanting equipment

0 引言

菌草的粗蛋白、纖維素、糖類等含量?jī)?yōu)于大部分牧草[1]，現(xiàn)多被用于制作成畜牧中的飼料、培育菌類的菌料，并且在造紙、清潔能源等領(lǐng)域均有廣泛運(yùn)用，因其抗逆性強(qiáng)、抗堿性強(qiáng)、抗旱等優(yōu)點(diǎn)，也被運(yùn)用于鹽堿地以及荒漠地區(qū)的治理[2]。菌草需求日漸增加，種植規(guī)模逐漸提高，現(xiàn)存的移栽種植方式多為半機(jī)械化移栽，難以滿足各領(lǐng)域的需求，取投苗工作環(huán)節(jié)多由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度偏大，移栽效率較低[3]。設(shè)計(jì)并研制用于菌草穴盤苗移栽的取投苗裝置意義重大。

諸多學(xué)者已對(duì)穴盤苗移栽的取投苗關(guān)鍵部件開展研究，提出了多種取苗方式：夾莖式[4]、夾缽式[5]、頂出式[6]等。謝守勇等[7]運(yùn)用滾珠絲桿與直線滑軌設(shè)計(jì)了往復(fù)夾莖式取投苗機(jī)構(gòu)，避免了對(duì)蔬菜根系的損傷，但存在穴盤苗苗莖的傾倒而出現(xiàn)夾持莖稈失敗的情況；李華等[8]運(yùn)用二階橢圓齒輪行星輪系與凸輪擺桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了番茄穴盤苗的夾莖式取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率較高，運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定，但機(jī)構(gòu)在高速工作下存在振動(dòng)，夾持的苗將會(huì)從夾持機(jī)構(gòu)上脫落；俞高紅等[9]設(shè)計(jì)了非圓齒輪行星輪系八行同步取苗機(jī)構(gòu)并運(yùn)用MatLab軟件開發(fā)反求設(shè)計(jì)平臺(tái)，完成關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)存在部分取苗針插入缽體的深度不夠，持苗過程中出現(xiàn)掉落；劉念聰?shù)萚10]設(shè)計(jì)了單擺式取喂苗系統(tǒng)，采用氣動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)缽體的夾持，由于該系統(tǒng)為雙行移栽設(shè)計(jì)，左右兩側(cè)均有取投苗裝置，故移栽過程中存在振動(dòng)影響取投苗的成功率；文永雙等[11]設(shè)計(jì)了一種頂出式蔬菜穴盤苗取苗裝置，此取苗方式對(duì)缽體的力學(xué)性能要求較高，若缽體力學(xué)性能較差，將導(dǎo)致缽體基質(zhì)損失率過大，破壞蔬菜根系；本文前期已展開“綠洲一號(hào)”菌草的莖稈力學(xué)試驗(yàn)，分析得到夾莖式取苗方式將會(huì)導(dǎo)致部分莖稈的損傷、斷裂[12]；培育菌草的穴盤縱向深度過大，若采用頂出式取苗方式，頂出距離過長(zhǎng)，取苗失敗率增大。

因此，本文提出一種六桿式夾缽式菌草穴盤苗（以下簡(jiǎn)稱：穴盤苗）取投苗裝置，分析該裝置的設(shè)計(jì)原理，建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并完成各結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

研制的取投苗裝置搭載于試驗(yàn)平臺(tái)上，如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)由送苗裝置、支撐底座、橫向移苗裝置、運(yùn)苗裝置以及取投苗裝置等構(gòu)成。支撐底座支撐整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)；穴盤傾斜放置于送苗裝置上方，該裝置帶動(dòng)穴盤沿斜向下方向（縱向）移動(dòng)。橫向移苗裝置由滑臺(tái)電機(jī)、滑臺(tái)絲桿以及滑臺(tái)構(gòu)成，滑臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，滑臺(tái)隨之左右移動(dòng)，與滑臺(tái)垂直固定于一體的送苗裝置便左右橫向移動(dòng)，兩裝置的配合工作實(shí)現(xiàn)縱向與橫向的送苗功能。運(yùn)苗裝置的運(yùn)苗杯圍繞取投苗裝置旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，不斷接運(yùn)穴盤苗。

取苗機(jī)構(gòu)與桿件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成取投苗裝置見圖2。取苗機(jī)構(gòu)作用：將穴盤苗缽體夾緊與投放；桿件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為動(dòng)力傳遞，取苗機(jī)構(gòu)隨之運(yùn)動(dòng)到取投苗位置。取苗機(jī)構(gòu)由氣缸推桿、苗爪支撐板、苗針固定塊、推苗塊、取苗針、推苗環(huán)、推苗拉桿、推桿固定螺母等構(gòu)成。桿件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)桿、從動(dòng)桿Ⅰ、從動(dòng)桿Ⅱ、取苗桿、機(jī)架、支撐軸、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、桿件鉚釘?shù)葮?gòu)成。桿件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的取苗桿通過鉚釘與取苗機(jī)構(gòu)的苗爪安裝塊連接，實(shí)現(xiàn)兩機(jī)構(gòu)的配合固定。

1.2 工作原理

取投苗裝置工作時(shí)，主動(dòng)桿AH與機(jī)架上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，并隨電機(jī)軸開始勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)桿Ⅰ、從動(dòng)桿Ⅱ、取苗桿以及擺桿隨之運(yùn)動(dòng)，連接于取苗桿上的取苗機(jī)構(gòu)隨取苗桿的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行夾缽取苗。初始狀態(tài)，取苗機(jī)構(gòu)的氣缸推桿處于推出狀態(tài)，取苗針處于打開狀態(tài)，當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)的取苗針插入穴盤苗的缽體中，氣缸推桿帶動(dòng)推苗塊以及推苗環(huán)向上收縮，取苗針夾緊穴盤苗缽體，隨著桿件傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，將穴盤內(nèi)的苗夾緊取出，取苗機(jī)構(gòu)隨取苗桿的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到運(yùn)苗裝置的運(yùn)苗杯上方，氣缸推桿將推苗塊以及推苗環(huán)向下推出，取苗針打開，穴盤苗隨之掉落運(yùn)苗杯內(nèi)，隨運(yùn)苗杯傳送到移栽位置。

取投苗裝置具體工作過程，如圖3所示。主動(dòng)桿AH順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，固定于取苗桿（EGF）的GE段上的取苗機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（E為取苗機(jī)構(gòu)的末端點(diǎn)，故E點(diǎn)軌跡為取投苗軌跡），其中O1O2O3O4O5O1為E點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。（1）O1O2段為取苗機(jī)構(gòu)準(zhǔn)備進(jìn)入穴盤苗缽體，如圖3（a）所示。（2）O2O3段為取苗機(jī)構(gòu)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)以特定的入土角插入缽體且取苗針夾緊缽體，其中O3為取苗點(diǎn)，如圖3（b）所示。（3）O3O4段為取苗機(jī)構(gòu)將缽體夾緊，向上運(yùn)動(dòng)并逐漸拔出缽體并繼續(xù)保持對(duì)缽體的夾持，如圖3（c）所示。（4）O4O5段為取苗機(jī)構(gòu)到達(dá)投苗位置，取苗針打開，穴盤苗在重力作用掉落到運(yùn)苗杯，完成投苗，其中O5為投苗點(diǎn)，如圖3（d）所示。

1.3 缽體力學(xué)試驗(yàn)

1.3.1 缽體抗壓力學(xué)試驗(yàn)

取投苗裝置的取苗機(jī)構(gòu)為夾缽式取苗，應(yīng)探究穴盤苗缽體的抗壓力學(xué)特性規(guī)律。本文選取培育30天的“綠洲一號(hào)”穴盤苗（泥炭土、蛭石、珍珠巖基質(zhì)配比（體積比）為2∶1∶1）為試驗(yàn)對(duì)象，采用島津AG-X拉力試驗(yàn)機(jī)對(duì)穴盤苗缽體開展抗壓力試驗(yàn)，缽體含水率范圍為50%～70%，故分別對(duì)含水率50%、60%以及70%的缽體開展抗壓力學(xué)特性試驗(yàn)并得到抗壓力特性曲線。

由缽體抗壓力特性曲線圖4（a）可知，當(dāng)壓縮位移開始增大，穴盤苗基質(zhì)缽體與壓盤剛開始發(fā)生接觸，抗壓力逐漸增加，此刻抗壓力與壓縮位移呈正相關(guān)；壓縮位移增加到A點(diǎn)后，斜率發(fā)生變化，抗壓力與壓縮位移呈線性關(guān)系，缽體表現(xiàn)出線彈特性；壓縮位移增大到B點(diǎn)后，抗壓力隨壓縮位移呈非線性增長(zhǎng)，直到缽體被完全壓實(shí)[13]，B點(diǎn)的壓縮位移、抗壓力稱為壓縮破碎量以及最大抗壓力，反應(yīng)缽體的抗壓力學(xué)特性。

測(cè)試得到三種含水率下的缽體抗壓力學(xué)特性，如圖4（b）所示，缽體的抗壓力學(xué)特性隨缽體的含水率增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，含水率為60%左右的缽體具有較優(yōu)的壓縮力學(xué)特性。

1.3.2 散落特性試驗(yàn)

穴盤苗的缽體掉落散落規(guī)律影響著取投苗裝置投苗的缽體破碎率。選取 “綠洲一號(hào)”菌草穴盤苗40株，平均分為4組并采用電子秤（精度為0.01 g）測(cè)量每組的單株質(zhì)量為M0，萬能試驗(yàn)機(jī)的夾具夾持穴盤苗莖稈部分從而帶動(dòng)缽體的上下移動(dòng)，并使得4組穴盤苗缽體底部與運(yùn)苗杯底部的下落距離l0為100 mm、200 mm、300 mm、400 mm。試驗(yàn)開始，松開萬能試驗(yàn)機(jī)夾具，穴盤苗缽體自由掉落到運(yùn)苗杯內(nèi)，散落特性試驗(yàn)平臺(tái)見圖5，測(cè)量掉落后的每組每株穴盤苗缽體的質(zhì)量為M1，得到每一組的穴盤苗的平均散落率S（表1）。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 取投苗裝置數(shù)學(xué)模型建立

本文研制的取投苗裝置可簡(jiǎn)化為六桿機(jī)構(gòu)（圖6），以O(shè)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右、豎直向上方向分別為x軸與y軸的正向，建立xOy坐標(biāo)系，并建立取投苗裝置的取苗針端點(diǎn)E點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型[14]；主動(dòng)桿AH，機(jī)架AB，擺桿（BCD）中BD、BC、DC，動(dòng)桿Ⅱ（DGH）中DH、GH、DG，從動(dòng)桿CF，取苗桿（FGE）中GF、GE的長(zhǎng)度分別為l0，d0，d1，d3，d4，d2，d5，d6，d8，d7，d9；B點(diǎn)與H點(diǎn)、C點(diǎn)與G點(diǎn)的距離分別為l1、l2，其余均于圖6中注釋。

以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，AB為[x']軸，垂直于AB方向?yàn)閇y']軸，建立坐標(biāo)系[x'Ay']。ABDH為平面四桿機(jī)構(gòu)，封閉矢量如式（1）所示。

[AB+BD=DH+HA] （1）

用復(fù)數(shù)矢量表示如式（2）所示。

[d0+d1eiε3=d2eiε1+l0eiθ0] （2）

在坐標(biāo)系xOy中，運(yùn)用歐拉式[eiθ=cosθ+isinθ]，式（2）虛部實(shí)部分離并消去[ε3]，可求解[ε1]，如式（3）～式（6）所示。

[d0+d1cosε3=d2cosε0+l0cosθ0d1sinε3=d2sinε1+l0sinθ0] （3）

[d22=d12+d22+l02-2d0d1cosε3-2l0d1cos（ε3-θ0）-2l0d0cosθ0] （4）

[ε3=tan-1（Q±P2+Q2-T2）（P-T）] （5）

[ε1=tan-1Q+d1sinε3P+d1cosε3] （6）

未知參數(shù)由式（7）計(jì)算可得。

[P=d0-l0cosθ0Q=-l0sinθ0T=P2+Q2+d12-d222d1] （7）

在坐標(biāo)系xOy中，得到D、H點(diǎn)位移方程，D點(diǎn)位移方程如式（8）所示。

[xD=xH+d2cosθ1+ε1yD=yH+d2sinθ1+ε1] （8）

H點(diǎn)位移方程如式（9）所示。

[xH=xA+l0cos（θ0-α0）yH=yA+l0sin（θ0-α0）] （9）

由三角形余弦定理得

[d6=d22+d52-2d2d5cosβ0] （10）

[d4=d12+d32-2d1d3cosσ1] （11）

[d5=d22+d62-2d2d6cosβ1] （12）

[d3=d12+d42-2d1d4cosσ2] （13）

由式（9）～式（12）計(jì)算得

[β0=cos-1d22+d52-d622d2d5] （14）

[β1=cos-1d22+d62-d522d2d6] （15）

[σ1=cos-1d12+d32-d422d1d3] （16）

[σ1=cos-1d12+d42-d322d1d4] （17）

以D點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，DC為[x'']軸，建立坐標(biāo)系[x''Dy'']，其中

[β3=2π-β1-σ2-ε3-ε1] （18）

[x'']軸與AD的夾角為[ε2]，故

[ε4=ε3-σ1-σ3] （19）

由于DGFC為四桿機(jī)構(gòu)，得到

[CF+FG=DG+DC] （20）

由上文所述方法可求得[ε2]，如式（21）所示。

[ε2=cos-1d72+l22-d822l2d7-γ] （21）

[l2=d62+d42-2d6d4cosβ3] （22）

[γ=sin-1d6sinβ3l2] （23）

在[x''Dy'']坐標(biāo)系，E坐標(biāo)為（[xE''，yE'']），故得到E點(diǎn)在坐標(biāo)系[x''Dy'']中的位移方程如式（24）所示。

[xE''=d6cosβ3+d9cosε2+δyE''=d6sinβ3+d9sinε2+δ] （24）

將（[xE''，yE'']）坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到坐標(biāo)系xOy中，得到取苗桿末端E點(diǎn)的位移方程如式（25）所示。

[xE=xHcosα0+ε4-xE''sin（α0+ε4）+x0yE=yHsinα0+ε4-yE''cos（α0+ε4）+y0] （25）

2.2 優(yōu)化約束條件

2.2.1 桿件基本約束條件

設(shè)計(jì)的取投苗裝置為具有單自由度的六桿機(jī)構(gòu)，故各桿件尺寸均大于0且滿足六桿機(jī)構(gòu)存在的桿長(zhǎng)基本約束條件，并且裝置應(yīng)具有較大的傳動(dòng)角[15]。

1） 曲柄存在必要條件：由取投苗裝置的數(shù)學(xué)模型得曲柄存在必要條件，見式（26）。

[l0-d2-d1+d0≤0l0+d2-d1-d0≤0l0-d2+d1-d0≤0] （26）

2） 傳動(dòng)角約束條件：為得到更好的工作性能，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)角應(yīng)較大，設(shè)定傳動(dòng)角[γ≥40°]，即

[40°-arccosd22+d12-d0-l022d2d1≤0] （27）

[arccosd22+d12-d0-l022d2d1-140°≤0] （28）

3） 裝配條件：本文取投苗裝置的裝配條件為

[maxl2-d7-d8≤0] （29）

[d7-d8-minl2≤0] （30）

2.2.2 空間約束

為防止取投苗裝置的取苗機(jī)構(gòu)與其他裝置在空間上發(fā)生干涉[16]，出現(xiàn)送苗—取投苗—運(yùn)苗之間的某一環(huán)節(jié)失敗，以機(jī)架的A點(diǎn)為參考點(diǎn)建立其取投苗的空間約束，見圖7。

1） 取苗點(diǎn)距機(jī)架A點(diǎn)的水平距離L：為確保取苗的成功率，應(yīng)保證距離L≥機(jī)架A點(diǎn)與穴盤之間距離、苗針插入長(zhǎng)度的水平距離之和大于機(jī)架AB的水平方向的距離，即

[L=L0+L3cosφ2≥d0cosα] （31）

式中： [L3]——苗針插入缽體內(nèi)的深度，mm;

[φ0]——取苗時(shí)，取苗針與垂直于穴盤方向的夾角，（°）。

2） L1、L9分別為運(yùn)苗杯的上部直徑與高度，由現(xiàn)存的移栽機(jī)械知，L1=70 mm，L8=80 mm。

3） 投苗距離L6：為保證取完的穴盤苗能準(zhǔn)確掉落在苗缽內(nèi)，投苗距離L6應(yīng)等于運(yùn)苗杯左側(cè)到A點(diǎn)距離與運(yùn)苗杯上口徑的半徑之和，由于運(yùn)苗杯的上口徑直徑大于穴盤苗缽體的最大橫向直徑，故存在投苗的最大偏移量，最大偏移量等于運(yùn)苗杯的上口徑半徑減穴盤苗缽體的最大橫向半徑，即

[L6=L7+L1/2±ΔL] （32）

式中： [ΔL]——投苗的最大偏移量，mm。

4） 投苗高度：由上文缽體散落試驗(yàn)得，穴盤苗投放的高度應(yīng)低于300 mm。為降低投放缽體的破碎率，故投苗點(diǎn)與機(jī)架A點(diǎn)的豎直距離、A點(diǎn)到運(yùn)苗杯底部的豎直距離之和應(yīng)小于300 mm，即

[L5+L4+L8≤300] （33）

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)建立的取投苗裝置的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用MatLab設(shè)計(jì)工具開發(fā)人機(jī)交互優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。用戶可根據(jù)約束條件區(qū)的約束條件與結(jié)果提示框的顏色，調(diào)整設(shè)計(jì)變量區(qū)的參數(shù)數(shù)值，在優(yōu)化軌跡區(qū)得到取投苗裝置的取投苗運(yùn)動(dòng)軌跡，完成裝置機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。

由上述約束條件與人機(jī)交互優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件，可得初始的取投苗裝置得結(jié)構(gòu)參數(shù)：[l0=50 mm]、[d0=120 mm]、[d1=90] mm、[d3=100] mm、[d5=35] mm、[d7=80] mm、[d9=220] mm、[α0=-55°]、[β0=35°]、[σ1=10°]、[δ=-35°]。

通過人機(jī)交互優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件進(jìn)一步優(yōu)化，確定分取投苗裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：[l0=52.88] mm、[d0=123] mm、[d1=92] mm、[d3=102] mm、[d5=36] mm、[d7=80] mm，[d9=220] mm、[α0=-54°]、[ β0=36.8°]、[σ1=5.6°]、[δ=-36°]。

2.4 運(yùn)動(dòng)仿真分析

為探究取投苗裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以機(jī)架A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，水平向右為x軸正向，豎直向上為y軸正向，建立直角坐標(biāo)系。根據(jù)移栽效率要求[5]，設(shè)置主動(dòng)桿的角速度為3.14 rad/s，設(shè)計(jì)的裝置完成一次取投苗工作為2 s，即30株/min的工作效率。據(jù)上文設(shè)計(jì)得到的機(jī)構(gòu)尺寸，建立取投苗裝置的虛擬樣機(jī)模型，運(yùn)用SolidWorks Motion插件對(duì)其完成運(yùn)動(dòng)仿真，得到取苗針末端位移、速度、加速度仿真結(jié)果（圖8）。

由圖8可知，在取苗點(diǎn)處，取苗針末端水平速度為0且豎直速度接近于0，有利于控制取苗機(jī)構(gòu)夾持缽體，提高取苗成功率；在投苗點(diǎn)處，取苗針末端速度均接近0，可保證缽苗豎直下落，降低其破碎率；取苗位置處的水平與豎直加速度均較大，由于裝置的慣性導(dǎo)致加速度過大，將會(huì)影響取苗的成功率，故應(yīng)保持較低的主動(dòng)桿的轉(zhuǎn)速，投苗位置處的水平與豎直加速度均較小，能夠滿足投苗要求。

2.5 送苗裝置設(shè)計(jì)

送苗裝置傾斜角[φ0]影響取投苗的成功率，傾斜角過小會(huì)導(dǎo)致取苗針不能按照設(shè)計(jì)的軌跡插入缽體中，過大的傾斜角會(huì)使穴盤苗傾倒。由圖9可知，取苗針插入與水平面的夾角為[φ3]，由前文運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果得到[φ3=167.91°]，則[φ2=53.71°]，得到傾斜角[φ0]如式（34）所示。

[φ0=φ3-φ1-90°] （34）

式中： [φ1]——GE桿與水平面的夾角。

在取苗時(shí)，取苗針的末端需盡量在穴盤苗缽體的中部，故[0lt;φ1lt;φ5]，其中[φ5]為穴盤中心點(diǎn)與垂直斜面的方向的夾角。

[φ5=arctane2e1] （35）

式中： [e1]——穴盤頂部橫向距離的1/2，mm；

[e2]——穴盤高度的1/2，mm。

綜上可得[φ5]=61.39°，故傾斜角[φ0]的設(shè)計(jì)范圍為：16.52°～77.91°，由文獻(xiàn)[17]可知，為保證穴盤的穩(wěn)定性，防止其傾覆，故送苗裝置傾斜角[φ0]的設(shè)計(jì)范圍為40°～60°。

3 取投苗試驗(yàn)與分析

3.1 取投苗軌跡驗(yàn)證

為驗(yàn)證取投苗軌跡的正確性，將建立的三維模型導(dǎo)入SolidWorks軟件中，運(yùn)用SolidWorks Motion插件，設(shè)置主動(dòng)桿以3.14 rad/s角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出仿真運(yùn)動(dòng)軌跡，見圖10（a）。搭建取投苗裝置的臺(tái)架試驗(yàn)平臺(tái)，主動(dòng)桿角速度為30 r/min，采用200 W補(bǔ)光燈對(duì)裝置進(jìn)行打光，使用高速攝像機(jī)（Phantom VEO）采集其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，采集完成后，使用攝像機(jī)配套PCC 3.6軟件對(duì)視頻進(jìn)行處理，得到裝置的取投苗實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，見圖10（b）。仿真軌跡與樣機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡大致一樣，驗(yàn)證了取投苗裝置設(shè)計(jì)的正確性。

3.2 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證該裝置取投苗的性能，將取投苗裝置搭載于臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)。本次取投苗試驗(yàn)于2023年10月在福建農(nóng)林大學(xué)人工智能試驗(yàn)內(nèi)開展。試驗(yàn)材料選用福建農(nóng)林大學(xué)旗山校區(qū)溫室培育30天的“綠洲一號(hào)”菌草穴盤苗（穴盤為32穴），其單個(gè)穴孔形狀呈長(zhǎng)方形椎體，頂部尺寸為60 mm×60 mm，底部尺寸為20 mm×20 mm，高度為110 mm，培育基質(zhì)為泥炭土、蛭石、珍珠巖（基質(zhì)配比（體積比）為2∶1∶1）。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.3.1 試驗(yàn)因素

根據(jù)取投苗裝置的運(yùn)動(dòng)過程，選擇主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速以及送苗裝置傾斜角作為試驗(yàn)因素。選擇主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速水平為25 r/min、30 r/min、35 r/min，由前文可知，送苗裝置傾斜角的設(shè)計(jì)范圍為40°～60°，故設(shè)定傾斜角的水平為40°、50°、60°。測(cè)量的穴盤苗缽體的含水率為40%～80%，由文獻(xiàn)[17]知，穴盤苗缽體的含水率超過70%，缽體顆粒之間的黏結(jié)力不足，取苗的失敗率將會(huì)增加。缽體的力學(xué)特性、穴盤苗缽體顆粒之間的黏結(jié)力以及缽體與穴盤內(nèi)壁的摩擦力均受含水率的影響，故試驗(yàn)缽體的含水率為50%、60%、70%。本次試驗(yàn)因素以及水平見表2。

3.3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)為取苗成功率Q1，投苗成功率Q2，取投苗成功率Q3。取苗成功率為取苗針進(jìn)入穴盤苗缽體中，夾持穴盤苗并取出，缽體未發(fā)生脫落以及發(fā)送較大的破碎的概率；投苗成功率為取苗機(jī)構(gòu)將取出的穴盤苗運(yùn)送到運(yùn)苗杯上方進(jìn)行投放，運(yùn)送時(shí)未發(fā)生掉落、投放時(shí)未掉落到運(yùn)苗杯以外、投入杯中缽體破碎質(zhì)量未超過總質(zhì)量的1/3的概率[18]。

[Q1=R1R] （36）

[Q2=R2R1] （37）

[Q3=Q1×Q2] （38）

式中： [R1]——取出且缽體并未出現(xiàn)較大破碎的苗數(shù)；

[R2]——運(yùn)送運(yùn)苗杯上方并成功落入杯中完整的苗數(shù)；

R——每組試驗(yàn)苗數(shù)。

3.3.3 試驗(yàn)方法

采用三因素三水平的正交方案開展試驗(yàn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3。本次試驗(yàn)分為9組，每組試驗(yàn)的苗數(shù)為48株，共進(jìn)行432次試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極值和方差分析，可得到最優(yōu)因素水平參數(shù)組合。

3.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3個(gè)水平的主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的取投苗成功率為86.81%、88.19%、81.94%；送苗裝置傾斜角對(duì)應(yīng)的取投苗成功率為84.03%、87.50%、85.42%；缽體含水率對(duì)應(yīng)的取投苗成功率為85.42%、88.89%、82.64%。三個(gè)因素對(duì)于取苗成功率[Q1]的影響均不顯著，主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速以及缽體含水率對(duì)投苗成功率[Q2]的影響顯著。取苗時(shí)，主動(dòng)桿的速度過大，取苗針的夾緊時(shí)間變短，導(dǎo)致夾持的程度不夠，取苗成功率降低[19]；投苗時(shí)，速度過大導(dǎo)致取苗機(jī)構(gòu)停留在投苗點(diǎn)時(shí)間變短，出現(xiàn)投苗偏移運(yùn)苗杯中心，破碎量增加。取苗時(shí)，含水率過小不利于取苗針插入缽體，含水率過大，缽體松散，力學(xué)特性較差，不利于取苗針取出穴盤苗[20]；投苗時(shí)，含水率過大會(huì)導(dǎo)致缽體顆粒之間的黏附力降低[21]，穴盤苗投入運(yùn)苗杯的破碎量增加。由表4、表5可得，取苗和投苗成功率的影響因素排序?yàn)橹鲃?dòng)桿轉(zhuǎn)速gt;缽體含水率gt;送苗裝置傾斜角，綜合選擇最優(yōu)因素水平為主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速30 r/min、缽體含水率60%以及送苗裝置傾斜角50°。

為驗(yàn)證最優(yōu)因素水平的合理性，開展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)苗數(shù)為64株，得到取苗成功的株數(shù)為61株，投苗成功的株數(shù)為57株，即取苗成功率為95.31%，投苗成功率為93.4%，取投苗成功率為89.02%，取投苗效果較好。

4 結(jié)論

1） 開展“綠洲一號(hào)”菌草穴盤苗缽體的抗壓力特性試驗(yàn)以及散落試驗(yàn)，得缽體的力學(xué)特性隨含水率先增大而后減小，缽體掉落高度在400 mm時(shí)，其散落率僅為16.07%。

2） 設(shè)計(jì)一種六桿式的菌草夾缽式取投苗裝置，運(yùn)用MatLab開發(fā)人機(jī)交互優(yōu)化軟件，優(yōu)化得到該裝置各結(jié)構(gòu)參數(shù)。分析其取投苗仿真運(yùn)動(dòng)軌跡，搭建實(shí)物樣機(jī)，通過高速攝像機(jī)采集實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。

3） 選擇主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速、送苗裝置傾斜角、缽體含水率作為試驗(yàn)因素，取苗成功率、投苗成功率作為響應(yīng)指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗(yàn)，確定取投苗的因素水平組合為主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速30 r/min、缽體含水率60%、送苗裝置傾斜角50°。

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