中圖分類號：S223.99 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0014-08

Abstract：Aiming at the problems of loweficiency，highcost and low succesrate of succulent plant transplants，a dynamicadjustableendefectorforplant spacing wasdesigned.Basedonthe transplanting processofsucculent plants，the overall structureof the sedlingend effector was determined，andthekeycomponents weredevelopedand designed.The fuzzy PID control was applied toadjust the spacing of the sedling fingers for improving the positioning accuracy of the seedling fingers.Thesuessrateofseedling harvesting and theintegrityof theseedling bowl were takenasexperimental indicators，theworking air pressure，substrate moisture contentand'sedling harvesting frequencywere takenas experimental factors，a transplanting experimental platform was established for suculent plant automatic transplants，and the orthogonal testof thining and transplanting was carredout.Theexperimental results showed thatthe frequency of picking seedlings was 61 plants/min，the working pressure was 0.22MPa ，and the substrate moisture content was 58% ： The success rate of picking and feeding seedlings was 94.41% ，and the substrate integrity rate was 93.66% .The end effector of seedlings can effectively complete the picking and feeding operation.

Keywords：succulent plants；end efector；seedling picking and feding device;transplanting equipment；fuzzy PIDcontrol

0 引言

在工作效率低、勞動強度大和成本高等問題，嚴重阻礙了多肉植物產業(yè)的發(fā)展。因此，開展多肉植物全自動移栽機的研究意義重大[1]。

穴盤移栽作業(yè)是多肉植物種植的重要環(huán)節(jié)。多肉植物的移栽作業(yè)主要以人工或半自動化設備為主，存在整個移栽流程中，末端執(zhí)行器作為移栽機的執(zhí)行裝置，是自動移栽機的關鍵部件[2]。國內外針對自動移栽機和末端執(zhí)行器開展了大量研究[3.4]。歐美發(fā)達國家的缽苗自動移栽設備技術較為成熟，研制出適合本國農業(yè)的全自動移栽機及末端執(zhí)行器，并投入農業(yè)生產[5.6]。國內學者針對自動移栽機和末端執(zhí)行器也開展了大量研究工作[7.8]。童俊華等[9]針對針式末端執(zhí)行器夾持移栽后穴孔內基質殘留較多的問題，設計了一種指鏟式末端執(zhí)行器，通過增大指鏟與苗缽基質的接觸面積，可剔除穴孔內大部分基質。崔永杰等1°針對疏植移栽環(huán)節(jié)中可調株距設備自動化程度低、人工作業(yè)效率低下、易損苗傷苗等問題，設計了一種基于圓柱凸輪的株距可調式取苗末端執(zhí)行器，移栽成功率為93.33% ，整機移栽效率為22株/min，滿足不同穴盤規(guī)格疏植作業(yè)。韓豹等[11]針對現有甘藍取苗末端執(zhí)行器存在取苗針間距固定、靈活性差、適用范圍窄等問題，設計了一種插入針間距可調的針式取苗末端執(zhí)行器，通過調整調節(jié)滑塊和針座在支架上的位置，實現取苗針間距的調整。查閱國內外相關的文獻資料，未發(fā)現針對多肉植物移栽機末端執(zhí)行器的研究成果和專利。

由于多肉植物與其他農作物具有一定的物理特性差異[12.13]，現有的末端執(zhí)行器無法直接作業(yè)。本文結合設施農業(yè)多肉植物移栽工藝，設計一種株距可調的多肉植物末端執(zhí)行器。根據移栽工藝，對關鍵部件進行開發(fā)設計，運用模糊PID控制取苗手指的株距調節(jié)精度。采用正交試驗法優(yōu)化取投苗參數，驗證末端執(zhí)行器的工作性能，以期為多肉植物全自動移栽機的設計提供參考。

1末端執(zhí)行器總體結構與工作原理

1.1末端執(zhí)行器的總體結構

多肉植物主要有128孔、72孔和32孔3種穴盤規(guī)格。對多肉植物的3種主要穴盤進行測量，為后續(xù)的末端執(zhí)行器開發(fā)設計提供數據支持。穴盤尺寸如表1所示。

表1不同穴盤的規(guī)格尺寸 Tab.1 Specifications and dimensions ofdifferent hole plates

結合多肉植物的移栽工藝流程，設計多肉植物末端執(zhí)行器，如圖1所示。末端執(zhí)行器由調節(jié)氣缸、連桿機構、滑塊、取苗手指等部件組成。其中最右端的取苗手指固定，采用連桿機構實現取苗手指的株距調節(jié)，調節(jié)氣缸提供株距調節(jié)動力，取苗手指完成取投苗作業(yè)。

圖1末端執(zhí)行器結構原理圖

Fig.1 Structural schematic diagram ofautomatic seedlingpickingand feedingdevice 1.調節(jié)氣缸2.連桿機構3.取苗手指4.滑塊

1.2末端執(zhí)行器工作原理

取投苗工作開始，多肉植物移栽機將末端執(zhí)行器輸送到取苗穴盤正上方，調節(jié)氣缸開始調節(jié)取苗手指株距直至與取苗穴盤對應，取苗氣缸活塞伸出，取苗針以一定角度插入穴盤，末端執(zhí)行器上移，多肉植物苗缽被取苗針帶出并脫離穴盤，完成取苗動作;移栽機將末端執(zhí)行器輸送到投苗穴盤正上方，調節(jié)氣缸開始動作，完成取苗手指的株距調整，直至與投苗穴盤對應，結束調整，末端執(zhí)行器下移，取苗手指將多肉植物苗缽投放到投苗穴盤中，取苗氣缸帶動取苗針回縮，在取苗擋板作業(yè)下與苗缽脫離，完成一次取投苗周期，取苗過程如圖2所示。

圖2取投苗流程圖

Fig.2Flowchart of seedling picking and feeding 1.取苗氣缸2.擋板3.取苗針

取投苗工作流程：（1）取投苗開始時，將取苗手指移動到取苗穴盤上方，調節(jié)氣缸動作，調整取苗手指間距，完成取苗手指的株距調整至與取苗穴盤一一對應，取苗手指到達取苗位置；（2）取苗氣缸伸出，取苗針沿著一定的角度插入取苗苗缽，取苗手指上移，取苗針將多肉植物苗缽從穴盤取出，完成取苗作業(yè)；（3）將取苗手指移動到投苗穴盤正上方，取苗手指下移，調節(jié)氣缸動作，調節(jié)取苗手指間距，直至取苗手指與投苗穴盤一一對應，取苗手指下移，取苗手指將多肉植物苗缽投放到投苗穴盤中；（4）取苗氣缸回縮，取苗針在取苗擋板作業(yè)下與苗缽完成脫離工作，取苗手指上移后平動到取苗穴盤正上方，完成一次取投苗周期。

2末端執(zhí)行器的結構設計與分析計算

末端執(zhí)行器是全自動移栽機的關鍵機構，末端執(zhí)行器完成多肉植物的取苗和投苗動作，直接影響到取投苗的成功率。

2.1 取苗手指

取苗手指由取苗氣缸、取苗針和擋板組成。取苗氣缸活塞與取苗針相連，實現取苗針插入和拔出苗缽工作。取苗針完成取投苗作業(yè)，擋板的作用是協助取苗針完成取投苗作業(yè)。

2.1.1取苗手指的選擇

根據移栽對象的受力情況，取苗手指主要有夾持式和插入式兩類。夾持式取苗手指在工作過程中，取苗針對穴盤苗的頸部進行夾持，取苗針通過夾持力產生的摩擦力拔出穴盤苗，夾持方式穩(wěn)定性好，但是穴盤苗受力較大，適合頸部比較粗壯的穴盤苗，苗缽完整率較好。插入式取苗手指工作時，取苗針以一定的傾斜角插入穴盤，通過取苗針與苗缽的支持力和摩擦力完成取苗作業(yè)，插入過程中對穴盤苗缽的破壞較大，對穴盤苗損害較小。根據多肉植物的物理特性，選擇插入式取苗手指。取苗針結構如圖3所示。

圖3取苗針結構 Fig.3 Structure of the seedling needle

2.1.2取苗針的確定

根據多肉植物移栽的工況，取苗針選擇不銹鋼材質。取苗針的針數有2針、3針、4針，根據多肉植物的取苗工藝，取苗針選擇4針。目前取苗針的直徑有1～5mm 多種規(guī)格型號，對多肉植物穴盤進行取投苗試驗發(fā)現， 1～2mm 的直徑太小，在取投苗過程中，剛性不夠易被壓彎，引起定位精度不準，導致取投苗工作失敗， 3mm 的取苗針在試驗中沒有出現折彎現象，4～5mm 的取苗針工作中，對苗缽造成一定的破壞，影響到苗缽的完整性，因此選擇直徑為 3mm 的取苗針。

2.1.3取苗手指的主要參數

1）取苗針傾角 φ 。取苗手指的4個取苗針呈現對稱結構，工作中以一定的傾斜角插入穴盤苗缽中。通過取苗針與苗缽之間的作用力完成取投苗作業(yè)。為避免傾斜角過小而刺破穴盤的側壁，取苗針的傾斜角應該大于穴盤的傾角，如式（1）所示。

式中： φ 取苗針夾角， （^°） ： D₁ 穴盤上端直徑； D₂ 穴盤下端直徑； H₁? （2 -穴孔高度， mm β 穴孔棱線傾角， （^°） 。

根據表1的穴盤數據，32孔 ?72 孔、128孔3種穴盤的傾角分別為 16.70^°，14.78^°，13.82^° ，為防止刺破穴盤側壁，取苗針的傾角設計成 17^° 。

2）取苗針長度 H 取苗針的插入苗缽深度與夾持穩(wěn)定性成正比，插入越深夾持穩(wěn)定性越好，為防正取苗針插入深度過深而刺破穴盤的底部，關系如式（2）所示。

H/cosφ?H₁

由表1可知，多肉植物有3種移栽規(guī)格，穴盤高度最小的為128孔的穴盤，高度為 36mm ，通過分析計算選擇取苗針的長度 H 為 36mm 。

3）取苗針的上、下端直徑 D₃ 和 D₄ 。取苗針在插入穴盤中的苗缽時，不能觸碰到穴盤側壁，所以取苗針下端直徑 D₄ 要小于 D₂ ，上端直徑 D₃ 要小于穴盤上端直徑D₁ ，考慮到本移栽工作對象為32孔、72孔和128孔3種規(guī)格穴盤，具體尺寸如表1所示，取苗針下端直徑 D₄ 選擇 15mm ，取苗針的上端直徑 D₃ 選擇 28mm 。

2.2氣動系統設計與仿真

2.2.1 氣動系統設計

氣動系統具有結構簡單、性價比高等特點，多肉植物末端執(zhí)行器選用氣動控制系統，完成取苗和分苗動作。根據多肉植物的取投苗工藝流程設計氣動控制回路，如圖4所示。

圖4氣動控制回路Fig.4Pneumatic control circuit

末端執(zhí)行器在工作過程中需要穩(wěn)定的工作氣壓和工作流量。系統的工作氣壓根據受力情況和單因素試驗，選擇 0.2MPa ，氣壓缸的工作流量計算如式（3）所示。

式中： —平均單個氣壓缸需要的氣體流量， .L/min D -氣壓缸的內徑， mm ：z -氣壓缸往返頻率，個/ min s 氣壓缸的工作行程， mm 5p -氣壓缸所需的工作壓力， MPa 。

多肉植物移栽過程中的移栽頻率一般為 40～ 70株/ ，選取最高頻率70株/ min ，根據式（3）計算出調節(jié)氣缸和取苗氣缸的工作流量，求得總工作流量為 20.36L/min ，故選擇排量為 30L/min 的空氣壓縮機作為氣壓系統的動力元件。

2.2.2 氣動仿真分析

為進一步分析設計的氣動系統能否滿足末端執(zhí)行器的性能要求，在流體仿真軟件FluidSIM完成建模，根據表2的數據完成參數設置。初始化設置后進行仿真，仿真結果如圖5所示。分析氣動系統各執(zhí)行元件的響應特性曲線，驗證末端執(zhí)行器運動的可行性。

表2氣缸參數設置Tab.2 Cylinder parameters setting

圖5氣缸工作時序圖 Fig. 5 Simulation results of cylinder response timing

3模糊控制株距精度

取苗手指要完成取投苗工作，株距調節(jié)精度控制極為關鍵。運用模糊PID控制完成取苗手指株距的動態(tài)調節(jié)，保證取苗手指動態(tài)調整精度。根據株距誤差和跟隨誤差，采用模糊算法優(yōu)化PID控制器的比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)3個參數，然后控制電機的輸出角度，實現取苗手指株距的精準動態(tài)調節(jié)，較好地完成取投苗作業(yè)，有效提高取投苗成功率，控制原理如圖6所示。

圖6模糊PID控制株距調節(jié)裝置原理圖Fig.6Schematicdiagramof fuzzyPIDcontrolplantspacing adjustment device

3.1確定變量隸屬度函數

在移栽過程中，對取苗手指的株距進行精準調節(jié)，進一步提高取投苗成功率。因此，輸入參數為取苗手指的株距誤差 E 和誤差變量率 Ec ，輸出參數為PID控制器的控制參數 ΔK_p，ΔK_i，ΔK_d 。利用模糊分割理論，選擇7個模糊集作為株距調節(jié)裝置的輸人輸出變量，即 {NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB} 。輸人變量株距誤差 E 和誤差變量率 Ec 的基本論域為 {-4，-2，-1，0} 1，2，4}，輸出變量的基本論域為 {-4，-2，-1，0，1，2 4。隸屬度函數曲線采用三角形函數進行描述，輸入和輸出參數的隸屬度函數曲線分別如圖7和圖8所示。

圖7 E 和 _Ec 的隸屬度函數曲線

圖8 ΔK_p.ΔK_i 和 ΔK_d 的隸屬度函數曲線Fig.8 Membership function curves of ΔK_p ΔK_i and ΔK_d

3.2制定模糊規(guī)則表

選擇廣東省深圳市某公司生產的光柵尺作為取苗手指的移栽導軌上測量元件，具有抗干擾、高速度、耐振動等特性，工作溫度為 0^°C～40^°C ，九芯接口、工作電壓為 5V ，量程為 70～1020mm ，分辨率為 5μm ，對取苗手指的位置進行在線精準測量，并將測量結果及時反饋。

模糊PID控制器根據光柵尺的反饋信號與輸入信號比較，輸出株距誤差 E 和誤差變化率 Ec ，迅速對控制器的3個參數進行調整，實現取苗手指在疏植移栽過程中的精準控制，滿足多肉植物末端執(zhí)行器對取苗手指精準定位的要求。根據模糊控制理論，對PID控制器的3個參數制定變化規(guī)則。

1）株距誤差 E 較小時，為提高系統的抗干擾能力，比例系數 K_d 的調整要依據誤差變化率 Ec ，避免系統在某一設定值出現振蕩；需要適當調小積分系數 K_i 和比例系數 K_p ，提高系統的穩(wěn)定性。

2）株距誤差 E 適中時，微分系數 K_d 設置為適中以保持好系統的響應速度；通過調低積分系數 K_i 和比例系數 K_p 來控制系統的超調量，以免出現太大超調量。

3）株距誤差 E 較大時，調小 K_i 甚至設置為0，避免系統運行過程中的超調量過大；為進一步提高系統的響應能力，可考慮適當調低 K_d 和調高 K_p

基于多肉植物疏植移栽工藝，結合上述控制規(guī)則，查閱相關文獻資料，制定PID控制變量 K_p?K_i?K_d 的控制規(guī)則，如表3所示。

表3模糊控制規(guī)則表Tab.3Fuzzy control rules

模糊控制器的3個參數 計算如式（4）～式（6）所示。

式中： K_p0、K_i0、K_d0 -PID參數的初值；

ΔK_p.ΔK_i.ΔK_d ——模糊控制表中的修正值。

PID控制計算如式（7）所示。

式中： u —控制器輸出；u₀ 1 初始控制量；Δu 一當前控制增量。

為進一步明晰PID控制器參數與株距控制誤差之間的關系，根據模糊控制原理與輸人參數的隸屬度函數關系，設置相應的參數，應用Origin軟件繪制出響應曲面，進一步優(yōu)化控制性能，如圖9所示。

圖9 K_p.K_i 和 K_d 響應曲面

Fig.9 K_p ， K_i and K_d response surfaces為驗證所設計系統的株距調節(jié)精度能力，將模糊

PID控制器和普通PID控制器進行聯合仿真試驗。根據株距調節(jié)裝置的結構和工作流程，首先在MATLAB軟件里面構建仿真模型，然后對仿真系統的各參數進行設置，轉速設置為 275r/min ，PID控制器的 K_p?K_i，K_d 的取值范圍為 （-10，10） ， K_p0=0.56 、K_i0=0.24，K_d0=0.01 ，取投苗速度為60株/ min 進行仿真試驗，仿真結果如圖10所示。

由表4可知，模糊PID控制與普通PID控制算法相比，上升時間縮短0.07s，超調量減少 1.84% ，調節(jié)時間縮短 0.09s 。試驗數據表明，模糊PID控制器的取投苗裝置響應速度有所增強，系統運行穩(wěn)定、響應速度快、超調量低，更好地完成株距動態(tài)調節(jié)。

表4控制效果對比Tab.4Comparison tableof control effects

4試驗設計與結果分析

4.1 正交試驗法

試驗材料選擇多肉植物種植基地福建省漳州市高新區(qū)鄒塘村的多肉植物，分別選取30盤128孔穴盤的多肉植物進行移栽。搭載多肉植物自動移栽試驗臺，如圖11所示，進行自動移栽試驗。

圖11多肉植物自動疏植移栽試驗臺Fig.ll Automatic sparse and transplantationtest benchfor succulent plants

采用 L₉（3⁴） 正交表安排試驗，為更好地提高末端執(zhí)行器的整體性能，選擇末端執(zhí)行器的取苗頻率、工作氣壓、基質含水率3個重要參數作為本次正交試驗的試驗因素，如表5所示。末端執(zhí)行器主要的工作任務是取投苗，移栽過程，由于取苗針對苗缽的作用力，易造成苗缽變形和顆粒脫落，為盡量保證苗缽完好無損和成功完成取投苗，故選擇取投苗成功率 Y₁ 和苗缽完整率 Y₂ 作為試驗指標。苗缽的完整率是移栽后質量與移栽前總質量的比值，取投苗成功率是成功完成取投苗的株數與進行取投苗株數的比值。30株多肉植物為一組，每次試驗取相同樣本3次重復試驗，取試驗數據的平均值作為試驗結果。

式中： W_iΩ ——取投苗的總株數，株；W₂ ——取投苗失敗的株數，株。

式中： m₁ —移栽前苗缽總質量，g;m₂ -移栽過程中苗缽脫落的質量，g。

表5正交試驗因素水平Tab.5Orthogonal test factorlevels

4.2 分析試驗結果

對正交試驗的試驗數據進行規(guī)范化整理，如表6所示， .A，B，C 分別表示取苗頻率、工作氣壓、基質含水率的編碼值。由表6可知，取投苗成功率的最佳組合為A₂B₁C₂，3 個參數變化對取投苗成功率影響從大到小分別為 B，A，C ；移栽苗缽完整率的最佳組合為 A₂B₁C₂ 3個參數變化對苗缽完整率的影響從大到小分別為 A 、B，C 選擇最佳組合 A₂B₁C₂ 時，多肉植物末端執(zhí)行器的苗缽完整率和取投苗成功率都最高，即在取苗頻率為60株/ 、工作氣壓為 0.2MPa 、基質含水率為 60% 的組合下，末端執(zhí)行器的工作性能最優(yōu)。

表6移栽正交試驗結果Tab.6 Results of orthogonal tests for transplant

4.3參數優(yōu)化及驗證

為進一步提高多肉植物取投苗裝置的整體性能，對取投苗試驗因素進行優(yōu)化處理。利用Design—Expert軟件創(chuàng)建取苗頻率、工作氣壓、基質含水率兩兩因素交互對取投苗效果的數學模型，在Origin軟件繪制各因素交互作用對取投苗成功率和苗缽完整率的3D響應曲面圖，如圖12和圖13所示。

選取苗缽完整率和取投苗成功率作為優(yōu)化目標，用軟件進行求解，當取苗頻率為61株/ min 、工作氣壓為 0.22MPa 、基質含水率為 58% 時，取投苗效果最好，取投苗成功率為 94.28% ，苗缽完整率為 93.56% 。再次選取128孔穴盤的多肉植物穴盤3盤進行試驗驗證，試驗結果如表7所示，取其平均值，取投苗成功率為 94.41% ，苗缽完整率為 93.66% ，與傳統的人工方式相比，取苗頻率提高 23.72% ，取投苗成功率提高6.04% ，苗缽完整率提高 7.43% 。

表7不同取投苗方式的試驗對照表

Tab.7 Comparison table of experiments on different seedlings method

5 結論

1）根據多肉植物的自身物理特性，開發(fā)一種株距可調的末端執(zhí)行器。結合多肉植物的移栽工藝流程，設計相應的氣壓控制系統，用軟件仿真驗證其取投苗工作性能。采用模糊控制取苗手指的株距動態(tài)調整，提高取苗手指的定位精度。搭建多肉植物末端執(zhí)行器試驗臺，實現自動取投苗作業(yè)。

2）以苗缽完整率和取投苗成功率為試驗指標，以取苗頻率、工作氣壓、基質含水率作為試驗因素，進行正交試驗和驗證試驗。結果表明，在取苗頻率為61株/ min 、工作氣壓為 0.22MPa 、基質含水率為 58% 的組合下，取投苗成功率為 94.41% ，苗缽完整率為 93.66% ，滿足多肉植物移栽機對末端執(zhí)行器的工作要求。

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