水植生菜自动采摘装置整体方案设计_蒋会哲.pdf

193 食品机械 食品工业 2021 年第42卷第 9 期 水植生菜自动采摘装置整体方案设计 蒋会哲 1 张春燕 2 1 郑州铁路职业技术学院 郑州 450000 2 黄河科技学院 郑州 450000 摘要由于农用土地资源的不断减少 水植栽培凭借其极高的资源利用率成为先进的农业发展技术 随着农村年 轻劳动力不断外移 水植栽培对自动化设备需求越来越高 目前国内外对水植栽培模式叶菜类的自动采摘装置的 研究较少 以水植生菜为研究对象 对标人工采摘的特点 确定了自动化采摘各环节机构装置所需具备的功能 通过 对比多种机构方案 选择了链轮定植板运输方案 根部剪刀切割方案 仿型手指拔取搬运机构方案 最终得到了水 植生菜自动采摘整体方案和工艺流程 关键词 自动化设备 水植生菜 自动采摘 整体方案 Overall Scheme Design of Automatic Collection Device for Water Plant Lettuce JIANG Huizhe 1 ZHANG Chunyan 2 1 Zhengzhou Railway V ocational and Technical College Zhengzhou 450000 2 Huang He Science and Technology University Zhengzhou 450000 Abstract Due to the continuous reduction of agricultural land resources water planting has become an advanced agricultural development technology because of its high utilization rate of resources With the continuous migration of rural young labor force the demand for automation equipment in water planting cultivation is higher and higher At present there is little research on the automatic collection device of leaf vegetables in water planting cultivation mode at home and abroad In this paper the water plant lettuce is taken as the research object According to the characteristics of manual picking the functions required for each link of automatic picking are determined Through the comparison of various mechanism schemes the chain wheel fixed transportation scheme root scissors cutting scheme and imitation finger extraction and handling mechanism scheme are selected Finally the overall scheme and technological process of water plant lettuce automatic collection are obtained Keywords automation equipment water plant lettuce automatic acquisition overall scheme 日益增长的人口和土地资源减少产生的矛盾一直 以来是全球面临的主要难题 如何减少土地占用率同 时提高农作物产量迫在眉睫 1 其中蔬菜作为人们食 谱中关键的一环 具有重要的营养价值和商业效益 2 目前传统的土壤种植蔬菜产能已无法满足人们需求 植物工厂种植模式已逐渐流行全球 据预测 2020年 中国植物工厂规模将达到100亿 相关产业及生产设 备都将井喷式发展 3 4 植物工厂是通过人为营造植物所生长的环境条 件 从而达到植物快速高效成长的一种现代农业生产 方式 5 7 水植栽培是植物工厂的典型代表 可以采用 立体栽培方式从而提高土地利用率 同时直接对农作 物根部输送营养液 使农作物加速生长 培养作物的 生长速度为常规土壤种植的2 4倍 土地利用率更是 高达40 108倍 8 随着我国农村年轻劳动力不断外移 植物工厂对 自动化程度要求越来越高 9 以水植生菜为例 目前 国内外生菜的立体搬运 根部切割 拔取 包装都是 以人工为主 10 Hayashi 11 设计出茄子自动采摘设备 Reed 12 周云山等 13 都设计了蘑菇自动采摘设备 12 13 杜冬冬等 14 设计了一种甘蓝自动采摘设备 但仅仅适 用于大田种植方式 目前对于水植栽培模式叶菜类的 自动采摘设备研究较少 因此 此次研究以水植生菜 为试验对象 对生菜的自动采摘方案进行研究 以期 为水植生菜自动采摘设备的设计提供一定参考 1 水培生菜培养及采摘现状分析 水植生菜目前常用的栽培方式有平面栽培和立体 栽培两种 15 平面栽培方式如图1 a 所示 将生菜 置于玻璃温室内进行日光培养 立体栽培方式如图1 b 所示 生菜错落分布在封闭植物工厂内 采用 LED人工光源进行培养 图1 水培生菜栽培方式 食品工业 2021 年第42卷第 9 期 194 食品机械 据调查 平面栽培模式和立体栽培模式 营养液 输送 循环 监测 调控均已实现自动化 播种 移 栽定值 生菜采摘却依然以人工为主 水植生菜目前的人工采摘方式主要有去根采摘和 留根采摘两种 劳动力成本高 熟练的作业人员采摘 的生菜品质高 不散叶 完整性好 去根采摘方式如 图2 a 所示 作业人员在定值板上将生菜根茎去除 后进行采摘 留根采摘方式如图2 b 所示 生菜在 销售时全部保留着根须 图2 水培生菜栽培方式 去根采摘方式在生菜销售时不能体现其水培特 征 导致销售价格偏低 留根采摘方式体现了水培特 征 满足了消费者购买生菜后的培育和欣赏 但生菜 根部太长且大部分为根须 因此最佳方案为采用部分 留根采摘 即留取生菜主根长部分进行采摘 2 自动采摘装置性能及分析 结合生菜人工采摘方式的分析 想实现水培生菜 的自动采摘装置 需要具备的主要功能有 1 水 培生菜定植板的自动运输功能 2 单株水培生菜 根须自动切割功能 3 将去除根须的单株生菜从 定植板中自动取出的功能 4 水培生菜的自动搬 运功能 各个环节的主要性能需求如表1所示 表1 生菜采摘装置各环节主要性能需求 项目 性能需求 定植板 利于输送 强度高 满足生菜水培生长条件 定植板输送 可自动检测定植板 运输全过程平稳进行无抖动和 偏离 行程明确可达指定位置 根须切割 根须切除干净且切除后根部平齐 生菜拔取 生菜从定值板中取出无损伤 拔取过程平稳 生菜运输 可自动检测生菜 运输全过程平稳不损伤生菜 行程 明确可达指定位置 3 水培生菜自动采摘装置方案制定 3 1 定植板输送机构方案制定 借鉴物流运输过程中的自动化装置及定植板输送 所需满足的性能 水培生菜定植板输送装置的工作流 程如图3所示 根据常见的运送模式给出如图4 a 所示的带轮 输送和如图4 b 所示的链轮输送两种方案 使用带 轮运输的方式可以保证运输过程平稳 但定植板的质 量会对输送带形变产生影响 另外需要固定定植板的 输送轨迹 因此会引入 L 型挡板用于支撑和定位 定植板 这样会使输送带的磨损进一步加大 为了使 生菜根部和定植板顺利进入输送线 需要较大的张紧 力 会进一步磨损输送带 但带式输送构造相对简 单 成本较低 链传动运输相对于带传输不易磨损 且不需要太 大的张紧力 在步进电机的驱动下可以实现输送线的 间歇输送 运输定植板的倍速链型材自带挡板 可以 保证定植板的运输路线 定植板输入端无滚筒 可以 使输送线变短 但其构造相对复杂 成本较高 二者 对比如表2所示 图3 定植板输送装置工作流程 图4 定植板输送机构方案 表2 定植板输送机构方案比较 项目 轮张紧力 磨损 输送平稳性 挡边制作 成本 带式运输 较大 大 很平稳 需要 低 链式运输 小 小 平稳 无需 较高 195 食品机械 食品工业 2021 年第42卷第 9 期 考虑到大量作业时 对输送装置磨损性能要求更 高 建议采用链轮运输方案 3 2 根部切割机构方案制定 在定值板输送机构暂停期间 根部切割机构需要 在去除多余根系保留主根从而使生菜具备水植特性 通过查阅国内外切割机构设计文献及水植生菜切割 所需匹配的条件 提出3种根部切割机构方案进行对 比 图5 a c 分别为环形带刀切割机构 剪刀切割 机构 往复式切割机构 图5 根部切割机构方案 环形带刀切割机构为土壤种植叶菜类采收时常采 用的切割机构 环形带刀在两个电机驱动下对蔬菜根 部进行连续切割 运行平稳 水培生菜根部由于无土 相对轻飘 采用环形带刀切割机构很难保证切割后生 菜根部的齐平性 影响生菜水培特性 剪刀切割机构是根据人工去根方式进行设计的 其运行平稳 通过外力使剪刀开闭从而进行切根操 作 因此其控制系统相对复杂 但是能很好地保证水 培生菜根部的平齐性 如图5 b 所示 此处将剪刀 设计成一段固定 一段旋转的方式 可以一定程度上 降低剪刀开闭的复杂性 剪刀一侧采用连接板固定 在单杆双作用气缸的推动下可以进行移动 通过设计 不同大小的剪刀从而实现多个生菜根部同时切割 提 高工作效率 可用于大量作业 往复式切割机构和环形带刀切割一样 依靠刀片 与根部接触产生的切割力进行切割 但水植生菜根部 较轻 因此也不能保证水培生菜根部的平齐性 切割 刀片固定在一维的连杆上 因此在切割过程相对不平 稳 容易产生较大噪音 三种根部切割机构的对比如 表3所示 表3 根部切割机构方案比较 项目 运行平稳性 根部平齐性 切割复杂性 环形带刀切割 很平稳 不平齐 简单 剪刀切割 平稳 平齐 较复杂 往复式切割 较不平稳 不平齐 简单 3 3 生菜拔取搬运机构方案制定 生菜拔取机构最重要的是要保证可以无损伤地将 根须切割后的水植生菜从定值板中取出 同时将生菜 运往下一工站输送装置 对于小型物件 常见的抓取 方式有气爪抓取和仿型手指抓取 现针对这两种方 式提供两种拔取搬运机构方案进行对比 如图6 a b 所示 图6 拔取搬运机构方案 食品工业 2021 年第42卷第 9 期 196 食品机械 对于气爪拔取搬运机构 位于双轴气缸下端的气 爪一般为通用结构 其抓取力接近 但不同生菜其展 开度和根茎直径是有区别的 因此存在部分生菜被拔 取时出现损伤 出现脱落 若想解决该现象 就需要 针对不同生长情况的水植生菜设计不同的气爪进行拔 取 这会大大增加机构的复杂性和成本 对于仿型手指拔取搬运机构 其整体架构与气爪 拔取方式相近 位于双轴气缸下方的仿型手指其指间 间距和高度均可以进行调节 从而可应用于不同生长 情况的水植生菜 通用性高 成本低 两种方案的对 比如表4所示 表4 生菜拔取搬运机构方案比较 项目 叶损伤 通用性 结构复杂性 气爪拔取 大 较窄 复杂 仿型手指拔取 小 广泛 简单 3 4 水培生菜自动采摘最终方案制定 基于前3小节对自动采集装置各机构方案的分析 对比 分别选用链轮定值板运输方案 根部剪刀切割 方案 仿型手指拔取搬运机构方案 其构成的自动采 集最终方案如图7所示 配合上控制系统 其整个工 艺流程图如图8所示 注 1 水培生菜 2 定值板 3 仿型手指 4 双轴气缸 5 无杆气缸 6 倍速链轮 7 电机 8 单杆双作用气缸 9 切割剪刀 10 升降杆 图7 水培生菜自动采摘最终方案 图8 水培生菜自动采集方案工艺流程 4 结论 首先对目前水培生菜的人工采摘方式进行了分 析 基于人工采摘方式给出自动采集方式各个环节机 构装置所需具备的功能和性能 分别对定植板输送机 构 根部切割机构 拔取搬运机构的多个方案进行了 对比分析 最终选择了链轮定值板运输方案 根部剪 刀切割方案 仿型手指拔取搬运机构方案 确定了水 培生菜自动采摘的整体方案和工艺流程 对水植生菜 各重要环节机构的设计和方案进行对比 为水植生菜 自动化装置设计提供一定的参考意义 参考文献 1 阚大学 中国蔬菜产业国际市场势力实证研究 J 江苏农 业科学 2013 41 1 391 394 2 陈恒峰 郭辉 盛会 等 生菜自动化生产方案设计 J 农 业科技与装备 2016 7 34 35 3 刘文科 刘义飞 人工光植物工厂技术装备与产业发展的 战略思考 J 农业工程技术 2017 37 9 32 39 4 孙剑玲 我国设施农业发展现状及发展思路 J 种子科技 2019 37 13 134 137 5 JIANG Z G Development status problems and countermeasures of facility agriculture in Beijing J Engineering in Agriculture 2015 8 2 39 45 6 赵云霞 几种代表植物工厂化栽培技术研究 D 南京 南 京大学 2018 7 滕星 高星爱 姚丽影 等 植物工厂水培生菜技术研究进 展 J 东北农业科学 2017 42 1 40 45 8 HU M C A sustainable vegetable supply chain using plant factories in Taiwanese markets A Nash cournot model J International Journal of Production Economics 2014 18 12 49 52 9 揣成智 王建清 李树 等 塑料包装袋保鲜果蔬的研究 J 包装与食品机械 1997 6 4 8 10 杨艳丽 江海宇 杨丹彤 水培叶菜自动化生产系统 J 现代农业装备 2010 26 5 35 37 11 HAYASHI S K Robotic harvesting system for eggplants J Jarq Japan Agricultural Research Quarterly 2015 36 3 163 168 12 REED J N Automatic mushroom harvester development J Journal of Agricultural Engineering Research 2001 78 1 15 23 13 周云山 李强 李红英 计算机视觉在蘑菇采摘机器人上 的应用 J 农业工程学报 2011 11 7 27 32 14 杜冬冬 费国强 王俊 等 自走式甘蓝收获机的设计与 试验 J 农业工程学报 2010 26 2 31 37 15 刘士哲 水培蔬菜产业化前景及存在问题和解决途径 J 农业工程技术 2017 37 22 39 45