蔬菜移栽夹茎式取苗装置设计与试验.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 蔬菜移栽夹茎式取苗装置设计与试验 王 秀 null null 刘蒙滋 null null 翟长远 null null 韩长杰 null 杨 硕 null 高原源 null nullnull 北京市农林科学院智能装备技术研究中心 北京 nullnullnullnullnullnull nullnull 江苏大学农业工程学院 镇江 nullnullnullnullnullnull nullnull 新疆农业大学机电工程学院 乌鲁木齐 nullnullnullnullnullnull 摘要 针对半自动移栽机作业效率低 作业质量差的问题 设计了一种面向蔬菜移栽机器人的夹茎式自动取苗装 置 取苗装置经过整排取苗 等距分苗 精准投苗 可实现高效 高质自动化取投苗作业 建立多级剪叉分苗机构 与夹苗装置的运动力学模型 对钵苗下落运动 气动系统进行模型设计及分析计算 搭建取苗试验装置 试验选取 穴盘辣椒苗作为研究对象 以钵苗苗龄 基质含水率 取苗频率为试验因素 设计以取苗成功率 基质破碎率为评价 指标的单因素试验 根据试验结果 采用 nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull 响应曲面分析法设计正交试验 探究了苗龄与基质含水 率 苗龄与取苗频率及基质含水率与取苗频率之间的交互作用对取苗效果的影响 优化取苗参数 试验结果表明 当苗龄 nullnull null 钵苗基质含水率 nullnullnull 取苗频率 nullnull 株 nullnullnullnull 时 取苗成功率为 nullnullnull nullnullnull 基质破碎 nullnull nullnullnull 可满足大田 自动化移栽的取苗及投苗要求 关键词 蔬菜自动移栽机 夹茎式取苗装置 气动夹苗装置 中图分类号 nullnullnullnullnull null 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金项目 国家重点研发计划项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 和北京市农林科学院科技创新建设专项 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 王秀 nullnullnullnullnull 男 研究员 博士 主要从事农业机械自动化研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null Intelligent Equipment esearch Center Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences Beijing nullnullnullnullnullnull China null School of Agricultural Engineering Jiangsu University Zhenjiang nullnullnullnullnullnull China null College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Agricultural University Urumqi nullnullnullnullnullnull China nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null 引言 移栽作业是蔬菜种植规模化不可或缺的一环 而我国的移栽作业仍以人工作业与半自动移栽机作 业为主 存在作业效率低 作业质量差和劳动强度大 的问题 null nullnull 为解决半自动移栽作业存在的问题 自动移栽机器人成为发展趋势之一 null nullnull 取投苗装置是移栽机器人的核心机构 设计高 效 稳定 适用性高的取苗装置是国内外自动移栽机 研制的重点及难点 null nullnull 国内外学者对此展开一系 列的研究 以欧美为代表的大型移栽机器人主要采 用机 电 气一体技术 具有整排取苗 效率高 体积 庞大的特点 null nullnull 典型机型有澳大利亚的 nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull 型移栽机 采用气动四爪夹取机构 气缸驱动 移栽爪取苗 投苗 标准化程度高 适应多种苗盘 适 用于温室流水线工作 nullnull 以日本为代表的小型自 动移栽机自动化程度高 结构紧凑 具有小块地垄上 移栽的特点 nullnull nullnullnull 典型机型有洋马农机株式会社的 nullnullnullnull 型蔬菜自动移栽机 采用行星齿轮与槽型凸轮 机构合成取苗爪从苗盘取苗后投入栽植器的运动轨 迹 nullnull 为满足国内的农艺与栽植要求 一些学者提 出了顶出式 nullnull nullnullnull 顶出夹取式 nullnull nullnullnull 插入夹取 式 nullnull nullnullnull 气力式 nullnull nullnullnull 等形式多样的取苗机构 叶 秉良等 nullnull nullnullnull 采用非圆柱齿轮的运动特性设计偏心 齿轮 null 非圆齿轮行星轮系蔬菜取苗机构 建立取苗 机构的运动学模型 数学模型和动力学模型 对取苗 机构进行优化 具有较好的取苗效果 但取苗运动轨 迹复杂 影响取苗稳定性 nullnullnull 等 nullnull 结合顶出式 和插入夹持式取苗的优缺点设计了一种插入顶出式 取苗装置 解决了顶出式取苗机构导致钵苗翻滚等 问题 冯世杰等 nullnull 基于自制非标活动苗盘设计出 顶出托举式取苗装置 通过穴盘定位装置下方的推 举机构 将自制活动苗盘顶开 将钵苗整体推出 进 而机械爪取苗 取苗效果好 但取苗装置针对自制非 标苗盘 难以推广 基于以上分析 为实现自动化移栽 提高自动移 栽机的取苗质量及稳定性 本文设计夹茎式取苗装 置 采用气动夹苗装置完成钵苗夹取 多级剪叉机构 实现等距分苗 经过理论分析后对关键部件设计优 化 完成取苗装置的搭建 选择辣椒苗作为试验对 象 进行单因素试验和正交试验 验证取苗机构的作 业可靠性及稳定性 null 自动取苗装置试验平台结构与工作原理 nullnull null 试验平台整机结构 设计的蔬菜移栽取苗装置试验平台如图 null 所 示 取苗装置试验平台由送盘装置 取苗装置 栽植 装置 气动系统及控制系统等组成 取苗装置由夹 苗装置 分苗装置 提升装置及移位装置组成 作业 时送盘装置通过步进电机将放置在推苗杆上的苗盘 送到取苗位置 夹苗装置夹取苗茎 由分苗机构将夹 取的钵苗等距分开 移位气缸将钵苗移动到苗杯上 方 当苗杯探测传感器接收到投苗信号后 控制系统 控制夹苗装置将钵苗投入苗杯中 变频电机为试验 平台的栽植装置提供动力 栽植装置中的苗杯运动 到栽植器上方时苗杯打开 将苗杯中的钵苗依次投 入栽植器中 完成一次取苗周期 图 null 整排夹茎式取苗装置结构简图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 取苗固定架 nullnull 移位气缸 nullnull 分苗机构 nullnull 苗杯 nullnull 苗杯探 测传感器 nullnull 栽植器 nullnull 变频电机 nullnull 穴盘定位杆 nullnull 推苗杆 nullnullnull 苗盘定位传感器 nullnullnull 苗爪定位传感器 nullnullnull 夹苗装置 nullnullnull 提升气缸 nullnullnull 移位固定板 nullnull null 工作原理 取苗装置作业过程如图 null 所示 推苗杆顺着链 条均匀布置在送盘装置上 作业时推苗杆支撑苗盘 并与苗盘定位杆配合定位苗盘 取苗过程分为以下 null 个阶段 null夹苗 送盘装置的步进电机带动推苗杆 运动进而推动苗盘前进 苗盘定位传感器检测到苗 盘到达并发出苗盘到位信号 检测到夹苗装置到达 取苗位置 苗爪定位传感器信号触发 苗盘到位信 号与夹苗装置到位信号同时存在时 夹苗装置夹持 苗茎 null取苗 夹取完成后 提升气缸收缩 将钵苗 从苗盘中取出 null移位 分苗气缸带动多级剪叉分 苗机构使钵苗等距分开 分苗气缸停止运动时 相邻 钵苗之间的距离与相邻苗杯之间的距离相等 同时 移位气缸收缩将钵苗从送盘装置上方移动到苗杯上 方 null投苗 苗杯探测传感器检测苗杯位置信息 当 获取 null 个苗杯信号后 夹苗装置的苗爪张开 钵苗落 入苗杯中 投苗后整个取苗机构按照原路返回 完成 一次取苗周期 等待下次取苗 nullnullnull第 null 期 王秀 等 蔬菜移栽夹茎式取苗装置设计与试验 图 null 取苗装置取苗过程示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull 移位气缸 nullnull 移位导轨 nullnull 移位滑块 nullnull 提升气缸 nullnull 剪叉 分苗机构 nullnull 钵苗 nullnull 夹苗装置 nullnull 苗杯 null 试验平台关键部件设计 nullnull null 取苗装置 nullnull nullnull null 分苗装置设计 取苗装置采用取苗 null 分苗 null 投苗的自动化控制 方式 取苗装置将钵苗从苗盘中取出自动投入到苗 杯中 分苗过程采用多级剪叉分苗机构实现钵苗等 距分散 图 null 为多级剪叉分苗机构作业原理图 剪叉 分苗机构的剪杆中心连接 null 个滑块 第 null 个滑块与 导轨固定连接 其中图 nullnull 为分苗机构收缩状态 夹 苗装置之间的距离与苗盘穴口间距相同 分苗气缸 伸出过程中推动第 null 个滑块运动 除与导轨固定连 接的滑块外 余下滑块随着第 null 个滑块等速 等距在 导轨上分散 夹苗装置固定板与滑块固定连接 固定 板上的夹苗装置随滑块分散 分苗气缸停止运动时 夹苗装置之间的距离与相邻苗杯之间的距离一致 分苗机构展开状态如图 nullnull 所示 图 null 分苗机构工作原理图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 夹苗装置固定板 nullnull 滑块 nullnull 夹苗装置 nullnull 固定滑块 本研究采用山东火绒农业科技有限公司设计的 nullnullnullnull nullnull 型半自动移栽机作为栽植装置 其相邻 苗杯的间距 L 为 nullnullnull nullnull 取苗系统针对 nullnull 穴盘的 育苗盘 苗盘穴口间距 X 为 nullnull nullnull 滑块的长度应小 于苗盘穴口间距 X 选用滑块的长度为 nullnull nullnull 如 图 null 所示 对多级剪叉分苗机构进行分析 剪杆的中 心在导轨上做直线运动 剪叉的剪杆长度为 null 有 U nullnullJ nullnullB null U nullnull nullnullnullnull null nullnull nullnullnullnull null null J null L null B null X null 式中 Unullnullnull多级剪叉分苗机构行程 nullnull Jnullnullnull分苗机构展开相邻滑块之间距离 nullnull nullnullnull剪叉分苗机构的半剪杆长 nullnull Bnullnullnull分苗机构收缩相邻滑块之间距离 nullnull null null nullnullnull未展开时剪杆在竖直方向夹角 null null nullnullnull展开时剪杆在竖直方向夹角 故臂长为 null null U null nullnullnullnull null null nullnullnullnull null null B nullnullnullnull null null 由此可以得到 B null Unullnullnullnull null null nullnullnullnull null null nullnullnullnull null null 对于剪叉分苗机构 null null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull 随 着 null null 的减小 所需气缸推力会急剧增大 null null nullnullnull 时 剪叉分苗机构臂长未能最大程度利用 null null nullnullnull 时 角度增大对位移的增长效果减小 nullnull 将数据代 入式 null null null null null 计算得出 U null nullnullnull nullnull 将 null null null nullnull null null nullnullnull 代入式 null 并对剪杆长度进行圆整 选取剪杆长度 null nullnullnullnull nullnull 半剪杆长 nullnullnull nullnull 取苗装置在一次取苗周期中 分苗气缸 提升气 缸 移位气缸 夹苗气缸分别伸缩 null 次 共有 null 个动 作 取苗频率在 nullnull 株 nullnullnull 下 气缸平均开合时间为 nullnull null null 分苗机构的收缩与张开时间应小于 nullnull null null 分 苗气缸在带动负载情况下 先做加速运动 达到最大 速度后为匀速运动 故 v m null U t z null a q null v m t j null 式中 v m nullnullnull分苗气缸最大速度 nullnullnull t z nullnullnull分苗气缸运动时间 null a q nullnullnull分苗气缸作用滑块的加速度 nullnullnull null t j nullnullnull分苗气缸加速时间 null 假定剪叉分苗机构的剪杆为轻杆 连接剪杆之 间的光滑铰链作为理想铰 如图 nullnull 所示 对气缸直 接作用滑块进行受力分析 有 nullnullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 F w null F Anull nullnullnullnull null F Anull nullnullnullnull null f null m z a q null 其中 f nullnullm z g nullnull 式中 F w nullnullnull气缸拉力 null fnullnullnull滑块所受摩擦力 null m z nullnullnull滑块 夹苗装置固定板 夹苗装置的总 质量 nullnull F Anull F Anull nullnullnull剪杆对滑块的作用力 null nullnullnullnull剪杆在竖直方向夹角 a q nullnullnull分苗气缸作用滑块的加速度 nullnullnull null nullnullnullnull滑块与导轨之间的摩擦因数 gnullnullnull重力加速度 nullnullnull null 分别对分苗机构各滑块进行受力分析 在各滑 块运动过程中 各滑块之间的加速度比与位移比相 同 对各滑块进行受力分析可以得出 F w nullnullf nullnullm z a q nullnull 在气缸伸出过程中 由于加速时间短 可看作匀 加速运动 分苗过程中钵苗的加速度及减速对钵苗 基质的影响显著 减小滑块加速度 t j 取 nullnull null null 单个 滑块 夹苗装置固定板 夹苗装置的总质量 m z null null nullnull null nullnullnull null 将上述数据代入公式得出最小气缸推 力 F nullnullnullnull nullnull