植物工厂岩棉块种苗移植机移植部件设计与试验.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 植物工厂岩棉块种苗移植机移植部件设计与试验 童俊华 null null 刘 珂 null 刘霓红 null 孙 良 null null 王小琴 null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull 浙江理工大学机械工程学院 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省种植装备技术重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 广东省现代农业装备研究所 广州 nullnullnullnullnullnull nullnull 农业农村部东南丘陵山地农业装备重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull 摘要 目前植物工厂岩棉块种苗移植装备自动化程度低 作业时大多依赖于人工 劳动强度大 效率低 基于植物 工厂水培叶菜种苗移植现状设计了一种二级变间距的高速移植部件 并配备有一种拨指式定植杯分离辅助机构 对移植手取苗过程中岩棉块种苗进行受力分析 为移植手设计提供依据 开展拨指式定植杯分离辅助机构落杯试 验 为后续植苗至栽培槽孔的定植杯中奠定基础 搭建移植机构试验平台 以取苗深度 岩棉块含水率 移植部件 横移速度 移植手升降速度 移植手夹苗间距为试验因素进行五因素三水平正交试验 通过方差分析各因素对移植 成功率的影响 试验结果表明 当取苗深度为 nullnull nullnull 岩棉块含水率为 nullnullnull 移植部件横移速度为 nullnull null nullnullnull 移植手 升降速度为 nullnull nullnull nullnullnull 移植手夹苗间距为 nullnull nullnull 时 机构移植成功率为 nullnullnull nullnull 移植速度为 nullnullnullnull 株 nullnull 能够满足高 速 高效 稳定的植物工厂岩棉块叶菜种苗移植机械化作业的技术需求 关键词 移植机 岩棉块种苗 移植手 植物工厂 中图分类号 nullnullnullnullnull null 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 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 作者简介 童俊华 nullnullnullnullnull 男 教授 博士 主要从事设施农业装备机电一体化技术研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 通信作者 孙良 nullnullnullnullnull 男 教授 博士 主要从事农机机构分析与综合研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull Design and Test of ock Wool Block Seedling Transplantation Mechanism in Plant Factory nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null School of Mechanical Engineering Zhejiang Sci Tech University Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Zhejiang Provincial Key Laboratory of Transplanting Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou nullnullnullnullnullnull China null Key Laboratory of Agricultural Equipment for Southeastern Hilly and Mountainous Areas Ministry of Agriculture and ural Affairs Hangzhou nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 0 引言 植物工厂是一种集约化的农业种植方式 可以 人为地控制各种蔬菜最佳的生长环境 不受场地制 约 采用循环营养液供给系统 提高了肥料利用率 能够全年稳定种植 是公认的设施农业最高发展阶 段 植物工厂的发展水平也成为衡量一个国家农业 技术水平的重要标志 null 但目前我国植物工厂机 械化程度不高 移植机器多为半自动移植机 栽植作 业仍然依赖人工完成 劳动强度大 植物工厂栽植机 械化程度不高 尤其缺乏针对岩棉块种苗的全自动 移植机构 null nullnull 严重影响了植物工厂的作业效率和 作业成本 因此开展具有高速 高效 稳定的岩棉块 种苗全自动移植机的研发势在必行 null 国外种苗移植机器研究较早 一些研发成熟的 产品主要是通过末端执行器搭配成熟的工业机器人 进行移植作业 null nullnullnullnull 等 null nullnull 设计了一种滑针式 取苗末端执行器 搭配机械臂进行取苗作业 取苗成 功率达到 nullnullnull nullnull 最高移植速度为 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 整体 效 率 不 高 荷 兰 nullnullnull nullnullnullnullnull 公 司 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 研发的固定道式基质块苗移栽机 法国 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 公司研发的 nullnullnullnullnull 型气动式基质 块苗移栽机 意大利 nullnullnullnullnullnullnull 公司的全自动种苗移栽 机以及 nullnullnullnullnullnullnull 公司研究生产的种苗移栽机较为成 熟 nullnull 研发的移栽机主要通过输送带 气动夹爪以 及气动推杆进行相互配合 达到高速取苗 null 送苗 null 分苗的功能 自动化程度较高 但这几类产品整体动 力大 价格高昂 并不适合我国农艺 近年来 随着 人工成本的提高以及科学技术的快速发展 我国研 究人员也致力于研发适合我国农艺以及种植模式的 移植装备 在一定程度上实现了机械化 移植机搭配 末端执行器也从单末端向多末端演化 但主要目标 苗株以穴盘苗为主 nullnull nullnullnull 韩绿化等 nullnull nullnullnull 设计了一 种适用于 nullnullnullnullnullnull 孔穴盘苗的轻简型温室穴盘苗自 动移栽机 该移栽机搭配设计一种两指四针钳夹式 取苗末端执行器进行取放苗作业 移栽作业时对于 nullnullnullnullnullnull 孔取苗移栽速度分别为 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 和 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 平均取苗成功率为 nullnullnull nullnull 但所设计 移栽机搭配单个末端执行器 整体移栽效率不高 黎 波等 nullnull nullnullnull 设计了两种移植机械手 一种为铲式移植 机械手 一种为伸缩针式移植机械手 作业对象为椰 糠基质 通过分析 最终确定当移植手处于伸缩针入 土角 nullnullnull 针直径 nullnull null nullnull 伸缩针入土间距 nullnull nullnull 条 件下时 移植成功率可达到 nullnullnullnull 但作业对象局限 于椰糠基质 整体移植速度不高 胡建平等 nullnull 针对 穴盘苗的栽植 设计了自走式移栽机行星轮转臂式 栽植机构 该机构每组栽植单体可以实现蔬菜的双 行移栽 可以适应 null 种不同株距的移栽作业 蔬菜苗 栽植率为 nullnullnull 但机器振动较大 影响了整体栽植 稳定性 侯加林等 nullnull 设计了一种基于 nullnullnull null nullnullnullnull 的辣椒钵苗移栽机 取苗方式为夹茎式 最佳条件下 取苗成功率可达 nullnullnull nullnullnull 但该移栽机适用于根茎 粗壮的钵苗 移栽对象有一定的局限性 崔志超 等 nullnull 针对甘蓝基质块苗设计了一种双排链式栽植 装置 通过配合种苗移栽机试验 得 出 倒 伏 率 nullnull nullnullnull 伤苗率 nullnull nullnullnull 但整体速度较低 无法实现 高速作业 孟青新 nullnull 设计了一种适合小空间作业的 可以进行二次夹紧的爪片式机械手 在机器搭配 nullnull 个机械手进行共同移植作业情况下 移植成功率达 nullnullnull nullnullnull 移植速度为 null nullnullnull 株 nullnull 一个作业循环需 nullnullnull nullnull null 机械手需要搭配弹性带进行变间距作业 无法实现自动变间距来适应不同作业对象育苗盘以 及栽培板 俞高红等 nullnull 设计了一种适用于小青菜的 非圆齿轮传动多行取苗机构 通过运动学分析以及 自主开发的反求设计软件 确定最佳取苗轨迹 试验 得出取苗机构取苗成功率为 nullnullnull 左右 周海丽 等 nullnull 通过分析受力以及移植手刚柔耦合仿真设计 了一种温室穴盘钵苗成排取苗移植手部件 该移植 部件通过 nullnull 爪移植手搭配移栽机进行取放苗试验 最佳条件下取放苗成功率为 nullnullnull nullnull 一个作业循环 需 nullnull nullnull null 综上 国内学者研发的移植装备 在一定 程度上实现了自动移植功能 但研究移植机的作业 对象多以穴盘苗为主 缺乏针对植物工厂岩棉块种 苗相配套的移植机设计与试验的研究 本文针对植物工厂岩棉块种苗高速移植机的作 业需求 设计一种用于植物工厂水培叶菜种苗的二 级变间距高速移植部件 并配备有一种拨指式定植 杯分离辅助机构 开展多因素试验确定移植最佳参 数 搭建试验样机 以验证整机作业性能 1 全自动移植机整机结构与工作流程 1 1 结构组成 全自动移植机的高速移植部件需要将成熟的岩 棉块种苗从泡沫育苗盘中取出 分栽至栽培槽孔的 定植杯中进行后续培育 定植杯分离辅助机构需要 将定植杯从堆叠状态分离开来 并且精准放入栽培 槽孔中 设计的全自动移植机整体结构如图 null 所 示 整机主要由机架 栽培槽承载板 定植杯分离辅 助机构 移植部件驱动模组 移植手 泡沫育苗盘承 载板 泡沫育苗盘安装定位板等组成 1 2 工作流程 全自动岩棉块种苗移植机移植作业主要包含 nullnullnull第 null 期 童俊华 等 植物工厂岩棉块种苗移植机移植部件设计与试验 图 null 移植机整机结构图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 栽培槽 nullnull 定植杯分离辅助机构 nullnull 移植部件驱动模组 nullnull 高 速移植部件 nullnull 泡沫育苗盘承载板 nullnull 泡沫育苗盘 nullnull 泡沫育 苗盘安装定位板 null定植杯分离辅助机构将定植杯分离开并精准投入 栽培槽孔中 以配合高速移植部件进行植苗作业 null高速移植部件处于合拢状态将岩棉块种苗从泡沫 育苗盘中取出 null高速移植部件移植手变间距分开 到达栽培槽孔的定植杯正上方进行植苗 作业流程 图如图 null 所示 图 null 作业流程图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 高速移植部件 nullnull 泡沫育苗盘承载板 nullnull 泡沫育苗盘 nullnull 栽 培槽承载机构 nullnull 定植杯分离辅助机构 nullnull 栽培槽 nullnull 植苗位 置 定植杯 将空栽培槽放置在栽培槽承载板上 将栽培槽 前移至落杯位置处 定植杯分离辅助机构开始进行 分离动作 分杯完成且将定植杯投入栽培槽孔中 后 将装有定植杯的栽培槽放置到植苗位置等待植 苗作业 供苗泡沫育苗盘放置在取苗区域 随后高 速移植部件开始工作 滑台气缸下行到最佳取苗深 度 移植手抓取岩棉块种苗 而后滑台气缸上升 滑 台气缸上升至最高位后 驱动模组带动高速移植部 件到达植苗位置 同时移植手通过驱动电机 齿轮齿 条副相互配合进行变间距分开 到达植苗区域栽培 槽孔中定植杯的正上方 将岩棉块种苗精准植入栽 培槽孔中的定植杯中后 高速移植部件在直线模组 驱动下回归取苗位置 移植手合拢至取苗间距 随 后将栽培槽向前移一排栽培槽孔的距离 等待下一 次植苗作业 如此循环往复实现泡沫育苗盘成排取 苗以及栽培槽变间距并行植苗作业 2 关键部件设计 2 1 岩棉块种苗物理特性 试验对象选用广良白云基地所育生菜种苗 栽 种在 nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 的 nullnullnull 孔 nullnull nullnullnull 泡沫育苗 盘内 穴孔为圆柱形 直径 nullnullnull null nullnull 深度 nullnull nullnull 栽 培载体为岩棉块 将育苗盘放置在配置好的营养液 中进行育苗 培育周期为 null nullnullnull null 此时叶菜种苗根 系发达 岩棉块包络性强且苗与苗之间叶片干扰较 少 泡沫育苗盘以及苗株如图 null 所示 图 null 泡沫育苗盘及苗株 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 2 2 高速移植部件设计 高速移植部件由 null 个移植手 移植部件驱动单 元 移植部件固定板 移植部件横移导轨 齿条 机架 等组成 具体结构见图 null 高速移植部件整体横移 工作区长为 null nullnullnull nullnull 移植手变间距工作范围为 null nullnullnullnull nullnull 图 null 高速移植部件结构图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 栽培槽 nullnull 移植手 nullnull 移植部件驱动单元 nullnull 移植部件固定 板 nullnull 移植部件横移导轨 nullnull 齿条 nullnull 泡沫育苗盘 高速移植部件作业时首先进行变间距来对应 null 个取苗位置 如图 null 所示 同时还需要配合移植手变 间距来实现取苗 植苗作业 初始时高速移植部件 在直线模组驱动下到达取苗位置 null 此时 null 个移植 手合拢到达图 null 红色穴孔正上方 取苗后 直线模组 驱动高速移植部件到达植苗位置 同时移植手在步 进电机 齿轮齿条相互配合下进行变间距分离到达 植苗位置栽培槽中定植杯的正上方 第 null 次植苗结 束后 直线模组驱动移植部件移动至取苗位置 null 与 此同时移植手合拢到达取苗位置 null 绿色穴孔正上 方 随后重复上述取苗 植苗步骤 第 null 次植苗结束 nullnullnull 农 业 机 械 学 报 null null null null 年 后 直线模组驱动移植部件到达取苗位置 null 移植手 合拢到达取苗位置 null 蓝色穴孔正上方 随后进行取 苗 植苗步骤 直到第 null 次植苗结束后 泡沫育苗盘 第一排苗株被取完 泡沫育苗盘前进一个育苗孔中 心间距距离 到达取苗位置区域 移植部件也在直线 模组驱动下再次到达取苗位置 null 移植手复位合拢 至取苗位置 null 为下一次取苗做好准备 在高速移植 部件二级变间距配合下循环往复完成取苗 植苗 作业 图 null 取苗位置示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 2 3 移植手结构设计 齿轮齿条传动一方面可以完成较高精度直线运 动 另一方面可以由独立的驱动元进行驱动 完成预 设变间距动作 基于以上齿轮齿条优点本文设计了 一种驱动单元与齿轮齿条相结合的移植手 具体结 构如图 null 所示 移植手在取苗和植苗时如定位尺寸 偏差过大会出现取苗失败 取苗爪片扎穿泡沫育苗 盘 送苗过程中掉苗 植苗失败等情况出现 目标要 求移植手定位精度达到 null null nullnull 反 向 误 差 nullnullnull null nullnull 因此还需考虑机构定位精度 本文仅需 考虑单向定位精度 和反向差值 nullnull 通过三菱 nullnullnull 进行驱动控制 保证运行过程中的平稳性 安装时保 图 null 移植手结构图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 步进电机 nullnull 移植手背板 nullnull 整体固定板 nullnull 导轨 nullnull 滑块 nullnull 齿轮 nullnull 齿条 证机构的平行度 精准度 来确保取苗 植苗时的精 确性 根据目标要求选择 null 级齿轮精度 齿条精度 null 级 齿 轮 模 数 为 n