对称式蔬菜单株自动嫁接机设计与试验_王家胜.pdf

2 0 2 5年1月农业机械学报第56卷第1期 doi 10 6041 j issn 1000鄄1298 2025 01 015 对称式蔬菜单株自动嫁接机设计与试验 王家胜摇李洋鹏摇高春风摇王东伟 青岛农业大学机电工程学院 青岛266109 摘要 根据茄科蔬菜贴接法嫁接工艺要求 设计了一种对称式蔬菜单株自动嫁接机 在PLC系统控制下 可以连续 自动完成对砧穗木苗株的夹取传送 切削 对接以及对嫁接夹裁切 持夹上夹 夹苗固定等功能 重点设计了构成 嫁接机的取送苗机械臂 夹持苗机械手 砧穗木切削装置 裁夹上夹装置以及控制系统 确定了各机构关键结构参 数以及控制流程 选择辣椒苗为嫁接对象 开展了蔬菜单株自动嫁接机样机性能试验 试验结果表明 各环节执行 时间越短 即加快执行速度 嫁接合格率均会下降 影响程度由大到小依次为对接苗时间 上夹时间和取送切苗时 间 嫁接苗损伤率的影响则集中在取送切苗环节 该环节执行速度越快 嫁接苗损伤率会有所上升 在各环节执 行时间优化基础上 分别对主夹指高度和砧穗木切削装置刀刃倾角进行单因素结构优化试验 获得最优主夹指高 度和刀刃倾角分别为13 mm和25毅 优化后蔬菜单株自动嫁接机嫁接效率为300株 h 损伤率为2郾 5 嫁接合格 率为94郾 8 达到了设计要求 关键词 嫁接机 茄科蔬菜 机构设计 自动取苗 嫁接夹裁切 中图分类号 S223郾 1 S616文献标识码 A文章编号 1000鄄1298 2025 01鄄0141鄄10 OSID 收稿日期 2024 02 02摇修回日期 2024 04 12 基金项目 山东省重点研发计划 重大科技创新工程 项目 2022CXGC010611 2021CXGC010813 作者简介 王家胜 1976 男 教授 主要从事智能农机装备与技术研究 E鄄mail jiasheng0813 163 com 通信作者 王东伟 1981 男 教授 主要从事智能农机装备研究 E鄄mail w88030661 163 com Design and Test of Symmetrical Structure Vegetable Grafting Robot for Single Plant WANG Jiasheng摇 LI Yangpeng摇 GAO Chunfeng摇 WANG Dongwei College of Mechanical and Electrical Engineering Qingdao Agricultural University Qingdao 266109 China Abstract A symmetrical structure automatic grafting robot for Solanaceae vegetables was designed according to the grafting process requirements of Solanaceae vegetables Under the control of a PLC system it can continuously and automatically achieve functions such as picking conveying cutting docking of rootstock and scion seedlings as well as cutting clamping and fixing the grafting clamp The key structural parameters and control process algorithms of each mechanism were determined with a focus on designing the seedling picking and delivery mechanical arm seedling clamping mechanical arm rootstock cutting device cutting and clamping device and control system that make up the grafting robot Pepper seedlings were selected as the grafting object and the performance tests on the prototype of an automatic vegetable grafting robot were carried out The experimental results showed that the faster the execution speed was the lower the grafting qualification rate was The degree of influence in descending order was the docking time clamping time and seedling picking time The main impact of grafting seedling damage rate was concentrated in the process of picking delivering and cutting seedlings The faster the execution speed of this process was the higher the grafting seedling damage rate would be On the basis of optimizing the execution time of each link single factor structural optimization experiments were conducted on the height of the main gripper finger and the inclination angle of the cutting edge in the rootstock cutting device and the optimal parameters for the height of the main gripper finger and the inclination angle of the cutting edge were obtained as 13 mm and 25毅 respectively The grafting efficiency of the optimized single plant vegetable automatic grafting machine was 300 plants h with damage rate of 2郾 5 and grafting qualification rate of 94郾 8 which met the design requirements Key words grafting robot Solanaceous vegetable mechanism design seedling picking automatically grafting clips cutting 0摇引言 蔬菜嫁接是抵御土传病害 提高蔬菜产量和品 质最有效的手段 1 目前我国茄科类和瓜科类蔬菜 嫁接苗每年生产量达5 伊 1010株 2 蔬菜嫁接时效 性强 3 每培育一批苗株需在短时间段内完成嫁 接 然而当前国内蔬菜嫁接主要靠人工完成 存在作 业效率低 用人成本高 嫁接质量不稳定等问题 限 制了蔬菜种苗商品化规模 因此 实现蔬菜苗自动 化嫁接对于推动蔬菜产业发展意义重大 日本最早开始蔬菜自动嫁接技术研究 4 典型 机型如井关公司的GR800系列半自动蔬菜嫁接 机 5 6 效率可达800株 h 成功率95 在此基 础上 井关公司开发出具有自动取苗和上苗功能的 GRF800 U型葫芦科蔬菜全自动嫁接机 7 8 韩 国HRC公司开发的利用振动排序送夹和人工辅助 上苗半自动蔬菜嫁接机 9 效率达600株 h 荷兰 ISO公司研发的半自动蔬菜嫁接机 10 通过旋转盘 结构完成嫁接苗的切削和上夹固定 意大利和西班 牙合作开发的EMP 300型和GR300型半自动蔬 菜嫁接机 11 12 在人工喂苗辅助下嫁接效率约 300株 h 国内方面 张铁中团队 13 15 先后开发出 单子叶贴接法 双臂式旋切机构等多款半自动蔬菜 嫁接机 嫁接效率超过600株 h 辜松团队 16 17 研 制出采用插接法的半自动葫芦科蔬菜嫁接机 嫁接 效率300株 h以上 姜凯等 18 19 设计一种柔性夹 持搬运机构 保持较低伤苗率下实现了上苗 切削 对接同步高效嫁接 王家胜等 20 21 设计了劈接法 的蔬菜多株同步嫁接机 在穴盘内完成自动嫁接 嫁 接效率超过700株 h 童俊华等 22 设计了一种单 人贴接式半自动蔬菜嫁接机 采用仿形导向块和气 缸夹持手 嫁接成功率为89 国外自动化程度较高的蔬菜嫁接机在技术上更 为成熟和先进 但结构也非常复杂 价格昂贵 且对 育苗标准化要求极高 并不适应国内蔬菜育苗生产 模式 国内蔬菜自动嫁接技术研究整体并不成熟 绝大部分处于试验和样机阶段 由于穴盘内蔬菜苗 株柔嫩易伤和个性化差异 全自动蔬菜嫁接技术仍 是突破的难点 研发装备主要是靠人工喂苗的半自 动嫁接机 用工成本较高 本文针对贴接法嫁接工 艺流程 设计蔬菜单株全自动嫁接机 为自动化蔬菜 嫁接装备开发提供支撑 1摇整机方案设计 1郾 1摇嫁接方法选择 茄科蔬菜常用嫁接方法有贴接法 劈接法 靠接 法等 其中贴接法嫁接工艺如图1所示 先分别用 刀具在砧木第1片子叶上1 cm和穗木真叶下1 cm 处斜切 切面与垂面夹角约30毅 取切后砧木下半根 茎部和穗木上半茎叶部 将两者切面贴合 用嫁接夹 固定 完成嫁接 贴接法工艺相对简单 适合机械化 操作 因此选贴接法为自动嫁接方法 图1摇贴接法嫁接工艺示意图 Fig 1摇 Schematic of pith鄄cambium grafting process 摇 1郾 2摇整机结构与原理 依照贴接法的嫁接工序 设计蔬菜单株全自动 嫁接机 整机结构方案如图2所示 主要由砧 穗 木取送苗机械臂 砧 穗 木夹持苗机械手 砧 穗 木切削装置 裁夹上夹装置 砧 穗 木盘输送带和 嫁接苗输送带等组成 砧 穗木工作部件呈对称结构 布置 图2摇对称式蔬菜单株自动嫁接机整机结构图 Fig 2摇 Structural diagram of single鄄plant vegetable automatic grafting robot 1 穗木取送苗机械臂摇 2 砧木取送苗机械臂摇 3 砧木夹持苗机 械手摇 4 砧木切削装置摇 5 砧木盘输送带摇 6 嫁接苗输送带摇 7 裁夹上夹装置摇 8 穗木盘输送带摇 9 穗木切削装置摇 10 穗木 夹持苗机械手 摇 工作过程中 砧木 穗木输送带同时将苗盘输送 到既定位置后 砧木 穗木取送苗机械臂带动砧木 穗木夹持苗机械手将穴盘内砧木 穗木苗夹持取出 然后输送至切削工位 由砧木 穗木切削装置完成斜 切 接着将切后的砧木 穗木向中间聚合 实现砧木 穗木对接 与此同时 裁夹上夹装置先将长的夹条 裁切为单个嫁接夹 再由上夹机械手打开嫁接夹后 上夹 将对接好的砧木 穗木夹持固定在一起 砧 241农摇业摇机摇械摇学摇报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2 0 2 5年 穗 木夹持苗机械手松开 嫁接苗落到柔性嫁接苗 输送带上 输出后进行码盘 完成一组苗株嫁接 之 后夹持苗机械手再退至穴盘处重复下一组蔬菜苗嫁 接 在PLC控制单元统一控制下分别由气动元件 和步进电机驱动完成 2摇关键结构设计 2郾 1摇取送苗机械臂 砧 穗 木取送苗机械臂结构如图3所示 主要 由3组滑动模组构成 每组滑动模组在步进电机 丝 杠滑台和滑块的作用下实现横向 纵向和垂向三维 方向的组合运动 带动夹持苗机械手将蔬菜苗株从 穴盘中取出 并送至切削工位和贴接工位完成嫁接 作业流程 图3摇取送苗机械臂结构图 Fig 3摇 Structural diagram of robotic arm for picking and delivering seedlings 1 横向丝杠滑台摇 2 横向滑块摇 3 垂向驱动电机摇 4 垂向丝杠 滑台摇 5 横向驱动电机摇 6 纵向滑块摇 7 纵向丝杠滑台摇 8 纵 向驱动电机摇 9 垂向滑块 摇 横向滑动模组运动行程取决于横向运动的最大 长度 即穴盘最远端苗株到嫁接机纵向中心线间的 距离 结合本嫁接机整体结构及6 伊12规格穴盘结 构尺寸 取横向滑动模组运动行程L1 420 mm 纵 向滑动模组是驱动夹持苗机械手纵向插入穴盘苗株 之间后夹取苗 其运动行程理论上应大于穴间距 43 mm 但由于苗株叶冠外展 为防止夹持苗机械手 对苗株叶冠的碰触干涉 取纵向滑动模组运动行程 L2 70 mm 垂向运动行程是确保苗株从穴盘垂向 拔起且基质底部高于穴盘高度 根据穴盘垂向高度 为45 mm 基质底部高出穴盘65 mm 则取垂向滑动 模组运动行程L3 110 mm 2郾 2摇夹持苗机械手 2郾 2郾 1摇夹持苗机械手结构 砧 穗 木夹持苗机械手主要由拢苗辅助夹指 机构和主夹指机构组成 图4 由于蔬菜苗株生长 的个体差异 茎秆存在不同方向的歪斜 为精准夹 持 在机械手纵向插入穴盘苗间后 先通过拢苗辅助 夹指机构的2个吁形夹指将苗株合拢到中心位置 再由主夹指机构将苗秆夹紧拔起 由于砧木与穗木 夹持位置不同 砧木夹持苗机械手拢苗辅助夹指机 构在上 主夹指机构在下 穗木夹持苗机械手主夹指 机构在上 拢苗辅助夹指机构在下 另外 拢苗辅助 夹指机构除了聚拢定位外 还起到辅助夹持苗株的 作用 可达到双支撑切割的条件 完成切割后 拢苗 辅助夹指机构与主夹指机构夹持的苗株分离 砧 穗 木对接气缸推送主夹持机构横向移动 完成砧 穗 木对接 图4摇夹持苗机械手结构图 Fig 4摇 Structural diagram of clamping seedling manipulator 1 拢苗电机摇 2 砧 穗 木对接气缸摇 3 主夹指机构摇 4 拢苗辅 助夹指机构 摇2郾 2郾 2摇拢苗辅助夹指机构 拢苗辅助夹指机构 图5 主要由中央曲柄 连 杆 上 下拢苗夹指 拢苗滑块和滑轨等组成 工作 过程中 中央曲柄在拢苗电机驱动下旋转 经两端连 杆带动上 下拢苗夹指沿导轨相对横向滑动 实现拢 苗辅助夹持动作 由于吁形夹指在同一平面布置则 无法夹紧 需将两夹指上下交错布置 夹紧状态下两 夹指不会干涉 图5摇拢苗辅助夹指机构结构图 Fig 5摇 Structural diagram of auxiliary finger clamping mechanism for seedling collection 1 下拢苗夹指摇 2 拢苗滑块摇 3 滑轨摇 4 连杆摇 5 中央曲柄摇 6 上拢苗夹指 摇 拢苗辅助夹指机构运动简图如图6所示 实线 部分为夹指张开状态 虚线部分为夹指夹紧状态 根据图6几何结构关系 建立中央曲柄旋转角兹与 夹指位移xA关系的数学模型为 341第1期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇王家胜等 对称式蔬菜单株自动嫁接机设计与试验 图6摇拢苗辅助夹指机构运动简图 Fig 6摇 Kinematic diagram of auxiliary finger clamping mechanism for seedling collection 摇 xA 12 l1cos兹 l22 12 l1sin 兹 2 1 式中摇 l1 中央曲柄总长度 mm l2 连杆长度 mm 结合机构空间和苗株生长间隔 取l1 40mm l2 20 mm 利用Matlab数值计算对式 1 求解可得xA 与兹为0毅 90毅间的关系曲线 如图7所示 夹指插 入穴盘苗株行间后 为了避免对临行苗株的碰触 单 个夹指从张开状态到夹紧状态的行程应小于穴间 距 即 驻x RC RA 影响程度由大到小依次为对接苗时间 上夹时 间和取送切苗时间 嫁接苗损伤率的主要影响则集 中在取送切苗环节 该环节的执行速度越快 嫁接苗 损伤率会有所上升 相对而言 对接苗与上夹两个 环节时间对苗株的损伤率影响很小 表4摇嫁接性能正交试验结果 Tab 4摇 Orthogonal test results of grafting performance 序号因素A B C损伤率 合格率 嫁接效率 株 h 1 1 1 1 1 6郾 5 70郾 6 450 2 1 2 2 5郾 4 89郾 4 360 3 1 3 3 5郾 9 90郾 3 240 4 2 1 2 3郾 1 83郾 3 327 5 2 2 3 2郾 2 93郾 8 257 6 2 3 1 2郾 9 87郾 4 276 7 3 1 3 1郾 7 85郾 6 225 8 3 2 1 1郾 9 86郾 1 257 9 3 3 2 1郾 5 94郾 2 211 摇 摇在取送切苗环节 设定时间变短 执行速度加 快 苗株损伤率上升 嫁接合格率有所下降 由于主 夹指内口粘有柔性材料 直接夹持致伤的几率非常 小 通过观察分析 导致苗株损伤的原因主要在横向 移动过程中 苗株根部基质块在较大的加速惯性作 用下发生摇摆致使临近夹持位的茎秆弯曲变形大而 发生折伤 另外 切苗环节切刀较大的纵向推力冲 击也会产生茎秆的撕裂损伤 对于嫁接合格率 尽 管取送切苗的结果不是判定的直接依据 但苗株夹 持稳定性以及苗株切削面规整性是保障砧穗木高质 量对接和上夹固定的条件基础 在拢苗机构辅助 下 主夹指能够较精准地将苗株稳定夹持 但因盘内 苗株生长的个体差异性 不能保持一致的直立度 取 苗执行速度加快后会因接触碰撞导致夹持质量下 降 是影响后续嫁接质量降低的重要因素 试验中 发现 切苗速度越大 苗株切面越光滑平整 有利于 保障对接质量 但速度过大 整机受到更强的振动冲 击 反而影响嫁接合格率 在砧穗木对接环节 两苗株切削面贴合质量和 对接精准性是影响嫁接合格率最重要的因素 除了 设备本身的结构误差外 切面对接不够精准与苗株 生长的个体形态尺寸的差异性有较大关系 特别是 对接苗速度提高后 嫁接合格率会出现明显下降 在该环节应尽量降低速度 保障对接质量 在上夹环节 开夹和纵向送夹速度对嫁接合格 率影响较小 而松夹固定嫁接苗的动作过快对嫁接 成功率有较大影响 通过调节持夹手指气缸的节流 孔获得合适的松夹速度有利于砧穗木苗株的稳定 夹持 综合以上试验结果 进一步优化各环节时间 设定 取送切苗时间 对接苗时间 上夹时间和回位时间分别 为6 2 2 2 s 嫁接试验得到嫁接效率为300株 h 损伤 率为2郾 7 嫁接合格率为93郾 5 4郾 2郾 2摇结构优化试验 在保持各环节时间优化基础上 即嫁接效率为 300株 h不变的情况下 不同主夹指高度下试验结 果如表5所示 表5摇不同主夹指高度下试验结果 Tab 5摇 Test results at different heights of main clamp finger 指标主夹指高度 mm5 7 10 13 15 损伤率4郾 1 3郾 1 2郾 9 2郾 6 2郾 8 合格率83郾 7 87郾 8 93郾 3 94郾 2 94郾 3 摇 摇由表5可知 主夹指高度变大 苗株的夹持面也 越大 被夹持得越稳固 苗株在输送 切削及对接过 程中不易歪斜变位 因此嫁接合格率也随之升高 损 伤率也有一定降低 但主夹指高度从13 mm到 15 mm 嫁接合格率变化不再显著 而且主夹指高度 过大 可能会夹伤穗木苗的子叶 因此主夹指高度 取13 mm 在保持该主夹指高度下 测定不同刀刃 倾角下的嫁接试验结果 如表6所示 表6摇不同刀刃倾角下试验结果 Tab 6摇 Test results at different blade angles 指标刀刃倾角 毅 20 25 30 35 40 损伤率2郾 9 2郾 5 2郾 4 3郾 2 2郾 3 合格率90郾 1 94郾 8 93郾 1 90郾 2 86郾 5 摇 摇由表6可知 刀刃倾角变化对苗株损伤率影响 不大 但刀刃倾角变化对嫁接合格率影响较为显著 在刀刃倾角由25毅变大时 嫁接合格率逐渐降低 这是因为刀刃倾角变大则苗株切削面面积变小 在 841农摇业摇机摇械摇学摇报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2 0 2 5年 砧木 穗木对接时 两切削面贴合度变差 导致嫁接 合格率降低 但刀刃倾角为20毅时 嫁接合格率也 有所下降 主要原因为刀刃倾角过小导致对苗株切 削质量降低 从而影响了苗株的对接质量 因此 当 主夹指高度取13 mm 刀刃倾角为25毅时 损伤率为 2郾5 嫁接合格率为94郾8 能得到较好的嫁接效果 5摇结论 1 基于茄科蔬菜贴接法嫁接工艺 设计了一 种实现全自动嫁接的对称式蔬菜单株嫁接机 可连 续完成砧穗木的夹持取送苗 切削 对接以及嫁接夹 裁切 上夹固定苗株等功能 设计了取送苗机械臂 夹持苗机械手 苗株切削装置 裁夹上夹装置及穴盘 输送带等关键装置 确定了主要结构参数 2 选择辣椒苗为嫁接对象 以砧穗木取送切 苗时间 砧穗木对接苗时间和嫁接夹上夹时间为因 素 以损伤率 嫁接合格率和嫁接效率为试验指标开 展了蔬菜单株自动嫁接机性能试验 试验结果表 明 各环节执行时间越短 即加快执行速度 嫁接合 格率均会下降 影响程度由大到小依次为对接苗时 间 上夹时间和取送切苗时间 嫁接苗损伤率主要 影响则集中在取送切苗环节 该环节执行速度越快 嫁接苗损伤率会有所上升 在各环节执行时间优化 基础上 分别对主夹指高度和砧穗木切削装置刀刃 倾角进行单因素结构优化试验 获得最优主夹指高 度和刀刃倾角分别为13 mm和25毅 优化后蔬菜单 株自动嫁接机嫁接效率为300株 h 损伤率为 2郾 5 嫁接合格率为94郾 8 参考文献 1 摇赵尊练 杨广君 巩振辉 等 克服蔬菜作物连作障碍问题之研究进展 J 中国农学通报 2007 23 12 278 282 ZHAO Zunlian YANG Guangjun GONG Zhenhui et al Review on continuous cropping obstacle in vegetable crops J Chinese Agricultural Science Bulletin 2007 23 12 278 282 in Chinese 2 摇孙小武 武占会 冯一新 等 十三五冶我国蔬菜育苗技术研究进展 J 中国蔬菜 2021 8 18 26 3 摇刘明池 季延海 武占会 等 我国蔬菜育苗产业现状与发展趋势 J 中国蔬菜 2018 11 1 7 4 摇 YAN Guoping FENG Maoshuo LIN Weiguo et al Review and prospect for vegetable grafting robot and relevant key technologies J Agriculture 2022 12 10 1 19 5 摇张凯良 褚佳 张铁中 等 蔬菜自动嫁接技术研究现状与发展分析 J 农业机械学报 2017 48 3 1 13 ZHANG Kailiang CHU Jia ZHANG Tiezhong et al Development status and analysis of automatic grafting technology for vegetables J 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Chinese 11 摇 Conic System Inc EMP 300 EB OL http 椅 www conic system com wp en gallery injection鄄robot lang en 2016 6 15 2017 8 27 12 摇 Atlantic Man Semi鄄automatic grafting machine GR 300 3冶 EB OL http 椅 tech atlanticgroup it en prod鄄ucts semi鄄 automatic鄄grafting鄄machine鄄gr鄄3003鄄patented 2016 3 11 2017 8 27 13 摇杨丽 刘长青 张铁中 双臂蔬菜嫁接机设计与试 J 农业机械学报 2009 40 9 175 181 YANG Li LIU Changqing ZHANG Tiezhong Design and experiment of vegetable grafting machine with double manipulators J Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery 2009 40 9 175 181 in Chinese 14 摇褚佳 张立博 张铁中 等 葫芦科穴盘苗单人操作嫁接机器人设计与试验 J 农业机械学报 2017 48 1 7 13 CHU Jia ZHANG Libo ZHANG Tiezhong et al Design and experiment of grafting robot operated by one person for cucurbitaceous seedlings cultivated in plug trays J Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery 2017 48 1 7 13 in Chinese 15 摇李军 张铁中 褚佳 等 全自动整排蔬菜嫁接机嫁接夹输送机构设计与试验 J 农业机械学报 2017 48 1 14 20 LI Jun ZHANG Tiezhong CHU Jia et al Design and 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