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新疆农机化 2025年第2期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2025 02 003 中图分类号 S223 9 文献标识码 A 0 引言 世界蔬菜产量约六成来自中国 1 目前我国蔬 菜栽种多以人手工从苗盘取苗 通过半自动移栽装 备完成膜上栽种 该模式劳动成本投入大 为降低 劳动成本 并提高栽种质量 全自动移栽机成为蔬菜 栽种行业的研究关键 而作为全自动移栽机核心部 件的取喂苗机构是实现全自动化的前提 根据不同地域蔬菜种植农艺要求 国内针对取 喂苗机构做了大量研究 取苗机构分为顶出式 2 4 插 取式 5 8 夹茎式 9 11 顶出插取式 12 13 及气吹式 14 15 等 中国农业大学研制了一种插入顶出的取苗装置 16 该装置利用气缸驱动顶针穿过苗盘底部排水孔的形 式 将整排穴盘苗顶出 取苗效率高 但若穴盘苗根 系欠发达 则存在顶针破坏基质的风险 江苏大学研 制了一种顶出夹取组合式的取苗装置 17 该装置在 穴盘托板后安装顶苗机构实现穴盘苗从苗盘顶出 文章编号 1007 7782 2025 02 0012 05 穴盘苗仿生取喂机械手的设计与试验 胡显威 1 蒋蓓 1 辛宏伟 1 陈宏 1 王立新 1 韩长杰 2 1 新疆职业大学 新疆乌鲁木齐 830013 2 新疆农业大学机电工程学院 新疆乌鲁木齐 830052 摘 要 针对移栽取苗机构取苗成功率低 伤苗率高及结构复杂等问题 本文设计了一种仿人手持苗方式的机械手 阐述了该装置结构组成及作业原理 以苗龄60天的辣椒苗为研究对象开展力学特性试验 获取机械手结构设计基 础参数 结合穴盘苗力学特性及栽植农艺要求 确定机械手末端参数L 1 L 2 L 3 和 分别为15 mm 65 mm 15 mm 150 和120 通过对机械手进行静力学分析 分析出取苗的最小提升力和复位弹簧弹力分别为3 34 N和6 5 N 以此为复位弹簧选型提供依据 通过软件仿真和田间试验表明 当取苗频率以40 60 90和120株 min作业时 取 苗成功率依次为97 6 96 8 95 4 和93 8 伤苗率最高为3 1 满足取喂苗要求 研究结果能够验证机械手取 苗的可行性 为自动化移栽装备的研究提供参考 关键词 取苗装置 力学特性 机械手 试验 Designandexperimentofabiomimetictakingandfeeding manipulatorforplugseedlings Hu Xianwei 1 Jiang Bei 1 Xin Hongwei 1 Wang Lixin 1 Chen Hong 1 Han Changjie 2 1 Xinjiang Vocational University Urumqi 830013 Xinjiang China 2 College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Agricultural University Urumqi 830052 Xinjiang China Abstract Aiming at the problems of low success rate of seedling taking high rate of seedling injury and complicated structure of transplanting and seedling taking organizations this paper designed a kind of imitation human handheld seedling way of manipulator and described the structure and operation principle of the device The mechanical characteristic test was carried out with 60 day old chili pepper seedlings as the research object to obtain the basic parameters for the design of the manipulator structure Combined with the mechanical characteristics of the hole plate seedlings and the requirements of planting agronomy the end parameters L 1 L 2 L 3 and of the manipulator were determined to be 15 mm 65 mm 15 mm 150 and 120 respectively The statics analysis of the manipulator showed that the minimum lifting force and the reset spring force were 3 34 N and 6 5 N respectively which provides the basis for the selection of the reset spring The software simulation and field experiments of the manipulator showed that the success rate of taking seedlings were 97 6 96 8 95 4 and 93 8 respectively when the seedling picking frequency were operated at 40 60 90 and 120 plants min The highest rate of injuring seedlings was 3 1 which met the requirements of taking and feeding seedlings and verified the correctness of the research method and the feasibility of the manipulator Key words Seedling taking device Mechanical properties Manipulator Experiment 修回日期 2024 12 26 基金项目 基于数智时代的装备制造类高职专业课程教育 教学模式研究 KTSZ2024102 基于 Logistic 回归模型的 岗 课赛证 融通培养实践研究 JXHYZX2024031 教室 机房 车间 循回教学模式的研究与探索 以 数控铣削加工 课程 为例 XJZD21KYY013 开发研究 12 新疆农机化2025年第2期 后以取苗爪插入基质完成取苗 该装置取苗稳定 但 因取苗爪直接插入基质 若基质含水量较高 会存在 喂苗时脱离机械爪的现象 北京市农林科学院研制 了一种夹茎式自动取苗装置 18 该装置利用气动机 械爪夹持苗秆的形式进行取苗 取苗效果较好 但取 苗工位较少 工作效率较低 中国农业大学袁挺等提 出利用振动消除基质与苗盘的粘附力 后利用气吹 取苗的装置 19 取苗作业稳定可靠 但该装置不适用 于展宽较大的穴盘苗 由上述研究可知 直接作用基质取苗的机构取 决于基质松紧程度和盘根情况 影响取苗成功的因 素较多 本文提出一种仿生机械手 仿照人工夹取苗 秆的方式开展取喂苗技术试验研究 能够在保证不 损伤基质和苗秆的基础上将穴盘苗取出 1 穴盘苗力学特性测定 本文以苗龄60天的辣椒穴盘苗为试验对象 利 用材料万能试验机对苗秆进行挤压试验 构建茎秆 变形量与挤压力间的线性关系 获取苗秆被夹持而 不损伤的合适夹紧力 每株苗秆径各不相同 为同时 满足每株穴盘苗的夹取条件 在128穴苗盘中随机 取30株完成挤压试验 选取30组试验中夹持力最 大的一组为参考对象 如图1 图1 力学特性测定 由试验结果知 茎秆变形量在0 5 1 mm间为 屈服阶段 屈服阶段挤压力在20 23 N 此时穴盘苗 在机械损伤最小的基础上能够保证穴盘苗的夹持 当茎秆变形量大于1 mm时 此时挤压力大于苗秆 所能承受的强度极限 发生破裂 在设计取喂苗机械 手时 为避免机械手夹破苗秆 夹持力最大必需控制 在23 N内 故取苗机械手夹持力F C 23 N 2 取喂苗机械手的设计 2 1 机械手的结构组成及工作原理 取喂苗机械手组件主要由导向轴承 固定座 导 杆 滑块 复位弹簧 限位轴承和取苗末端组成 图 2 机械手作业主要分为准备 夹持 提苗 喂苗四个 阶段 准备阶段时 滑块静止于导杆底部 复位弹簧 和限位轴承共同将取苗末端限制在张开状态 等待 夹持苗秆 夹持阶段时 滑块沿导杆向上运动 取苗 末端因自身形状特征 在复位弹簧和限位轴承共同 作用下 将苗秆夹持 提苗阶段 滑块继续沿导杆上 移至顶端 穴盘苗被机械手取出苗盘进行转移 投苗 阶段 滑块沿导杆向下运动 直至取苗末端在复位弹 簧和限位轴承共同作用下张开 完成喂苗 图2 取喂苗机械手结构及工作原理 1 穴盘苗 2 取苗末端 3 限位轴承 4 复位弹簧 5 滑块 6 导杆 7 固定座 8 导向轴承 注 a 准备阶段 b 夹持阶段 c d 提苗阶段 e f 喂苗阶段 2 2 取苗末端的结构参数设计 取苗末端为机械手的执行元件 其材料特性直 接决定穴盘苗取喂成功与否 本文优选65Mn钢材 作为取苗末端制作材料 因其强度高 弹性强 易切 削 能实现苗秆的柔性夹取 可避免苗秆破损 其结 构简图如图3 本文主要针对128穴苗盘参数 单穴32 mm 32 mm 45 mm 以单次8株夹取为目的设计取苗 末端尺寸 考虑到穴盘苗需完全取出苗盘 且取出高度 图3 取苗末端结构简图 注 取苗末端第一端夹角 取苗末端第二端夹角 h 取苗末端闭合后距离 mm L 1 取苗末端第二端边长 mm L 2 取苗末端竖直方向边长 mm L 3 取苗末端第一端边长 mm H 取苗末端闭合后固定端距离 mm 30 25 20 15 10 5 0 0 5 1 0 1 5 茎秆变形量 mm 挤 压力 N 8 7 6 5 4 3 2 1 a b c d e f A B C D S h H L 2 L 3 L 1 开发研究 13 新疆农机化 2025年第2期 不宜大于2倍穴深 故确定取苗末端如下约束条件 32 S 64 h H 32 45 L 2 9 0 1 通过式 1 确定取苗末端参数 S H 和 L 2 分别 为40 mm 26 mm和65 mm 育苗无法保证每株穴盘苗均在穴孔正中间 为 避免相邻机械手的取苗末端相互影响 参数h应尽 可能大于苗秆直径且小于穴孔尺寸 本文取h 20 mm 取苗末端的张开和闭合通过其形状控制 为防 止取苗末端横向尺寸过大 故引入 和 角 满足 90 180 90 180 本文取 150 120 取苗末端尺寸参数满足如下关系 L 1 S H 2cos 2 2 L 3 S h 2cos 2 3 综合式 1 式 3 确定取苗末端各参数分别是 L 1 15 mm L 2 65 mm L 3 15 mm 150 120 2 3 取苗末端受力分析 根据取苗机械手的取喂苗过程 分别对取苗末 端的张开和闭合动作进行静力学分析 获得取苗所 需要的最小起拔力 从而为复位弹簧的选型提供参 考 如图4 a 机械手闭合受力示意图 b 机械手张开受力示意图 图4 取苗末端动作姿态 1 滑座2 复位弹簧3 导杆4 取苗末端5 导向轴承6 穴盘苗 注 G 苗重 g F S 复位弹簧弹力 N F C 苗秆反作用力 N F N 导向轴承挤压力 N F fr 苗秆与取苗末端摩擦力 N F ft 苗与穴 盘的粘附力 N F p 外部提升力 N F S 导向轴承和取苗末端的 反作用力 N 当机械手夹取穴盘苗时 若要保证穴盘苗被成 功取出 苗秆与取苗末端摩擦力应满足 F fr F ft G 2 4 其中F fr S 此时整个机械手处于力矩平衡状 态 其受力如下 Fx F S F C F N 0 5 F Y F P 2F fr F ft G 0 6 F S L AB F N L AD F C L AE 0 7 当机械手张开喂苗时 其受力分析如下 F S L AB F N L AB 0 8 F f N F N 9 F P F r 0 10 式 5 式 10 中 基质与穴孔粘度系数 S 基 质与穴孔接触面积 cm 2 L AB L AD L AE 各点有效长 度 mm N 摩擦系数 利用CAD软件测量功能知各点有效长度L AB 22 mm L AD 98 3 mm L AE 120 mm 已知F C 23 N G 0 3 N S 34 2 cm 2 0 04 N cm 2 通过式 5 式 10 得穴盘苗取出的最小力F P 3 34 N 复位弹簧 所产生的弹力F S 6 5 N时 穴盘苗可被成功取出 2 4 复位弹簧选型 取苗机械手夹持苗秆的力由复位弹簧提供 为 保证机械手取喂具备足够的刚度和韧性 本文选用 C 级碳素钢材料的簧丝 其切变模量G为80 000 MPa max 为20 mm 故 n Gd 4 max 8FD 3 2 T 0 4 B 11 D 2 C d D D 2 d K 0 615 C 4C 1 4C 4 d 1 6 F S KC T 姨 姨 12 t d max n 13 取弹簧丝径1 mm 根据手册知 B 1 800 MPa C 10 0 29 mm 联立式 11 式 13 算出复 位弹簧参数d为0 5 mm 中径D为6 mm 有效圈数 n为15圈 节距t为2 13 mm 3 取苗机械手仿真试验 将设计的机械手导入ADAMS软件进行取苗仿 真模拟 观察其与苗秆夹持力的变化状态 从而验证 机械手结构参数的可行性 图5 1 3 4 5 6 G F ft F fr F C F N D B C A F S F P 2 F C E F S F P F N F f 开发研究 14 新疆农机化2025年第2期 机械手夹持力和时间关系曲线显示 在0 6 s 时 机械手闭合并开始接触苗秆 夹持力由零逐渐 增大至23 25 N左右 然后趋于平缓 继续出现下 降趋势 该仿真试验说明取苗机械手的夹持力与力 学特性试验所得夹持力均在23 N左右 满足取苗 条件 4 田间试验 本文将设计后的取喂苗机械手搭载栽植系统进 行取喂苗效果试验 试验对象为128穴盘的辣椒苗 试验情况如图6 图6 田间试验 试验设置 40 60 90 及 120 株 min 的栽植速 度 测试机械手在不同栽植速度下取喂苗动作的稳 定性 引入取苗成功率 喂苗成功率 总成功率及伤 苗率等评价指标 验证取喂苗机械手的作业性能 表 1为试验统计结果 S R N E N 14 S D N F N E 15 S S R S D 16 S H N H N 17 式 14 式 17 中 S R 取苗成功率 S D 喂苗 成功率 S 总成功率 S H 伤苗率 N 苗总数 N E 苗取出数 N F 喂苗成功数 N H 伤 苗数 伤苗仅统计苗秆破碎和折断的情况 试验结果显示该机械手取喂苗成功率可达 97 6 伤苗率低至1 6 通过田间试验表明该取苗 机械手能够完成穴盘苗取喂的基本动作 但当匹配 高速度栽植 其取喂苗的性能有所下降 5 结论 1 取喂苗机构作业时 因大多取苗机构以指 针斜插入穴盘基质的形式进行取苗 出现基质破损 现象 且当基质含水量较高时 取喂苗成功率将降 低 本文通过对适栽苗龄的辣椒苗进行苗秆挤压物 料特性试验 得到其处在屈服阶段的挤压力在20 23 N左右 为确保每株苗在不损伤的前提下均能被 完全夹持 取最大挤压力为23 N 试验结果为取喂 苗机械手的结构设计提供依据 2 针对128穴苗盘规格 基于机械手的作业 姿态 对取喂苗机械手的尺寸参数进行设计 确定了 取苗末端各尺寸参数分别是 L 1 15 mm L 2 65 f 株 min 40 60 90 120 N 株 128 128 128 128 表1 不同频率下机械手的取喂苗试验统计 N E 株 126 126 125 124 S R 98 4 98 4 97 7 96 9 N F 株 125 124 122 120 S D 99 2 98 4 97 6 96 8 S 97 6 96 8 95 4 93 8 N H 株 3 2 4 2 S H 2 3 1 6 3 1 1 6 图5 穴盘苗仿真模拟夹取 30 25 20 15 10 5 0 0 0 5 1 0 1 5 时间 s 夹 持力 N 开发研究 15 新疆农机化 2025年第2期 mm L 3 15 mm 150 120 以所得参数构 建取喂苗机械手 并对取苗和喂苗两个姿态进行静 力学分析 获得穴盘苗被取出穴盘的最小提升力及 复位弹簧弹力分别为F P 3 34 N F S 6 5 N 以复 位弹簧弹力对弹簧选型 确定复位弹簧丝径 d 为 0 5 mm 中径D为6 mm 有效圈数n为15圈 节距 t为2 13 mm 3 利用 Adams 软件构建取苗机械手取喂苗 的仿真试验 试验结果说明机械手末端与苗秆间的 夹持力在23 25 N左右 忽略仿真参数与实际试验 参数的误差 仿真试验夹持力取23N 与物料特性试 验所得夹持力相同 表明本文设计的取喂苗机械手 满足预期夹持要求 4 本文设置 40 60 90 和 120 株 min 的栽植 频率进行田间试验 验证取喂苗机械手的作业效 果 通过试验分析得出 取喂苗成功率最高和最低 分别为97 6 和93 8 伤苗率最高为3 1 结果 表明该机械手能够完成穴盘苗取喂的基本动作 符 合预期仿人手工持秆取喂苗的要求 参考文献 1 秦贵 蔬菜移栽机械化需求分析及前景展望 J 农机科技推广 2013 4 43 44 2 童俊华 石虎峰 武传宇 等 穴盘移栽指铲式末端执行器苗钵 基质抓取仿真与试验 J 农业机械学报 2019 50 8 107 116 3 刘大庆顶出 夹取组合式蔬菜钵苗移栽机构的研究 D 杭州 浙江理工大学 2015 4 余建国 张建强 陈军 等 2ZZ 2型全自动蔬菜移栽机优化设 计与试验 J 农机化研究 2022 44 11 77 82 5 周梅芳 徐建军 童俊华 等 花卉穴盘苗取栽一体式自动移栽 机构设计与试验 J 农业工程学报 2018 34 20 44 51 6 赵斌栋 王吉奎 任玲 等 伸缩片式番茄移栽机取苗器设计 J 农机化研究 2022 44 4 80 85 200 7 胡建平 潘杰 陈凡 等 基于EDEM RecurDyn的指夹式取苗 爪仿真优化与试验 J 农业机械学报 2022 53 5 75 85 301 8 陈建能 张晓威 刘林敏 等 夹茎式非圆齿轮玉米钵苗移栽机 构设计与试验 J 农业工程学报 1 11 9 胡建平 常航 杨丽红 等 自动移栽机整排取苗间隔投苗控制 系统设计与试验 J 农业机械学报 2018 49 6 78 84 10 韩长杰 肖立强 徐阳 等 辣椒穴盘苗自动移栽机设计与试 验 J 农业工程学报 2021 37 13 20 29 11 孙正 薛龙 何梁 等 辣椒穴盘苗自动取投苗装置设计与试验 J 中国农机化学报 2023 44 7 48 54 12 韩长杰 周亭 尤佳 等 蔬菜穴盘苗弧形展开式自动取投苗装 置设计与试验 J 农业工程学报 2023 39 8 54 64 13 尹大庆 王佳照 周脉乐 等 探出取推钵式蔬菜钵苗取苗机构 优化设计与试验 J 农业机械学报 2019 50 10 64 71 14 郭警伟 黄勇 戴远征 等 气吹式落苗装置有序排苗性能的试 验研究 J 中国农机化学报 2014 35 2 136 138 15 包春江 李宝筏 包文育 等 水稻钵苗空气整根气吸式有序移 栽机的研究 J 农业工程学报 2003 6 130 134 16 文永双 张俊雄 张宇 等 蔬菜穴盘苗插入顶出式取苗装置研 制 J 农业工程学报 2020 36 22 96 104 17 胡建平 刘育彤 刘伟 等 蔬菜自动移栽机顶夹拔组合式取苗 装置试验研究 J 农业机械学报 2022 53 S1 110 117 184 18 王秀 刘蒙滋 翟长远 等 蔬菜移栽夹茎式取苗装置设计与试 验 J 农业机械学报 2023 54 9 122 132 19 袁挺 王栋 文永双 等 蔬菜移栽机气吹振动复合式取苗机构 设计与试验 J 农业机械学报 2019 50 10 80 87 开发研究 5 结论 基于多轮田间试验验证 本研究设计的分体式 免耕播种机破茬装置在性能指标和作业效果方面均 达到了设计要求 相较于传统机型 该破茬装置在作 业效率 防缠绕能力及适用性方面均有显著提升 田 间试验表明平均破茬率 93 11 平均清秸率 93 41 作业效率提升20 30 机具通过性显著 提升 作业性能稳定 能耗低 具有较好的实用价值 和推广前景 参考文献 1 何进 李洪文 陈海涛 等 保护性耕作技术与机具研究 进展 J 农业机械学报 2018 49 4 1 19 2 范旭辉 贾洪雷 张伟汉 等 免耕播种机仿形爪式防堵清 茬机构参数分析 J 农业机械学报 2011 42 10 56 60 3 赵佳乐 贾洪雷 郭明卓 等 免耕播种机有支撑滚切式 防堵装置设计与试验 J 农业工程学报 2014 30 10 18 28 4 张旭东 安鹤峰 于文一 等 介绍一种新型驱动破茬式 免耕播种机 J 中国农机装备 2023 7 27 32 5 林静 吕洲翼 李宏哲 等 垄作免耕播种机被动式防缠 绕破茬清垄装置设计与试验 J 农业机械学报 2023 54 6 19 27 37 6 彭立新 罗红旗 刘泽豪 等 免耕播种机破茬圆盘刀设 计与建模 J 农业技术与装备 2022 9 56 57 60 7 李宝筏 农业机械学 M 北京 中国农业出版社 2003 上接第7页 16