【正文】 當(dāng)鋼線隨長條擋板進(jìn)行上下移動時，夾合托板也就實現(xiàn)了夾合運動功能。同理，由育苗穴盤中一排穴孔中相鄰兩穴孔的間距為 45mm，可計算出剪叉機(jī)構(gòu)收縮時達(dá)到極限位置的連桿交叉角度 θ 為 176。長條形的長度為 160mm，寬度為 16mm，半圓形的半徑為 8mm。由以上分析，可對取苗爪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行初步的設(shè)計，設(shè)定取苗爪張開時上下兩托板間的角度為 10176。 此時 ， 電機(jī)繼續(xù)工作，復(fù)合鋼繩上 的一 小 段 彈簧伸長，皮帶輪又通過皮帶帶動圓錐齒輪，然后凸輪桿轉(zhuǎn)動，夾合托 板夾緊育苗杯。 圖 42 剪叉式末端執(zhí)行器模型 單驅(qū)動彈動限位式末端執(zhí)行器 單驅(qū)動彈動限位式末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)主要包括：由電機(jī)驅(qū)動的彈簧限位機(jī)構(gòu)、夾合托板 和使得執(zhí)行器進(jìn)行變距夾持動作的凸輪機(jī)構(gòu)。 模擬剎車?yán)o機(jī)構(gòu)包括固定座上的雙桿氣缸以及 把氣缸和托板相連的剎車線。當(dāng)托盤碰到育苗杯時，開合裝置上的雙桿氣缸伸出，通過曲柄連桿使兩個安裝面板閉合，手抓即合攏夾緊育苗杯，隨后末端執(zhí)行器可攜帶育苗杯在外部機(jī)構(gòu)帶動下移動。 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 26 三驅(qū)動開合式末端執(zhí)行器 三驅(qū)動開合式末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)主要包括： 由動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動的開合機(jī)構(gòu)、兩個對稱布置且由開合機(jī)構(gòu)帶動作開合運動的安 裝面板以及布置在每個安裝面板上且由間距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)驅(qū)動的若干個托盤。 根據(jù)夾持部位的不同，末端執(zhí)行器可分為秧針式和手抓式。接下去 ，頂部傳送帶、絲桿滑臺、各氣缸做反向工作，使末端執(zhí)行器退回到初始位置并回復(fù)原始狀態(tài)。這時，水平 輸送帶 主動滾筒的控制電機(jī)開始工作，將水浮穴盤輸送到移栽裝置上，但此時水浮穴盤的位置并不是移栽時所需要的理想位置。升降工作臺的上極限位置應(yīng)使得工作臺中的輸送帶與移栽裝置中的輸送帶處于同一豎直高度，下極限位置則根據(jù)傾斜滑梯輸送裝置中輸送帶的安裝位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。末端執(zhí)行器中使用了 3 個氣缸，這樣可以使手爪下部的夾持部分準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行夾持運動。窄型 輸送帶間隔一段距離會設(shè)置擋板，使得水浮穴盤在輸 送帶上定位良好，并且 可以 提高水浮穴盤的定位精度，增加末端執(zhí)行器取浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 苗的成功率。 圖 32 豎直輸送帶截面圖 圖 33 豎直輸送帶三維模型 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 20 圖 34 盤庫裝置三維模型 移栽裝置 機(jī)架和輸送裝置 穴盤苗自動移栽輸送系統(tǒng)主要由水浮穴 盤 、 輸送帶、 光軸導(dǎo)軌及滑塊、齒形帶及齒形帶輪、滾筒、張緊裝置、機(jī)架及控制電機(jī)等幾部分結(jié)構(gòu)組成，完成 水浮穴盤和末端執(zhí)行器 的定位輸送 要求 ，共同配合 末端執(zhí)行器來 完成 對穴盤苗的移栽過程 [18]。此輸送帶的上表面與移栽裝置的輸送裝置中的水平輸送帶的上表面處于同一平面，以此來實現(xiàn)水浮穴盤的平穩(wěn)輸送。向移栽裝置輸送水浮穴盤可以通過滾筒輸送機(jī)來方便地實現(xiàn)，但對于水浮穴盤的大量存放及豎直輸送，國內(nèi)外對此研究尚較少。 1 試驗?zāi)康模簻y量每盤穴盤苗的重量。播種后， 將育苗缽 放入溫室，再澆一次透水，保持基質(zhì)濕潤，并覆膜保溫。一般育苗基質(zhì)的配比是草炭：蛭石 =2： 1 或 3： 1，并且適當(dāng)添加一些珍珠巖。 15mm，孔穴 深為 48mm， 相鄰孔穴中心距為 32mm。穴盤 具 有一 定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，長寬尺寸一般為 540mm浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 179。移栽動作主要包括 抓取 — 移動 — 分散 — 放置四 個步驟 。幼苗是在育苗杯中培育的，而育苗杯（營養(yǎng)缽）置于育苗穴盤的穴孔中。 圖 22 水培模式下的葉菜 圖 23 水浮穴盤 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 12 穴培模式 圖 24 所示 為葉菜的穴培模式，穴培 模式就是將葉菜在穴盤中栽培。水浮穴盤 由泡沫板制成，可漂浮在盛有營養(yǎng)液的水池中。 4 穴盤苗 移栽機(jī)工作過程的運動學(xué)仿真 分析 。因此，如何借鑒并優(yōu)化現(xiàn)有的各種應(yīng)用于缽苗移栽的田間露地移栽機(jī)的栽植部件，實現(xiàn)大田秧苗全自動移栽機(jī)取放投的全程作業(yè)要求，也是需要考慮的關(guān)鍵問題之一?；?PLC 的穴盤苗移栽機(jī)機(jī)械手示意圖 如圖 16 所示。其作為取苗和投苗的直接設(shè)備，是區(qū)分全自動移栽和半自動移栽的關(guān)鍵。由它來具體執(zhí)行拔苗、栽苗作業(yè)。 20xx 年，中國臺灣呂英石等人研制 出了可調(diào)整式花卉穴盤苗假植機(jī)構(gòu) [9]。穴盤苗移栽機(jī)械分為田間露地移栽機(jī)械、溫室內(nèi)移栽的棚室移栽機(jī)械以及用于將穴盤秧苗植入花盆的自動移栽機(jī)械手。 澳大利亞 Transplant Systems 公司生產(chǎn)的 XT616 型移栽機(jī)是茶葉穴盤苗專用移栽機(jī)系列之一， 如圖 14 所 示。 為此， 等人針對這一問題進(jìn)行了 研究 改進(jìn)。這種機(jī)器人的 部件 主要 包括機(jī)械手、插入式拔苗器、盆狀容器傳 送帶、穴盤傳送帶和漏播分選器。其位于頂部的視覺傳感器檢測穴苗的位置，力覺傳感器可避免 SNS 夾持器夾苗時用力過大而損傷穴苗。 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 2 國內(nèi)外移栽機(jī)研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 穴盤苗移栽機(jī)技術(shù)的研究開發(fā)始于 20 世紀(jì) 80 年代。 為了保證作物 具 有適當(dāng)?shù)目臻g以促進(jìn)扎根和生長 ,需要 對作物 進(jìn)行移栽 作業(yè)。 end effector。 穴盤苗自動移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本論文首先參閱了與穴盤苗自動移栽機(jī)相關(guān)的研究文獻(xiàn)，并結(jié)合機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等知識對穴盤苗自動移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。如出現(xiàn)以上違反知識產(chǎn)權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。之后，再在 Creo軟件中進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，確定移栽機(jī)的整個工作過程是否達(dá)到要求。 以浙江省為例， 20xx 年通過加快蔬菜生產(chǎn)基地建設(shè)，全省的蔬菜種植面積達(dá)到 萬畝，蔬菜總產(chǎn)量達(dá)到 萬噸，蔬菜總產(chǎn)值達(dá)到 億元，同比分別增長了 ％和 ％。日本移栽機(jī)械化程度很高 ，目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域已廣泛研制和使用全自動移栽機(jī)。 其本體為 Puma 560 機(jī)器人，末端執(zhí)行器為自主設(shè)計的平行夾持指夾苗機(jī)構(gòu)，可以將種苗從 392 孔穴盤移栽到 36 孔的生長盤中 。 2 以獨立機(jī)電系統(tǒng)為主體的穴盤苗移栽機(jī) 為了智能擴(kuò)張和提高農(nóng)業(yè)機(jī)器人的柔性生產(chǎn)能力，許多專家針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不同特性而研制出的穴盤苗移栽機(jī)具有獨立機(jī)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)通常由機(jī)械部分和控制部分組成。 圖 12 PT6000 型移栽機(jī)器 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 4 20xx 年韓國 等人借助笛卡爾坐標(biāo)系開發(fā)出一種育苗移栽機(jī)器人，其機(jī)械手由步進(jìn)電機(jī)、氣缸、氣動卡盤和夾取指組成。 圖 13 韓國 研制的移栽機(jī)械手 3 投入生產(chǎn)實踐的穴盤苗自動移栽機(jī) 實驗室的研究工作為穴盤苗自動移栽機(jī) 的 進(jìn)一步研制開發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。該機(jī)采用寬輥道輸送結(jié)合氣缸推送作為輸送系統(tǒng)，可實現(xiàn) 4 盤同時移栽，移栽速度是同類產(chǎn)品的幾倍。該 移栽 機(jī)采用吸力較大的氣缸投苗機(jī)構(gòu)，投苗過程中穴盤苗與運動部件不直接接觸 ，傷苗率相對比較低。該自動移栽 機(jī)能 夠 按照編程的路徑和方式完成規(guī)定的移栽，但是還不能 夠克服幼苗具有柔韌性的 問題，氣浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 爪抓取的精確率和成功率需要進(jìn)一步的提高。在此過程中，移苗裝置起到搬運苗的作用。其由氣力驅(qū)動系統(tǒng)、夾持機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng) 以及秧和花盆輸送裝置 4 個工作機(jī)構(gòu)協(xié)同配合實現(xiàn)這一系列連續(xù)動作。 目前，國內(nèi)所研制的溫室內(nèi)穴盤苗自動移栽機(jī)總體上存在著 ： 柔性和可靠性差；定位精度不高，控制性能不穩(wěn)定，智能化程度較低；作業(yè)效率不高，穩(wěn)定性差等問題。 分析已有移栽機(jī)取苗和放苗 時的缺陷，并結(jié)合已學(xué)知識及查閱資料，思考最為行之有效的取苗末端執(zhí)行器 的工作原浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 理，設(shè)計出一臺結(jié)構(gòu)合理的穴盤苗 自動 移栽機(jī)，并進(jìn)行三維建模。同時，由于傳統(tǒng)栽培方式生產(chǎn)周期長，導(dǎo)致了農(nóng)藥危害不易控制、安全性因素不確定等弊端。 8 分布。 如圖 25 所示，育苗穴盤的穴孔分布較密，穴盤整體尺寸是 28cm179。同時，通過移栽便于在溫室下對葉菜秧苗進(jìn)行統(tǒng)一管理，而且成苗率高、成本低。穴盤育苗技術(shù)是 采用草炭、蛭石、珍珠巖等輕質(zhì)材料作 為 育苗基質(zhì)，使用輕質(zhì) 穴盤作為育苗容器，采用保護(hù)措施等措施，在人工控制的環(huán)境條件下，使 用播種機(jī)精量播種，一次性成苗、批量生產(chǎn)的一種快速、優(yōu)質(zhì)、高效、穩(wěn)定的育苗方式。 6）標(biāo)準(zhǔn)塑料穴盤。 育苗基質(zhì)成分 育苗 基質(zhì)是幼苗根系賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，是培育壯苗的關(guān)鍵因素，其功能應(yīng)與土壤相似，并可以滿足幼苗快速生長發(fā)育 所需的最佳環(huán)境條件，基質(zhì)的好壞直接影響幼苗品質(zhì)。 2 播種 播種前，在每個穴孔的中央用筷子粗細(xì)的木棒壓下 5~10mm 深的孔，然后把已經(jīng)催芽的種子芽根向下放到孔中，每穴播一粒。苗齡 50 天的 72 孔辣椒穴盤苗 如圖 28 所示。 5 試驗結(jié)果 ： 表 21 72 孔穴盤苗重量數(shù)據(jù)表 盤數(shù) 質(zhì)量（ kg） 1 2 3 4 5 盤數(shù) 質(zhì)量（ kg） 6 7 8 9 10 得出穴盤苗重量的平均值為 。豎直輸送帶上間隔大約 80mm安裝一塊長條擋板，用于支承水浮穴盤。當(dāng)一對擋板組合運動至使其上放置的水浮穴盤底部接觸到水平輸送帶的上表面時，控制電機(jī)繼續(xù)工作，使擋板組合繼續(xù)向下運動一小段距離，然后控制電機(jī)停止工作。在機(jī)架的中部兩端安裝了兩個滾筒，其中主動滾筒由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，可以精確地控制輸送帶的運轉(zhuǎn) 。絲桿滑臺主要包括一個步進(jìn)電機(jī)，一根絲桿，兩根光軸導(dǎo)軌和兩個光軸滑 塊。滾筒 安裝在水平框架的前后兩端，滾筒上安裝了兩條輸送帶，用于水平輸送穴盤。 最先工作的是盤庫裝置。然后，頂部的同步帶反向傳動，從而使光軸導(dǎo)軌上的滑塊向后移動一段距離，帶動移缽裝置向左運動（ 圖 45 中為向左運動）。隨后，絲桿在頂部控制電機(jī)的作用下旋轉(zhuǎn)，帶動整個水平框架向下移動，達(dá)到預(yù)先設(shè)定的指定高度。相對 而言，整排取苗的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)相對簡單，它只需要穴盤 做一維的間歇運動，即可 實現(xiàn)準(zhǔn)確的取 苗 ，故可靠性更能得以保證，而且整排取苗方式一次可夾取多株穴盤 苗，取苗效率很高，其能更好的滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對移栽設(shè)備的高效要求 [19]。 托盤由相隔一定間距且平行布置的兩個半圓環(huán)組成。 剪叉機(jī)構(gòu) 包括固定在兩側(cè)擋板上的針筒氣缸，對稱組合形成多個菱形形狀的剪叉連桿 。當(dāng)末端執(zhí)行器被輸送至指定位置后 ，剪叉機(jī)構(gòu)上的針筒氣缸的長桿回程，夾合托 板 之間的 夾角變大，從而 使 夾合托板互相遠(yuǎn)離。此機(jī)構(gòu)包括兩根 連接桿，滑塊與連接桿相連，其間用彈性系數(shù)不同的彈 簧相連，保證滑塊移動的有序化，在總部件背面固定了突出擋板來精確地 確定滑塊的位置。育苗杯口部直徑 30mm，底部直徑 20mm，邊沿直徑 40mm，邊沿厚度 4mm，高度 60mm。剪叉機(jī)構(gòu)中總共具有 20 塊剪叉連桿，一組 4 塊，共有 5 組。為了實現(xiàn)取苗爪與穴盤中的缽苗的精準(zhǔn)對位，需要對剪叉機(jī)構(gòu)伸開和縮回的極限程度進(jìn)行設(shè)計計算。模擬剎車?yán)o機(jī)構(gòu)的動力由固定在末端執(zhí)行器上部的雙桿穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 32 氣缸來提供。鋼線穿過兩擋板上的細(xì)長槽，通過拉線管套及連接桿與夾持爪下抓板相連。六根剎車線分別通過在外殼上端和氣缸上六個孔的長條，再分別固定在氣缸推桿的六個孔上，最后連在夾合托板上，短彈簧固定在夾合托板內(nèi)的剎車線上。剪叉連 桿的三維模 型如圖 55 所示 。 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 30 圖 44 取苗爪三維模型 剪叉機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計 剪叉機(jī)構(gòu)包括固定在兩側(cè)擋板上的針筒氣缸，對稱組合形成多個菱形形狀的剪叉連桿 。 圖 43 單驅(qū)動彈動限位式末端執(zhí)行器三維模型 通過分析比較， 可以看出剪叉式末端執(zhí)行器具有結(jié)構(gòu)簡單，便于加工制造等優(yōu)點，故選擇剪叉式末端執(zhí)行器應(yīng)用于本論文設(shè)計的穴盤苗自動移栽機(jī)中。彈簧限位機(jī)構(gòu)動力來源于電機(jī)，通過皮帶輪傳送。 該末端執(zhí)行器的工作原理是：開始時，剪叉機(jī)構(gòu)上的針筒氣缸的長桿伸出，使得夾合托板之間的 夾角變小，從而夾 使 合托板互相靠近。 該末端執(zhí)行器的特點主要有以下幾點： (1)用三個氣缸提供動力； (2)兩排滑塊的平行移動使夾持裝置等變距縮放； (3)頂部氣缸伸出使得對稱的夾片相互閉浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 合，兩側(cè)的氣缸伸出 ，驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)變形實現(xiàn)間距擴(kuò) 大。 曲柄連桿包括鉸接在固定座上的兩個曲柄連桿，兩個曲柄連桿的一端通過一鉸接軸與推桿的一端鉸接，另一端共同與安裝板相連接。實踐證明，秧針式末端執(zhí)行器在工作過程中對缽?fù)恋馁|(zhì)量要求較高，需要嚴(yán)格控制缽?fù)恋暮?，而?穴盤苗需具有很好的盤根性能 ，而手抓式末端執(zhí)行器則無這些條件要求，因此選擇末端執(zhí)行器的夾持部位為手抓式。 待一塊水浮穴盤中已經(jīng)裝滿了缽苗后，移栽 裝置中的水平輸送帶繼續(xù)傳動，將水浮穴盤向穴盤中入池裝置傳輸。 首先， 連接絲桿的控制電機(jī)開始工作，帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，從而 末端執(zhí)行器通過絲桿 滑臺上升至上極限位置，并且此時取苗爪呈張開狀（雙桿氣缸未伸出）。 圖 36 升降工作臺三維模型 移栽機(jī)的工作過程 本 論 文設(shè)計的穴盤苗移栽機(jī)主要包括盤庫裝置、移栽裝置和穴盤入池裝置三大組成部分， 為了順利地完成移栽作業(yè)，需要對各裝置的運動過程進(jìn)行浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 準(zhǔn)確設(shè)計，以使各裝置之