【文章內(nèi)容簡介】 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)。近年來，一些發(fā)達(dá)國家（如美國、意大利、德國和日本）依靠技術(shù)與資金方面的優(yōu)勢，已 經(jīng) 成功研制出 了 多種類型的穴盤苗自動移栽機(jī)。其工作效率高、可靠性強(qiáng)，已被廣泛 應(yīng) 用于生產(chǎn)實踐。 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。該移栽機(jī)體積相對較小，可靠性和靈活性較高，適用于大型育苗生產(chǎn)線和中小育苗戶。 XT616 型移栽機(jī)之所以成為一種開放式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的典型，體現(xiàn)在 3 個方面： 1）采用 PLC 可編程控制器實現(xiàn)對驅(qū)動浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 裝置（步進(jìn)電機(jī)、氣缸）的控制，只要保留足夠的接口，便可控制足夠自由度的機(jī)械部分或接 收傳感器信號；通過簡單的更改程序，便可調(diào)整機(jī)械手末端的動作幅度； 2）配有多種不同規(guī)格的機(jī)械手 末端執(zhí)行器，以適應(yīng)不同規(guī)格的穴盤苗移栽，提高了移栽本體的利用率； 3）輸送平臺可 折疊，可充分節(jié)省空間和 成本。 圖 14 XT616 型移栽機(jī) 荷蘭飛梭公司生產(chǎn)的 PICOMat PC11/4 自動移栽機(jī)的夾苗裝置為指針插入式結(jié)構(gòu)， 1 個機(jī)械臂上有 4 個夾苗裝置，移栽速率為 6000 株 /h，是人工移栽速率的 6～ 7 倍。 美國 RAPID 公司生產(chǎn)的 RTW 系列穴 盤 苗移栽機(jī)的移栽手具有體積小、自由度大的特點，對低于或高于標(biāo)準(zhǔn)移栽高度的穴盤苗也能成功移栽。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。 國外大多數(shù)穴盤苗移栽機(jī)是以 ～ kW 的汽油機(jī)作為動力系統(tǒng)，其工作速度為 ～ km/h，具有很高的移栽質(zhì)量和移栽效率。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)的穴盤育苗技術(shù)研究時間還不是很長，穴盤苗移栽機(jī)的研究還剛剛起步，相比國外成熟的技術(shù)體系還存在很大的差距。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。常見的田間露地移栽機(jī)機(jī)型主要包括 ： 鉗夾式移栽機(jī)、鏈夾式移栽機(jī)、撓性圓盤式移栽機(jī)、吊杯式移栽機(jī)、導(dǎo)苗管式移栽機(jī)、輸送帶式移栽機(jī)及 空氣整穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 6 根營養(yǎng)缽育苗移栽機(jī)。這些機(jī)型均應(yīng)用于缽苗移栽，對于穴盤苗移栽均需要手工取苗、投苗，機(jī)械化程度 還較 低。目前，國內(nèi)對穴盤苗自動移栽機(jī)的研究主要集中在對溫室內(nèi)移栽的棚室移栽機(jī)械以及用于將穴盤苗植入花盆的自動移栽機(jī)械手的研究，還未涉足到適合大田作業(yè)的、不需手工取苗和投苗的穴盤苗全自動移栽機(jī)械的研究，僅有少數(shù)農(nóng)業(yè)科研院校對穴盤苗移栽機(jī)進(jìn)行了探索性的研究。 1996 年，吉林工業(yè)大學(xué) 的 范云翔等 人 研制出 了 一種空氣整根氣吸式秧苗全自動移栽機(jī) [8]。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。其移行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，位置精度較高，由單片機(jī)來控制，整機(jī)可靠性較強(qiáng)。但該設(shè)備只適用于水稻秧苗，若用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，則易使其莖稈秤斷。 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]。假植爪運動 的流程 為：當(dāng)假植爪位于原點時的狀態(tài)為假植爪整體上升、夾取爪打開并且位于穴盤上方 ； 當(dāng)要夾取 穴盤苗時則假植爪整體往下降至定點后夾取，動作完成后，假植爪往上 移動至生長盤位置上方，假植爪下降將穴盤苗植入生長盤中，然后 假植爪打開并同時上升，再借著氣壓缸回到原點，以 此完成單一 循環(huán)的假植作業(yè)。氣壓式可調(diào)整花卉秧苗移栽機(jī) 如圖 15 所示。 圖 15 氣壓式可調(diào)整花卉秧苗移栽機(jī) 20xx 年，中國農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)的 孫剛對生菜自動移栽機(jī)進(jìn)行了初步探索，設(shè)計了一種龍門式的移苗裝置 [10]。其用氣爪作為執(zhí)行部件，采用運行 μC /OS－ Ⅱ 嵌入式操作系統(tǒng)的 16 位微控制器作為核心的控制系統(tǒng) [11]。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。因為只是初步探索，所以在移苗手爪、移苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面還需要完善。同時，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)強(qiáng)麗慧 設(shè)計 的浮板蔬菜生產(chǎn)自動移苗裝置是移苗機(jī)構(gòu)中直接與苗接觸的部分。由它來具體執(zhí)行拔苗、栽苗作業(yè)。移苗裝置由移苗氣缸、移苗針、可調(diào)角度連接件和移苗針固定架等 構(gòu)件 組成。拔苗時，移苗氣缸伸出，移苗針以 30176。扎入基質(zhì)中。之后，機(jī)械臂縮回，并向栽苗位置移動。在此過程中，移苗裝置起到搬運苗的作用。栽苗時，移苗氣缸縮回，移苗針隨之縮回，苗栽入孔穴中。 由于取苗機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)全自動 移栽的重要部件之一，主要功能是驅(qū)動取苗機(jī)構(gòu)的移栽機(jī)械手按照一定的路徑從穴盤中取出穴苗，并夾帶穴苗至栽植器接苗口處投苗。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。因此，一部分高校對穴盤秧苗移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)這一關(guān)鍵部件進(jìn)行了專門研究。 此外，還有部分人專門針對穴盤苗移栽機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，做出了一定程度的改進(jìn)和優(yōu)化。 20xx 年，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)田素博等人設(shè)計了一種基于 PLC 的穴盤苗移栽機(jī)械手控制系統(tǒng) [11]。其中，穴盤苗移栽機(jī)械手的工作過程：“定位 — 抓取 — 定位 — 投放”，能實現(xiàn)穴 盤 苗單線 往復(fù)移栽。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。其控制系統(tǒng)由 PLC、行程開關(guān)等組成。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)的設(shè)計合理， 并且 性能可靠。基于 PLC 的穴盤苗移栽機(jī)機(jī)械手示意圖 如圖 16 所示。 圖 16 基于 PLC 的穴盤苗移栽機(jī)機(jī)械手示意圖 20xx 年，劉凱等人研究了 PLC 在穴盤苗移栽機(jī)器人控制系統(tǒng)中的應(yīng)用 [12]。穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 8 所涉及到的穴盤苗移栽機(jī)器人由輸送帶、視覺相機(jī)、三維運動平臺和機(jī)械手組成。研究中，通過 2 臺 PLC 的合理組合和程序的設(shè)計，實現(xiàn)了多電機(jī)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，為移栽機(jī)器人各機(jī)構(gòu)平穩(wěn)、有序運行提供了軟件基礎(chǔ)。該控制系統(tǒng)整體布局合理、穩(wěn)定性好、程序設(shè)計方法簡單易行，提高了控制系統(tǒng)的柔性和可靠性，較好地兼顧了精度和成本。 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。因此，對于田間露地穴盤苗全自動移栽，除了要解決以上溫室內(nèi)穴盤苗自動移栽機(jī)所存在的一些問題之外，還要考慮大面積作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變性，在兼顧效率和成本的前提條 件下，去完善整個移栽系統(tǒng)的作業(yè)可靠性和穩(wěn)定性。此外，大面積作業(yè)穴盤苗全自動移栽機(jī)相對于溫室內(nèi)的穴盤苗自動移栽機(jī)，除了要完成取苗以及放苗的移栽作業(yè)過程以外，還需 要 完成栽植作業(yè)要求。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。 我國研制穴盤苗移栽機(jī)的必要性 發(fā)展穴盤苗自動移栽技術(shù)，研制適合我國國情的穴盤苗自動移栽機(jī)，已成為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化和產(chǎn)業(yè)化急需解決的問題。雖然我國穴盤苗自動移栽機(jī)研制工作起步 比較 晚，但在積極借鑒國外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，與我國生產(chǎn)實際結(jié)合，同時多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，必將使這項研究工作開展得更好。 論文研究的主要內(nèi)容和方法 本 論 文 主要針對穴盤苗移栽機(jī)的移苗末端執(zhí)行器和移栽輔助裝置兩大組成部分的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究 ，在研究中采用了 理論分析和虛擬樣機(jī)技術(shù)相結(jié)合 的辦法，完成了對整套機(jī)構(gòu)的設(shè)計和分析，研究的主要內(nèi)容如下： 1 對 育苗穴盤的類型、育苗基質(zhì)的成分、育苗方法和 缽苗自身的重量等 相關(guān)參數(shù)進(jìn)行 測定， 為移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。 2 穴盤苗移栽機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 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。 3 進(jìn)行理論分析計算 。 結(jié)合市場實際需要和已學(xué)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè) 計等知識對穴盤苗移栽機(jī)內(nèi)部各構(gòu)件尺寸，各標(biāo)準(zhǔn)件型號的選擇和末端執(zhí)行器 的運動參數(shù)進(jìn)行分析和設(shè)計計算。 4 穴盤苗 移栽機(jī)工作過程的運動學(xué)仿真 分析 。運用動力學(xué) 仿真軟件對移 栽機(jī)三維模型進(jìn)行運動學(xué)仿真，觀察整個工作過程是否科學(xué)合理，末端執(zhí)行器 的運動是否精確，以及運動中是否會與移栽機(jī)其他部件發(fā)生干涉。 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 10 第二章 移栽機(jī)研究前期工作 實地考察 畢業(yè)設(shè)計前期階段，我前 去浙江 省 農(nóng)科院參觀了溫室葉菜的栽培技術(shù)，通過參觀學(xué)習(xí)，了解到目前葉菜的培養(yǎng)模式主要有三種， 即傳統(tǒng)農(nóng)田栽培模式、水培模式和穴培模式，并認(rèn)識到人工移栽、采收 的效率低下等問題。 本論文從葉菜栽培的幾種主要模式出發(fā)，來闡述不同模式下的移栽裝置需求，以解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一些實際問題。 葉菜栽培的主要模式 傳統(tǒng)農(nóng)田栽培模式 圖 21 所 示為傳統(tǒng)模式下人工栽培的葉菜， 傳統(tǒng)農(nóng)田栽培模式的葉菜 往往具有分布不均、生長周期長、收采不便等缺點。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。如果在農(nóng)田中實現(xiàn)機(jī)器按行移栽，則可使行列之間排列整齊，葉菜株距約 10cm，行距約 15cm，并根據(jù)機(jī)器需要在一定范圍內(nèi)可調(diào)。 圖 21 農(nóng)田中的葉菜 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 水培模式 水培模式是在溫室大棚中進(jìn)行 的，通過底部與四周鏤空的育苗杯將葉菜固定在水浮穴盤中。水浮穴盤 由泡沫板制成，可漂浮在盛有營養(yǎng)液的水池中。如 圖22 所示 ， 圖中 左中右水池寬度 的 分別為 180cm、 120cm 和 120cm。水培模式是一種新型的 漂浮栽培技術(shù)，可使葉菜在特定條件下的光熱條件得到充分利用，避免 惡劣天氣 的 影響，從而提高葉菜的質(zhì)量和產(chǎn)量。 如圖 23 所示，水浮穴盤的穴孔分布較疏松，穴盤整體尺寸是 60cm179。 80cm，穴孔按 6179。 8 分布。要實現(xiàn)水浮栽培葉菜，首先要將育苗穴盤中的幼苗移栽到水浮穴盤中。傳統(tǒng)移栽都是靠人工實現(xiàn)，工作效率低 且強(qiáng)度大，在一定程度上降低了經(jīng)濟(jì)效益， 通過 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備 可實現(xiàn)高效移栽、省時省力的目的。 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。 一個穴盤的尺寸約為 28cm179。 54cm，圖中所示為兩兩并排的穴盤，其總寬 度 約 為 115cm。穴培同樣是在溫室大棚中進(jìn)行的， 并且 便于 對幼苗進(jìn)行管理和搬運 。 穴培 模式的另一顯著優(yōu)點就是便于采收，由于葉菜排列較整齊，通過采收裝置比較容易實現(xiàn)自動或半自動采收。 如圖 25 所示，育苗穴盤的穴孔分布較密，穴盤整體尺寸是 28cm179。 54cm，穴孔按 6179。 12 分布。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。黑色塑料育苗杯具有白天吸熱，夜晚保溫護(hù)根、保肥作用，干旱 時節(jié)還具有保水作用。用育苗杯育苗便于集中培育和移栽，可以顯著提高經(jīng)濟(jì)效益。 圖 24 穴培模式下的葉菜 圖 25 育苗穴盤 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 葉菜移栽的需求分析 根據(jù)葉菜培養(yǎng)模式的不同，我們需要的移栽裝置也略有差異，農(nóng)科院要實現(xiàn)的移栽主要有兩類，一類是將育苗穴盤中的幼苗移栽到水浮穴盤中，另一類是將育苗穴盤中的幼苗移栽到種植穴盤或農(nóng)田 中。 葉菜移栽是生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，有利于彌補(bǔ)光照不足和生長溫度不宜等缺點，實現(xiàn)光熱資源的充分利用。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。但是傳統(tǒng)情形下，幼苗的移栽都是靠人工完成的，人工移栽工作強(qiáng)度大、效率低，所以如果能通過一種移栽裝置來自動完成移栽，那么可以有效地節(jié)省勞動力，同時提高移栽效率，從而獲得良好 的經(jīng)濟(jì)效益。 水培模式下的移栽 水培模式下，主要是將育苗穴盤中的幼苗按 行移栽到水浮穴盤中，這需要通過一定的機(jī)械裝置實現(xiàn)。移栽動作主要包括 抓取 — 移動 — 分散 — 放置四 個步驟 。 傳統(tǒng)模式下的移栽 傳統(tǒng) 模式下，主要是將育苗穴盤中的幼苗移栽到農(nóng)田中，同樣需要通過機(jī)械裝置來 實現(xiàn)，移栽動作主要是針插 — 夾持 — 移動 — 放置四步。 圖 26 所示 是用于移栽到農(nóng)田中的育苗穴盤， 圖 27 所示 是連同基質(zhì)一起提出的待移栽幼苗。 圖 26 用于移栽到農(nóng)田中的育苗穴盤 穴盤苗自動移栽機(jī)的研制 14 圖 27 連同基質(zhì)一起 提出 的待移栽幼苗 移栽方案選擇 本論文主要針對 研究較少的 水培模式下的移栽作業(yè)，力圖研究設(shè)計一臺穴盤苗 自動 移栽機(jī)械，用于將育苗穴盤中的穴盤苗移栽至水浮穴盤之中。 穴盤苗與穴盤苗物理特性研究 育苗穴盤的選擇 穴盤育苗是一個新的行業(yè)，是 20 世紀(jì) 70