【正文】 .............................................. 30 模擬剎車?yán)o機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................................... 31 末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)仿真分析 ................................................................................... 32 插入伺服電動(dòng)機(jī) ...................................................................................... 32 設(shè)置分析定義 ........................................................................................... 34 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)回放 .......................................................................................... 35 第五章 移栽機(jī)各系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì) ........................................................................ 37 水浮穴盤定位輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................... 37 輸送裝置相關(guān)參 數(shù)的確定 ......................................................................... 37 滾筒電機(jī)的選型 ....................................................................................... 37 末端執(zhí)行器定位輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................ 38 滾珠絲杠的選型 計(jì)算 ................................................................................ 38 氣缸的選型計(jì)算 ....................................................................................... 39 第六章 總結(jié)與展望 .................................................................................................... 40 總結(jié) .................................................................................................................. 40 展望 .................................................................................................................. 40 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................... 42 致 謝 ........................................................................................................................ 43 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 本課題研究的背景及意義 蔬菜是人類生活中必不可少的農(nóng)副產(chǎn)品。特別是隨著近年來(lái)人民生活水平的提高和我國(guó)加入 WTO 以后，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng) 對(duì)蔬菜 的巨大需求更加促進(jìn) 了蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 [1]。蔬菜種植業(yè)已經(jīng)成為國(guó)家出口創(chuàng)匯和促進(jìn)農(nóng)民增收的重要產(chǎn)業(yè)，也是發(fā)展我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。 為了保證作物 具 有適當(dāng)?shù)目臻g以促進(jìn)扎根和生長(zhǎng) ,需要 對(duì)作物 進(jìn)行移栽 作業(yè)。 目前溫室蔬菜和花卉工廠化生產(chǎn)中移栽作業(yè)仍以手工為主，需要的勞動(dòng)力多、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，難以實(shí)現(xiàn)大面積移栽，并且溫 室內(nèi)高溫、高濕、勞動(dòng)環(huán)境差，所以實(shí)現(xiàn)穴盤苗移栽作業(yè)機(jī)械化及自動(dòng)化已成為我國(guó)蔬菜及花卉產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問(wèn)題 [2]。發(fā)達(dá)國(guó)家的穴盤苗育苗移栽技術(shù)起步較早 ，并且 栽植技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展很快。 荷蘭在花卉生產(chǎn)上應(yīng)用了穴盤苗移栽機(jī) ， 但 由于移栽機(jī) 價(jià)格昂貴 ，所以并沒(méi)有得到大面積推廣 。 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研制 2 國(guó)內(nèi)外移栽機(jī)研究現(xiàn)狀 國(guó)外研究現(xiàn)狀 穴盤苗移栽機(jī)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)始于 20 世紀(jì) 80 年代。 1 以工業(yè)機(jī)器人為本體的穴盤苗移栽機(jī) 以工業(yè)機(jī)器人為本體的穴盤苗移栽機(jī)是 最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)移栽作業(yè)的種植機(jī)械。 1987 年美國(guó)奧本大學(xué) Kutz 等人設(shè)計(jì)的苗圃植物移栽機(jī)器人 [4]，如 圖 11 所示。利用電腦輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬實(shí)際作業(yè)情況表明：穴盤與生長(zhǎng)盤放置 的相對(duì)位置對(duì)作業(yè)效率影響較大，穴盤與生長(zhǎng)盤并排放置時(shí)移栽效率最高。其位于頂部的視覺(jué)傳感器檢測(cè)穴苗的位置，力覺(jué)傳感器可避免 SNS 夾持器夾苗時(shí)用力過(guò)大而損傷穴苗。該研究證明了應(yīng)用移栽機(jī)器人實(shí)施移栽作業(yè)的可行性。因此，以工業(yè)機(jī)器人為本體的移栽機(jī)具有特定的功能，即只適用于特定的環(huán)境，不便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)，如增加傳 感器模塊等，并且這種封閉式結(jié)構(gòu)對(duì)移栽的作業(yè)對(duì)象和作業(yè)空間加以限制，其通用性差、利用率較低，與溫室自動(dòng)化流水線作業(yè)設(shè)施不易實(shí)現(xiàn)配套，且價(jià)格昂貴，因而該類型穴盤苗移栽機(jī)未能得到推廣。以獨(dú)立機(jī)電系統(tǒng)為主體的穴盤苗移栽機(jī)是最常用也是最方便的種植機(jī)械，而且隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，其系統(tǒng)的性能和智能水平將不斷提高。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?？刂撇糠植捎脝斡|式控制面板和自診斷裝置，以保證出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出警報(bào)。這種機(jī)器人的智能化程度很高。電機(jī)的作用是 使指針在夾取前旋轉(zhuǎn)至適當(dāng)?shù)奈恢?，以避免夾苗時(shí)損傷葉片；氣缸的作用是推動(dòng)指針插入苗坨；氣動(dòng)卡盤的作用是通過(guò)開(kāi)合 運(yùn)動(dòng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)穴苗的抓取、保持和釋放 [7]。 為此， 等人針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了 研究 改進(jìn)。 夾角 ，每個(gè)手指均由 1 個(gè)氣缸驅(qū)動(dòng)，其靈活性和可靠性有所提高，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。樣機(jī)試驗(yàn)證 明苗齡、指針插入深度、夾持位置及 抓苗速度對(duì)移栽成功率均有影響；每分鐘抓30 株 23 天 苗齡的 秧 苗，成功率為 97%。近年來(lái)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家（如美國(guó)、意大利、德國(guó)和日本）依靠技術(shù)與資金方面的優(yōu)勢(shì)，已 經(jīng) 成功研制出 了 多種類型的穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)。 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。 XT616 型移栽機(jī)之所以成為一種開(kāi)放式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的典型，體現(xiàn)在 3 個(gè)方面： 1）采用 PLC 可編程控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)；通過(guò)簡(jiǎn)單的更改程序，便可調(diào)整機(jī)械手末端的動(dòng)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(tái)可 折疊，可充分節(jié)省空間和 成本。 美國(guó) 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(diǎn)，對(duì)低于或高于標(biāo)準(zhǔn)移栽高度的穴盤苗也能成功移栽。 國(guó)外大多數(shù)穴盤苗移栽機(jī)是以 ～ kW 的汽油機(jī)作為動(dòng)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。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(dòng)移栽機(jī)械手。這些機(jī)型均應(yīng)用于缽苗移栽，對(duì)于穴盤苗移栽均需要手工取苗、投苗，機(jī)械化程度 還較 低。 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(dòng)移栽機(jī) [8]。其移行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位置精度較高，由單片機(jī)來(lái)控制，整機(jī)可靠性較強(qiáng)。 20xx 年，中國(guó)臺(tái)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]。氣壓式可調(diào)整花卉秧苗移栽機(jī) 如圖 15 所示。其用氣爪作為執(zhí)行部件，采用運(yùn)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]。因?yàn)橹皇浅醪教剿?，所以在移苗手爪、移苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性等方面還需要完善。由它來(lái)具體執(zhí)行拔苗、栽苗作業(yè)。拔苗時(shí)，移苗氣缸伸出，移苗針以 30176。之后，機(jī)械臂縮回，并向栽苗位置移動(dòng)。栽苗時(shí)，移苗氣缸縮回，移苗針隨之縮回，苗栽入孔穴中。其作為取苗和投苗的直接設(shè)備，是區(qū)分全自動(dòng)移栽和半自動(dòng)移栽的關(guān)鍵。 此外，還有部分人專門針對(duì)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。其中，穴盤苗移栽機(jī)械手的工作過(guò)程：“定位 — 抓取 — 定位 — 投放”，能實(shí)現(xiàn)穴 盤 苗單線 往復(fù)移栽。其控制系統(tǒng)由 PLC、行程開(kāi)關(guān)等組成?；?PLC 的穴盤苗移栽機(jī)機(jī)械手示意圖 如圖 16 所示。穴盤苗自動(dòng)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(jué)相機(jī)、三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械手組成。該控制系統(tǒng)整體布局合理、穩(wěn)定性好、程序設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)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。因此，對(duì)于田間露地穴盤苗全自動(dòng)移栽，除了要解決以上溫室內(nèi)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)所存在的一些問(wèn)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(gè)移栽系統(tǒng)的作業(yè)可靠性和穩(wěn)定性。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(shí)現(xiàn)大田秧苗全自動(dòng)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(wèn)題之一。雖然我國(guó)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)研制工作起步 比較 晚，但在積極借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，與我國(guó)生產(chǎn)實(shí)際結(jié)合，同時(shí)多學(xué)科聯(lián)合攻關(guān)，必將使這項(xiàng)研究工作開(kāi)展得更好。 2 穴盤苗移栽機(jī)的工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 。 3 進(jìn)行理論分析計(jì)算 。 4 穴盤苗 移栽機(jī)工作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 分析 。 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研制 10 第二章 移栽機(jī)研究前期工作 實(shí)地考察 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)到人工移栽、采收 的效率低下等問(wèn)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(zhǎng)周期長(zhǎng)、收采不便等缺點(diǎn)。如果在農(nóng)田中實(shí)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)。水浮穴盤 由泡沫板制成，可漂浮在盛有營(yíng)養(yǎng)液的水池中。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。 80cm，穴孔按 6179。要實(shí)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。 圖 22 水培模式下的葉菜 圖 23 水浮穴盤 穴盤苗自動(dòng)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。 54cm，圖中所示為兩兩并排的穴盤，其總寬 度 約 為 115cm。 穴培 模式的另一顯著優(yōu)點(diǎn)就是便于采收，由于葉菜排列較整齊，通過(guò)采收裝置比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)采收。 54cm，穴孔按 6179。幼苗是在育苗杯中培育的，而育苗杯（營(yíng)養(yǎng)缽）置于育苗穴盤的穴孔中。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。 葉菜移栽是生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，有利于彌補(bǔ)光照不足和生長(zhǎng)溫度不宜等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光熱資源的充分利用。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(guò)一種移栽裝置來(lái)自動(dòng)完成移栽，那么可以有效地節(jié)省勞動(dòng)力，同時(shí)提高移栽效率，從而獲得良好 的經(jīng)濟(jì)效益。移栽動(dòng)作主要包括 抓取 — 移動(dòng) — 分散 — 放置四 個(gè)步驟 。 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。 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(gè)新的行業(yè)，是 20 世紀(jì) 70 年代在國(guó)際上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新型的 育苗技術(shù)，是現(xiàn)代蔬菜工廠化育苗體系中的關(guān)鍵技術(shù)之一， 也是目前國(guó)內(nèi)外專業(yè)育苗公司采用的最專業(yè)、最重要的育苗手段。 對(duì)于 育苗 穴盤，一般是用 聚氯乙烯、聚丙