葫蘆科穴盤苗單人操作嫁接機器人設計與試驗

褚 佳 張立博 張鐵中,2 張文波 王糧局 劉 展

(1.中國農業大學工學院, 北京 100083； 2.農業部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室, 北京 100083)

葫蘆科穴盤苗單人操作嫁接機器人設計與試驗

褚 佳1張立博1張鐵中1,2張文波1王糧局1劉 展1

(1.中國農業大學工學院, 北京 100083； 2.農業部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室, 北京 100083)

為提高葫蘆科穴盤苗嫁接機器人的人均操作效率，在原先機器的基礎上優化改進，設計了葫蘆科穴盤苗單人操作嫁接機器人，并進行了效率提高的理論分析，通過分析得出，所設計的葫蘆科穴盤苗單人操作嫁接機器人的人均操作效率與操作者的操作熟練度呈負相關的關系，理論上，設計的單人操作嫁接機器人人均操作效率比改進前提高1倍。通過試驗得出，在種苗質量有保證的前提下，機器嫁接成功率可達95%，嫁接速度可達455株/h，實際作業的人均操作效率提高了50%以上。

嫁接機器人； 葫蘆科； 穴盤苗； 設計； 試驗

引言

與傳統人工嫁接方式相比，自動嫁接在省時、省工、省力、作業質量優等方面具有顯著優勢[1-4]。近年來，蔬菜自動嫁接技術在國內外有不同程度的發展。日本、韓國等是研究蔬菜自動嫁接技術最早的國家，其研制的蔬菜嫁接機器人已應用于實際蔬菜育苗生產，但較為昂貴，并不適合一般農戶和中小育苗基地[4-11]。中國農業大學研制了2JSZ-600型和2JSZ-600Ⅱ型穴盤嫁接機[12-13]，此后，國內一些院校科研單位對蔬菜自動嫁接機裝置也相繼開展了研究[14-19]。2014年，中國農業大學針對營養缽苗的嫁接工作開展了適用于單人操作的嫁接機器人研究，并研制了相應樣機[4]，其人均工作效率可達285株/h，但只適用于營養缽苗的自動嫁接作業。到目前為止，國內外研制的穴盤嫁接機大多需要2人供苗，人均效率并不理想。

因此，為提高穴盤幼苗自動嫁接的人均操作效率以及自動化水平，本文在2JSZ-600Ⅱ型蔬菜嫁接機的基礎上，對其進行相應的改進，設計基于單人操作的葫蘆科穴盤苗蔬菜嫁接機器人。

1 系統組成與工作原理

穴盤苗單人供苗蔬菜嫁接機器人主要由砧、穗木供苗臺，砧、穗木夾持搬運機構，旋轉切削機構，嫁接夾自動排列輸送機構以及排苗機構等5部分組成，如圖1所示。

圖1 嫁接機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of grafting robot1.砧木供苗臺 2.旋轉切削機構 3.穴盤 4.穗木供苗臺 5.穗木夾持搬運機構 6.嫁接夾輸送機構 7.振動盤 8.控制箱 9.排苗斜槽 10.砧木夾持搬運機構 11.輸送帶 12.穴盤苗托盤

機器工作過程如下：①上苗：操作人員分別從左、右手邊的穴盤中取出砧木和穗木幼苗，分別放置在砧木和穗木供苗臺上，放苗后，供苗檢測開關被啟動，供苗臺旋轉180°朝向砧木和穗木搬送機械手。②取苗搬運：砧木和穗木搬送機械手的氣缸同時伸出，從供苗臺上夾住砧木和穗木幼苗后縮回，然后旋轉90°，將砧、穗木幼苗送至切削位置。③切苗：旋轉切削機構帶動兩把刀片轉動，將砧木的一片子葉連同生長點和穗木的莖稈根部同時切除。④出夾嫁接：砧、穗木搬送機械手再次伸出，將砧、穗木幼苗的切削斜面貼合在一起，自動送夾機構輸送嫁接夾完成固定。⑤排苗輸送：砧、穗木機械手的夾持手爪張開，嫁接苗沿排苗斜槽落到輸送帶上，被運至機器之外。

2 關鍵部件設計與分析

穴盤苗單人供苗蔬菜嫁接機器人是對前期現有的蔬菜嫁接機器人加以改進，其基本嫁接原理與其類似，現對改進后的關鍵部件進行分析。

2.1 砧、穗木供苗臺

砧、穗木供苗臺的功能是接過操作人員從穴盤中供給的幼苗，然后將它們傳遞給夾持搬送機械手。考慮到是單人操作機器，因此為機器分別配備砧木和穗木供苗臺，以便在實際工作中充分做好人機相互配合。

如圖2所示，供苗臺主要由旋轉氣缸、支架、氣爪固定板、支點開閉型氣爪、夾持手爪、夾持手爪擋片、橡膠墊片、貓須開關等組成。操作時，使砧木子葉展開方向與供苗臺夾持手爪的對稱軸方向一致，上苗觸動貓須開關，夾持手爪閉合，帶動夾持手爪夾住幼苗。手爪閉合時，為了保護幼苗不受損傷，在夾持爪孔內側貼4塊一定厚度的橡膠墊片，墊片包裹住幼苗，起到減少損傷作用的同時，也使其不會隨意轉動，達到理想的夾持效果。

圖2 砧木供苗臺Fig.2 Stock seedling-providing platform1.支架 2.氣爪固定板 3.氣爪氣缸 4.夾持手爪 5.橡膠墊片 6.夾持手爪擋片 7.型材蓋

穗木供苗臺的工作流程與砧木相同，結構也相似，生產中通常以西瓜、甜瓜、黃瓜苗作穗木，相比南瓜等砧木，其莖稈尺寸相對短小、纖細，在零部件設計中，根據穗木苗的特點，確定合適的尺寸。

2.2 砧、穗木夾持搬送機械手

砧、穗木夾持搬運機械手的主要作用是接過供苗臺上的幼苗，送至切削位置，切苗后，再送至嫁接夾輸送位置。切苗時，180°旋轉氣缸帶動兩把切刀同時動作，切除砧木的1片子葉與生長點，保留1片子葉和莖稈，切除穗木的根部，保留子葉與生長點。在此過程中，砧木夾持手爪須維持砧木子葉方向不變，以確保準確切除子葉與生長點。切苗后，搬運機械手將砧、穗木幼苗運至嫁接夾輸送位置，砧木和穗木的切削斜面被塑料夾固定在一起，完成嫁接。

2.2.1 砧木夾持搬運機械手

如圖3所示，砧木夾持搬運機械手主要包括旋轉氣缸底座、90°旋轉氣缸、聯接夾塊、直推氣缸固定板、直推氣缸、導桿定位片、導桿、氣爪支撐板、氣爪、夾持手爪、支葉滑坡等部件。如圖3所示，機構中選用的是SMC CXSM10-70型直推氣缸，有伸出和縮回兩種狀態，缸徑10 mm，行程70 mm。切削時，導桿頂在幼苗莖稈上方，起到支撐作用，以保證砧木苗1片子葉與生長點的切除更加準確和徹底。

圖3 砧木夾持搬運機械手Fig.3 Stock gripping and transporting unit1.氣缸座 2.旋轉氣缸 3.氣缸聯接夾塊 4.支點開閉型氣爪5.夾持手爪 6.砧木支葉滑坡 7.砧木氣爪板 8.導桿固定板9.直推氣缸 10.導桿 11.直推氣缸固定板

機構具體工作過程如下：當砧木供苗臺將幼苗運至指定位置后，直推氣缸伸出，夾持手爪夾住幼苗，直推氣缸縮回；隨后，旋轉氣缸轉動90°，將砧木幼苗運至切削位置，如圖4a所示；切苗后，直推氣缸再次伸出，將幼苗運至嫁接夾輸送位置，等待送夾固定，直至完成嫁接過程，如圖4b所示。

圖4 砧木夾持搬運機械手工作過程Fig.4 Working process of gripping and transporting of stock

夾持手爪與幼苗的接觸面積應大一些，減小手爪閉合時對幼苗莖稈產生的壓強，從而減輕幼苗損傷，提高成活率，根據整機結構布局，將夾持手爪的高度設計為16 mm，并在夾孔內側貼一定厚度的橡膠墊片，減少零件對苗的損傷。

2.2.2 穗木夾持搬運機械手

如圖5所示，穗木夾持搬運機械手中執行元件的選用與砧木相同，工作流程也相同。直推氣缸的軸線方向與氣爪支撐板的傾斜方向垂直，氣爪支撐板上平面與水平面平行，穗木支苗板的延長線方向與水平面垂直，于是可得

圖5 穗木夾持搬運機械手Fig.5 Scion gripping and transporting unit1.穗木氣爪支撐板 2.穗木支苗板 3.穗木支苗片

(1)

式中α1——直推氣缸軸線方向與水平面夾角β1——氣爪支撐板折彎角度γ——穗木支苗板折彎角度δ——穗木支苗板與氣爪支撐板夾角

為了加工方便，可考慮讓穗木支苗板的折彎角度γ與氣爪支撐板的折彎角度β1相等，由式(1)得

(2)

因此，一旦確定直推氣缸的安裝角度α1，就可根據式(1)計算穗木氣爪支撐板的折彎角度β1以及穗木支苗板與氣爪支撐板的夾角δ，為實際的零件加工和整機裝配提供數據參考。

圖6 氣缸安裝板Fig.6 Mounting plate of cylinder

穗木直推氣缸安裝板的設計如圖6所示，根據CXSM型氣缸安裝孔的尺寸，得到底邊長為34 mm、高為40 mm的等腰三角形，于是可得

(3)

據式(3)可以計算出直推氣缸中心線與水平面的夾角α1為23°，根據式(1)，則β1=113°，γ=113°，δ=44°。

因此，設計時，將穗木氣爪支撐板的折彎角度與穗木支苗板的折彎角度定為113°，裝配時，保持穗木支苗板與穗木氣爪支撐板的夾角為44°。

2.2.3 位置關系分析

為確保砧、穗木切削斜面能夠準確地貼合在一起，需要對旋轉切削機構的中心安裝高度H、切削半徑r以及砧、穗木切削時的坐標位置進行計算分析。砧、穗木切削、貼合、輸送嫁接夾的過程如圖7所示。

圖7 切削、貼合、送夾過程示意圖Fig.7 Sketch of cutting and jointing

圖8 嫁接機器人工作時序Fig.8 Timing diagrams of grafting robots

圖7中，ε為砧、穗木切削斜面與豎直平面的夾角，根據之前的研究成果，當該角度為30°，且切刀中心高度H與嫁接苗貼合中心高度b相等時，貼合效果比較好，嫁接成活率也比較高；r為切削機構的旋轉半徑；切削時，砧木生長點距離框架平面的高度為c，距離砧木夾持搬運機械手安裝中心的水平長度為d；砧、穗木夾持搬運機械手安裝中心之間的水平距離為e；直推氣缸的安裝角度為α1，行程為70 mm。于是可得

(4)

(5)

代入式(5)，得r=70 mm，可見，切削半徑r由直推氣缸行程唯一確定，而與其它參數無關。考慮到整機布局，實際中取e=380 mm，砧、穗木切苗貼合中心與切削機構旋轉中心高度H=b=160 mm；又知，直推氣缸中心線與水平面的夾角α1=23°。則可得，切削時砧木生長點的坐標為(125.6, 132.6)，穗木切削中心點的坐標為(250.6, 195)，根據這兩點的坐標，可大致確定砧木和穗木夾持搬運機構各個零部件的安裝位置，再以夾持搬運機構零部件的裝配位置為準，確定砧、穗木供苗臺和嫁接夾輸送機構的安裝位置，至此，整機的位置關系基本確定。實際操作中，以計算得到的坐標位置為參考，微調后，即可使嫁接機達到效果最好、最合適的工作狀態。

2.3 嫁接機效率理論分析

針對改進后的單人操作模式與改進前的雙人操作模式進行對比，從理論上分析人均效率的提高情況。

根據之前所描述的嫁接機器人的工作流程，可將嫁接機器人的工作時序進行簡圖化，作出相應的工作時序圖，如圖8所示。圖中分別繪制了單人操作嫁接機的工作時序與改進前的雙人操作嫁接機的工作時序。

如圖8a所示，由于單人操作，砧木與穗木上苗時會存在一定的時間差Δt1，而這個時間差則意味著操作人員操作的熟練程度；在雙人操作時，理論上可視為兩人同時上苗，因此可視為不存在時間差。

圖中 Δt1——砧穗木上苗時間差T1——上苗、取苗、搬運時間 Δt2——取苗復位時間T2——切苗、出夾嫁接時間

這些參數中，T1、T2和Δt2為固定參數，因為這些時間是相應的氣缸動作時間，并且由控制程序所設定，而Δt1為砧穗木上苗時間差，可理解為操作人員由砧木上苗后開始至穗木上苗結束，這個時間差主要取決于操作人員上苗的熟練程度以及從穴盤里人工取苗的熟練程度，因此，這個時間差可表征操作人員的操作熟練程度。在理論分析過程中，假設每次嫁接操作，操作人員的這一參數都是恒定的。這里需要強調，理論上假設操作人員已經具備一定的熟練程度，即

Δt1

(6)

該不等式表明假定在一次嫁接過程中砧穗木取苗機械臂復位前操作人員已經準備好進行下一次嫁接的上苗工作。在這個假設下，雙人操作模式過程中，上苗時間差對整個嫁接過程效率并不產生影響，如圖8b所示。

因此，在上述假設的前提下，分析圖8的嫁接工作時序圖，可得出在兩種操作模式下嫁接機的人均操作效率分別為

(7)

(8)

式中λ1——單人操作人均效率λ2——雙人操作人均效率n——嫁接幼苗數

在此，又定義

(9)

式中η——單人操作人均效率提高率

這里對于η作出相應的解釋：當嫁接幼苗數較多時(理論上可理解為n→+∞)，理論上單人操作人均效率較雙人操作人均效率的提高率。因此，根據式(7)～(9)可得出

(10)

定義

(11)

這里將α定義為砧穗木上苗時間差與上苗、取苗、搬運時間和取苗復位時間總和的比值，便可理解為操作人員的操作熟練度，α越小表明操作越熟練，根據上述分析，可得出α∈(0,1)。于是，可作出在這一期間內η與α的關系曲線，如圖9所示。

圖9 操作熟練度與效率提高率之間的關系曲線Fig.9 Relationship curve between η and α

圖9表明，隨著α的減小，η會相應增大，這表示在嫁接過程中，隨著操作人員熟練程度的提高，單人操作模式的人均效率較之雙人操作模式會有更大的提高程度。因此，理論上，對于單人操作模式來說，操作人員操作越熟練，人均嫁接效率將會越高。由圖可知，理論上，單人操作模式較之雙人操作模式的人均操作效率可提高1倍。

3 試驗

為測定機器的嫁接速度和嫁接成功率，選用云南黑籽南瓜和津春4號黃瓜作為砧木與穗木，進行相關試驗。試驗過程中，由1人供砧、穗木苗，機器自動完成余下工序，整個嫁接過程如圖10所示。

黑籽南瓜親和性好、成活率高，具有良好的生產性能，抗枯萎病、耐低溫，適宜冬季嫁接作業。南瓜和黃瓜嫁接種苗有自育和工廠集約化生產兩種來源方式[20]。試驗中使用5×10穴盤，每盤50株苗，為方便比較，試驗分3組進行，每組分別試驗2次，每次嫁接50株幼苗。A組選用實驗室自育的南瓜和黃瓜苗進行嫁接試驗；B組選用中農富通公司通州基地集約化生產的同品種南瓜和黃瓜苗進行嫁接試驗；C組則作為對照，不使用苗，機器空運行。為排除其它因素的干擾，試驗中由同一個人操作機器，試驗數據如表1所示。

由表1可見，選用集約化生產的南瓜和黃瓜苗，嫁接速度可達455株/h，比使用實驗室自育苗增加近34株/h，嫁接成功率可達95%，比使用實驗室自育苗提高近6個百分點。這是因為，實驗室條件有限，無法完全滿足幼苗生長對溫度、濕度和光照的要求，且育苗全靠經驗進行，導致種苗質量參差不齊；而工廠集約化育苗，科學調控溫度、濕度和光照等，種苗強壯、整齊，嫁接成功率高，同時由于苗的一致性好，減少了試驗人員從穴盤到供苗臺的操作時間，相應地提高了嫁接速度。由C組參照試驗可知，機器空運行的嫁接速度最高可達625株/h，是選用集約化生產幼苗嫁接速度的1.4倍，這表明，人工供苗環節占用了許多時間。隨著操作者熟練程度的增加，供苗時間會相應減少，機器有進一步提高嫁接速度的潛力。此外，試驗結果表明，選用集約化生產幼苗進行嫁接的人均操作速度為455株/h，比原有的2JSZ-600Ⅱ型嫁接機器人的人均作業效率(300株/h)提高了近50%。此外，試驗過程中，測量操作人員的實際上苗操作平均時間差(Δt1)為1 s左右，而程序設定的上苗、取苗、搬運時間與取苗復位時間總和(T1+Δt2)為3 s，將其代入式(10)可得η=50%，表明試驗結果符合理論分析。另外，試驗過程中A組與B組都出現了苗有損傷的現象，分別為A組4株，B組2株。原因在于損傷的幼苗其莖稈較粗，故在夾持過程中會產生一定的損傷，若實際嫁接時采用較為一致的幼苗，嫁接時，可保證嫁接品質。

圖10 嫁接過程示意圖Fig.10 Sketches of grafting processing

試驗參數A組B組C組121212幼苗數/株505050505050總時間/s424430394396288290嫁接速度/(株·h-1)424418456454625620成功數/株45444847成功率/%90889694

4 結論

(1)在實驗室原有機器的基礎上，設計了適用于葫蘆科穴盤幼苗的單人操作蔬菜嫁接機器人，機器由1人操作，簡單方便。

(2)分析了單人操作與原有機型在人均嫁接操作效率上的優勢，理論上與原有2JSZ-600Ⅱ型嫁接機器人(單人操作300株/h)相比，設計的單人操作蔬菜嫁接機器人的人均作業效率能夠提高1倍。通過理論分析，可知單人操作模式下，人均嫁接效率與操作者的操作熟練程度相關。

(3)在種苗質量有保證的前提下，機器的嫁接成功率可達95%，嫁接速度可達455株/h，實際作業的人均操作效率提高了50%以上。

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Design and Experiment of Grafting Robot Operated by One Person for Cucurbitaceous Seedlings Cultivated in Plug Trays

CHU Jia1ZHANG Libo1ZHANG Tiezhong1,2ZHANG Wenbo1WANG Liangju1LIU Zhan1

(1.CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China2.KeyLaboratoryofMinistryofAgricultureforSoil-Machine-PlantSystemTechnology,Beijing100083,China)

For the purpose of decreasing the investment of labour force in the process of vegetable grafting, a vegetable grafting robot operated by one person for Cucurbitaceous seedlings cultivated in plug trays was designed. The machine utilized the root-cutting grafting method. During working, the operator delivered respectively the stock and scion seedlings from plug trays on the left-hand and right-hand sides to seedling-providing platforms. The seedlings triggered the touching switches and then the machine completed automatically the subsequent motions of gripping, cutting, jointing, fixation and discharge controlled by PLC program. A theoretical analysis of promotion of grafting efficiency was done. In theory, the operating efficiency for one person of this robot can be promoted by 100%, compared with the old type of 2JSZ-600II grafting robot. And the analysis suggested that with the operating qualification promoting, the efficiency would be higer. Experiment results showed that the grafting success rate of the machine could reach up 95% and its grafting speed was approximately 455 seedlings per hour. Compared with previous grafting robots whose grafting efficiency was merely 600 seedlings per hour operated by two people, the machine’s working efficiency of per capita was improved by more than 50%. Therefore, the upgraded machine operated by one person was quite capable of developing the grafting labour efficiency.

grafting robot; Cucurbitaceous seedlings; plug trays; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.002

2016-05-19

2016-08-10

國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA10A506-2)和公益性行業(農業)科研專項(201303014-09)

褚佳(1989—)，男，博士生，主要從事生物生產自動化研究，E-mail： chujia_1117@126.com

張鐵中(1956—)，男，教授，博士生導師，主要從事生物生產自動化及機電一體化研究，E-mail： zhangtz56@163.com

S223.74; S616

A

1000-1298(2017)01-0007-07