椰糠培育葉菜種苗移植機械手設計與試驗

黎 波 ，辜 松 ,2※，初 麒 ，呂亞軍 ，胡俊生，謝忠堅，楊艷麗，江海宇

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642；4. 廣州市綠翔機電安裝工程有限公司，廣州 511400）

椰糠培育葉菜種苗移植機械手設計與試驗

黎 波1，辜 松1,2※，初 麒1，呂亞軍1，胡俊生1，謝忠堅1，楊艷麗3，江海宇4

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642；4. 廣州市綠翔機電安裝工程有限公司，廣州 511400）

針對椰糠與泥炭相比容重小、孔隙度大、顆粒間黏附性弱，現有移植機械手對椰糠培育種苗移植適應性不佳的問題，該文以椰糠培育芥藍種苗為移植對象，設計了一種4伸縮針式移植機械手，伸縮針直徑2.5 mm、入土角76°。在移植機械手移植過程中，僅依靠基質塊的基質散落質量百分比難以說明移植部件對種苗根系的影響，該文提出了一種基質散落質量百分比結合基質散落區域評分的綜合評價法。針對50穴盤椰糠培育芥藍種苗，通過伸縮針拾取試驗，在保證椰糠基質塊移植過程中保持完整條件下，確定了移植機械手伸縮針間距為36 mm；通過移植作業性能試驗表明，葉菜種苗根系狀態對移植成功率影響最大，機械手作業移動加速度也有一定影響，對最優組合分析后補做試驗，試驗結果表明對于正常長勢椰糠培育芥藍種苗根系狀態，在根系分布率大于80%、垂直加速度0.3 m/s2、水平加速度1.5 m/s2和基質含水率81.01%條件下，芥藍種苗移植成功率可達100%。該研究可為移植椰糠培育種苗的移植機開發提供技術參考。

農業機械；設計；試驗；水培葉菜；種苗；移植機械手；椰糠基質

0 引 言

中國設施園藝近年發展迅速，2015年設施園藝生產面積達到433.33萬 hm2以上，然而中國設施園藝機械化水平還相對落后，占比達 95%的蔬菜綜合機械化生產水平僅達25%左右[1]，這與2012年中國水稻、玉米、小麥綜合機械化生產水平分別為68.82%、74.95%和93.21%[2]相比存在較大差距。設施水培蔬菜生產過程中種苗移植作業主要采用人工，人工移植作業不僅勞動強度大、效率低、移植質量不穩定[3-4]，人工成本也在逐年攀升[5-6]，因此開發適應中國水培蔬菜生產模式的穴盤種苗移植機械是設施園藝現代化生產的發展趨勢。

在國外，荷蘭、美國等國家穴盤種苗移植技術發展已較為成熟[7]，其移植對象主要是盆栽花卉種苗，移植機械手主要分為鏟式和針式2種類型[1]。近年，隨著設施水培蔬菜生產的發展，歐洲開發出了水培葉菜種苗移植機，但因采用基質塊培育種苗，其移植機械手結構相對簡單[8]，不適合中國穴盤生產水培蔬菜種苗的模式[9]。國內，張詩[10]、劉凱[11-12]、孫國祥[13-14]、韓綠化[15-16]等針對穴盤種苗移植提出了不同形式的移植機械手，馮青春[17]、童俊華[18]、高國華[19]、王躍勇[20]等針對移植機械手進行了作業性能研究，但上述研究均針對泥炭基質栽培種苗。目前華南地區水培葉菜種苗生產多以椰糠為主要栽培基質，椰糠與泥炭相比容重小、孔隙度大、顆粒間黏附性弱[21-22]，現有移植機械手入土位置及收縮拾取模式都難以保證椰糠基質塊的完整性，傷及種苗根系。本文以為廣東省水培葉菜種植企業研制水培葉菜種苗自動移植機為目標，開發適合椰糠栽培的水培葉菜種苗移植機械手，通過機械手移植試驗，確定移植機械手關鍵結構參數及作業參數，為椰糠栽培種苗自動移植機開發提供技術參考。

1 移植機械手設計

1.1 設計條件

本研究針對的水培葉菜種苗為種植企業生產量大、具有較好效益[23-25]的芥藍種苗。芥藍種苗移植苗齡為 2周,其栽培基質由椰糠、泥炭和珍珠巖組成，種植企業使用的基質質量比為8∶2∶1。

水培葉菜種苗生產使用50穴（5×10）塑料穴盤，外形尺寸為280 mm × 540 mm，穴孔上部邊長46 mm，下部邊長22 mm，深度48 mm，穴盤厚度1 mm，材料為PVC。

為考察芥藍種苗幾何參數，選取移植苗齡芥藍種苗60株（圖1），測得株高為（65±15）mm，主莖分布區域直徑為（21±7）mm。

圖1 芥藍種苗Fig.1 Kale seedlings

1.2 基質特性分析

本研究移植對象主要采用椰糠作為栽培基質，其特性見表1[26]，椰糠的容重不到泥炭的1/3，總孔隙度是泥炭的 2倍，這使得椰糠顆粒間的黏附力比泥炭的小，導致椰糠基質塊相比于泥炭容易散裂。

表1 椰糠與泥炭特性參數Table 1 Characteristic parameters of cocopeat and peatmoss

為對比椰糠與泥炭顆粒黏附特性，分別以椰糠和泥炭為對象進行立方塊壓縮試驗，針對50穴盤基質塊大小，取35 mm×35 mm×35 mm立方自然填充的基質，再將其壓縮至原有體積 80%的立方塊以利成形，利用 ARK-10M4-20型測力儀以1 mm/s的速度進行平板壓縮（圖2），測試 2種基質立方塊發生散裂的壓縮率，此狀態下的壓縮率稱為臨界壓縮率，各條件下測試重復5次。圖2測試結果表明，壓縮時椰糠比泥炭更容易散塊，這是因為椰糠孔隙度大，顆粒間難以形成黏附力所致，這種趨勢隨著基質含水率的增加而增加。

圖2 基質立方塊散裂臨界壓縮率測試結果Fig.2 Results of critical compression ratio test for substrate cubes spallation

1.3 設計方案

設施園藝移植機主要用于盆栽花卉種苗移植作業，常見移植機械手以拾取部件來分類主要有鏟式和針式兩種形式[27]（圖3）。鏟式移植機械手伸縮鏟插入基質邊緣，各伸縮鏟向基質塊中心聚攏實現對基質塊的收縮拾取，鏟式機械手尺寸較大，易對基質塊造成破壞，適用于小苗移植；針式移植機械手，利用伸縮針插入基質，收縮夾持提取基質塊，也有不收縮依靠伸縮針傾角提取基質塊[9]，適用于大苗移植。

圖3 常見移植機械手Fig.3 Commonly transplanting manipulator

根據椰糠孔隙度大、顆粒間黏附力較小、基質塊易散裂的特性，本研究采用不收縮針式移植手結構，以減少對椰糠主體基質塊的擾動、避免基質塊散裂，依靠伸縮針的傾角提取基質塊。

為了解伸縮針移植水培葉菜種苗的受力情況，對基質塊剛好脫離穴盤時的受力進行分析，如圖4所示。

圖4 基質塊脫離穴孔壁時刻受力分析圖Fig.4 Force analysis diagram when substrate cube break away from wall of plug tray hole

O點為基質塊質心，伸縮針與水平方向夾角記為入土角α，FN1和FN2為基質塊對伸縮針的正壓力，FN1對基質塊產生2個分力，F3對基質塊向上提升，F4將基質塊向中心擠壓。當伸縮針插入基質塊點與外邊緣距離L較小時，伸縮針上承載的基質塊質量較大，FN1較大，F3和F4也相應較大，伸縮針對基質塊的提升效果較好，但基質塊會受到較大擠壓力。另外基質塊還受到伸縮針對其的張力F1和F2的作用，F1和F2沿伸縮針斜向上對基質塊起提升作用，張力與基質含水率及基質顆粒間黏附性等物理參數有關[28]。

考慮基質塊拾取穩定性，選取 4根伸縮針，移植機械手主要由氣缸、導管座、導管、伸縮針構成（圖5a）。氣缸桿與導管座連接，4個導管固定在導管座上，4根伸縮針與氣缸體連接，可在氣缸驅動下在導管內滑動。如圖 5b，為避免移植機械手拾取時壓傷水培葉菜種苗，根據芥藍種苗株高（65±15） mm，導管垂直長度C1取為80 mm；根據基質塊深度為48 mm，伸縮針伸插入基質塊的垂直深度C2取為43 mm，因此氣缸選為CDQ2B 32-45型；伸縮針入土角α取為基質塊的傾角，根據基質塊的幾何尺寸計算為76°。

圖5 水培葉菜種苗移植機械手Fig.5 Seedlings transplanting manipulator of hydroponics leafy vegetables

為確定伸縮針外徑，選取1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 mm鋼針依次安裝于移植機械手氣缸上對芥藍種苗基質塊進行拾取效果探索試驗，試驗針對根系分布較差、基質處于較干狀態的芥藍種苗。試驗結果表明，2 mm及以下伸縮針剛性差、易彎曲，不利于基質塊穩定拾取；3 mm及以上伸縮針，基質塊易被伸縮針扎裂破碎，導致基質塊在移植過程開裂而使基質散落。綜上所述，伸縮針直徑確定為2.5 mm，伸縮針材料采用不銹鋼。

根據圖4的受力分析，伸縮針的間距S與L呈相關性，因L的大小影響伸縮針對基質塊的提升力和破裂程度，L與S值通過機械手移植試驗確定。

2 機械手移植試驗

2.1 伸縮針拾取試驗

為確定伸縮針插入基質塊插入點與外邊緣的適宜距離L及伸縮針間距S，進行距離L、根系狀態T、及基質含水率W影響伸縮針傷根情況的正交試驗。

2.1.1 試驗因素

由基質塊移植時受力分析可知，伸縮針插入基質塊點與外邊緣距離L影響伸縮針對基質塊的拾取效果，因此將L作為對根系損傷的影響因素。L越小，承載于伸縮針上基質塊質量越大，伸縮針對基質塊整體提升性能越好，但L過小，伸縮針易破壞基質塊的邊緣部分且易扎破穴盤，考慮到伸縮針的直徑及作業偏差，取L最小值為 5 mm；L過大，伸縮針插入點會進入芥藍種苗莖干分布區傷及莖干，根據芥藍種苗主莖分布區域直徑最大值 28 mm和穴孔上部邊長46 mm，L最大值取9 mm，L的3個水平取為9、7和5 mm。

根系損傷情況還與基質含水率有關，將其也作為一對根系損傷的影響因素。播種前向穴盤填充等質量基質，芥藍成苗后，以基質塊澆透水為高含水率，放置3 d后為低含水率，取高、低含水率濕基質樣本，分別使用HX1002T型電子天平稱濕基質質量，通過DHG-9070A型電熱鼓風干燥箱，以120 ℃連續烘干10 h，再稱取烘干后質量，基質含水率依據下式計算[29]

計算得到基質高、低含水率分別為89.90%、72.12%。中含水率為高、低含水率的平均值81.01%，為保證各基質塊含水率基本一致，根據計算，分別對每一基質塊澆水獲得中含水率基質塊，因此含水率的3個水平為72.12%、81.01%和89.90%。

種苗根系對基質塊有聚合作用，將水培葉菜種苗根系狀態也作為對根系損傷的另一影響因素。由于根系的立體分布特征，無法進行無損測量，在此以基質塊 4個側面根系分布面積（圖 1b）與側面總面積比值（根系分布率）的平均值來說明根系的分布，當根系分布率小于50%時，根系狀態記為“差”；當根系分布率為50%～80%時，根系狀態記為“中”；當根系分布率大于80%時，根系狀態記為“好”，據此，根系分布率的3個水平為差、中和好。

2.1.2 試驗評價指標

水培葉菜種苗栽培農藝要求移植過程中盡量減小對根系的損傷，移植時基質在伸縮針擠壓下發生破碎而部分散落，會導致種苗部分根系受拉力作用被拉斷，而基質散落越靠近基質塊中部根系，根系損傷程度越大，因此應保證移植后基質塊盡可能完整。韓綠化等[15]以根土破壞率，王躍勇等[20]以基質完整率考察根系破壞程度，二者方法均以移植時脫落的基質質量來反映根系損傷情況，然而不同區域基質散落對根系的損傷情況是不同的，根系在基質塊中是由中部向外放射性分布，如圖6a中基質塊單側散落質量與圖6b中基質塊雙側散落質量基本相同，但二者造成根系損傷結果會不同，因此根系損傷情況僅依靠基質塊散落質量來描述存在局限性。針對此問題本研究對基質塊進行放射層式分區，依據對中心根系可能產生的損傷分為4個區，并進行評分，如圖6c，1～4區對應分值分別為1區：1分，2區：2分，3區：3分，4區：4分。根系損傷得分SRD為各分區分值與該分區基質未散落質量百分比乘積之和，基質塊無散落為10分，SRD計算公式如下

式中SRD為根系損傷得分；A、B、C和D區分別為1、2、3和4區基質未散落質量百分比，%。

圖6 基質塊兩種散落情況對比及評分分區Fig.6 Comparison of two different substrate cube scattered and its score partition

根系損傷得分分值越高，說明靠近根系的基質散落量越少，該評價方法可以較好地反映基質散落量與根系損傷情況之間的關系，本試驗以根系損傷得分為拾取位置試驗的目標函數進行考察。

2.1.3 試驗設計

針對考核指標根系損傷得分，影響因素伸縮針插入基質塊插入點與外邊緣距離L的 3個水平取為 9、7、5 mm，根系分布狀態3個水平取為“差”、“中”、“好”，基質含水率3個水平取為72.12%、81.01%、89.90%。試驗選用L9(33)正交表安排，每個試驗條件組合移植30株種苗, 具體試驗因素水平如表2所示。

表2 移植機械手拾取位置正交試驗因素與水平Table 2 Orthogonal experiment factors and level of transplanting manipulator picking up location

移植試驗裝置如圖 7所示，機械手掛接于 Denso VP-6242E/GM六軸機械手臂上進行移植試驗，機械手臂最大可搬運負荷2 kg。

圖7 移植機械手拾取位置試驗裝置Fig.7 Test devices of transplanting manipulator picking up position

2.1.4 結果與分析

對表 3中的試驗結果利用極差法分析可知，影響根系損傷得分的主次因素順序依次為根系狀態、距離、基質含水率。最優水平組合為：距離L=5 mm、根系狀態為“好”、基質為中等含水率81.01%，此時根系損傷得分為8.87分，基質散落情況與圖6c中只有1區基質塊全部散落（9分）大致相當。

表3 移植機械手拾取位置正交試驗結果Table 3 Orthogonal experiment results of transplanting manipulator picking up location

根系狀態對根系損傷得分的影響最顯著，根系狀態為“好”時，根系損傷得分均大于 8分，而當根系狀態分別為“中”與“差”時，根系損傷得分分別降為6.5分與 4分左右，主要原因為根系狀態越差，根系對基質塊的聚合效果越差，伸縮針插入基質塊易發生破碎，此時基質散落拉斷根系而導致根系受損。

含水率對于根系損傷得分的影響最小，由表 3中基質含水率所在列k1＜k2和k2＞k3可知，根系損傷得分隨著含水率的增大，先增大后減小，出現該現象的原因是隨著含水率增大，基質塊顆粒間黏附張力增大，伸縮針對基質塊提升力也增大，基質塊不易散落，有利于基質塊的拾取作業，但含水率繼續增大會使基質塊與穴盤壁黏附力增大，基質在拾取過程中易黏附于穴盤壁而散落導致根系被拉斷，因此在水培葉菜生產中，應將澆透水的水培葉菜種苗靜置一段時間再進行移植作業，可減少對基質塊根系的損傷。

距離L由9 mm減為5 mm的過程中，根系損傷得分在不斷增大，為減小對水培葉菜種苗根系的損傷，L取為5 mm，根據基質塊上邊長為46 mm，于是伸縮針的間距S取為36 mm。

2.2 移植作業性能試驗

為考察作業參數對移植機械手作業性能的影響，將移植機械手掛接于移植機上，在以機械手移植成功率為考核指標的同時，以根系狀態T、移植機械手水平加速度Gh、移植機械手垂直加速度Gv為影響因素進行移植機械手作業性能正交試驗。

2.2.1 試驗材料與方法

本試驗以機械手的移植成功率為目標函數，移植機械手順利把水培葉菜種苗由穴盤移植至種植槽種植孔內，且基質散落質量低于原質量的30%定義為移植成功。

機械手移植時有垂直提升與水平輸送兩個動作，因此對于移植成功率，垂直加速度及水平加速度是重要影響因素。為確定垂直加速度Gv水平，進行初步移植試驗，選取不利作業條件組合，即基質為低含水率72.12%、根系狀態為“差”、伸縮針插入基質塊插入點與外邊緣距離L=13 mm，移植部件加速度調節通過控制伺服電機來實現。試驗結果表明當Gv大于0.8 m/s2時，移植成功率低于50%；Gv小于0.2 m/s2時，移植成功率可達95%以上；但Gv小于 0.3 m/s2時，垂直運動耗時大于 2 s，遠大于Gv為0.8 m/s2時的0.5 s，綜合考慮上述2個因素，因此影響因素Gv的3個水平取為0.3、0.5、0.7 m/s2。水平加速度Gh與Gv對基質塊的作用方式都為慣性沖擊，因此采用相同試驗方式確定影響因素Gh的3個水平取為0.5、1.0、1.5 m/s2。

試驗用水培葉菜種苗與試驗2.1相同，基質含水率選取最優水平81.01%。由試驗2.1可知，芥藍種苗根系狀態對移植作業有較大影響，本試驗仍將水培葉菜種苗根系狀態T作為影響因素，因素水平與試驗2.1相同，選用L9(33)正交表安排試驗, 具體試驗因素水平如表4所示。

表4 移植機械手作業性能正交試驗因素與水平Table 4 Orthogonal experiment factors and level of transplanting manipulator work capability

試驗利用開發出的水培葉菜種苗移植機進行，如圖8所示，移植機上安裝5個移植機械手對應5×10穴盤，初始狀態下，5個移植機械手貼合在一起，位于穴盤第一列種苗正上方，移植機械手分別對應一個穴盤穴孔；移植機械手由穴盤拾取種苗，通過伺服電機精準定位將種苗輸送至種植槽正上方；然后通過筆形氣缸將 5個移植機械手間距拉大至種植槽種植孔剛好對準，各移植機械手間距與相鄰種植孔孔間距一致；接著移植機械手將種苗投放至種植槽種植孔內，移植機械手完成一次循環移植作業后，回到穴盤第 2列種苗正上方，每個試驗條件組合移植30株種苗。

2.2.2 結果與分析

試驗結果如表5所示，根系狀態極差R值最大，說明根系狀態對移植成功率的影響最顯著。當根系狀態為“好”，平均移植成功率可達96.67%，而當根系狀態為“差”，平均移植成功率降為66.67%，因此在生產中應注意對水培種苗葉菜根系狀態進行觀察，應保證根系分布率大于80%以上再進行移植作業。

圖8 作業性能試驗用移植機及移植效果Fig.8 Transplanting machine for work capability experiment and transplanting effect

垂直加速度對移植成功率的影響也較大，在不同根系條件下都表現出，垂直加速度越大，成功率越低，當垂直加速度由0.3 m/s2增為0.7 m/s2，平均移植成功率由86.67%降為76.67%，這是因為垂直加速度越大，在重力作用下基質塊受到的垂直沖擊就越大，基質越易發生散落，在移植作業中垂直加速度不宜超過0.3 m/s2。

水平加速度極差值僅為 2.2遠小于根系狀態極差值30，因此水平加速度對移植成功率的影響較小，且不同水平加速度下平均移植成功率都為 80%左右，因為基質塊所受水平力只會造成基質塊水平晃動，對基質塊造成的影響不足以使基質散落。當水平加速度取為最大1.5 m/s2時，移植成功率仍可達96.67%，為提高生產效率，水平加速度可取為1.5 m/s2。

對表 5試驗結果進行極差分析，影響根系損傷得分的主次因素依次為根系狀態T、垂直加速度Gv、水平加速度Gh，最優水平組合為根系狀態“好”、Gh為0.5 m/s2、Gv為0.3 m/s2。但考慮到此條件組合下生產率較低，因此將Gh提高至1.5 m/s2補做試驗，該組試驗移植30株種苗，試驗結果表明：Gh為1.5 m/s2時，移植成功率S為100%。

表5 移植機械手作業性能正交試驗結果Table 5 Orthogonal experiment results of transplanting manipulator work capability

3 結 論

1）本研究針對以椰糠作為栽培基質培育水培葉菜種苗存在基質孔隙度大、顆粒間黏附性不強易破碎等問題，設計了一種 4伸縮針式移植機械手，依靠伸縮針的傾角提取基質塊，伸縮針入土角 76°，伸縮針直徑 2.5 mm、伸縮針入土間距36 mm，可實現椰糠為主要栽培基質的水培葉菜種苗的穩定移植作業。

2）本研究提出了基質散落質量百分比結合基質散落區域評分的綜合評價法，通過基質散落量與散落區域位置綜合描述散落量與根系分布位置的關系，克服了僅依靠基質散落量難以體現其對根系損傷程度的缺點。

3）通過對4伸縮針式移植機械手移植作業性能試驗，針對使用椰糠為主要栽培基質的水培葉菜芥藍種苗，當基質含水率為81.01%、水平加速度不大于1.5 m/s2、垂直加速度不大于0.3 m/s2、根系分布率大于80%情況下，芥藍種苗移植成功率可達100%。

[1] 辜松. 設施園藝現代生產裝備與技術[M]. 北京：中國農業出版社，2015：1－2.

[2] 陳永生，胡檜，肖體瓊，等. 我國蔬菜生產機械化現狀及發展對策[J]. 中國蔬菜，2014(10)：1－5.

[3] 劉煒，劉繼展. 穴盤苗移栽機器人末端執行器綜述[J].農機化研究，2013(7)：6－10.Liu Wei, Liu Jizhan. Review of end-effectors in tray seedlings transplanting robot[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013(7): 6－10. (in Chinese with English abstract)

[4] 岳建魁，郭俊先，梁佳，等. 國內外移栽機械發展現狀[J].新疆農機化，2016(5)：30－32.Yue Jiankui, Guo Junxian, Liang Jia, et al. The development status of transplanting machinery at home and abroad[J].Xinjiang Agricultural Mechanization, 2016(5): 30－32. (in Chinese with English abstract)

[5] 齊飛，周新群，張躍峰，等. 世界現代化溫室裝備技術發展及對中國的啟示[J]. 農業工程學報，2008，24(10)：279－285.Qi Fei, Zhou Xinqun, Zhang Yuefeng, et al. Development of world greenhouse equipment and technology and some implications to China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2008, 24(10): 279－285. (in Chinese with English abstract)

[6] 金三林，朱賢強. 我國勞動力成本上升的成因及趨勢[J].經濟縱橫，2013，154(2)：37－42.

[7] 辜松，楊艷麗，張躍峰. 荷蘭溫室盆花自動化生產裝備系統的發展現狀[J]. 農業工程學報，2012，28(19)：1－8.Gu Song, Yang Yanli, Zhang Yuefeng. Development status of automated equipment systems for greenhouse potted flowers production in Nether lands[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(19): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[8] 秦四春，辜松，王躍文. 歐洲水培葉菜機械規模化生產系統[J]. 農機化研究，2017(12) ：264－268.Qin Sichun, Gu Song, Wang Yuewen. The production system of hydroponic leafy vegetables mechanical large-scale in European[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research,2017(12): 264－268. (in Chinese with English abstract)

[9] 高國華，馮天翔，李福. 斜入式穴盤苗移栽手爪工作參數優化及試驗驗證[J]. 農業工程學報，2015，31(24)：16－22.Gao Guohua, Feng Tianxiang, Li Fu. Working parameters optimization and experimental verification of inclinedinserting transplanting manipulator for plug seedling[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 16－22. (in Chinese with English abstract)

[10] 張詩，田素博，邱立春. 穴盤苗自動移栽機械手的結構設計與仿真[J]. 沈陽農業大學學報，2007，38(3)：437－439.Zhang Shi, Tian Subo, Qiu Lichun. Structure design and simulation on manipulator of transplanting potted tray seedlings[J]. Journal of Shenyang Agricultural University，2007, 38(3): 437－439. (in Chinese with English abstract)

[11] 劉凱，辜松. PLC 在穴盤苗移栽機器人控制系統中的應用[J]. 農機化研究，2009(12)：179－181.Liu Kai, Gu Song. The application of PLC in the control system of transplanting potted seedling manipulator[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009(12):179－181. (in Chinese with English abstract)

[12] 劉凱. 2YZ-2000型秧苗移栽機關鍵部件的開發研究[C]//中國農業工程學會2011年學術年會論文集. 重慶：西南大學出版社，2011：22－25.

[13] 孫國祥，汪小旵，何國敏，等. 穴盤苗移栽機末端執行器設計與虛擬樣機分析[J]. 農業機械學報，2010，41(10)：48－53．Sun Guoxiang, Wang Xiaochan, He Guomin, et al. Design ofthe end-effector for plug seedlings transplanter and analysison virtual prototype[J]. Transactions of the CSAM, 2010, 41(10):48－53. (in Chinese with English abstract)

[14] 孫國祥. 基于機器視覺技術的穴盤苗自動移栽機器人研究[D]. 南京：南京農業大學，2009.Sun Guoxiang. Automatic Plug Seedlings Ttransplanting Rrobot Based on Machine Vision[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2009. (in Chinese with English abstract)

[15] 韓綠化，毛罕平，嚴蕾，等. 穴盤育苗移栽機兩指四針鉗夾式取苗末端執行器[J]. 農業機械學報，2015，46(7)：23－30.Han Lühua, Mao Hanping, Yan Lei, et al. Pincette-type endeffector using two fingers and four pins for picking up seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 23－30.(in Chinese with English abstract)

[16] 韓綠化. 蔬菜穴盤苗缽體力學分析與移栽機器人設計研究[D]. 鎮江：江蘇大學，2014.Han Lühua. Mechanical Analysis of the Root Lumps and Development of A Robotic Transplanter for Vegetable Plug Seedlings[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[17] 馮青春，王秀，姜凱，等. 花卉幼苗自動移栽機關鍵部件設計與試驗[J]. 農業工程學報，2013，29(6)：21－27.Feng Qingchun, Wang Xiu, Jiang Kai, et al． Design and test of key parts on automatic transplanter for flower seedling[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(6): 21－27. (in Chinese with English abstract)

[18] 童俊華，蔣煥煜，蔣卓華，等. 缽苗自動移栽機器人抓取指針夾持苗坨參數優化試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(16)：8－16.Tong Junhua, Jiang Huanyu, Jiang Zhuohua, et al. Experiment on parameter optimization of gripper needles clamping seedling plug for automatic transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(16): 8－16. (in Chinese with English abstract)

[19] 高國華，馮天翔，李福. 盆栽紅掌移栽手爪設計與工作參數優化[J]. 農業工程學報，2014，30(17)：34－42.Gao Guohua, Feng Tianxiang, Li Fu. Design and optimization of operating parameters for potted anthodium transplant manipulator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(17): 34－42. (in Chinese with English abstract)

[20] 王躍勇，于海業. 穴盤幼苗機械手取苗基質完整率影響因素試驗與分析[J]. 農業工程學報，2015，31(14)：65－71.Wang Yueyong, Yu Haiye. Experiment and analysis of impact factors for soil matrix intact rate of manipulator for picking-up plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 65－71.(in Chinese with English abstract)

[21] 李偉，郁書君，崔元強，等. 椰糠替代泥炭作觀賞鳳梨基質的研究[J]. 熱帶作物學報，2012，33(12)：2180－2184.Li Wei, Yu Shujun, Cui Yuanqiang, et al. Comparative study on peatmoss and cocopeat as substrates in Hydroponics for Guzmania Ostara[J]. Chinese Journal of Tropical Crops, 2012,33(12): 2180－2184. (in Chinese with English abstract)

[22] 代惠潔，紀祥龍，杜迎剛，等. 椰糠替代泥炭作番茄穴盤育苗基質的研究[J]. 北方園藝，2015(9)：46－48.

[23] 張靜，張魯剛，張玉. 芥藍種質資源營養成分及商品性評價[J]. 中國蔬菜，2009(16)：41－44.Zhang Jing, Zhang Lugang, Zhang Yu. Evaluation on nutritive elements and commodity traits of Chinese Kale Germplasm resources[J]. China Vegetables, 2009(16): 41－44. (in Chinese with English abstract)

[24] 宋世威，廖國秀，劉厚誠，等. 不同芥藍品種產量及品質性狀聚類分析[J]. 中國農學通報，2011，27(19)：161－165.Song Shiwei, Liao Guoxiu, Liu Houcheng, et al. Cluster analysis on yield and quality characters of different Chinese Kale varieties[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011,27(19): 161－165. (in Chinese with English abstract)

[25] 李桂花，熊瑞權，張輝玲，等. 芥藍種質資源的營養品質分析[J]. 廣東農業科學，2014，41(11)：33－36.Li Guihua, Xiong Ruiquan, Zhang Huiling, et al. Physiological quality analysis on different cultivars of Chinese Kale[J].Guangdong Agricultural Sciences,2014, 41 (11): 33－36. (in Chinese with English abstract)

[26] 許明修. 椰糠、泥炭對蝴蝶蘭生長影響[N]. 中國花卉報，2016-09-06(009).

[27] 王蒙蒙，宋建農，劉彩玲，等. 蔬菜移栽機曲柄擺桿式夾苗機構的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(14)：49－57.Wang Mengmeng, Song Jiannong, Liu Cailing, et al. Design and experiment of crank rocker type clamp seedlings mechanism of vegetable transplanter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 49－57. (in Chinese with English abstract)

[28] 繆小花，毛罕平，韓綠化，等. 黃瓜穴盤苗拉拔力及缽體抗壓性能影響因素分析[J]. 農業機械學報，2013，44(增刊1)：27－32 Miu Xiaohua, Mao Hanping, Han Lühua, et al. Analysis of influencing factors on force of picking plug seedlings and pressure resistance of plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(Supp.1):27－32. (in Chinese with English abstract)

[29] 杜森，高祥照. 土壤分析技術規范[M]. 北京：中國農業出版社，2006.

Design and experiment on manipulator for transplanting leaf vegetables seedling cultivated by coco-peat

Li Bo1, Gu Song1,2※, Chu Qi1, Lü Yajun1, Hu Junsheng1, Xie Zhongjian1, Yang Yanli3, Jiang Haiyu4
(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China; 2.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China;3.Guangzhou Sky Mechanical & Electrical Technology Co., Ltd., Guangzhou510642,China;4.Guangzhou Lüxiang Mechanical and Electrical Installation Engineering Co., Ltd., Guangzhou511400,China)

Currently, cultivated area of facilities horticulture is growing rapidly in China, while the level of mechanization is very low, and the production of hydroponic leafy vegetables during the seedlings transplanting is mainly manual. So it is needed to develop a plug tray seedlings transplanting machine which fits the mode of China's hydroponics leafy vegetables production. The main operation object of the current transplanting machine in facilities horticulture is potted flowers that use different culture-substrate comparing with hydroponics leafy vegetables. In contrast, the production of hydroponics leafy vegetables uses coco-peat as the main culture-substrate in the South of China. Coco-peat has characteristics of small bulk density, large porosity, poor water-retention capacity, and poor adhesion between particles. Therefore, the existing facility horticultural transplanting manipulators are not suitable for such substrate. In view of the above problems, a 4-needle-type transplanting manipulator for hydroponics leafy vegetables for coco-peat substrate was designed in this paper. In the transplanting manipulator, we used a non-shrinkable needle structure that depended on the angle of the telescopic needle which can reduce the disturbance of the coco-peat as well as avoided the spallation of the substrate cube. In order to compare the adhesion characteristics between coco-peat and peat moss, a cube compression test has been done. The test results showed that coco-peat was more likely to be scattered than peat moss because the coco-peat has the characteristics of large porosity and difficulty forming adhesion between particles, and this trend was intensified with the increasing of substrate moisture content.The percentage of scattered substrate mass in the transplanting process and the remaining component on seedling root growth needed to be evaluated. As such, a comprehensive evaluation method that the percentage of scattered substrate mass combined with scored scattered area was proposed in this study. An experiment was carried out that used hydroponics leafy vegetables of kale (Brassica oleracea) seedlings as transplanting target, and the plug tray for seedlings cultivation was a 50 (5×10) standard plug tray, the culture-substrates were coco-peat, peat moss and perlite with mass ratio of 8:2:1. Through the design and experiment study, the structure parameters of 4-needle-type transplant manipulator were as follow, telescopic needle diameter,2.5 mm, the angle that telescopic needles insert into the substrate cube, 76°, the distance from the insert point of telescopic needles to the substrate cube edge, 5 mm. The results indicated that the root situations of hydroponics leafy vegetables seedlings had the greatest effects on the transplanting success rate, and the movement accelerations of the robot manipulator also had influences. The success rate of kale seedling transplantation was 100% , under the condition that the seedlings was in the status of normal growth, the vertical acceleration was 0.3 m/s2, the horizontal acceleration was 1.5 m/s2and the substrate moisture content was 81.01%. This study provides a technical reference for developing transplanting manipulator which transplanted the hydroponics leafy vegetables seedlings that use coco-peat as the main culture substrate.

agricultural machinery; design; experiments; hydroponics leafy vegetables; seedlings; transplanting manipulator; cocopeat

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003

S233.74

A

1002-6819(2017)-14-0018-07

黎 波，辜 松，初 麒，呂亞軍，胡俊生，謝忠堅，楊艷麗，江海宇.椰糠培育葉菜種苗移植機械手設計與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(14)：18－24.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003 http://www.tcsae.org

Li Bo, Gu Song, Chu Qi, Lü Yajun, Hu Junsheng, Xie Zhongjian, Yang Yanli, Jiang Haiyu. Design and experiment on manipulator for transplanting leaf vegetables seedling cultivated by coco-peat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(14): 18－24. (in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.14.003 http://www.tcsae.org

2017-01-24

2017-04-10

國家重點研發計劃項目（2017YFD0701504）

黎 波，男，江西廣昌人，博士生，主要從事現代園藝生產智能裝備的研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。

Email：bolee0086@sina.com

※通信作者：辜 松，男 ，博士生導師，教授，博士，主要從事現代園藝生產裝備的研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。

Email: sgu666@sina.com