全自動蒜種盒提取投放裝置設(shè)計與試驗

栗曉宇，耿愛軍,2※，侯加林，張 姬，張智龍

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全自動蒜種盒提取投放裝置設(shè)計與試驗

栗曉宇1，耿愛軍1,2※，侯加林1，張 姬1，張智龍1

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，泰安 271000；2. 山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271000）

針對目前大蒜播種機械自動化程度低、蒜種鱗芽朝上率低的現(xiàn)狀，基于種盒式大蒜播種方式，設(shè)計了一種全自動蒜種盒提取投放裝置。該裝置主要包括機架、地輪、地輪軸、測速編碼器、光電傳感器、控制箱、輸送裝置和提取投放裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)蒜種盒自動給進、準確抓取、平穩(wěn)輸送、精確投放等功能。設(shè)計了機械臂和機械手結(jié)構(gòu)，通過理論分析建立了各關(guān)鍵部件參數(shù)數(shù)學(xué)模型，確定了機械臂和機械手工作參數(shù)，探明了機組行進速度對各舵機工作參數(shù)的影響規(guī)律，明確了影響蒜種盒投放間隙的因素。為了測試蒜種盒投放效果影響進行了試驗，結(jié)果表明當機組行進速度為0.90 km/h，中心舵機、輔助舵機、控距舵機轉(zhuǎn)速分別為26.04、26.04、13.89 r/min時蒜種盒投放后銜接間隙平均值為5.6 mm，投放效果較優(yōu)，滿足大蒜播種要求。該文研究結(jié)果可為實現(xiàn)大蒜播種自動化提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；農(nóng)作物；大蒜播種；蒜種盒；提取投放；自動化

0 引 言

大蒜是中國主要經(jīng)濟作物之一，2016年主產(chǎn)區(qū)種植面積達到37.3～40.0萬hm2[1-2]。大蒜播種時要求“根下芽上、直立播種”，長期以來一直依靠人工種植，勞動強度大，工作效率低。

國內(nèi)外高校及科研機構(gòu)對大蒜播種機及蒜種定向裝置進行了諸多研究。Benjaphragairat等[3]基于10行大蒜播種機設(shè)計了一種排種器及其控制系統(tǒng)，該播種機根據(jù)株距要求確定了排種器參數(shù)和作業(yè)速度，其田間適應(yīng)性受到限制，且蒜種入土姿態(tài)隨機，出芽率僅為74.57%；Bakhtiari等[4]研發(fā)了一種大蒜播種機并進行田間試驗，結(jié)果表明漏播率為12.23 %，傷種率為1.14 %，但沒有解決蒜種定向問題；Brajesh等[5]設(shè)計了自走式大蒜播種機，適用于小地塊播種，漏播率為2.67%，重播率為8%，播種機生產(chǎn)率為0.065 hm2/h，不具備蒜種定向機構(gòu)，蒜種鱗芽朝向隨機，不符合我國播種農(nóng)藝要求；Труфляк等[6]發(fā)明了一種手扶式大蒜精密播種機，蒜種定向效果好，但工作效率低、勞動強度大。Bakhitiari[7]基于對大蒜物理和氣動特性的研究研制了一種氣吸式大蒜精密排種器，試驗表明該排種器能夠解決單粒取種的問題，但不具備鱗芽定向機構(gòu)，其工作特性需進一步試驗和優(yōu)化等[8]研制了一種手動式大蒜播種機，田間試驗表明其工作效率可達到理論值84.79%，該播種機自動化程度低。Zhang Dengquan等[9]研制了一種大蒜直立栽種機構(gòu)，直立率70.6%，尚未實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化；趙麗清等[10]基于機器視覺技術(shù)，利用機械臂實現(xiàn)蒜種定向投放，維護成本較高，蒜瓣定向識別技術(shù)仍待優(yōu)化；王丹陽等[11]研制了一種半自動大蒜播種機，采用種盒式大蒜播種方式，針扎式取蒜方式，實際應(yīng)用中易受外界環(huán)境約束；謝學(xué)虎等[12-13]設(shè)計了一種大蒜播種機種植機構(gòu)，主要解決蒜種鱗芽直立度和弓背面朝向一致的問題，其應(yīng)用受限于蒜種品種不同，需要進一步研究；耿愛軍等[14-15]提出了種盒式大蒜播種方式，研制了種盒式大蒜播種機，自動化程度仍待提高；魏玉珍等[16-17]提出了3種直立方案，鱗芽朝上率均低于種盒式大蒜播種方式，該裝置結(jié)構(gòu)有待完善。針對上述現(xiàn)狀，本文設(shè)計了一種全自動蒜種盒提取投放裝置，介紹了其工作原理和主要部件設(shè)計并進行了試驗，以期為實現(xiàn)大蒜播種自動化發(fā)展提供參考。

1 全自動蒜種盒提取投放裝置設(shè)計

1.1 全自動蒜種盒提取投放裝置結(jié)構(gòu)

全自動蒜種盒提取投放裝置如圖1所示。該裝置主要包括機架、地輪、地輪軸、測速編碼器、光電傳感器、控制箱、輸送裝置和提取投放裝置。編碼器用于檢測機組行進速度[18-21]；光電傳感器安裝在機架前端一側(cè)，用于檢測蒜種盒位置信息[22-25]；控制箱包括自動控制系統(tǒng)[26-28]、蓄電池和行程開關(guān)等部件；輸送裝置安裝在機架橫向兩端，由步進電機驅(qū)動，實現(xiàn)蒜種盒自動給進功能；提取投放裝置主要包括底座、舵盤、中心舵機、機械臂、輔助舵機和機械手，底座固定在機架后端一側(cè)，位于光電傳感器正前方，機械臂通過舵盤與安裝在底座上中心舵機的動力輸出軸連接，機械手通過安裝在機械臂上端中央的輔助舵機與機械臂連接，如圖2所示。

1. 提取投放裝置 2. 蒜種盒 3. 光電傳感器 4. 輸送裝置 5. 控制箱 6. 機架 7. 測速編碼器 8. 地輪軸 9. 地輪

1. 底座 2. 中心舵機 3. 機械臂 4. 機械手 5. 輔助舵機

1.2 全自動蒜種盒提取投放裝置工作原理

全自動蒜種盒提取投放裝置適用于種盒式大蒜播種方式，由步進電機提供動力，單片機系統(tǒng)根據(jù)測速編碼器檢測到的地輪轉(zhuǎn)速來控制各舵機的轉(zhuǎn)速。當光電傳感器檢測到蒜種盒時輸送帶停止運輸，同時機械臂擺動到蒜種盒上方，機械手垂直抓住蒜種盒后機械臂向后擺動，此過程中心舵機與輔助舵機協(xié)調(diào)配合使蒜種盒始終平行于地面；此時傳感器沒有檢測到蒜種盒，輸送裝置繼續(xù)運輸蒜種盒，直到下一蒜種盒到位時停止。當機械臂達到指定轉(zhuǎn)角時停止擺動，機械手張開，蒜種盒投放至地面，隨后機械臂立刻回擺，抓取下一蒜種盒；投放后的蒜種盒與上一蒜種盒首尾銜接。

2 全自動蒜種盒提取投放裝置關(guān)鍵部件

2.1 機械手參數(shù)設(shè)計

機械手主要包括U形旋轉(zhuǎn)架、L形安裝板、控距舵機、異形齒盤、連架桿、連接臂和爪片，如圖3所示。爪片尺寸根據(jù)蒜種盒高度、重心位置等參數(shù)確定，尺寸為 40 mm′30 mm′2 mm，內(nèi)側(cè)涂覆有橡膠層，目的是增大爪片與蒜種盒間摩擦，防止在運輸過程中掉落。連架桿、齒柄與連接臂鉸接安裝，三者構(gòu)成自由度為1的平行四邊形連桿機構(gòu)。控距舵機動力輸出軸與異形齒盤連接，通過驅(qū)動連桿機構(gòu)運動使機械手實現(xiàn)閉合、張開動作。以異形齒盤分度圓圓心為原點，建立坐標系如圖4所示。

1. U形旋轉(zhuǎn)架 2. L形安裝板 3. 控距舵機 4. 異形齒盤 5. 連架桿 6. 連接臂 7. 爪片

1. U shape rotating frame 2. L shape mounting panel 3. Distance controlling actuator 4. Special shaped gear disk 5. Connecting rod 6. Connecting arm 7. Claw

注：為控距舵機動力輸出軸安裝距離，mm；0為爪片高度，mm，30 mm。

Note:represents installing distance of distance controlling actuator power output shaft, mm;0represents claw height; mm, 30 mm.

圖3 機械手結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Schematic diagram of manipulator structure

注：O為坐標原點；r為異形齒盤分度圓半徑，取12 mm；l為連架桿長度，mm；c為連接臂長度，mm；d為蒜種盒寬度，mm；s為爪片張開和閉合時的距離差，mm；α為控距舵機初始角，（°）；β為控距舵機終止角，（°）；γ為連接臂與爪片夾角，取150°；BS為機械手張開后寬度，mm。

以機械手為研究對象，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)計算方法如下

式中為控距舵機轉(zhuǎn)角，(°)。

根據(jù)式（1）和式（2），連接臂長度范圍20～40 mm，連架桿長度范圍30～50 mm時，控距舵機初始角變化趨勢如圖5所示，控距舵機初始角隨著連接臂長度增大而增大，隨著連架桿長度的減小而增大。平行四連桿機構(gòu)中，以連接臂為最短桿，以連架桿為最長桿，為滿足桿長條件，保證機構(gòu)良好的傳力性能，選取連接臂長度為30 mm，連架桿長度為40 mm，此時26.75°。實際操作中要求爪片牢固抓緊蒜種盒以防止滑落，控距舵機初始角應(yīng)略小于理論值，因此初始角取25°。同時，由于輸送帶上均勻分布有種盒定位板，爪片張開和閉合時的距離差過大或過小都無法使機械手準確抓取蒜種盒，當距離差在10～15 mm范圍內(nèi)即可滿足工作要求。取控距舵機終止角=45°，將已知參數(shù)代入式（1）計算得距離差=11.38，符合設(shè)計要求。

圖5 連接臂長度與連接桿長度對控距舵機初始角α的影響

2.2 機械臂設(shè)計

機械臂依靠中心舵機的驅(qū)動實現(xiàn)前后擺動。機械手抓取蒜種盒時長度和機械手張開后寬度對機械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)有直接影響。工作時爪片抓取在蒜種盒的中間位置，如圖6所示。

注：h為蒜種盒高度，30 mm；p1為中心舵機動力輸出軸到輸送裝置邊緣的距離，mm；p2為輔助舵機動力輸出軸到機械臂頂端的距離，30 mm；p3為機械手提取蒜種盒時長度，mm；D 為輸送帶寬度，600 mm；Lb為機械臂的長度，mm；θ為提取蒜種盒時機械臂與機械手的夾角，(°)。

為防止機械手和蒜種盒在運動過程中與機械臂發(fā)生碰撞，保證機械臂運動過程中的穩(wěn)定性，機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足以下條件

式中B為機械臂的寬度，mm；B為機械手張開后寬度，mm。

考慮到單片機系統(tǒng)便于設(shè)置控制中心舵機和輔助舵機轉(zhuǎn)角，設(shè)定=60°。將已知參數(shù)代入式（4）～（7）中得到3=54.3，￠=201.5，B=80.6，L＞427.8。結(jié)合實際需要，確定機械臂寬度B為85 mm，機械臂長度L為435 mm。根據(jù)計算獲得機械臂的參數(shù)，以及實際承重能力，選擇型號為LF-20MG 舵機，其基本參數(shù)為額定電壓6.6 V，扭矩1.96 N·m。

2.3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)的核心是單片機系統(tǒng)，如圖7所示，主要包括信號處理單元[29]、步進電機控制單元[30]、舵機控制[31]單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元等。自動控制系統(tǒng)工作流程如圖8所示。

注：A/D為模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；I/O為信號輸入/輸出端口。

本控制系統(tǒng)硬件部分主要包括 STC 5A60S2 單片機、ADC0832 轉(zhuǎn)換器、1 個電源開關(guān)、1個行程開關(guān)、1 個舵機控制板、1 個電機驅(qū)動器、2 個步進電機以及電源電路、放大電路等。系統(tǒng)工作時，光電傳感器檢測蒜種盒有無，若有蒜種盒，傳感器輸出電信號，經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換輸出低電平送入單片機，命令驅(qū)動輸送裝置的步進電機停止轉(zhuǎn)動；同時測速編碼器將位移信息通過邏輯電路轉(zhuǎn)化為脈沖信號送入單片機，單片機設(shè)定中心舵機、輔助舵機和控距舵機轉(zhuǎn)角，發(fā)出運轉(zhuǎn)指令；若無蒜種盒，單片機持續(xù)接收高電平，命令步進電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動。

為使蒜種盒在運輸過程中始終保持水平狀態(tài)，中心舵機和輔助舵機設(shè)定為轉(zhuǎn)速相同、轉(zhuǎn)向相反。1個完整的工作周期包括機械臂往復(fù)擺動所用時間1和機械手提取投放蒜種盒用時2，時間內(nèi)機組行進距離等于1個蒜種盒長度，工作周期內(nèi)機械臂與機械手工作時間比為，各工作參數(shù)計算公式如下

式中為機組行進速度，km/h；n為中心舵機轉(zhuǎn)速，r/min；n為輔助舵機轉(zhuǎn)速，r/min；n為控距舵機轉(zhuǎn)速，r/min。

在不同工作條件下（如蒜種盒長度、行進速度等），可以通過改變1、2、的取值調(diào)整各舵機轉(zhuǎn)速。當蒜種盒長度=600 mm時，中心舵機和控距舵機轉(zhuǎn)速隨機組行進速度變化規(guī)律如圖9所示，可知中心舵機轉(zhuǎn)速隨行進速度變化的幅度較明顯，為實際舵機操作提供理論依據(jù)。

圖9 機組行進速度對各舵機轉(zhuǎn)速影響

3 蒜種盒投放試驗

蒜種盒投放試驗?zāi)康氖菧y試機組行進速度對蒜種盒投放效果的影響。試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院實驗室進行。以蒜種盒投放后銜接間隙作為試驗指標，試驗用蒜種盒長度為 600 mm，設(shè)定機械臂與機械手工作時間比=4。行進速度選取6個水平：0.36、0.54、0.72、0.90、1.08和1.26 km/h，由式（7）～（10）計算得相應(yīng)水平下中心舵機及輔助舵機轉(zhuǎn)速理論值分別為：10.42、15.63、20.83、26.04、31.25、36.46 r/min，控距舵機轉(zhuǎn)速分別為：5.56、8.33、11.11、13.89、16.67、19.44 r/min。每個水平投放15個蒜種盒，每組試驗重復(fù)3次，使用鋼尺測量投放間隙，最終取平均值進行統(tǒng)計，蒜種盒投放結(jié)果如圖11所示。試驗結(jié)果顯示隨著機組行進速度增大，蒜種盒投放后銜接間隙逐漸增大；綜合考慮播種機工作效率和蒜種盒投放效果，機組行進速度為0.90 km/h時，銜接間隙為5.6 mm，投放效果較優(yōu)，滿足大蒜播種要求。

圖10 全自動蒜種盒提取投放裝置

圖11 蒜種盒投放后銜接間隙試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種全自動蒜種盒提取投放裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)蒜種盒自動給進、準確抓取、平穩(wěn)輸送、精確投放的功能，設(shè)計了輸送裝置、提取投放裝置以及自動控制系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。

2）建立了各關(guān)鍵部件參數(shù)數(shù)學(xué)模型，確定了機械手和機械臂結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，探明了機組行進速度與各舵機轉(zhuǎn)速間變化規(guī)律。

3）進行了蒜種盒投放試驗，結(jié)果表明機組行進速度為0.90 km/h，中心舵機、控距舵機轉(zhuǎn)速分別為26.04、26.04、13.89 r/min時投放后銜接間隙為5.6 mm，投放效果較優(yōu)，能夠滿足大蒜播種要求。

針對不能徹底消除蒜種盒投放后銜接間隙的問題，后續(xù)工作為研究舵機轉(zhuǎn)速控制算法的精確性、舵機轉(zhuǎn)速自動控制方式等。

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Li Xiaoyu, Geng Aijun, Hou Jialin, Zhang Ji, Zhang Zhilong. Design and experiment of full-automatic lifting and releasing device of garlic seed box[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 32－37. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.005 http://www.tcsae.org

Design and experiment of full-automatic lifting and releasing device of garlic seed box

Li Xiaoyu1, Geng Aijun1,2※, Hou Jialin1, Zhang Ji1，Zhang Zhilong1

(1.271000,;2.271000,)

Garlic is one of the major cash crops in China, and it is mainly distributed in Shandong, Henan and Jiangsu Provinces. Single grain sowing is crucial for garlic planting, it needs to follow the agronomic requirements of root down and scaly bud upward, and therefore garlic planting mainly uses artificial means, but this method has shortcomings of strong labor intensity and low efficiency. Correspondingly, some developed countries like America and Korea have realized garlic planting mechanization in 1950-1960s, which have extensive arable land and indefinite requirement of garlic scaly bud direction when planting, and thus foreign garlic planting machinery is not suited to China’s national conditions. In recent years, the garlic planter is developed towards automation and intelligence. However, existing garlic planter is hard to distinguish the direction of garlic scaly bud, and it also has complex structure and low efficiency. The scaly bud direction distinguishing is a core technology of garlic planter, and it is also the most difficult technical operation. Therefore, how to ensure direction of the garlic seed scaly bud in the process of planting has been a key technical problem of garlic planter. According to present condition, a full-automatic extraction and release device of garlic seed box was designed based on garlic seed box method, and it can automatically track driving according to the travel speed of machine. The full-automatic extraction and release device of garlic seed box consists of drive system, conveying device, extraction and release device, speed encoder, photoelectric sensor and MCU (micro-controller unit) system. The drive system consists of stepper motor, sprocket and chain, and it has 2 parts, and one provides transmission power for the whole machine walking, and the other controls conveying device working. The conveying device consists of conveying belt, roll shaft and bearing housing, the conveying belt is transversely mounted on the frame through roll shaft and bearing housing, and its working state is controlled by MCU system. The conveying device mainly carries out transverse transportation of garlic seed boxes. The extraction and release device consists of steering wheel, central actuator, mechanical arm, auxiliary actuator and manipulator, among which the manipulator consists of U shape rotating frame, L shape mounting panel, distance controlling actuator, special shaped gear disk, connecting rod, connecting arm and claws, and it mainly realizes the functions of garlic seed boxes precision capture, smooth traffic and seamless release. The velocity measurement encoder is used for detecting unit movement speed, and provides speed messages to central actuator and distance controlling actuator. The photoelectric sensor is used to detect whether the garlic box is in place. The garlic seed box planting method reduces the damage of garlic seed and improves work efficiency, and solves the problem of the direction of garlic seed. This paper designed mechanical arm and manipulator, the mathematical model of each key component was established through the theory analysis, and thus the structure and working parameters of mechanical arm and manipulator were determined. At the same time, the influence rule of the speed of device marching on operation parameters of mechanical arm and manipulator was proved, and the influencing factors of the clearance of adjacent garlic seed boxes were specified. The test was carried out for testing the influence of the speed of device marching on the clearance of adjacent garlic seed boxes after they were released. The results showed that when the speed of marching is 0.90 km/h, and the speeds of central actuator, auxiliary actuator and distance controlling actuator are 26.04, 26.04, and 13.89 r/min, respectively, the clearance of adjacent garlic seed boxes is less, which is 5.6 mm, and the release effect is better. The machine has better stability and release effect, and work efficiency of device has been improved obviously. The research results can provide reference for realizing automation of garlic planting.

agricultural machinery; design; crops; garlic planting; garlic seed boxes; lifting and releasing; automation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.005

S223.2+5

A

1002-6819(2017)-23-0032-06

2017-06-10

2017-11-22

山東省農(nóng)機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目(2016YF009)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2016GNC112004)；國家特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目資助(CARS-24-D-01)；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)“雙一流”園藝機械裝備協(xié)同創(chuàng)新團隊(SYL2017XTTD07)

栗曉宇，主要從事農(nóng)業(yè)機械研究。Email：lixiaoyu@sdau.edu.cn

耿愛軍，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械設(shè)計及理論的研究。Email：gengaj@sdau.edu.cn