小型蔬菜移栽機械手的設計與試驗

付 強,胡 軍

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319 )

0 引言

雖然我國擁有廣闊的國土面積，但由于我國人口眾多及地理環境的多樣性，造成我國農業生產中突出的問題是可耕地資源相對較少，目前解決這一實際問題的有效途徑之一便是大幅提高單位面積內農作物產量和產品品質[1]。

我國農業生產過程中較為突出的矛盾是副食品供應偏緊，為了緩解這一緊要矛盾，我國農業部在20世紀80年代末期提出建設“菜籃子工程”，經過30年的建設與發展，取得了顯著成效。我國國家辦公室于2010年下發了關于統籌推進新一輪“菜籃子”工程建設的意見，各級政府及農民對蔬菜生產的重視程度進一步增強，蔬菜種植面積穩步增加[2]。自我國實施“菜籃子工程”后，我國蔬菜種植面積逐年穩定增加。據國家市統計局官方數據顯示，2015年全國蔬菜面積達21 999.7khm2，較2010年增加2 999.82khm2。

蔬菜生產過程中，由于其生長周期短、勞動任務繁重，因此可將蔬菜生產劃分為勞動密集型產業。目前，在我國種植面積較為廣泛的蔬菜品種中，通過育苗移栽方式種植的蔬菜品種約占60%，而在整個蔬菜生產過程中勞動強度較大的兩項工作分別是蔬菜秧苗移栽及蔬菜收獲。其中，蔬菜秧苗移栽工作占總勞動量的20%左右，僅次于收獲作業[3]。目前，秧苗栽植幾乎全部由人工完成。隨著近年來城市的飛速發展，農村大量勞動力向城市轉移，導致農村可用勞動力減少，進而導致蔬菜生產過程中生產效率低、移栽質量差等問題的發生。因此，實現蔬菜移栽機械化已成為我國蔬菜種植發展過程現階段的迫切需要。

蔬菜移栽機械化意味著蔬菜種植過程中基本不需要人工參與，即蔬菜秧苗的取放、種植均由機械完成，而移栽機器人則是完成此項工作的主要機械結構。所以，對移栽機器人的研究是實現蔬菜移栽機械化的重要工作之一。然而，我國對移栽機器人的研究較歐美等發達國家晚，歐美國家最先在經濟作物與蔬菜方面開展此項研究，在有一定研究基礎上陸續延伸到其他的糧食作物[4-5]。

國外最早的商用移栽機器人是用于辣椒移栽的機器人，它由具有五自由度的機械手及連接在機械手末端的夾持器組成的，此機器人是由美國的路易斯安那農業試驗站Hwang和Sistler在1986年研制成功的[6]。為證明移栽機器人可以對溫室穴盤苗進行移栽作業，美國奧本大學的U.Kutz等人在1987年成功設計出基于Puma560機器人的苗圃植物移栽機器人[7]。為進一步優化移栽機器人，美國羅格斯大學的K.C.TING等人在1990年設計出由氣缸驅動移栽爪完成移栽工作的移栽機器人[8-10]。在上述基礎上，日本東北國家農業試驗站的Osamu SAKAUE在1996年成功研制出一套基于現代電子技術的農業機器人作業系統[11]。韓國首爾大學的K.H.Ryu在2001年開發出一款移栽機器人[12]，由直角坐標機器人、氣動雙驅動移栽爪、步進電機組成，可實現氣、電兩種控制方式。為驗證不同結構機器人的移栽工作效果，捷克生命科學大學的P.hula等人在2008年利用不同結構ABB機器人進行了移栽效果比較試驗[13]，證明所測試的機器人都能用于移栽作業。

我國于20世紀末期開始對移栽機器人進行研究，較歐美等發達國家晚10年左右。據資料顯示，我國最早研究移栽機器人的是國立臺灣大學的林逵德，在1996年針對直角坐標移栽機器人展開研究，并對秧苗換盤移栽的路徑進行了規劃分析[14-15]。國立中興大學鄭經紳等人緊隨其后，于1997年創新研發了新式花卉穴盤苗移栽機器人，采用氣缸驅動，并對移栽機器人的動作進行了規劃[16-17]。浙江大學任燁于2007年開發研究了具有視覺系統、輸送系統、控制系統及抓取系統等系統的溫室移栽機器人[18]，并取得了一定的有益效果。同年，沈陽農業大學的田素博老師團隊分別對氣動式花卉穴盤苗移栽機的移栽機械手[19]、輸送系統[20]和控制系統[21]進行了研究，設計出基于PLC的機械手運動控制系統[22-23]。2007年，江蘇大學的郁玉峰等人[24]運用數值的形態學方法求得圖像中各秧苗的中心位置，并以此為依據創新設計了三平移并聯移栽機器人，同時根據計算結果對秧苗進行定位[25]。2009年，南京農業大學的周婷等人提出目前的溫室穴盤苗移栽機器人應可適用于不同規格的規格育秧穴盤[26]。2010年，北京京鵬環球科技股份有限公司以直角坐標移栽機器人為基礎，開發了一款新型植物工廠移栽收獲機器人網。

綜上所述，不難發現現有的移栽機及移栽機械手存在許多不足之處。例如，現有的多數移栽機不能應用于溫室大棚，與我國國情不符；需要人工喂苗，勞動強度大，工作效率低等。近幾年，我國諸多科研工作者研發的移栽機械手多數為氣壓或液壓驅動，在實驗室或土壤狀況較好的環境下工作相對較為穩定，但溫室大棚內土壤狀況不穩定。因此，設計一種能夠在溫室大棚內廣泛應用的移栽機械手是當前研究的一個重點。

1 機械手結構設計

1.1 機械手的整體設計

根據現有的蔬菜育苗缽盤的外形尺寸及茄科蔬菜(如茄子、辣椒等)的育苗農藝要求，并結合吊籃-鴨嘴式移栽機的結構確定移栽機械手的設計方案，設計移栽機械手的整體結構，計算各部件的結構尺寸。同時，根據所閱讀的文獻及蔬菜移栽的工作過程，本文設計的蔬菜移栽機械手應能夠完成蔬菜缽苗的夾取、移動及投放工作。依據現有的蔬菜育秧盤結構尺寸，本文設計的蔬菜移栽機械手整體結構如圖1所示。

1.底座 2.旋轉單向舵機 3.旋轉底盤 4、6、8、10.雙向舵機 5.大臂 7.小臂 9.連接板 11、12.機械手指

本文設計的蔬菜移栽機械手的工作過程為：旋轉單向舵機控制整個機械手中旋轉底盤的旋轉過程，即控制機械手從夾取蔬菜缽苗后到機械手向鴨嘴式吊籃中投放蔬菜幼苗之間的旋轉運動；3個雙向舵機聯動控制機械手在夾取蔬菜缽苗以及投放缽苗過程中大臂、小臂及機械手指的角度，以確保能夠在不損傷蔬菜缽苗的情況下完成蔬菜缽苗的夾取及投放工作。在移栽機械手的工作過程中，雙向舵機控制機械手指的開合大小，并保證在機械手的移動過程中不會出現蔬菜缽苗因機械結構的震動而掉落的情況。

1.2 機構設計

本文設計的蔬菜移栽機械手是以我國現有的標準化蔬菜育秧缽盤所育蔬菜秧苗為對象的，因此本文對現有的標準化蔬菜育苗缽盤進行簡要說明，其具體尺寸與結構如圖2、表1所示。

根據育苗缽盤的結構尺寸及油菜移栽機質量評價技術規范(NY/T 1924-2010)，對移栽機械手主要零部件的結構尺寸進行設計計算，具體如圖3～圖5所示。

1.3 三維設計

利用三維建模軟件建立移栽機械手的三維模型，模擬移栽機械手的整個工作過程，分別分析機械手指、大臂及小臂的應力應變，檢驗機構各部件的結構強度是否能夠滿足農業機械國家標準。其中，機械手指、大臂及小臂的結構如圖6～圖8所示，整體裝配如圖9所示。

圖2 秧盤三維模型Fig.2 Three - dimensional model of seedling tray

表1 育秧盤尺寸Table 1 Dimensions of seedling tray mm

圖3 手指尺寸圖Fig.3 Finger size map

圖4 大臂尺寸圖Fig.4 Large arm dimension drawing

圖5 小臂尺寸圖Fig.5 Dimension drawing of small arm

圖6 大臂Fig.6 Large arm

圖7 小臂Fig.7 Small arm

圖8 機械手指Fig.8 Mechanical fingers

圖9 裝配圖Fig.9 Assembly drawing

2 缽苗破碎試驗與仿真分析

為了解缽苗的力學性能，并為后續的機械手靜力學分析提供理論基礎與數據支持，利用WDW-200E型萬能試驗機對蔬菜缽苗(辣椒)進行破壞性試驗，得到苗缽破碎的力學曲線，如圖10所示。

圖10 位移—力曲線圖Fig.10 Displacement force curve diagram

由圖10可知：辣椒缽苗破碎力呈先增大后減小趨勢，在9.8～10.6mm之間達到極值，極值范圍為30～31N。即對辣椒缽苗施加此范圍內的壓力時，辣椒缽苗完全破碎。試驗數據經過優化后，可得到缽苗破碎力的方程式為

y=-6×10-6x4+0.012x3-0.0926x2+

2.8686x+0.5181

式中x—測量所得破碎力；

y—校正后的破碎力。

由此可得，辣椒缽苗的破碎力最大值為31N。缽苗破碎試驗為后續機械手關鍵部件的靜力學分析提供了重要的數據基礎。在上述試驗的基礎上，利用繪圖軟件中的分析模塊對其進行靜力學分析，結果如圖11～圖13所示。

圖11 大臂應力分析Fig.11 Stress analysis of large arm

圖12 小臂應力分析Fig.12 Stress analysis of small arm

圖13 手指應力分析Fig.13 Stress analysis of finger

由圖11～圖13可知：大臂的最大變形量為4.714×10-6mm，小臂的最大變形量為9.476×10-6mm，手指的最大變形量為0.039mm，三者的最大變形量均在允許變形范圍內，滿足機構設計要求與農機標準。在仿真分析過程中，因仿真軟件限制，大臂、小臂及手指材料均為45鋼，其極限屈服強度為335MPa，而大臂、小臂及手指所受最大應力分別為0.021 0、0.022 6、28.82MPa，均遠小于其材料的極限屈服強度，故所設計的機械手滿足強度要求。

3 結論

1)由有限元分析可知：大臂的最大變形量為4.714×10-6mm，小臂的最大變形量為9.476×10-6mm，手指的最大變形量為0.039mm，大臂、小臂及手指所受最大應力分別為0.021 0、0.022 6、28.82MPa，均遠小于其材料的極限屈服強度。分析結果表明：本文所設計的小型蔬菜移栽機械手結構合理，整體結構滿足農藝要求，能夠完成溫室內蔬菜缽苗移栽工作。

2)若此機構能夠與鴨嘴-吊籃式移栽機成功結合，則可在一定程度上解放勞動力，降低溫室大棚內蔬菜移栽工作的勞動強度。本研究可為以后全自動蔬菜移栽機的發展提供數據與理論參考。