探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗

周脈樂 薛向磊 錢孟波 尹大慶

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)北方寒地現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)重點實驗室， 哈爾濱 150030；3.浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院， 杭州 311300)

0 引言

蔬菜缽苗移栽是將帶有獨立苗缽基質(zhì)的蔬菜幼苗移栽到溫室或大田，可大幅提高蔬菜幼苗抵御寒冷、洪澇、干旱、鹽堿和病蟲害的能力。蔬菜缽苗移栽要求移栽機構(gòu)實現(xiàn)特定的軌跡和位姿，以完成取苗、輸送、打孔和栽植等動作[1-2]。市場上應(yīng)用較多的移栽裝備多采用機電液一體化技術(shù)，由人工(半自動)或裝備(全自動)完成取苗、喂苗，移栽效率一般為30～60株/(min·行)[3-6]。KUMAR等[7]設(shè)計了一種方形基質(zhì)的全自動蔬菜移栽機，效率達(dá)30～50株/(min·行)。GUTIéRREZ等[8]設(shè)計了一種膜上草莓移栽機，并配置了破膜裝置。日本井關(guān)農(nóng)機株式會社生產(chǎn)了PVPHR2型蔬菜移栽機，采用空間七連桿機構(gòu)完成蔬菜移栽所需的軌跡和位姿。中國對蔬菜缽苗移栽機械的研究較多，筆者曾提出一種回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)，采用桿機構(gòu)完成扎穴動作，振動大，且穴口不對稱，影響栽植直立度[9]。周梅芳等[10]設(shè)計了一種花卉穴盤苗取栽一體式移栽機構(gòu)，栽植成功率可達(dá)70株/min。孫良等[11]針對節(jié)曲線的凸性判別對不等速行星輪系進(jìn)行分析，并以水稻缽苗移栽機構(gòu)為例完成了機構(gòu)設(shè)計。王蒙蒙等[12]提出了一種曲柄擺桿式夾苗機構(gòu)。許春林等[13]組合不等速行星輪系和平面桿機構(gòu)設(shè)計了一種草莓缽苗移栽機構(gòu)，栽植成功率可達(dá)85%。李華等[14]提出了一種齒輪-滑道式取苗機構(gòu)，并進(jìn)行了運動學(xué)分析。童俊華等[15]針對移栽后穴盤內(nèi)基質(zhì)殘留較多問題設(shè)計了一種指鏟式苗缽基質(zhì)抓取執(zhí)行器。俞高紅等[16]以水稻缽苗為移栽對象，設(shè)計了一種夾缽式移栽機構(gòu)并完成了取苗試驗。 JIN等[17]結(jié)合偏心齒輪和不完全非圓齒輪行星輪系設(shè)計了一種單行全自動移栽裝置。趙勻等[18]開發(fā)了探入式番茄缽苗移栽機構(gòu)，栽植優(yōu)良率為59.4%。LIU等[19]基于零速栽植設(shè)計了一種多桿式穴盤苗栽植機構(gòu)。黨玉功等[20]通過對缽苗力學(xué)性能進(jìn)行分析，設(shè)計了一種四連桿取投苗機構(gòu)并完成了取苗和投苗試驗。孫良等[21]設(shè)計了一種非圓齒輪-連桿組合傳動式蔬菜缽苗移栽機構(gòu)，可實現(xiàn)取栽一體式蔬菜缽苗移栽。縱觀國內(nèi)外移栽機構(gòu)研究現(xiàn)狀，多數(shù)采用兩套機構(gòu)分別完成缽苗移栽的取苗和栽植過程，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且移栽機構(gòu)不能同時實現(xiàn)打孔與移栽過程。本研究通過構(gòu)型分析和優(yōu)化設(shè)計，提出一種探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)[22]，一個機構(gòu)完成蔬菜缽苗移栽所需的取苗、輸送、打孔和栽植等過程。

1 工作機理與運動學(xué)分析

1.1 工作機理

探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)由5個非圓齒輪組成的不等速行星輪系、移栽臂和打孔器組成(如圖1所示)，其中非圓太陽輪固定在機架上，非圓中間輪Ⅰ和非圓中間輪Ⅱ同軸固接且鉸接在行星架上，非圓行星輪Ⅰ和非圓行星輪Ⅱ同軸分別鉸接在行星架上，非圓太陽輪與非圓中間輪Ⅰ相互嚙合轉(zhuǎn)動，非圓中間輪Ⅰ和非圓行星輪Ⅰ相互嚙合轉(zhuǎn)動，非圓中間輪Ⅱ和非圓行星輪Ⅱ相互嚙合轉(zhuǎn)動，移栽臂固接在非圓行星輪Ⅰ上，打孔器固接在非圓行星輪Ⅱ上。工作過程中，驅(qū)動非圓主動輪勻速轉(zhuǎn)動，行星架與驅(qū)動非圓從動輪固接，逆時針變速轉(zhuǎn)動(由驅(qū)動非圓齒輪副驅(qū)動)，非圓太陽輪與機架固定不動，非圓中間輪Ⅰ與非圓太陽輪嚙合相對行星架逆時針轉(zhuǎn)動，非圓中間輪Ⅱ隨非圓中間輪Ⅰ一起相對行星架轉(zhuǎn)動，非圓行星輪Ⅰ與非圓中間輪Ⅰ嚙合相對行星架順時針轉(zhuǎn)動，非圓行星輪Ⅱ與非圓中間輪Ⅱ嚙合相對行星架順時針轉(zhuǎn)動，通過非圓齒輪的不等速傳動，與非圓行星輪Ⅰ固接的移栽臂形成特定的軌跡和位姿以完成取苗、輸送和栽植過程，與非圓行星輪Ⅱ固接的打孔器形成特定的軌跡和位姿以完成打孔過程。

圖1 探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)原理圖Fig.1 Mechanism schematic of potted vegetable seedling transplanting mechanism with punching hole1.非圓太陽輪 2.非圓中間輪Ⅰ 3.非圓行星輪Ⅰ 4.移栽臂 5.非圓行星輪Ⅱ 6.打孔器 7.非圓中間輪Ⅱ 8.行星架 9.驅(qū)動非圓主動輪 10.驅(qū)動非圓從動輪

在移栽作業(yè)時，打孔器和移栽臂交替完成打孔和移栽過程，即打孔器在下一株蔬菜栽植位置完成打孔過程，移栽臂完成當(dāng)前一株蔬菜的移栽過程，兩個過程交替進(jìn)行，且先完成打孔(下一株)后完成移栽(當(dāng)前一株)，保證蔬菜幼苗栽植的時序。移栽臂在取苗時，取苗針探出并沿穴盤側(cè)壁進(jìn)入蔬菜苗缽基質(zhì)夾取蔬菜缽苗，實現(xiàn)幼苗與穴盤分離的同時保護(hù)基質(zhì)的完整性。

1.2 運動學(xué)模型建立

筆者在優(yōu)化設(shè)計回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)時，建立了系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)式移栽機構(gòu)的運動學(xué)理論模型[9]，文獻(xiàn)中所述運動學(xué)理論模型中非圓齒輪不等速輪系部分同樣適用于探出式打孔移栽機構(gòu)。不同之處在于，回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)采用平面桿機構(gòu)完成破膜和扎穴過程，而本研究所設(shè)計的探出式打孔移栽機構(gòu)通過非圓齒輪不等速傳動，由固接在非圓行星輪Ⅱ上的打孔器完成打孔過程。運動學(xué)分析如下：假定所有轉(zhuǎn)角逆時針轉(zhuǎn)動為正，順時針轉(zhuǎn)動為負(fù)。驅(qū)動非圓齒輪副將運動傳遞給行星架，行星架逆時針轉(zhuǎn)動，非圓太陽輪固定不動，非圓中間輪Ⅱ隨非圓中間輪Ⅰ一起相對行星架逆時針轉(zhuǎn)動。歷經(jīng)一個工作周期，非圓中間輪Ⅱ(非圓中間輪Ⅰ)相對行星架轉(zhuǎn)過2π，假設(shè)某一時刻，行星架由初始位置轉(zhuǎn)過φ(圖2虛線所示位置)，非圓中間輪Ⅱ由初始位置相對行星架轉(zhuǎn)過φ2H(與非圓中間輪Ⅰ的相對轉(zhuǎn)角一致)，非圓行星輪Ⅱ由初始位置相對行星架順時針轉(zhuǎn)過φ3H，有

(1)

式中φ20——非圓中間輪Ⅱ與非圓行星輪Ⅱ在初始嚙合點處非圓中間輪Ⅱ?qū)?yīng)極角

r2——非圓中間輪Ⅱ和非圓行星輪Ⅱ?qū)?yīng)節(jié)曲線的極徑

r3——非圓行星輪Ⅱ和非圓行星輪Ⅱ?qū)?yīng)節(jié)曲線的極徑

Δφ2H——非圓中間輪Ⅱ在當(dāng)前嚙合位置相對行星架的微小轉(zhuǎn)角

打孔器折點F的位置為

(2)

其中

φH=φH0+φ

(3)

式中α——打孔器相對非圓行星輪Ⅱ的初始安裝角

φH——行星架轉(zhuǎn)角

(xO3,yO3)——非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心坐標(biāo)

LO3F——打孔器折點F到非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心的距離

φH0——行星架的初始角度

φ——行星架轉(zhuǎn)過角度

打孔器尖點G的位置為

(4)

式中β——打孔器折角

LFG——打孔器折點F到打孔器尖點G的距離

圖2 移栽機構(gòu)運動學(xué)分析Fig.2 Kinematic analysis of transplanting mechanism

2 軌跡與位姿分析

圖3 相對運動軌跡對比分析Fig.3 Contrastive analysis diagram of relative motion trajectory

探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)依次完成取苗、輸送、打孔和栽植等過程，取苗裝置在取苗位置(A點)探出夾取苗缽基質(zhì)，在栽植位置(B點)收回并釋放苗缽基質(zhì)以完成栽植動作，AB段實現(xiàn)輸送過程，BA段完成復(fù)位過程，其相對運動軌跡如圖3所示。圖3a所示是文獻(xiàn)[9]中的回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)的相對運動軌跡，圖3b所示是本文提出了探出式打孔移栽機構(gòu)的相對運動軌跡。對比可以看出，兩種機構(gòu)移栽臂的相對運動軌跡均為鷹嘴型軌跡，不同之處在于回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)的復(fù)雜軌跡與位姿完全由不等速行星輪系形成，而本研究的相對運動軌跡中實線部分為移栽臂隨不等速行星輪系運動形成的軌跡，虛線部分為取苗裝置探出后形成的軌跡(一個工作周期中，取苗裝置在取苗位置到栽植位置探出一定距離)。本研究取苗位置進(jìn)入穴盤的部分軌跡由探出式夾苗裝置形成，使得夾苗階段移栽臂轉(zhuǎn)角更小，有利于保護(hù)苗缽基質(zhì)的完整性。兩機構(gòu)對應(yīng)打孔過程的相對運動軌跡也不同，回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)的打孔軌跡為靴型軌跡，本研究打孔器形成似圓形相對運動軌跡。

探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的絕對運動軌跡如圖4所示。移栽臂絕對軌跡中實線部分為移栽臂隨不等速行星輪系運動形成的軌跡，虛線部分為夾苗裝置探出后形成的軌跡。對比可以發(fā)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)式扎穴移栽機構(gòu)形成非對稱穴口，而本研究打孔器形成似余擺線的絕對運動軌跡，使所成型的穴口沿移栽機前進(jìn)方向?qū)ΨQ，打孔后土壤回流均勻，有利于保證所栽植蔬菜幼苗的直立性。

圖4 絕對運動軌跡對比分析Fig.4 Contrastive analysis diagrams of absolute motion trajectory

3 參數(shù)優(yōu)化與虛擬仿真

探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化是多目標(biāo)、多參數(shù)、強耦合性的復(fù)雜優(yōu)化問題，筆者在運動學(xué)理論分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件(登記號：2018SR174511)，如圖5所示。優(yōu)化設(shè)計軟件包括相對運動模塊和絕對運動模塊等，可以快速而精準(zhǔn)地計算出不等速輪系的傳動比曲線以及移栽機構(gòu)的軌跡與位姿。結(jié)合蔬菜幼苗移栽農(nóng)藝，采用參數(shù)導(dǎo)引啟發(fā)式優(yōu)化算法，得到一組滿足蔬菜缽苗移栽要求的機構(gòu)參數(shù)：r1=26 mm，φ1=18.5°，r2=45 mm，φ2=32°，r3=72.5 mm，φ3=77°，r4=43.8 mm，φ4=106°，r5=16.8 mm，φ5=136°，r6=28.5 mm，φ6=166°，r7=46.1 mm，φ7=213°，r8=41.8 mm，φ8=245°，r9=69.6 mm，φ9=245°，r10=32.4 mm，φ10=257°，r11=15.3 mm，φ11=312°，r12=26 mm，φ12=336°，φH0=126°，δ0=-55.5°，S=185，H1=138 mm，α0=-52°，H=250 mm，n=2，β=78.5°，D=183 mm，γ0=154°，LS=84 mm，A=25.5 mm，E=0.2，θ0=80°。機構(gòu)參數(shù)含義如下：ri(i=1,2,…,12)為非圓齒輪節(jié)曲線控制多邊形頂點的極徑；φi(i=1,2,…,12)為非圓齒輪節(jié)曲線控制多邊形頂點的極角；δ0為移栽臂相對非圓行星輪Ⅰ的初始安裝角；S為非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心至移栽臂尖點的距離；H1為非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心至取苗裝置探出軸線的距離；α0為行星架的折角；H為相鄰穴口中心的距離；n為驅(qū)動非圓齒輪的階數(shù)；D為非圓行星輪轉(zhuǎn)動中心至打孔器尖點的距離；γ0為打孔器相對非圓行星輪Ⅱ的初始安裝角；LS為打孔器折點至尖點的距離；A為驅(qū)動非圓輪的中心距；E為驅(qū)動非圓輪的離心率；θ0為驅(qū)動非圓主動輪的初始安裝角。

圖5 探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件界面Fig.5 Interface of optimum design software of potted vegetable seedling transplanting mechanism

圖8 軌跡與位姿對比Fig.8 Trajectory and attitude contrast charts

該參數(shù)下移栽機構(gòu)對應(yīng)的傳動比曲線如圖6所示。隨行星架轉(zhuǎn)角變化，各齒輪間傳動比曲線呈現(xiàn)復(fù)雜的變化趨勢，同時出現(xiàn)多個波峰和波谷。由復(fù)雜的傳動比曲線也可看出，探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)特定軌跡與位姿所要求的不等速傳動比極其復(fù)雜。縱觀該組參數(shù)下的各傳動比曲線，移栽機構(gòu)符合缽苗移栽要求的不等速傳動規(guī)律[23]。根據(jù)優(yōu)化出的機構(gòu)參數(shù)，完成了各零部件模型的建立，并根據(jù)初始位置對應(yīng)的轉(zhuǎn)角關(guān)系裝配成探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的虛擬樣機。在ADAMS軟件中完成了移栽機構(gòu)的運動仿真，如圖7所示。在一個工作周期中(行星架由初始位置轉(zhuǎn)過360°)，行星架由初始位置轉(zhuǎn)過102°(移栽臂處于輸送階段)打孔器開始入土，開始在下一株幼苗栽植位置打孔；行星架轉(zhuǎn)過112°時(打孔器處于打孔階段)，移栽臂開始推苗，在當(dāng)前栽植位置完成栽植過程(打孔器在下一株幼苗栽植位置打孔)；行星架轉(zhuǎn)過235°(移栽臂處于復(fù)位階段)，打孔器出土，在下一次栽植位置完成打孔過程；行星架轉(zhuǎn)過275°(打孔器處于空運行階段)，移栽臂運動至取苗位置，夾苗裝置探出夾秧針夾取苗缽基質(zhì)；行星架轉(zhuǎn)過311°時(打孔器處于空運行階段)，移栽臂夾取蔬菜缽苗后將缽苗與穴盤完全分離，準(zhǔn)備進(jìn)入輸送階段；行星架轉(zhuǎn)過360°時，移栽機構(gòu)回到初始位置。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計的移栽機構(gòu)可實現(xiàn)取苗、輸送、打孔和栽植等過程，且打孔與移栽過程交替進(jìn)行，可以實現(xiàn)在當(dāng)前穴口完成栽植過程，同時打孔器在下一株幼苗需要栽植的位置完成打孔過程。

圖6 傳動比曲線Fig.6 Transmission ratio curves

圖7 虛擬運動仿真Fig.7 Virtual prototype

4 臺架試驗

開發(fā)了探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的試驗臺架系統(tǒng)，并完成了軌跡與位姿驗證試驗和取苗試驗。試驗臺架通過變頻器改變驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)移栽機構(gòu)0～400株/min無級調(diào)速。移箱系統(tǒng)采用變速移箱機構(gòu)[24](取苗階段移箱速度相對較慢，輸送、打孔和栽植等階段移箱速度較快)，有利于實現(xiàn)幼苗與穴盤分離的同時保護(hù)苗缽基質(zhì)的完整性。在進(jìn)行軌跡與位姿驗證試驗時，采用高速攝影技術(shù)及相關(guān)軟件分析移栽機構(gòu)在高速運轉(zhuǎn)時的軌跡與位姿。為了防止秧箱造成視線阻礙，進(jìn)行高速攝影試驗時，暫時拆下秧箱，僅分析移栽機構(gòu)的軌跡與位姿。試驗表明：在高速運轉(zhuǎn)的情況下，探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，移栽臂實現(xiàn)鷹嘴型相對運動軌跡，打孔器實現(xiàn)似圓形相應(yīng)運動軌跡。優(yōu)化軟件結(jié)果、虛擬仿真結(jié)果與臺架試驗結(jié)果基本一致(如圖8所示)，相互驗證了理論分析、優(yōu)化設(shè)計軟件、虛擬仿真和臺架試驗的正確性。

在試驗臺架上完成了取苗試驗(如圖9所示)，分別針對番茄幼苗和辣椒幼苗完成了取苗試驗，所用穴盤為橫向6穴，穴口表面尺寸為40 mm×40 mm，穴盤深度為45 mm。取苗試驗表明：所開發(fā)的探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)可以實現(xiàn)幼苗與穴盤的分離(如圖10 所示)，并能很好地保護(hù)苗缽基質(zhì)的完整性。

圖9 取苗試驗Fig.9 Seedling picking test

圖10 蔬菜缽苗與穴盤分離過程Fig.10 Separation of potted vegetable seedlings from pot plates

5 結(jié)論

(1)提出了一種探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)，可完成取苗、輸送、打孔和栽植動作，打孔與移栽過程交替進(jìn)行，保證了蔬菜缽苗栽植先打孔后栽植的時序。取苗過程采用探出式夾苗裝置，有利于保護(hù)蔬菜缽苗基質(zhì)的完整性。

(2)以運動學(xué)理論模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了探出式蔬菜缽苗打孔移栽機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計軟件，軟件包含初始位置模塊、相對運動模塊、絕對運動模塊等，可直觀地顯示移栽機構(gòu)的軌跡與位姿以及復(fù)雜的不等速傳動比曲線。通過參數(shù)導(dǎo)引啟發(fā)式優(yōu)化算法，得到了一組滿足蔬菜缽苗移栽要求的機構(gòu)參數(shù)，并分析了其不等速傳動比。

(3)開發(fā)了試驗系統(tǒng)，并完成軌跡與位姿驗證試驗，優(yōu)化軟件結(jié)果、虛擬仿真結(jié)果和臺架試驗結(jié)果基本一致，相互驗證了理論分析、虛擬仿真和臺架試驗的正確性。

(4)基于變速移箱系統(tǒng)，在試驗臺架上完成了取苗試驗，結(jié)果表明，所開發(fā)的移栽機構(gòu)可依次完成取苗、輸送、打孔和栽植等動作，先打孔、后栽植，探出式夾苗裝置可有效保護(hù)苗缽基質(zhì)的完整性。