穴盤苗單驅動四齒移植機械手的設計與試驗

劉 凱,黎 波,姜德龍,辜 松,劉厚誠

(1.廣東機電職業技術學院,廣州 510515;2.華南農業大學,廣州 510642)

0 引言

移栽作業是育苗生產系統運作過程之一,目的是為了保證幼苗有足夠的生長空間,把幼苗從高密度的穴盤移栽到低密度的穴盤或花盆中,以保證秧苗的進一步生長[1-2]。移栽作業一般都是在溫室中進行,而溫室內溫度高、濕度大,作業環境比較惡劣,且勞動強度大。用機械化、自動化等先進生產手段提高移栽作業的自動化程度,是擴大溫室栽培規模、提高生產效率的有效解決辦法[3-5]。

移植機械手作為移植機的關鍵部件,國內很多高校及研究機構,如沈陽農業大學[6]、南京農業大學[7]、華南農業大學[8-10],浙江大學[11]、中國農業大學[12]、江蘇大學[13-14]、吉林大學[15]、北京工業大學[16]及北京農業智能裝備技術研究中心[17],對穴盤種苗移植機械手都進行了不同程度的研究。

筆者針對穴盤花卉種苗,設計了一種結構簡單、作業可靠的單驅動四齒移植機械手,同時進行了性能試驗。

1 設計方案

本文設計的穴盤苗移植手的基本作業技術要求如下:①能夠快速、準確地取苗、運苗和移栽幼苗,要求執行機構具有精度高、動作快、承載能力強及足夠的工作空間。②手指具有一定的開閉范圍且應具有適當的夾緊力。手指的開閉范圍即從張開到閉合繞支點轉過的角度,角度越小,越不利于夾持。另外,雖然幼苗和基質的質量很小,但如果夾持力小仍會導致取苗失敗,所以應保證手指具有一定得夾持力,以使基質不會在運行過程中脫落。③具有一定的通用性。末端執行器一般都是專門設計的,為了使其具有一定的通用性,應考慮其結構具有一定的可調性,以利于針對不同的作物進行移栽作業。末端執行器工作流程圖如圖1所示。

1)取苗過程。取苗包括手指的伸出、手指鋼齒向內側夾持和整體上移運動,氣缸伸出推動手指鋼齒插入基質,之后氣缸縮回,4個手指鋼齒向內夾持,然后機械手整體上移完成取苗動作。

2)運苗過程。運苗即移植機械手實現橫向移動,由水平運動步進電機驅動,運動過程中應盡量保證幼苗的平穩運輸。

3)栽苗過程。栽苗與取苗的動作正好相反,首先移植機械手整體下移,當幼苗進入穴孔時氣缸縮回,手指鋼齒打開,然后整體上移,完成移植。

根據以上作業流程,設計出如圖2所示移植機械手,主要由筆形驅動氣缸、手指鋼齒、手指鋼齒導向板、機械手L型固定板及鋼齒固定座構成。

1.手指鋼齒 2.鋼齒固定座 3.筆形氣缸 4.移植手L形固定座 5.鋼齒導向板圖2 移植機械手主體結構Fig.2 Main body structure of transplanting manipulator

該移植機械手在筆形氣缸驅動下進行對幼苗基質的夾持動作,如圖3所示。其中,圖3(a)筆形氣缸桿伸出,手指鋼齒相對于移植手L形固定座為縮回狀態,移植手處于非工作狀態;當如圖3(b)所示筆形氣缸桿伸出后,手指鋼齒相對于移植手L形固定座伸出,移植手處于工作狀態,可完成對秧苗基質的夾持作業。

圖3 移植機械手工作原理Fig.3 The working principle of transplanting manipulator

2 移植作業性能試驗

2.1 材料與試驗條件

試驗前,調節移植機械手氣缸氣壓為0.3MPa,準備10mm×20mm標準穴盤和苗缽。

2.2 試驗指標與評價方法

試驗把土壤含水量、鋼尺傾角和鋼尺直徑作為主要影響因素,測定這3個因素對幼苗的抓取影響的顯著程度,通過理論分析和仿真,得到土壤含水量、鋼尺傾角和鋼尺直徑對移植機械手移植成功率和傷苗率的影響。每個因素選取3個水平記性正交試驗,因素水平表如表1所示。

表1 試驗因素水平表Table 1 Coding of test factors and levels

2.3 試驗方法

由于單一的試驗指標不能得到理想的試驗結果,因此采用雙指標分析。在多指標正交試驗中,各指標的最佳試驗方案之間存在一定的矛盾,在評價試驗結果時需要兼顧兩個指標,從而找出使得每個評價指標都盡可能好的試驗方案。本試驗分析采用綜合評分法進行評價,共2個指標,即移植成功率和傷苗率。移植成功率越高越好,設置加權系數為4;傷苗率越低越好,設置加權系數為1.5。

2.4 試驗評分標準

評分公式為:綜合評分=1.5×傷苗率+4×移植成功率。試驗評分標準如表2所示。

表2 測試分數標準Table 2 Standard of testing score

2.5 試驗結果

通過極差分析得到最優水平組合:當土壤含水量為60%、手指鋼齒傾斜角為5°、手指鋼齒直徑為2mm時,綜合效果最佳。在此組合下進行移植樹驗證試驗(見圖4),結果如表3所示。由表3可知:移植機械手的移植成功率平均達到93%,傷苗率小于0.5%。另外,穴盤種苗的長勢也對移植成功率有影響,有待今后對此方面進行進一步的試驗研究。

表3 移植機械手作業性能試驗結果Table 3 Transplant manipulator performance test results

圖4 移植機械手樣機Fig.4 Transplant manipulator prototype

移植機械手的作業試驗如圖4所示。

3 結論

1)設計了一種移植機械手。對鋼尺角度、伸出長度等參數進行了設計,確定了最佳角度為85°。

2)針對移植機械手進行了性能試驗,對氣缸壓力進行了單因素試驗,得到最佳汽缸壓力分別為0.35MPa。參數優化和正交試驗結果表明:在最優水平組合時,移植機械手抓取幼苗質量最佳,移植成功率高于90%,傷苗率低低于0.5%。