馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執行器設計與試驗

段宏兵 姚飛虎 蔡興奎 姜洪新 譚本芳 陳 歡

(1.華中農業大學工學院,武漢 430070；2.華中農業大學農業農村部馬鈴薯生物學與生物技術重點實驗室,武漢 430070；3.華中農業大學園藝林學學院,武漢 430070)

0 引言

馬鈴薯種薯脫毒技術可以從根本上抑制病毒的發生和蔓延，是解決種薯種性退化、產量降低、品質下降的有效措施[1]。馬鈴薯脫毒種薯繁育的過程包括試管苗培養、組培苗擴繁、組培苗移栽、大棚培養和大田栽培等環節[2]。馬鈴薯組培苗人工移栽流程為：使用剪刀將組培盒(瓶)中的組培苗培養基以上部分剪斷后，鑷子夾出；將組培苗送至提前一周已消毒，扦插畦內鋪蛭石并已澆透水的防蟲網室；使用鑷子夾出組培苗進行高密度扦插，并用手指按壓蛭石，保證組培苗根部與基質充分接觸，組培苗移栽完成。組培苗移栽不僅能夠縮短馬鈴薯組培苗繁育的時間，也能提高組培苗的利用率[3]。

目前國內馬鈴薯組培苗移栽均為人工完成，存在勞動強度大、作業效率低、移栽質量不穩定等問題[4-5]。隨著人工成本不斷增加，導致組培苗移栽的成本提高，其中人工扦插成本占總人工成本的80%以上[6]。雖然市場上現有的穴盤苗、組培苗移栽設備機型多且自動化程度較高，但主要用于機械組織發達苗的移栽[7-8]。馬鈴薯組培苗細弱矮小、交錯生長，故移栽設備無法適用于馬鈴薯組培苗[9]。

近年來對馬鈴薯組培苗的機械扦插也有學者開展了相關研究，但存在的主要問題是：移栽設備中都是機械結構進行單株夾持，移栽效率有待提高，且機械夾持易對組培苗造成嚴重的機械損傷[10]。

常用的組培盒(瓶)存在內部空間狹小、組培苗生長交錯等問題，導致在自動化移栽中，機械手必須伸入盒底進行取苗，難度較大[11]。因此，文獻[12-13]結合移栽的農藝要求，提出了一種新型組培盒，并通過試驗驗證了該組培盒不會影響組培苗的生長。同時組培盒的操作空間增加，降低了末端執行器取苗的難度，有利于實現組培苗的自動化移栽。

針對上述問題，結合組培苗移栽的實際農藝要求，本文設計一種適用于馬鈴薯組培苗移栽的全自動吸附式末端執行器，用于吸附馬鈴薯組培苗，切苗裝置切苗后，末端執行器移至穴盤上方，將組培苗扦插入穴盤中。

1 馬鈴薯組培苗培育環境與基礎參數

1.1 培育環境

目前常用的組培盒(瓶)如圖1所示，本文使用的新型組培盒結構如圖2所示。

圖1 馬鈴薯組培苗培養盒(瓶)Fig.1 Potato tissue culture seedling culture box (bottle)

圖2 新型組培盒結構簡圖Fig.2 Component breast box structure diagram1.筒體 2.分苗板 3.培養基盒體

1.2 基礎參數

試驗使用新型的組培盒，培育有組培苗的組培盒和穴盤如圖3所示。對20盒組培苗進行測量統計，得出馬鈴薯組培苗的基本參數如表1所示。

圖3 組培盒和穴盤Fig.3 Tissue culture box and acupoint

表1 馬鈴薯組培苗主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of potato tissue culture seedlings

2 吸附式末端執行器結構與工作原理

2.1 吸附式末端執行器結構

吸附式末端執行器包括傳動部分和取苗部分，其整體結構三維透視圖如圖4a所示,實物裝配如圖4b所示。

圖4 馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執行器Fig.4 Adsorption end-effector for potato tissue culture seedling transplanting1.連接板 2.L型連接件 3.步進電機 4.驅動齒輪 5.第一從動齒輪 6.第二從動齒輪 7.吸嘴支架1 8.吸嘴 9.安裝板 10.帶座軸承 11.絲桿 12.分氣塊 13.滑塊 14.吸嘴支架2 15.導槽 16.推苗裝置

其中傳動部分主要由齒輪和正反牙絲桿組成。其工作過程是通過電機驅動，多個齒輪傳動，帶動正反牙絲桿轉動，安裝于絲桿上的滑塊在導槽中滑動，實現末端執行器的分離與合并；同時可以在絲桿長度范圍內對末端執行器分離時的間距進行調整，以提高適用性。取苗部分主要包括吸嘴支架1、吸嘴和吸嘴支架2，其作用是在取苗時吸嘴處產生負壓，將組培苗緊緊的吸附并移動至打好孔的穴盤中；在落苗時產生正壓，并且末端執行器后移，能夠將組培苗成功放入孔內。

2.2 工作原理

組培盒到達指定位置后，可編程邏輯控制器(Programmable logical controller，PLC)通過控制器和驅動器驅動步進電機轉動，電機輸出軸上的驅動齒輪帶動第一從動齒輪轉動，第二從動齒輪由第一從動齒輪帶動，將末端執行器合并；末端執行器靠近第一排組培苗時，真空發生器工作，吸嘴產生負壓，吸附組培苗并由切苗裝置切苗；在末端執行器移至穴盤上方過程中，步進電機轉動，將末端執行器分離；到達穴盤上方后，末端執行器下降使組培苗根部伸入穴孔內；吸嘴調為正壓，推苗裝置推桿伸出，同時末端執行器向后移動適當距離，不僅能成功落苗，也可以防止末端執行器在準備取下一排組培苗時仍有苗掛在吸嘴上，影響下一排的取苗；在末端執行器向后移動過程中，通過PLC關閉真空發生器，并打開電磁閥，吸嘴處產生正壓吹苗，對落苗有一定的輔助作用，提高移栽成功率；依次重復上述動作，完成整盒組培苗的移栽。

3 關鍵部件設計

3.1 傳動部分設計

組培苗在組培盒中按5×5分布，在穴盤中主要以10×10分布，因此為了提高移栽效率，末端執行器需要每次取一行5株組培苗。同時為了簡化末端執行器的結構，提高工作穩定性，末端執行器設計為對稱結構[14-15]。

根據組培苗的移栽農藝要求，末端執行器的分離與合并的狀態如圖5所示，在組培盒中苗與苗的株距為12 mm，移栽后在穴盤中的株距為40 mm。根據組培苗在組培盒中的生長分布及移栽至穴盤后的分布，末端執行器要求能夠實現變距，變化距離左右對稱。同時為保證末端執行器分離與合并的間距準確性，使用齒輪帶動絲桿的方式，其中齒輪能夠保證準確的傳動比，絲桿傳動具有較高的穩定性和可靠性[16-17]。為節省空間，使結構更加緊湊，選擇正反牙絲桿，兩根正反牙絲桿并排安裝，實現其他4個取苗機構的運動。

圖5 末端執行器工作示意圖Fig.5 End-effector work schematic

由于絲桿過長易彎曲，導致滑塊在滑槽中卡頓。針對此問題，提出一種正反牙絲桿的連接方法，將兩段絲桿使用軸套聯接，不僅能夠降低加工難度，也有利于實現絲桿導向的直線度，提高末端執行器工作時吸嘴位置的精確度，其示意圖如圖6所示。

圖6 正反牙絲桿示意圖Fig.6 Positive antitorate screw pole1.導槽 2.絲桿 3.帶座軸承 4.連接軸套 5.滑塊

3.2 吸嘴結構設計

馬鈴薯組培苗與穴盤苗、缽苗差異較大，通常置于無菌室進行培養，具有以下特點：馬鈴薯組培苗在組培盒內的密度很大，且苗體易交叉生長，組培苗的位置識別較為困難；馬鈴薯組培苗具有細弱矮小、莖稈不發達等特點。針對以上問題，設計真空取苗機構；通過真空發生器產生負壓，將組培苗吸附在吸嘴口處，該方式能減少對組培苗的機械損傷[18-19]。

參考相關文獻，設計多種新型的吸嘴。新型吸嘴的吸苗范圍、吸嘴出口流量和出口負壓會直接影響吸嘴對馬鈴薯組培苗的吸附效果。因此，對吸嘴的結構進行相應的設計和改進，結構尺寸如圖7所示。根據組培苗的農藝要求，組培苗在組培盒中的株距為12 mm，故3種吸嘴的開口最大寬度均為12 mm；為提高吸嘴真空度，高度初步選擇為4 mm，吸嘴的開口角度選擇為60°、90°和120°。通過進行預試驗，3種角度吸嘴的取苗成功率依次為72.00%、84.00%、77.00%。可知開口角度為90°時，吸嘴取苗成功率最高，故將吸嘴開口角度取為90°。

圖7 吸嘴結構尺寸示意圖Fig.7 Structural dimensions of nozzle

針對90°的吸嘴，設計了如圖8所示的3種不同開口類型的吸嘴。3種類型吸嘴的尾部外徑均為8 mm，使其能夠直接與氣動快速接頭連接。側圓孔型(圖8a)為一排直徑不同的圓孔，對稱分布，不僅能夠保證取苗成功，也能防止組培苗的葉片被吸入吸嘴中，堵塞管道。側方孔型(圖8b)為中間開圓孔，兩側為等寬的對稱開口，目的在于擴大吸嘴的取苗范圍，使苗在吸嘴兩側時也能被成功吸取，提高取苗成功率。側錐孔型(圖8c)為中間開孔，兩側為錐形的對稱開口，減小開口，使吸嘴內部保持較高的真空度，在其他條件相同的情況下，提高取苗成功率。

圖8 不同類型吸嘴Fig.8 Type of nozzle1.吸嘴尾部 2.延長域 3.吸嘴口

3.3 吸嘴結構類型選取

針對設計的幾種不同類型取苗吸嘴，使用軟件Fluent對其進行吸嘴內腔的流場仿真[20-21]。首先使用軟件Creo繪制不同吸嘴的三維模型，再利用軟件Fluent進行流體分析。考慮到進口條件未知，因此對進口處進行延長，此模型中延長域取矩形，長度為吸嘴尾部直徑的8倍，并以延長域外壁面為進口，進口壓力為大氣壓；采用四面體網格，對流場區域局部細化，邊界層處理，確定網格數量；加載完成后進行求解。

其中開口角度為90°的3個吸嘴網格數量分別是7.49×106、3.58×106、3.56×106，其求解結果中，Y=0截面壓力、速度分布云圖如圖9和圖10所示。

圖9 Y=0截面壓力分布云圖Fig.9 Pressure distribution cloud maps at Y=0 section

圖10 Y=0截面速度分布云圖Fig.10 Speed distribution cloud maps at Y=0 section

根據吸嘴的壓力、速度分布云圖可知，側錐孔型吸嘴壓力分布均勻，流速相對于其他類型吸嘴較大，因而有利于組培苗的吸附。通過對吸嘴類型的單因素試驗可知，3種類型的吸嘴均具有較好的吸附效果，但側錐孔型吸嘴的取苗成功率最高，可達到90.00%，故選擇使用側錐孔型吸嘴。

3.4 推苗裝置設計

為保證末端執行器在放苗過程能夠將組培苗全部放落，提高組培苗的移栽成功率，避免吸嘴在進行下一次取苗工作時仍懸掛有組培苗，影響取苗效果，設計一套推苗裝置作為末端執行器的輔助裝置[22]。該裝置主要由推苗桿、筆形氣缸、節流閥和電磁閥等組成，其功能是在末端執行器正壓吹苗時，進行輔助推苗，使苗準確落入穴中且每一排苗傾斜向同一位置，以及清理吸嘴上未吹落的組培苗，有利于提高下一排的取苗穩定性。推苗裝置三維結構如圖11所示。

圖11 推苗裝置結構圖Fig.11 Structural diagram of pushing device1.支架 2.節流閥 3.筆形氣缸 4.導向軸 5.直線軸承 6.梯形板 7.推苗桿

3.5 控制系統設計

馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執行器的控制系統主要由硬件控制部分和氣力控制部分組成[23-25]，如圖12所示。該控制系統有手動和自動兩種控制模式，在移栽工作中主要使用自動模式[26-27]。其控制過程為：將編寫的程序裝載至可編程邏輯控制器(PLC)，通過發送電信號控制步進電機，末端執行器初始狀態為分離，當收到第1次電信號時，電機啟動并通過齒輪和絲桿實現末端執行器合并；當收到第2次電信號時，電機再次啟動將末端執行器分離。當末端執行器移至組培苗處，PLC發送電信號，真空發生器產生負壓，直到準備放苗時停止產生負壓；吸嘴處真空壓力可通過負壓調壓閥調整，過濾器能夠防止組培苗葉片通過氣管進入真空發生器，保證取苗成功。當末端執行器移至穴盤上方放苗時，PLC控制單控電磁閥接通，吸嘴處產生正壓，將組培苗吹落。推苗裝置中由PLC控制雙控電磁閥實現筆形氣缸的伸出與縮回，當末端執行器放苗時，筆形氣缸伸出，帶動推苗桿前移，輔助推苗；當末端執行器回原位時，筆形氣缸縮回，準備下一次推苗工作；其中筆形氣缸中氣壓大小由節流閥調節。

圖12 控制系統框圖Fig.12 Control system block diagram

4 試驗

4.1 試驗方法

采用L9(34)正交表安排試驗，試驗因素分別為穴盤孔直徑d、株距調整速度v1、吹苗正壓p1、苗吸附高度h。其中穴盤孔直徑d指穴盤內待放苗的穴孔直徑；株距調整速度v1指末端執行器分離與合并時的速度；吹苗正壓p1指在放苗時吸嘴的正壓；苗吸附高度h指在取苗時末端執行器吸附的位置與組培苗根部的高度。根據前期預試驗，選取試驗因素水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Testing factors and levels

正交試驗采用華中農業大學園藝林學學院提供的在新型組培盒中生長21 d的馬鈴薯組培苗。馬鈴薯組培苗共36盒，每盒25株，進行9組試驗，每組試驗取4盒組培苗，共100株。

4.2 試驗指標

末端執行器動作分為取苗和放苗兩個過程，主要目標是提高馬鈴薯組培苗移栽的成功率。因此選擇移栽成功率SY為試驗指標，并對移栽失敗的組培苗進行影響因素分析；主要考慮指標為無效苗率Rw、吸苗失敗率Rx、移動掉落率Rd和放苗失敗率Rf。評價指標和移栽失敗影響因素定義為

SY=W7/W3×100%

(1)

Rw=W2/W1×100%

(2)

Rx=W4/W3×100%

(3)

Rd=W5/W3×100%

(4)

Rf=W6/W3×100%

(5)

式中W1——每組試驗中馬鈴薯組培苗總數，株

W2——每組試驗中組培苗由生理原因導致未完全生長發育或死亡的無效苗數，株

W3——每組試驗中完全生長發育的組培苗數，株

W4——取苗過程中，被切斷的組培苗，因未吸到、苗間根須拉扯掉落等造成吸苗失敗的苗數，株

W5——取苗后，在移動過程中因振動導致組培苗掉落的苗數，株

W6——放苗過程中，苗根部未伸入穴孔、被吹至穴孔外或未吹落的苗數，株

W7——成功移栽的組培苗數，株

4.3 試驗結果與分析

對36盒馬鈴薯組培苗進行試驗，其移栽過程如圖13所示，試驗結果及分析如表3所示，A、B、C、D為因素水平值。

表3 試驗結果與分析Tab.3 Experimental results and analysis

圖13 正交試驗移栽過程Fig.13 Orthogonal experiments process of transplanting

根據各因素的k值確定最優組合為A3B2C2D3,即當d=15 mm,v1=50 mm/s，p1=1 000 Pa,h=45 mm時，馬鈴薯組培苗移栽末端執行器的移栽成功率最高，試驗效果最好。4個因素對移栽成功率影響主次順序為D、C、A、B。

因素B的偏差平方和最小，故以B的偏差平方和作為誤差平方和進行方差分析，其結果如表4所示。根據結果可知，苗吸附高度h對末端執行器的移栽成功率有顯著性影響，穴盤孔直徑d和吹苗正壓p1對移栽成功率沒有顯著性影響。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

苗吸附高度h對末端執行器的移栽成功率有顯著性影響，其主要原因是h越大，吸附組培苗的位置越高，苗的整體重心在吸嘴越向下，苗的根部伸入穴盤孔中越深。當正壓吹苗和推苗裝置輔助推苗時，伸入穴盤孔中的苗根部具有一定導向作用，有利于苗落入孔中；苗的整體重心較低，吸嘴處吹正壓后，苗將向斜下方落下，實現放苗。從正交試驗結果分析中可看出，苗吸附高度為3個水平中最小值時，試驗的移栽成功率均較低。由方差分析結果中看出，因素A和C對末端執行器的移栽成功率影響基本相同，原因可能是穴盤孔直徑越大，則組培苗根部越容易伸入孔中，苗更易落入孔內；吹苗正壓過小時，可能無法將組培苗吹落，但在推苗裝置作用下，大部分均可落下；吹苗正壓過大時，可能會將組培苗直接吹出孔外，導致移栽成功率降低。因素B主要是通過速度不同，造成取苗裝置的振動幅度不同，使組培苗在移動過程中掉落，以此來影響移栽成功率。在試驗中，為保證在最優條件下進行移栽試驗，將真空值調節為最大，因此對組培苗的吸附效果較好，在試驗中只有少數組培苗掉落，故該因素對移栽成功率影響較小。

根據最優組合條件A3B2C2D3，使用8盒組培苗，理論上共200株(其中無效苗率Rw=8.5%)進行驗證試驗，試驗結果如圖14所示，馬鈴薯組培苗末端執行器的移栽成功率為87.98%，均高于正交試驗中各組結果數據。

圖14 驗證試驗結果Fig.14 Verification experiments result

吸附式末端執行器取苗位置與放苗位置在豎直方向高度差為15 mm，在水平方向最小距離為435 mm，即取苗位置與穴盤中第一排穴孔的水平距離；在水平方向最大距離為795 mm，即取苗位置與穴盤中第10排穴孔的水平距離。根據吸附式末端執行器的株距調整速度和整體機械臂移動速度，可計算出每穴盤的移栽耗時為172.5 s,移栽效率約為2 087株/h，滿足移栽要求。

5 結論

(1)設計的馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執行器由變距機構、真空取苗機構、推苗裝置和控制系統組成，該末端執行器移栽結果達到農藝要求，工作一次能移栽5株組培苗。不僅提高了組培苗的移栽效率，也為單次取多株苗的結構設計提供了思路。

(2)當穴盤孔直徑d=15 mm，株距調整速度v1=50 mm/s，吹苗正壓p1=1 000 Pa，苗吸附高度h=45 mm時，組培苗的移栽成功率最高，為87.98%。

(3)苗吸附高度h對末端執行器的移栽成功率有顯著性影響，吸附組培苗的位置越高，苗的整體重心在吸嘴越下方，則苗的根部伸入穴盤孔中的深度越深，苗更易落入穴孔內。因此在保證組培苗頂端能夠伸出穴孔的情況下，盡可能提高吸附高度。

(4)末端執行器在取苗過程中，通過吸嘴處產生負壓吸附組培苗，對組培苗的機械損傷較小。但如果組培苗生長情況較差，組培苗間根須纏繞和交叉生長，則末端執行器取苗移動時，相鄰一排的組培苗將會拉扯吸附的組培苗，導致末端執行器成功吸附的組培苗掉落，移栽效果較差。因此，為了減少組培苗之間的干擾，后續可設計對應的梳理裝置。