一種葡萄苗木嫁接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

趙彥浩，趙棟杰，楊佳涵，王建凱

（聊城大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 聊城 252000）

0 引言

目前，國內(nèi)葡萄硬枝嫁接主要采用傳統(tǒng)的人工嫁接作業(yè)方式，該方式存在諸多缺點(diǎn)，對(duì)葡萄嫁接行業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)造成了極大的阻礙，亟需研制合適的苗木嫁接機(jī)器人[1]。嫁接機(jī)器人相較于傳統(tǒng)的人工嫁接，具有嫁接效率高、嫁接質(zhì)量易保證、易滿足育苗的工廠化生產(chǎn)需要等優(yōu)勢(shì)[2]。因此，研究開發(fā)一種苗木嫁接機(jī)器人具有重大意義。

目前國內(nèi)外有關(guān)苗木嫁接裝備的研究較少，可查閱到的研究資料主要集中于葡萄、毛桃、蘋果等常見苗木的切削機(jī)構(gòu)及嫁接裝置，多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室階段。法國某公司采用Ω 嫁接方式研制了葡萄自動(dòng)化嫁接機(jī)，使用室內(nèi)流水線方式進(jìn)行嫁接任務(wù)，流水線操作相比于人機(jī)操作更容易保證葡萄嫁接苗的成活率；西班牙某公司研制了半自動(dòng)葡萄嫁接裝置，通過勞動(dòng)工人將砧木、穗木放在切削工位，可完成砧木和穗木的切削、接合操作[3-5]。國內(nèi)方面，山東煙臺(tái)農(nóng)業(yè)科學(xué)院姜秀美團(tuán)隊(duì)[6]以葡萄為試驗(yàn)對(duì)象研制了PJJ-50半自動(dòng)嫁接機(jī)，該嫁接機(jī)采用Ω型嫁接方式，嫁接成活率在85%以上。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅軍團(tuán)隊(duì)[7-8]以葡萄苗莖稈作為試驗(yàn)對(duì)象，研制了Plug-in 的葡萄嫁接機(jī)，成活率較高。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)趙燕平團(tuán)隊(duì)[9-10]研制了楊樹苗自動(dòng)嫁接機(jī)樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了切削試驗(yàn)，成功率可達(dá)96.5%。綜上所述，目前國內(nèi)外苗木嫁接裝備大多只能完成切削與接合功能，但是無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)匹配等功能。因此，為解決上述問題，本文提出了一種具有自動(dòng)匹配、切削、接合、蠟封等功能的苗木嫁接裝置。

1 總體設(shè)計(jì)方案

該嫁接機(jī)器人主要包括砧穗匹配系統(tǒng)、切削接合裝置、蠟封收集裝置。總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

其中，砧穗匹配系統(tǒng)由砧木供苗裝置和穗木供苗裝置組成，用于完成砧木、穗木的特征信息的采集和兩者之間的自動(dòng)匹配；切削接合裝置包括切削接合機(jī)構(gòu)、嫁接機(jī)械手、穗木旋轉(zhuǎn)機(jī)械手，其中，切削接合機(jī)構(gòu)由切削模塊、夾持模塊和排苗模塊組成，可用于對(duì)匹配好的砧木與穗木進(jìn)行準(zhǔn)確切削和快速接合；蠟封收集裝置主要由蠟封機(jī)械手、蠟封裝置、儲(chǔ)苗臺(tái)、冷卻箱和收集箱組成，用于嫁接苗的蠟封、降溫、收集。

2 關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 砧穗匹配系統(tǒng)

砧穗匹配系統(tǒng)包括砧木供苗裝置和穗木供苗裝置，具體如圖2所示。

圖2 砧穗匹配系統(tǒng)

砧木供苗裝置由取苗機(jī)械手、砧木轉(zhuǎn)盤、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、砧木支座、砧木圖像采集處理系統(tǒng)、輸送機(jī)、砧木座等組成，其中，砧木座共6 個(gè)，等間隔固定在輸送機(jī)上，輸送機(jī)位于取苗機(jī)械手的下方。該裝置可使用輸送機(jī)輸送待檢測(cè)的砧木，再通過圖像采集處理系統(tǒng)完成砧木粗度、彎曲度、表面破損情況的檢測(cè)，并判斷取苗機(jī)械手的抓取位置，然后由取苗機(jī)械手夾取、轉(zhuǎn)移符合條件的砧木，放置于砧木轉(zhuǎn)盤的砧木支座上，為后續(xù)的切削接合操作做好準(zhǔn)備。

穗木供苗裝置由取苗機(jī)械手、穗木轉(zhuǎn)盤、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、穗木支座、穗木圖像采集處理系統(tǒng)、輸送機(jī)、穗木座等組成，其中，穗木座共6 個(gè)，等間隔固定在輸送機(jī)上。該裝置可實(shí)現(xiàn)的功能與砧木供苗裝置相同，先由輸送機(jī)輸送待檢測(cè)的穗木，再由圖像采集處理系統(tǒng)完成穗木粗度、彎曲度、表面破損情況的檢測(cè)，并判斷抓取位置，最后由取苗機(jī)械手夾取、轉(zhuǎn)移符合條件的穗木至穗木轉(zhuǎn)盤的穗木支座上，用于后續(xù)的切削接合。

2.2 切削接合裝置

切削接合裝置包括切削接合機(jī)構(gòu)、嫁接機(jī)械手、穗木旋轉(zhuǎn)機(jī)械手，如圖3所示。

圖3 切削接合裝置

其中，切削接合機(jī)構(gòu)包括切削裝置、夾持裝置、排苗裝置，如圖4 所示。切削裝置由移動(dòng)座、固定座、砧木后支座、穗木支座、主氣缸等組成，可實(shí)現(xiàn)砧木與穗木的準(zhǔn)確切削和快速接合；夾持裝置包括砧穗夾具體、砧穗夾緊氣缸、砧木壓塊、穗木壓塊等，用于砧木與穗木的切削接合，并且可以在切削過程中對(duì)苗木起到夾持作用，保證切削時(shí)苗木不會(huì)因切削力而發(fā)生偏移；排苗裝置由嫁接苗壓緊氣缸、立柱、移動(dòng)電磁鐵、固定電磁鐵、排苗滑臺(tái)組成，用于保證經(jīng)切削接合后的嫁接苗能從切削接合裝置中較為順利地排出。

圖4 切削接合機(jī)構(gòu)

嫁接機(jī)械手一方面可以夾取、轉(zhuǎn)移砧木轉(zhuǎn)盤上的砧木至切削接合機(jī)構(gòu)；另一方面可將經(jīng)切削接合的嫁接苗轉(zhuǎn)運(yùn)至蠟封收集裝置的儲(chǔ)苗臺(tái)中，等待進(jìn)行蠟封操作。穗木旋轉(zhuǎn)機(jī)械手用來夾取穗木轉(zhuǎn)盤上的穗木并將其轉(zhuǎn)移至切削接合機(jī)構(gòu)，進(jìn)行切削接合操作。

2.3 蠟封收集裝置

蠟封收集裝置是一個(gè)具有蠟封、冷卻、收集功能的裝置，如圖5 所示。主要由電動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)、蠟封機(jī)械手、儲(chǔ)苗臺(tái)、冷卻箱、收集箱以及蠟封裝置組成，儲(chǔ)苗臺(tái)、蠟封裝置、冷卻箱與收集箱分布在蠟封機(jī)械手周圍。該裝置的主要工作過程是：蠟封機(jī)械手通過末端的手指氣缸夾取儲(chǔ)苗臺(tái)上的嫁接苗，并將其轉(zhuǎn)移至蠟封裝置進(jìn)行蠟封操作；蠟封完成后，蠟封機(jī)械手將嫁接苗取出并轉(zhuǎn)移至冷卻箱，進(jìn)行冷卻操作；冷卻完成后，蠟封機(jī)械手再將嫁接苗轉(zhuǎn)移至收集箱中，完成操作。

圖5 蠟封收集裝置

3 結(jié)論

以葡萄苗木為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種葡萄苗木嫁接機(jī)，可實(shí)現(xiàn)苗木的自動(dòng)匹配、切削、接合、蠟封等功能，自動(dòng)化程度較高，可以節(jié)省大量的時(shí)間與人力，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國未來葡萄種植產(chǎn)業(yè)快速、健康發(fā)展具有重大意義。