幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验.pdf
<p>第 33 卷 第 4 期 农 业 工 程 学 报 Vol.33 No.4 2017 年 2月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Feb. 2017 69 幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验张 青1,2，吕亚军1，初 麒1，黎 波1，王跃文1，杨艳丽3，辜 松1（ 1. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 2. 滁州学院机械与汽车工程学院，滁州 239000； 3. 广州实凯机电科技有限公司，广州 510642） 摘 要： 幼苗气力拾取机构是育苗生产装备的关键机构，拾取机构采用气力拾取方法捡拾刚性平台上的幼苗时，由于幼苗存在个体差异，气力拾取手固定的吸附位置难以同时适应幼苗的尺寸和形态变化，存在损伤幼苗、作业耗时长耗能多的问题。针对以上问题，该文提出了一种由气力拾取手与弹性苗托构成的幼苗气力柔性拾取方法，设计了采用直径为0.32 mm 钢丝进行缓冲的弹性苗托，对弹性苗托的结构参数进行了优化试验，并对刚性平台与弹性苗托的拾取性能进行了对比试验。试验结果表明：弹性苗托的两根缓冲钢丝支撑间距为 9 mm，苗托槽口深度为 6 mm，钢丝固定边距为 4 mm的条件下，可保证对 2.8 5.1 mm 范围内茄子接穗苗的吸附成功率达到 90%以上。在保证吸附直径 4 mm 茄子接穗苗成功的情况下，采用刚性平台时，平均幼苗损伤率为 21%，平均吸附响应时间为 0.08 s；采用结构参数优化后的弹性苗托时，平均幼苗损伤率降至 5%，相对于刚性平台时损伤率减少 16%，平均吸附响应时间减少至 0.03 s，相对于刚性平台时作业时间减少 62.5%。该研究结果为农业机器人幼苗拾取装置的开发提供了参考。 关键词： 机械化；优化；设计；幼苗；气力拾取；弹性苗托；刚性平台；负压 doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 中图分类号： S233.74 文献标志码： A 文章编号： 1002-6819(2017)-04-0069-07 张 青，吕亚军，初 麒，黎 波，王跃文，杨艳丽，辜 松. 幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验J. 农业工程学报，2017，33(4)：6975. doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 http:/www.tcsae.org Zhang Qing, Lü Yajun, Chu Qi, Li Bo, Wang Yuewen, Yang Yanli, Gu Song. Design and experiment on flexible seedling seat of pneumatic pick-up for seedlingsJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(4): 69 75. (in Chinese with English abstract) doi： 10.11975/j.issn.1002-6819.2017.04.010 http:/www.tcsae.org 0 引 言设施园艺生产是劳动力密集型产业1-3，据美国农业部 USDA 园艺专项调查 2014 数据显示， 在园艺生产中劳动力成本达到总生产成本的 40%4。 中国设施园艺生产机械化率仅在 32.5%的低水平5-7，与欧美发达国家相比有着很大的差距，近年中国人工成本也迅速攀升， 2001 年至 2010 年，增长了 237.3%，年均上涨 14.6%8-9。因此在劳动力成本增加和机械化程度低的 2 个因素作用下，中国设施园艺生产对自动化装备需求大幅增加10-11。 园艺生产的育苗环节作业量大，对生产装备的需求最紧迫12-14。对于育苗生产装备而言如嫁接机器人、组培机器人等，幼苗拾取机构（嫁接机器人拾取接穗苗、组培机器人拾取待移栽幼苗）是实现自动化生产的重要部件15-17，相对于工业零件整齐均一化，幼苗拾取机构适应幼苗个体差异带来的尺寸和形态变化一直以来是育收稿日期： 2016-06-19 修订日期： 2016-12-25 基金项目：国家“ 863”计划资助项目（ 2013AA10240603） ；高等学校博士学科点专项科研基金（ 20124404110004） 作者简介：张 青，女（汉） ，安徽安庆人，助教，主要从事智能装备的研究与教学。广州 华南农业大学工程学院， 510642。 Email： qingzhang416sina.com 通信作者：辜 松，男（汉） ，广东广州，教授，博士，主要从事现代园艺生产智能装备的研究。广州 华南农业大学工程学院， 510642。 Email： sgu666sina.com 苗生产装备开发的技术难题18-20。 针对幼苗拾取机构适应幼苗个体差异的问题，国内外学者提出了多种形式的柔性拾取方法21-23。东芝公司在研制组培机器人时，开发出一种应变片柔性夹持手；东京大学开发出一种钛镍记忆合金柔性夹持手，以上 2种力定位形式的柔性夹持手可实现柔性夹持拾取幼苗，但是结构复杂，成本较高，至今没有得到推广应用24。国内学者针对上述柔性夹持手结构复杂的问题，提出了气力柔性拾取方法，该拾取法是利用负压吸附幼苗，实现对幼苗的柔性捡拾与夹持。楼建忠等在开发嫁接机时，提出了利用吸头吸附接穗幼苗子叶的方法25-26。杨艳丽等27提出了利用负压吸附砧木子叶的方法，实现砧木定位。贾冬冬等28设计了一种吸附幼苗茎秆的负压夹持手。李恺等29针对柔嫩组培苗设计了采用硅橡胶管制成的负压拾取手。分析以上气力拾取研究结果可知，现有研究虽然采用了气力柔性拾取机构，但针对托放被拾取幼苗的刚性平台，吸嘴固定的吸附位置难以同时适应幼苗的尺寸和形态变化，存在损伤幼苗、作业耗时长耗能多的问题。 本文提出一种由气力拾取手与弹性苗托构成的幼苗气力柔性拾取方法，采用弹性苗托放置幼苗，配合气力拾取手柔性吸附幼苗茎杆的方式拾取幼苗， 以期解决现有拾取机构依托刚性平台难以适应幼苗个体差异性的问题。 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 70 1 气力拾取特性分析 气力拾取机构依托刚性平台拾取幼苗时，存在难以适应幼苗尺寸和形态变化的问题。为了解决这一问题，本文首先对幼苗进行刚性平台上的气力拾取特性分析。气力拾取机构由气力拾取手、机械手和刚性平台等组成，如图 1a 所示。气力拾取手为固定于机械手末端的负压吸嘴，利用真空发生器产生负压，茄苗摆放在刚性平台上，由可编程逻辑控制器（ programmable logic controller，PLC）控制机械手和真空发生器，进行拾取幼苗作业。试验时真空发生器供给负压值设为 32 kPa；考虑到幼苗的个体差异性，茄苗为苗径在 3.8 4.2 mm 范围内的茄苗。试验考察不同吸附距离 h（图 1a） 情况下成功拾起幼苗时的耗时情况。吸附距离 h 为幼苗平置于刚性平台上负压吸嘴距茎秆上表面的高度，分别设为 0， 1， 2， 3 mm。试验考察指标为拾取耗时情况以吸附响应时间来衡量， 其测定方法为：启动真空发生器为负压吸嘴提供负压，通过 PLC 控制气力拾取手到达吸附位置（避开茄苗真叶），到达吸附位置后 PLC 启动其一内置计时器开始计时，接着利用真空压力传感器感知吸嘴内部达到的负压值，当茄苗被吸附后吸嘴内真空压力定会达到设定值 32 kPa 以上，这时真空压力传感器会向 PLC 传递信号停止内部计时，所记录时间即为吸附响应时间。每个吸附距离分别进行 10 次拾取试验。 1.机械手 2.负压吸嘴 3.茄苗 4.刚性平台 1.Manipulator 2.Negative pressure sucker 3.Eggplant seedlings 4.Rigid platform 注： h 为吸附距离即幼苗平置于刚性平台上吸嘴与幼苗茎秆上表面之间的高度， mm。 Note: h is adsorption distance, i.e., the height between the sucker and the upper surface of the seedling stem when the seedling placed on the rigid platform, mm. 图 1 气力拾取手吸附示意图 Fig.1 Adsorption of negative pressure pick-up finger 试验结果如表 1 所示， 当吸附距离从 0 增至 2 mm 时，平均吸附响应时间由 0.08 增至 0.4 s，响应时间增加了 5倍，大大降低了生产效率，吸附距离增至 3 mm 时，已无法成功拾取幼苗。 表 1 吸附响应时间与吸附距离的关系 Table 1 Relationship between response time and adsorption distance 吸附响应时间 Response time/s 吸附距离 Adsorption distance h/mm 最大值 Max 最小值 Min 平均值 Mean 标准差 Standard deviation0 0.1 0.05 0.08 0.03 1 0.25 0.13 0.19 0.06 2 0.55 0.29 0.4 0.14 3 无法吸附 无法吸附 吸附距离为 0 时，吸附响应时间的标准差为 0.03，说明吸附响应时间分布较集中，拾取作业较稳定，当吸附距离增大时，吸附响应时间的标准差逐渐变大，拾取作业的不稳定性随之增加，这是由于幼苗真叶的存在，幼苗置于刚性平台上时处于一端高，一端低的状态，而吸附距离设置为幼苗平置在刚性平台上时吸嘴与茎秆表面之间的高度，当吸嘴拾取幼苗时，易出现拾取手未到达既定的吸附距离吸嘴就已经接触到幼苗了，导致幼苗在刚性平台上的位置发生变动，当拾取手到达既定的吸附距离时，吸嘴无法与幼苗茎秆对位吸附，影响吸附响应时间，并存在吸嘴挤压幼苗的情况，对幼苗造成损伤。 综上所述，吸附距离显著地影响吸附响应时间，而依托刚性平台拾取时拾取手固定的吸附距离无法适应幼苗的尺寸和形态变化，这是气力拾取机构在刚性平台上拾取幼苗时，存在损伤幼苗、作业耗时长耗能多的根本原因。 针对上述问题， 本文设计了弹性苗托， 如图 1b 所示，幼苗放置于弹性苗托中的缓冲钢丝上，由缓冲钢丝的弹性变形来缓冲吸附不同苗径幼苗时的压力，从而避免对幼苗造成刚性挤压损伤，因此对于吸附不同苗径幼苗时，弹性苗托均可保证吸附距离为 0； 并且弹性苗托上设有 V形槽口，槽口对幼苗有定位作用，解决放置于刚性平台上的幼苗在拾取时幼苗位置易发生变动，无法定位难以拾取的问题。 2 弹性苗托设计 2.1 设计条件 本文以茄子嫁接用接穗为作业对象，研究气力柔性拾取特性。 选取 100 株嫁接期茄子接穗苗 （真叶 5 7 片） ，采用千分尺对其几何形态特征值进行测量，结果如表 2所示。其中苗径取距茄苗根部第一片真叶与距根部最近第二片真叶中间位置处茎杆直径，吸附长度为距茄苗根部第一片真叶与距根部最近第二片真叶之间的茎杆长度即吸附位置处茎杆的长度，叶跨度为垂直于茄苗茎杆方向上，真叶之间最大的间距，如图 2 所示。 表 2 茄苗几何形态特征值 Table 2 Geometric feature value of eggplant seedlings 参数 Parameter 苗径 Stem diameter/mm吸附长度 Adsorption length H1/mm 苗质量Weight/g叶跨度 Leaf span D/mm极限值 Limit values2.8 5.1 9.1 15.3 0.8 3.2 79.5 100.3 平均值 Mean 4 12.2 2 89.9 由表 2 可知，茄苗吸附长度为 H1=9.1 15.3 mm。为了在不损伤茄苗的情况下，拾取手拾取所有茄苗，则拾取长度应小于 9.1 mm，但考虑到便于拾取手结构尺寸设计，拾取长度取为 9 mm。 采用力学特性万能试验台（ ZP-20N）对 30 株茄苗力学特性参数进行测试，测试样本取为吸附位置处茎杆，统计出茄苗茎杆的径向压缩屈服点压力为 (2.14±0.60) N，超过茄苗屈服点压力，茄苗将被压坏。拾取手作业时对第 4 期 张 青等：幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验 71 茄苗的压力 F 简化为作用在两缓冲钢丝中间位置处的集中力，为确保所有茄苗不会被压坏，茄苗承受的压力 F应小于茄苗屈服点压力的最小值 1.54 N。 注： H1为吸附长度即为吸附位置处茎秆的长度， mm； D 为叶跨度， mm。 Note: H1is adsorption length, i.e., the length of the stem at the adsorption site, mm; D is leaf span, mm. 图 2 嫁接期茄苗 Fig.2 Eggplant seedlings 根据李恺等29的研究，本文所采用的负压吸嘴由壁厚为 0.5 mm 硅橡胶管制成，吸嘴长度为 9 mm，吸嘴宽度为 1.5 mm，导苗唇高为 1.5 mm，其中导苗唇可起到导向的作用，增大吸嘴与幼苗的接触面积，从而提高拾取手的吸附力，有利于吸附苗托中倾斜幼苗和小尺寸幼苗，其结构如图 3 所示。 图 3 负压吸嘴 Fig.3 Negative pressure sucker 2.2 苗托结构设计 根据气力拾取特性分析，拾取手利用负压吸嘴柔性拾取苗托中的茄苗，由此可见苗托结构形式将会影响拾取手的拾取效果。 弹性苗托由置苗板、缓冲钢丝和固定板组成，如图 4所示， 其中置苗板与缓冲钢丝成对设置， 置苗板上设有 V形槽口，用于对幼苗进行定位，缓冲钢丝与置苗板铰连接，一端设计为固定铰支座，另一端设计为滑动铰支座。茄苗的直径为 2.8 5.1 mm，为了适应直径范围内的全部茄苗，苗托宽度 （图 4b）应设计为可适应最大直径的茄苗，同时考虑到便于结构尺寸设计，设计 =5 mm。放入苗托中的茄苗由两根缓冲钢丝支撑，由于拾取长度为9 mm，设计两根缓冲钢丝之间的距离即支撑间距 et为9 mm，考虑到置苗板厚度，钢丝固定点到置苗板的距离e 即边距（图 4c）设计为 3 mm，后续将通过试验进一步优化。由于茄苗最大叶跨度 100.3 mm，叶跨度近似以茎秆为轴线呈对称分布，故苗托高度 h0设计为 50 mm。 1.茄苗 2.置苗板 3.缓冲钢丝 4.固定板 1.Eggplant seedlings 2.Plate to put seedling 3.Buffering steel cable 4.Fixing plate 注： F 为拾取手拾取作业时吸嘴对茄苗的压力， N； et为两根缓冲钢丝之间的距离即支撑间距， mm； 为苗托宽度， mm； e 为钢丝固定点与置苗板之间的距离即边距， mm； 为置苗板 V 形槽口上边缘与底边缘之间的距离即槽口深度， mm； h0为苗托总高， mm。 Note: F is pressure on surface of seedling when picking hand picking up seedlings, N; etis support spacing which is distance between buffering steel cables, mm; is width of seedling seat, mm; e is side distance which is distance between fixation point to plate, mm; is notch depth which is distance between top and bottom edges of V-notch of plate, mm; h0is height of seedling seat, mm. 图 4 弹性苗托示意图 Fig.4 Schematic diagram of flexible seedling seat 拾取作业时由人工将茄苗放置于置苗板 V 形槽口中，茄苗茎秆由两根缓冲钢丝柔性支撑。置苗板 V 形槽口在直径方向对幼苗进行定位，克服了现有拾取机构幼苗放置于刚性平台上时无法定位，拾取困难等问题；弹性苗托具有一定的高度，幼苗在缓存钢丝上处于平置的状态，解决了幼苗置于刚性平台上由于真叶的存在处于一端高、一端低的状态，导致拾取作业不稳定的问题；在缓冲钢丝的弹性变形作用下，当吸嘴接触幼苗时，钢丝弯曲变形幼苗随之下沉，从而避免对幼苗刚性挤压，并可保证吸附不同直径幼苗时，吸附距离为 0，从而解决了采用刚性平台时固定的吸附距离吸嘴挤压幼苗造成损伤的问题。 2.3 缓冲钢丝受力分析 缓冲钢丝的弯曲变形特性直接影响拾取作业效果，变形过小，拾取时将对幼苗造成挤压损伤，变形过大，吸嘴与幼苗茎秆之间存在一定的吸附距离，无法使吸嘴负压腔封闭，导致对幼苗的吸附力不足，影响拾取效果。 由于缓冲钢丝与置苗板之间铰连接，并且一端为固定铰支座、另一端为滑动铰支座，将单根缓冲钢丝简化成简支梁，其受力分析的简化模型如图 5 所示。根据材料力学理论30，可知承受集中力简支梁的中点挠度计算公式为 3148cF lwEI= （ 1） 农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 72 式中 l 为缓冲钢丝两端铰接点 A、 B 之间的距离， mm；wc为缓冲钢丝弯曲变形后的中点挠度值， mm； F1为吸嘴对幼苗的压力 F 分解到其中一根钢丝上的分压力， N； I为缓冲钢丝的惯性矩； E 为缓冲钢丝的弹性模量。 注： A, B 为缓冲钢丝两端铰接点； C 为吸嘴对幼苗压力作用点； wc为缓冲钢丝弯曲变形后的中点挠度值， mm； l 为铰接点 A、 B 之间的距离， mm； F1为吸嘴对幼苗的压力 F 分解到其中一根钢丝上的分压力， N。 Note: A and B are hinge points at end of buffering steel cable; C is action point of sucker pressuring on seedling; wcis deflection of buffering steel cable after bending, mm; l is distance between hinge points A and B, mm; F1is the pressure of sucker pressuring F on seedling decomposition to one of the steel cable, N. 图 5 缓冲钢丝受力分析图 Fig.5 Diagram of force analysis of buffering steel cable 由 2.1 节分析可知，茄苗承受压力 F 应小于 1.54 N，设计时 F 取 1.54 N，将压力 F 分解到两根缓冲钢丝上，则其中一根钢丝承受压力 F1为 F 的一半即 F1=0.77 N（茄苗苗质量相对于压力 F 较小，不予考虑）；受拾取手结构尺寸限制， l 设计为 20 mm；作业时为达到较好的吸附效果，吸嘴与最小苗径 2.8 mm 茄苗接触时吸附距离为0 mm，此时要求缓冲钢丝挠度| wc| 1.15 mm，才能保证拾取最大直径 5.1 mm茄苗时不损伤幼苗， 取| wc|=1.15 mm，进一步分析挠度的方向可知， wc=1.15 mm；为了获得较好的变形性能，选用常用的碳素弹簧钢丝（ 65 Mn），其弹性模量 E 为 210 GPa。 通过式（ 1）可知缓冲钢丝的惯性矩为 I=5.31×10-16m4。对于截面形状为圆形的钢管其惯性矩计算公式为式 （ 2） 。通过式（ 2）确定缓冲钢丝直径 d 为 0.32 mm。 464dI = （ 2） 3 幼苗气力拾取试验 拾取试验一是探究采用弹性苗托后的拾取作业特性及其结构参数优化，二是对刚性平台和弹性苗托 2 种工况下的拾取特性进行对比。 3.1 弹性苗托优化试验 3.1.1 试验材料与方法 如图 4 所示，幼苗由两根缓冲钢丝两点支撑，故支撑间距 et影响拾取效果，由于拾取手拾取长度为 9 mm，拾取手拾取位置为两根缓冲钢丝之间的幼苗茎秆位置即吸附位置 （图 2） ， 故支撑间距 et三水平取为 7， 9， 11 mm。放入弹性苗托中的幼苗由置苗板 V 形槽口限位，故钢丝固定点到置苗板的距离即边距 e与置苗板槽口深度 影响拾取性能， e 过大会导致幼苗限位不佳，而 e 过小会导致苗托两端幼苗悬空，同样不能较好定位幼苗；由于幼苗端头有真叶， 过大会导致真叶受到挤压， 影响后续作业， 过小达不到限位的作用。根据前期设计，边距 e 三水平分别取为 2， 3， 4 mm；由于最大苗径为 5.1 mm，为容纳所有嫁接用茄苗 三水平分别为 4， 5， 6 mm。试验考察et、 e 和 变化下的拾取作业性能，包括吸附成功率和幼苗损伤率， 其中幼苗被成功拾取后并向上提起 5 mm 离开苗托时牢固吸附在负压吸嘴上为吸附成功；幼苗茎杆表面出现明显压伤破损、真叶折断统称为幼苗损伤。试验时苗径为平均苗径 4 mm（实际包括苗径 3.8 4.2 mm），真空度为 32 kPa，吸附响应时间为 0.08 s，采用三因素三水平全排列方案设计试验，共计 27 组，为了测得吸附成功率和幼苗损伤率，每组试验重复 30 次，试验气路连接如图 6 所示29。 1.负压吸嘴 2.幼苗 3.苗托槽口 4.缓冲钢丝 5.压缩机 6.气动开关 7.真空发生器 8.真空压力传感器 1.Negative pressure sucker 2.Seedlings 3.Seedling seat notch 4.Buffering steel cable 5.Compressor 6.Pneumatic switch 7.Vacuum generator 8.Vacuum pressure sensor 图 6 拾取手气路连接示意图 Fig.6 Schematic diagram of pick-up finger gas path connection 3.1.2 优化试验结果与分析 试验结果如表 3 所示。支撑间距 et，边距 e 和槽口深度 的极差 R 分别为 60， 20 和 46，故 3 个因素对吸附成功率影响显著性为支撑间距 et>槽口深度 >边距 e。 根据表 3，支撑间距影响最显著。这是因为支撑间距过小，负压吸嘴接触幼苗时，幼苗移动，与吸嘴产生对位偏差，无法形成封闭负压腔，导致吸附失败，进一步分析可知，支撑间距为 7 mm 时，吸附成功率为 0 37%。而支撑间距过大，吸嘴接触幼苗时，易导致幼苗茎杆发生较大弯曲，同样影响吸附成功率，可知支撑间距为11 mm 时，吸附成功率为 7% 77%。 槽口深度对吸附成功率影响较显著，两者之间呈单调上升的关系，主要反映在槽口深度太小，拾取时幼苗弯曲变形易偏至槽口外，不利于幼苗定位，当槽口深度约等于最大苗径 5.1 mm 时，仍有部分幼苗弯曲变形偏至槽口外，无法定位，试验显示最佳槽口深度为 6 mm。边距总体上对吸附成功率影响较小。 由表 3 可知，支撑间距对幼苗损伤率影响较显著，支撑间距为 7 和 11 mm 时，幼苗损伤率相对于支撑间距为 9 mm 时较大。极差分析结果显示，支撑间距为 9 mm，边距为 4 mm，槽口深度为 6 mm 为最佳吸附作业参数组合， 此时可保证对 2.8 5.1 mm 范围内嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率达到 90%以上，幼苗损伤率 10%以下。 第 4 期 张 青等：幼苗气力拾取弹性苗托的设计与试验 73 表 3 弹性苗托优化试验结果 Table 3 Results of optimization flexible seedling seat 序号 No. 支撑间距 Support spacing et/mm 边距 Side distance e/mm 槽口深度Notch depth /mm 幼苗损伤率Injury rate/% 吸附成功率Success rate of adsorption/%1 7 2 4 10 0 2 7 2 5 13 3 3 7 2 6 17 13 4 7 3 4 10 0 5 7 3 5 10 7 6 7 3 6 17 20 7 7 4 4 17 0 8 7 4 5 7 7 9 7 4 6 7 37 10 9 2 4 17 13 11 9 2 5 7 50 12 9 2 6 0 90 13 9 3 4 7 37 14 9 3 5 7 80 15 9 3 6 3 97 16 9 4 4 7 73 17 9 4 5 7 93 18 9 4 6 7 93 19 11 2 4 7 7 20 11 2 5 10 27 21 11 2 6 13 60 22 11 3 4 7 7 23 11 3 5 10 43 24 11 3 6 17 77 25 11 4 4 7 10 26 11 4 5 13 57 27 11 4 6 17 77 K187 263 147 K2627 367 367 K3363 447 563 k110 29 16 k270 41 41 k340 50 63 R 60 20 46 注：以吸附成功率为指标对各因素进行极差分析。 Note: Success ratio of adsorption as an indicator is used to analyze the range of various factors. 3.2 拾取方式比较试验 3.2.1 试验材料与方法 为比较弹性苗托和刚性平台 2 种工况下的拾取性能，进行拾取方式比较试验，如图 7 所示。根据弹性苗托优化试验，弹性苗托的各项结构参数均设为最佳参数，选取苗径为 4 mm 的茄苗，通过变化供给负压和苗质量，保持吸附距离为 0 的情况下，分别考察采用弹性苗托和刚性平台时的拾取作业特性。供给负压分别为 10， 32， 54 kPa，苗质量分别为 1， 2， 3 g，考察指标为幼苗损伤率和吸附响应时间。考虑到茄子接穗苗个体差异性，苗径为 4 mm 的茄苗包括 3.8 4.2 mm 范围内茄苗，苗质量为1 g 的茄苗包括在 0.8 1.2 g 范围内茄苗，苗质量为 2 g的茄苗包括在 1.8 2.2 g 范围内茄苗，苗质量为 3 g 的茄苗包括在 2.8 3.2 g 范围内茄苗。 采用两因素三水平全排列方案设计试验，共计 9 组，为了测得幼苗损伤率，每组试验重复 30 次。 1.负压吸嘴 2.茄苗 3.刚性平台 4.弹性苗托 1.Negative pressure sucker 2.Eggplant seedlings 3.Rigid platform 4.Flexible seedling seat 图 7 拾取方式比较试验 Fig.7 Comparison experiment of pick-up mode 3.2.2 比较试验结果与分析 试验结果如表 4 所示，采用刚性平台时，平均幼苗损伤率为 21%，平均吸附响应时间为 0.08 s；而采用弹性苗托后，平均幼苗损伤率降至 5%，相对于刚性平台时损伤率减少 16%，平均吸附响应时间减少至 0.03 s，相对于刚性平台时作业时间减少 62.5%。 表 4 比较拾取试验结果 Table 4 Results of comparative pick-up experiment 幼苗损伤率 Injury rate/% 响应时间 Response time/% 序号 No.供给负压Supply pressure/kPa 苗质量Seedling weight/g刚性平台Rigid platform 弹性苗托Flexible seat 刚性平台Rigid platform弹性苗托Flexible seat 1 10 1 27 7 0.1 0.03 2 10 2 23 10 0.12 0.04 3 10 3 30 7 0.15 0.05 4 32 1 23 0 0.05 0.02 5 32 2 13 3 0.08 0.02 6 32 3 20 7 0.1 0.04 7 54 1 17 7 0.05 0.01 8 54 2 13 3 0.05 0.01 9 54 3 23 3 0.06 0.02 平均值Mean 32 2 21 5 0.08 0.03 据表 4 可知，采用刚性平台时，响应时间与供给负压呈单调下降的关系，当供给负压为 10 kPa 时，吸附响应时间为 0.1 0.15 s，增至 32 kPa 时，吸附响应时间减少至 0.05 0.1 s，供给负压继续增长，吸附响应时间始终大于 0.05 s。分析其原因可知：由于负压吸嘴从刚性平台上拾取幼苗，作业时吸附距离设置为 0，而大部分茄苗由于有真叶的存在，当吸嘴接触茄苗时，茄苗发生偏移，导致吸附响应时间较长。 改用弹性苗托后，由于置苗板的限位作用，始终保持较小的吸附响应时间，其平均吸附响应时间为 0.03 s，相比刚性苗座平均吸附响应时间 0.08 s，减少了 62.5%。 采用刚性平台时，幼苗损伤率为 13% 30%。试 验 时吸附距离为 0 mm，即吸嘴与苗径上表面接触，但是由于茄苗端头真叶的存在，实际茄苗在刚性平台上时并不是平置，而是一端高一端低（图 7a），故拾取作业时定会对幼苗造成一定损伤，严重时将幼苗从中折断，由于真叶大小、形状不同，导致挤压时间不同以及茄苗幼嫩程度不同等等造成了损伤率的变化。进一步分析可知，供给负压从 10 增至 32 kPa 时，损伤率呈减小的趋势，当供农业工程学报（ http:/www.tcsae.org） 2017 年 74 给负压继续增大时，损伤率基本保持在 13% 23%之间。改用弹性苗托后，幼苗损伤率较刚性平台时大大降低，损伤率均小于 10%。 响应时间与苗质量呈单调递增的关系。幼苗损伤率与苗质量之间无较明显单调关系，呈现随机变化。 4 结 论 1）采用气力拾取手辅助以弹性苗托拾取幼苗，可以克服在刚性平台上由于固定的吸附位置难以适应幼苗的尺寸和形态变化，并降低拾取作业时幼苗损伤率和提高吸附成功率。 2）弹性苗托的两根缓冲钢丝支撑间距为 9 mm，苗托槽口深度为 6 mm，钢丝固定边距为 4 mm 的条件下，可保证对 2.8 5.1 mm 范围内嫁接用茄子接穗苗的拾取吸附成功率达到 90%以上。 3）对直径为 4 mm 嫁接用茄子接穗苗在刚性平台与弹性苗托 2 种工况下的拾取作业性能进行比较：采用弹性苗托时幼苗损伤率降至 5%，相对于刚性平台时幼苗损伤率减少 16%；平均吸附响应时间为 0.03 s，相对于刚性平台时作业时间减少 62.5%，大幅提高生产率，降低耗气量。 参 考 文 献 1 张跃峰，秦四春 . 设施园艺智能化发展趋势与路径 J. 当代农机， 2016(2)： 21 22. 2 曹楠，鲍顺淑，袁雪锋，等 . 荷兰、德国典型温室园艺设施功能与布局解析 J. 农业工程技术， 2016， 36(10)：58 64. 3 辜松，张跃峰，丁小明，等 . 实用主义指引的设施园艺工厂化：美国设施园艺产业考察纪实 J. 农业工程技术，2016,36(1)： 68 74. 4 刘珊 . 2014 年美国农业部园艺产业专项调查要点探析 N.温室园艺农业工程技术， 2016-03-18. 5 李中华，孙少磊，丁小明，等 . 我国设施园艺机械化水平现状与评价研究 J. 新疆农业科学， 2014， 51(6)： 11431148. 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