花卉种苗移植机器人的设计与性能试验.pdf

花卉种苗移植机器人的设计与性能试验 刘 凯 1 黎 波 2 殷振新 2 辜 松 2 1 广东机电职业技术学院 广州 510515 2 华南农业大学 广州 510642 摘 要 移植机器人是未来智能设施园艺育苗机械化生产的发展方向 具有广阔的应用前景 为了提高花卉种 苗移植的自动化水平 针对花卉穴盘种苗 并通过穴盘和苗钵输送机构 机械臂 移植机械手的设计 构建了双移 植手花卉种苗移植机器人 实现了穴盘苗钵定位 等距进给动作 可完成穴盘苗由穴盘向苗钵的自动化移植作 业 性能试验结果表明 双移植手花卉种苗移植机器人作业生产率可达 1772 株 h 作业成功率达到 91 5 关键词 设施园艺 花卉种苗 移植机器人 移植机械手 定位精度 中图分类号 S223 92 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2020 11 0123 04 0 引言 移植作业是育苗生产过程的重要环节 目的是为 了保证幼苗有足够的生长空间 把幼苗从高密度的穴 盘移植到低密度的苗钵中 以保证秧苗的进一步生 长 1 2 移植作业一般都是在温室中进行 而温室内 温度高 湿度大 作业环境比较恶劣 且劳动强度大 用机械化 自动化等先进生产手段提高移植作业的自 动化程度 是扩大温室栽培规模 提高生产效率的有 效解决途径 3 4 由于国外劳动力成本高 温室内机械化作业技术 十分发达 在植物工厂的移植机器人研发应用已被广 泛重视 并取得了良好的效果 自 20 世纪 80 年代开 始 荷兰等先进技术国家先后建立了一批植物工厂 采用温室 穴盘培养基种植秧苗 当秧苗长到一定大 小 就对穴盘中的秧苗进行移植 5 6 国外在秧苗移 植时通常采用串联机构 且 一 般 是 定 位 定 量 抓 取 7 9 国内花卉移植机的研究还处于研发阶段 10 13 K C Ting 和 Y Yang 等人研制的移植机 把幼苗从 600 穴的育苗盘中移植到 48 穴的苗盘中 该机本体部 分由 4 个自由度执行结构和夹持器组成 力觉传感器 保证夹持器夹住而不损伤蔬菜苗 14 15 北京农业智 能装备技术研究中心的冯青春等人设计了由上位机 扩展多路电机驱动节点的幼苗根部夹持手抓 移植成 功 收稿日期 2019 09 28 基金项目 广东省重点领域研发计划项目 2019B020222004 作者简介 刘 凯 1983 男 辽宁铁岭人 讲师 E mail liu kai3343 163 com 通讯作者 辜松 1963 男 广东汕头人 教授 博士生导师 E mail sgu666 sina com 率 95 以上 16 针对花卉苗移植模式 设计了一种结构简单 作 业准确率高 节省人工的温室秧苗移植机 并对夹持 手的搬运机构 移植机械手 穴盘定位系统进行设计 和集成 且进行了性能试验 1 总体方案 1 1 总体结构 移植机器人由穴盘 苗钵输送机构 搬运机械臂 和移植机械手构成 如图 1 所示 1 苗钵输送机构 2 穴盘输送机构 3 移植机械手 4 机架 5 X Z 移动机构 图 1 双移植机械手花卉种苗移植机器人主体结构 Fig 1 The main structure of the transplanting robot with double hands for tray seedlings of flower 321 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 022 穴盘 苗钵输送机构的作用是运输穴盘或苗钵至 工作位置 由 2 条输送带构成 第 1 条输送带输送穴 盘 第 2 条输送苗钵 穴盘 苗钵输送机构上方设置有 搬运机械臂 针对工艺要求及现场空间位置情况 设 计搬运机械臂能在 X 轴 Z 轴做直线运动 移植机械 手作为执行机构 在搬运机械臂的带动下 结合气缸 驱动 可以实现幼苗的抓取动作 考虑到移植生产率 设置了 2 个移植机械手 1 2 工作原理 如图 2 所示 工作时 系统启动后程序进行初始化 复位 按下启动按钮后输送机构传送带启动 穴盘和 苗钵在输送带的带动下向工作位置前进 穴盘和苗钵 在输送机构的输送下到达工作位置 待两边均到位 后 移植机械手在搬运机械臂的带动下移动到穴盘上 方 两个移植机械手排成一线 在搬运机械臂带动下 运动到取穴盘正上方 再向下运动 机械手到达靠近 取苗盘时 机械手上的驱动气缸向下抓取秧苗 然后 向上提起 机械手到达上限位时 移植机械手水平运 动到苗钵上方 向下运动 把秧苗垂直放入放苗盘中 最后 机械手垂直向上回到上限位 完成一次作业 当穴盘或苗钵完成一行的移植后 输送机构自动进给 到下一行 直至结束移植 图 2 移植手移植作业流程 Fig 2 The operation process of Transplanting hands 由于 2 个移植机械手的最小距离大于两个相邻穴 空的间距 故采用隔一个移植方式 即 1 6 2 7 3 8 4 9 5 10 的移植方案 如图 3 所示 2 系统构成模块 2 1 穴盘 苗钵输送机构 穴盘 苗钵输送机构的主要功能是输送苗盘 与 安装在其上方的搬运机械臂 移植机械手协调配合实 现幼苗的移植 根据总体移植的设计要求 选用并行的两条输送 带输送苗盘 一条输送穴盘 另一条输送苗钵 穴盘 输送带设有导向机构 确保穴盘在输送带上不发生滑 动和轴向串动 图 3 移植手移植作业路径 Fig 3 The transplanting trace 2 2 搬运机械臂 搬运机械臂按其结构形式及编程坐标系主要分类 为关节型机械手臂和直角坐标机械手臂等 目前 被 广泛应用的直角坐标机械手臂主要由直线运动单元 组成 主要由电机和导轨组成 其传动形式主要可以 分为两种 一是采用同步齿型带传动 由于齿型皮带 受力后变形会导致传动精度降低 所以重复精度一般 较低 但其运动速度较快 在长距离搬运过程中采用 该种传动方式可大幅度节省运行时间 二是采用滚 珠丝杠传动 传动精度较高 一般为 0 105mm 但速度 较慢 本设计优先考虑到移植效率和搬运距离 选用 同步齿形带传动方式 直角坐标机械手臂各个运动轴通常对应直角坐标 系中的 X Y 和 Z 轴 X 轴和 Y 轴是水平面内运动轴 Z 轴是上下运动轴 由于传送机构实现了 Y 轴运动的 功能 因此设计的机械手臂只设计了 2 个自由度 分 别由 X 轴和 Z 轴组成 考虑到 2 个移植机械手能在 多点位精确定位 且保证高速运行 液压传动和气压 传动机械臂无法实现该要求 故采用伺服电机驱动 Z 轴链传动装置和驱动 X 轴同步带传动装置 如图 4 所 示 2 3 移植机械手 由于气压传动系统的动作迅速 反应灵敏 阻力 损失和泄漏较小且成本低廉 加之幼苗抓取载荷较 轻 因此移植机械手采用气压传动方式 3 系统控制方案 移植机器人控制器负责输送机构 搬运机械臂 421 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 移植机械手的控制作业 如图 5 所示 移植机器人输 入设备为光纤传感器和光电传感器 通过检测穴盘的 前端 实现穴盘的工作位置行走及等距进给 机械臂 控制模块负责双机械手的协调同步定位 确保两移植 机械手按预定时间节拍进行抓取 末端执行器控制模 块可以根据控制器程序开关量 进而通过直流继电器 控制电磁阀 实现气缸的伸出与缩回 实现花卉种苗 的抓取 1 Z 轴链传动装置 2 移植机械手 3 X 轴同步带装置 图 4 X Z 移动机构和移植机械手结构示意图 Fig 4 Schematic diagram of X Z moving mechanism and transplanting manipulator 图 5 移植机器人控制系统结构 Fig 5 The structure of robot control system X 轴运动平台的运行控制是通过 FX1N 40MT 主单元进行控制 程序中主要用到了原点回归指令 DZ N 和绝对位置定位指令 DD VA 当运动机 构位置发生偏移或者运行过程中突然发生断电时 重 新上电后控制系统无法识别运动机构的当前位置 伺 服电机可利用电机尾部的编码器解决该问题 但一般 情况下也会执行该程序以校正其原点位置 此时可 运行原点回归程序 使运动机构找到其原点位置 4 移植机器人定位精度和作业性能试验 4 1 定位精度试验 移植机器人采用 Y 轴输送机构 X 轴同步带传动 和 Z 轴链传动的 3 自由度协作方式 为了提高作业 生产率 需要在保证作业质量的过程中尽可能提高作 业速度 其中 X 轴同步带传动机构在整个移植过程 中的耗时最长 因此进行了定位试验 在确保满足作 业精度的前提下获取 X 轴移植机械手的最佳运动速 度 具体试验方法是 在原点处设置光电传感器 在 目标位置设置标尺 试验标签 指针安装在滑块上 指 向标尺方向 当机械手回到原点后 运行绝对位置定 位程序 使机械手前进到目标位置 然后 利用数码相 机的近拍功能采集图片 按照此方法重复 1 次 获得 的两张图片中指针在标尺上所指的刻度 则两个刻度 的差 X 反应了运动平台的重复定位精度 试验首先确定运动平台承受负载情况下运行的最 高速度 规划运行速度变化区间 避免因为超速造成 的电机过载 由于速度与控制电机的脉冲输出频率 相关 最终确定脉冲输出频率最高为 42 000Hz 对影 响定位精度的另一指标 电机加减速时间进行区间 判定 伺服电机的加减速时间通常不能低于 100ms 由 于机械臂带有负载 最终确定加减速时间最低为 300ms 4 2 作业性能试验 为了解移植机器人的作业性能 获取移植机器人 作业生产率 使用移植机器人系统完成 5 个穴盘的移 植试验 试验过程中采用秒表记录作业过程耗时情 况 计时从穴盘到达工作位置开始 用秒表记录作业 过程耗时情况 计时从穴盘到达工作位置开始 至完 成最后一排穴孔移植结束 试验对 5 个穴盘种苗分别进行移植 试验结果记 录如表 1 所示 表 1 移植作业性能试验结果 Table 1 The test results of the transplant operation performance 穴盘编号 移植成功率 时间 s 作业效率 株 h 1 1 93 405 1777 2 90 5 408 1764 3 92 5 404 1782 4 91 5 405 1777 5 90 408 1764 由表 1 可知 平均移植成功率达到 91 5 平均移 521 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 植作业生产率达到 1772 株 h 由于输送机构过程耗时 较长 建议后补穴盘之间的间距小于 30mm 5 结论 1 构建了移植机器人系统 完成了各关键部件的 设计对进行了集成 机器人由两个移植机械手构成 实现了相互协作移植作业过程 2 移植机械手采用针式抓取移植 最大程度降低 了对种苗根部的损伤 3 依据移植作业流程 对移植机械手的移植路径 进行规划 并对各路径点时间节拍进行预设 从而保 证移植作业高效执行 4 性能试验表明 移植作业生产率为 1772 株 h 移植成功率为 21 5 参考文献 1 李振坚 花卉种苗产业现状与创新 J 中国农村科技 2015 6 42 45 2 辜松 设施园艺现代生产装备与技术 M 北京 中国农 业出版社 2015 1 2 3 岳建魁 郭俊先 梁佳 等 国内外移栽机械发展现状 J 新疆农机化 2016 5 30 32 4 齐飞 周新群 张跃峰 等 世界现代化温室装备技术发 展及对中国的启示 J 农业工程学报 2008 24 10 279 285 5 辜松 杨艳丽 张跃峰 荷兰温室盆花自动化生产装备系 统的发展现状 J 农业工程学报 2012 28 19 1 8 6 秦四春 辜松 王跃文 欧洲水培叶菜机械规模化生产系 统 J 农机化研究 2017 39 12 264 268 7 辜松 我国设施园艺生产作业装备发展浅析 J 现代农 业装备 2019 40 1 4 11 8 张跃峰 杨艳丽 初麒 等 设施园艺种苗生产装备系统 J 农机化研究 2018 40 10 257 261 9 辜松 设施园艺装备化作业生产现状及发展建议 J 农 业工程技术 2018 38 4 10 15 10 刘凯 辜松 PLC 在穴盘苗移栽机器人控制系统中的应 用 J 农机化研究 2009 31 12 179 181 11 刘凯 2YZ 2000 型秧苗移栽机关键部件的开发研究 C 中国农业工程学会 2011 年学术年会论文集 重 庆 西南大学出版社 2011 22 25 12 赵峥嵘 毛罕平 韩绿化 等 轻简型半自动移栽机的设 计及试验 J 农机化究 2019 41 10 174 179 13 胡建平 张晨迪 王留柱 等 全自动温室钵苗移栽机设 计与试验 J 农业机械报 2016 47 S1 149 154 14 K C Ting Giacomelli G A Shen S J obot workcell for transplanting of seedlings part I Layout and materials flow J Trans ASAE 1990 33 3 1005 1010 15 K C Ting Giacomelli G A Shen S J et al obot workcell for transplanting of seedlings part II End effector devel opment J Trans ASAE 1990b 33 3 1013 1017 16 冯青春 王秀 姜凯 等 花卉幼苗自动移栽机关键部件 设计与试验 J 农业工程学报 2013 29 6 21 27 Design and Performance Test of Transplanting obot for Flower Seedlings Liu Kai 1 Li Bo 2 Yin Zhenxin 2 Gu Song 2 1 Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic Guangzhou 510515 China 2 South China Agricultural Universi ty Guangzhou 510642 China Abstract The transplanting robot is the development direction of the mechanized production of intelligent facilities horti cultural seedlings in the future and has broad application prospects In order to improve the automation level of flower seedling transplanting this paper designed a transplanting robot for flower plug seedling Through the design of the seed ling tray and flowerpot transport mechanism mechanical arm and transplanting manipulator the double transplanting hand flower species was constructed The flower seedling transplanting robot realizes the positioning of the plug seedling and the equidistant feeding action and can complete the automatic transplanting operation of the plug seedling from the seedling tray to the flowerpot Through the automated transplanting performance test of the flower plug seedlings to the flowerpot the double transplanting hand flower seedling transplanting robot has an operating productivity of 1772 plants hour and with a success rate of 91 5 Key words facility horticulture tray seedlings of flower transplanting robot transplanting manipulator positioning ac curacy 621 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期