穴盘苗单驱动四齿移植机械手的设计与试验.pdf

穴盘苗单驱动四齿移植机械手的设计与试验 刘 凯 1 黎 波 2 姜德 龙 2 辜 松 2 刘厚 诚 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 种苗移植机是设施园艺种苗生产提高生产效率 降低劳动力成本 提高企业效率的智能化装备 而移植 机械手是种苗移植机的关键部件 针对不同的种植方法与种植对象 移植手的形式与规格都有很大的差别 为 此 针对花卉穴盘种苗提出了一种单驱动四齿移植手 结构简单 作业可靠 有较大的适应性 针对设计出的移 植机械手 进行穴盘花卉种苗移植性能试验 结果表明 在 50mm 行程笔形气缸驱动下 采用泥炭配合珍珠岩基 质培育种苗 当土壤含水量为 60 手指钢齿倾斜角为 5 手指钢齿直径为 2mm 时 移植成功率平均可达 93 伤苗率小于 0 5 关键词 设施农业 穴盘苗 移植机械手 单驱动 中图分类号 S223 92 S220 3 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2020 12 0184 04 0 引言 移栽作业是育 苗 生 产系统运作过程之一 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 穴盘移栽到低密度的穴盘或花盆中 以保证秧苗的进 一步生长 1 2 移栽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栽作 业的自动化程度 是扩大温室栽培规模 提高生产效 率的有效解决办法 3 5 移植机械手作为 移 植机的关键部件 国内很多高 校及研究机构 如沈阳农业大学 6 南京 农 业大学 7 华南 农 业大学 8 10 浙江 大 学 11 中国 农 业大学 12 江苏 大 学 13 14 吉林 大 学 15 北京 工 业大学 16 及北 京 农 业智能装备技术研究中心 17 对穴盘种苗移植 机 械 手都进行了不同程度的研究 笔者针对穴盘花卉种苗 设计了一种结构简单 作业可靠的单驱动四齿移植机械手 同时进行了性能 试验 1 设计 方 案 本文 设 计的穴盘苗移植手的基本作业技术要求 如下 能够快速 准确地取苗 运苗和移栽幼苗 要 收稿 日 期 2019 09 28 基金项目 十三五 国家重点研发计划项目 2017YFD0701504 作者简介 刘 凯 1983 男 辽宁铁岭人 讲师 E mail liukai 3343 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 求执 行 机构具有精度高 动作快 承载能力强及足够 的工作空间 手指具有一定的开闭范围且应具有 适当的夹紧力 手指的开闭范围即从张开到闭合绕 支点转过的角度 角度越小 越不利于夹持 另外 虽 然幼苗和基质的质量很小 但如果夹持力小仍会导致 取苗失败 所以应保证手指具有一定得夹持力 以使 基质不会在运行过程中脱落 具有一定的通用性 末端执行器一般都是专门设计的 为了使其具有一定 的通用性 应考虑其结构具有一定的可调性 以利于 针对不同的作物进行移栽作业 末端执行器工作流 程图如图 1 所示 图 1 末端 执 行器工作流程图 Fig 1 Working procedure of end effector 1 取苗 过 程 取苗包括手指的伸出 手指钢齿向 内侧夹持和整体上移运动 气缸伸出推动手指钢齿插 入基质 之后气缸缩回 4 个手指钢齿向内夹持 然后 机械手整体上移完成取苗动作 2 运苗过程 运苗即移植机械手实现横向移动 481 2020 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 12 033 由水平运动步进电机 驱 动 运动过程中应尽量保证幼 苗的平稳运输 3 栽苗过程 栽苗与取苗的动作正好相反 首先 移植机械手整体下移 当幼苗进入穴孔时气缸缩回 手指钢齿打开 然后整体上移 完成移植 根据以上作业流程 设计出如图 2 所示移植机械 手 主要由笔形驱动气缸 手指钢齿 手指钢齿导向 板 机械手 L 型固定板及钢齿固定座构成 该移植机械手在笔形气缸驱动下进行对幼苗基 质的夹持动作 如图 3 所示 其中 图 3 a 笔形气缸 杆伸出 手指钢齿相对于移植手 L 形固定座为缩回状 态 移植手处于非工作状态 当如图 3 b 所示笔形气 缸杆伸出后 手指钢齿相对于移植手 L 形固定座伸 出 移植手处于工作状态 可完成对秧苗基质的夹持 作业 1 手指 钢 齿 2 钢齿固定座 3 笔形气缸 4 移植手 L 形固定座 5 钢齿导向板 图 2 移植机械手主体结构 Fig 2 Main body structure of transplanting manipulator 图 3 移植 机 械手工作原理 Fig 3 The working principle of transplanting manipulator 2 移植作业性能试验 2 1 材料与试验条件 试验 前 调 节移植机械手气缸气压为 0 3MPa 准 备 10mm 20mm 标准穴盘和苗钵 2 2 试验指标与评价方法 试验把土壤含水量 钢尺倾角和钢尺直径作为主 要影响因素 测定这 3 个因素对幼苗的抓取影响的显 著程度 通过理论分析和仿真 得到土壤含水量 钢尺 倾角和钢尺直径对移植机械手移植成功率和伤苗率 的影响 每个因素选取 3 个水平记性正交试验 因素 水平表如表 1 所示 表 1 试验因素水平表 Table 1 Coding of test factors and levels 编码 土 壤含水率 钢尺倾斜角 钢尺直径 mm 1 60 4 2 2 70 5 3 3 80 6 4 2 3 试验 方 法 由于单一的试验指标不能得到理想的试验结果 因此采用双指标分析 在多指标正交试验中 各指标 的最佳试验方案之间存在一定的矛盾 在评价试验结 果时需要兼顾两个指标 从而找出使得每个评价指标 都尽可能好的试验方案 本试验分析采用综合评分 法进行评价 共 2 个指标 即移植成功率和伤苗率 移植成功率越高越好 设置加权系数为 4 伤苗率越低 越好 设置加权系数为 1 5 2 4 试验评分标准 评分公式为 综合评分 1 5 伤苗率 4 移植成 功率 试验评分标准如表 2 所示 表 2 测试 分 数标准 Table 2 Standard of testing score 伤苗率 得分 移植成功率 得分 0 1 10 1 2 8 2 3 6 3 4 94 4 94 96 6 96 98 8 98 100 10 2 5 试验 结 果 通过极差分析得到最优水平组合 当土壤含水量 为 60 手指钢齿倾斜角为 5 手指钢齿直径为 2mm 时 综合效果最佳 在此组合下进行移植树验证试验 见图 4 结果如表 3 所示 由表 3 可知 移植机械手 581 2020 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期 的移 植 成功率平均达到 93 伤苗率小于 0 5 另 外 穴盘种苗的长势也对移植成功率有影响 有待今 后对此方面进行进一步的试验研究 移植机械手的作业试验如图 4 所示 图 4 移植 机 械手样机 Fig 4 Transplant manipulator prototype 表 3 移植机械手作业性能试验结果 Table 3 Transplant manipulator performance test results 穴盘编号 移植成功率 时间 s 作业效率 株 h 1 1 92 5 405 1777 2 91 0 408 1764 3 94 0 404 1782 4 91 5 405 1777 5 95 0 408 1764 6 95 0 403 1778 7 92 5 404 1782 8 90 0 408 1764 9 95 0 403 1778 10 92 5 404 1782 3 结论 1 设计 了 一种移植机械手 对钢尺角度 伸出长 度等参数进行了设计 确定了最佳角度为 85 2 针对移植机械手进行了性能试验 对气缸压力 进行了单因素试验 得到最佳汽缸压力分别为 0 35 MPa 参数优化和正交试验结果表明 在最优水平组 合时 移植机械手抓取幼苗质量最佳 移植成功率高于 90 伤苗率低低于 0 5 参考文献 1 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 2 刘炜 刘继展 穴盘苗移栽机器人末端执行器综述 J 农 机化研究 2013 35 7 6 10 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 张 诗 田素 博 邱立春 穴盘苗自动移栽机械手的结构设计 与仿真 J 沈阳农业大学学报 2007 38 3 437 439 7 孙国祥 汪 小旵 何国敏 等 穴盘苗移栽机末端执行器设 计与虚拟样机分析 J 农业机械学报 2010 41 10 48 53 8 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 39 12 179 181 9 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 10 黎波 辜松 初麒 等 椰糠培育叶菜种苗移植机械手设计 与试验 J 农业工程学报 2017 33 14 18 24 11 童俊华 蒋 焕煜 蒋卓华 等 钵苗自动移栽机器人抓取指 针夹持苗坨参数优化试验 J 农业工程学报 2014 30 16 8 16 12 王蒙蒙 宋 建农 刘彩玲 等 蔬菜移栽机曲柄摆杆式夹苗 机构的设计与试验 J 农业工程学报 2015 14 31 49 57 13 韩绿化 毛 罕平 严蕾 等 穴盘育苗移栽机两指四针钳夹 式取苗末端执行器 J 农业机械学报 2015 46 7 23 30 14 缪 小花 毛 罕平 韩绿化 等 黄瓜穴盘苗拉拔力及钵体抗 压性能影响因素分析 J 农业机械学报 2013 44 S1 27 32 15 王 跃勇 于 海业 穴盘幼苗机械手取苗基质完整率影响 因素试验与分析 J 农业工程学报 2015 31 14 65 71 16 高 国华 冯 天翔 李福 斜入式穴盘苗移栽手爪工作参数 优化及试验验证 J 农业工程学报 2015 31 24 16 22 17 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 27 681 2020 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期 Design and Experiment of the Single drive and Four Finger Transplanting Manipulator Liu Kai 1 Li Bo 2 Jiang Delong 2 Gu Song 2 Liu Houcheng 2 1 Guangdong Mechanical and Electrical Polytechnic Guangzhou 510515 China 2 South China Agricultural Universi ty Guangzhou 510642 China Abstract The seedling transplanting machine is an intelligent equipment for improving the production efficiency reduc ing the labor cost and improving the efficiency of the enterprise The transplanting manipulator is a key component of the seedling transplanting machine and the transplanting manipulator forms and specifications are very different when used for different planting methods and planting objects In this paper a single drive four finger transplanting manipulator is proposed for flower seedlings The transplanting manipulator has simple structure reliable operation and great adaptabili ty Aim at the designed transplant manipulator through the transplanting performance test of the flower plug seedlings it is concluded that the seedlings are cultivated with peat and perlite substrate under the driving of 50 mm pen shaped cylinders and the angle of the transplanted steel finger is 25 the substrate moisture content is 75 the transplant suc cess rate can reach 90 and the injury rate is less than 0 5 Key words facility agriculture plug seedlings transplanting manipulator single drive 上接 第 135 页 20 马军 民 全 膜双垄沟播玉米穴播机的设计 D 兰州 甘 肃农业大学 2010 21 赵武云 戴飞 杨杰 等 玉米全膜双垄沟直插式精量穴播 机设计与试验 J 农业机械学报 2013 44 11 91 97 22 刘 军干 王 天辰 阎发旭 等 直插式覆膜小麦穴播机的设 计 J 农业工程学报 2001 17 5 55 58 23 陈晓光 左 春柽 高峰 直插式播种机的研究 直插式 成穴器 J 农业工程学报 1993 9 3 66 70 24 孙 伟 吴建 民 黄晓鹏 等 勺匙式玉米精量取种器的设计 与试验 J 农业工程学报 2011 27 10 17 21 25 于建群 马 成林 陈晓光 等 打孔式播种机的研究进展 J 吉林工业大学学报 1995 25 1 115 119 26 徐仲儒 试 验回归设计 M 哈尔滨 黑龙江科技出版社 1998 Abstract ID 1003 188X 2020 12 0129 EA esearch and Experiment on Pricking Hole Mechanism of Corn Precision Bar Type Planter Zhou Fujun Zhang Chunlei Li Mutong Li Tianyu Wu Hao Engineering College Northeast Agricultural University Harbin 150030 China Abstract To get around the problem of the serious disturbance of the soil great seeding height high consumption and the opener is easy to be intertwined by the field sundries when ditching to plant corn a pressure type mechanism of corn hill drop planter is developed realize precise sowing of corn By using the box experiment analyzed the working parame ters of the opening structure studyed rule of the influence of the parameter to indenting quality Make forward speed of the machine soil depth of the opening structure taper angel of it as impact factor with the Box Behnken center combi nation experimental design methods the influence rule on the quality of cover earth for the process parameters was ana lyzed Get parameter optimization combination range opening and closing pin installation Angle 5 13 cavitation device capacity 100mm to118mm cavitation device 15 Optimizing parameters meet the performance requirements of corn planting provide the foundation for further research The primary performance testing of the complete machine will be conducted Key words corn precision planting bar type duck rostra type punching opener 781 2020 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期