樹苗劈接嫁接機器人機械系統(tǒng)設計與試驗

孫 群，趙棟杰，趙 穎

(聊城大學汽車與交通工程學院，山東聊城252059)

0 引言

樹苗嫁接可加快優(yōu)良樹種繁育、增強抗病能力、改善果實品質(zhì)、提高其環(huán)境適應能力。但迄今為止，樹苗嫁接作業(yè)仍然延續(xù)傳統(tǒng)的手工方式，導致勞動強度大、生產(chǎn)效率低、嫁接苗木的成活率也不高，而且不適應種植業(yè)季節(jié)性強的特點，難以實現(xiàn)樹苗育苗工廠化生產(chǎn)[1-5］。有關樹苗嫁接機器人的研究在國際上尚未見到報道，中國見諸文獻報道的研究主要集中在苗木力學特性試驗[6-7］和苗木嫁接機構(gòu)設計[8-15］兩個方面?！芭臃ā笔菢涿缂藿拥囊环N主要方式，多用于楊木、葡萄、棗、梨、蘋果、柿子等樹苗，其手工操作流程為:①將穗木削成正雙面楔形切口;②砧木劈成一字形劈口;③將穗木插入砧木劈口，使砧木橫斷面形成層和穗木楔形切削面形成層緊密接合，若松動，可以捆綁。本文以楊樹苗劈接嫁接為研究對象，模擬手工嫁接作業(yè)，研制出一種樹苗嫁接機器人樣機。

1 樹苗劈接嫁接機器人機械系統(tǒng)設計

1.1 機械系統(tǒng)總體設計

樹苗劈接嫁接機器人的工作流程為:砧木、穗木供苗→砧木、穗木夾持→穗木、砧木切削→穗木、砧木接合→嫁接苗排出，其中，砧木、穗木供苗與嫁接苗排出為人工操作。根據(jù)以上流程，確定樹苗嫁接機器人的工位為:砧木、穗木取苗工位→穗木切削工位→砧木切削工位→穗木砧木接合工位→嫁接苗排出工位。各工位的時間分配為

其中，tz為單次循環(huán)總時間;tg為砧木、穗木供苗時間;ty為砧木、穗木在各工位間移動時間;tq為穗木、砧木切削時間;tj為穗木、砧木結(jié)合時間;tp為嫁接苗排出時間。

樹苗嫁接機器人基于虛擬樣機理念，利用三維設計軟件Pro/E進行虛擬建模與裝配，并進行虛擬樣機仿真，然后加工裝配出物理樣機。樹苗嫁接機器人機械系統(tǒng)包括:機架、穗木夾持機械手、穗木切削機構(gòu)、砧木夾持機械手和砧木切削機構(gòu)。

1.2 砧木、穗木夾持機械手設計

1.2.1 砧木夾持機械手

砧木夾持機械手用于在砧木供苗工位實現(xiàn)砧木苗的夾持，并能夠搬運砧木苗到砧木切削工位，待砧木、穗木接合后，運動到嫁接苗排出工位。為此，本文采用伺服電機加絲杠實現(xiàn)砧木夾持機械手的運動，采用直動電磁鐵實現(xiàn)砧木機械手的夾持，設計出的砧木夾持機械手見圖1。

1.2.2 穗木夾持機械手

穗木夾持機械用于在穗木供苗位置實現(xiàn)穗木夾持，搬運穗木苗至穗木切削工位，搬運切削好的穗木苗至砧木切削工位，插入完成一字切削的砧木劈口，實現(xiàn)砧木穗木的接合。穗木機械手實現(xiàn)兩個方向的運動:一是水平搬運;二是垂直插入運動。為此，采用驅(qū)動電機加水平絲杠實現(xiàn)水平運動，采用驅(qū)動電機加垂直絲杠實現(xiàn)垂直運動，采用直動電磁鐵實現(xiàn)穗木夾持，設計出的穗木夾持機械手如圖2所示。

1.3 砧木、穗木切削機構(gòu)設計

1.3.1 砧木切削機構(gòu)

砧木切削機構(gòu)用于砧木的一字形切削，切削力采用伺服電機加絲杠實現(xiàn)，可以根據(jù)砧木的直徑改變切削深度，設計出的砧木切削機構(gòu)如圖3所示。

圖1 砧木夾持機械手結(jié)構(gòu)圖

圖2 穗木夾持機械手結(jié)構(gòu)圖

圖3 砧木切削機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.3.2 穗木切削機構(gòu)

穗木切削機構(gòu)用于穗木的雙面正楔形切削，該機構(gòu)由結(jié)構(gòu)相同、左右對稱安裝的穗木切削組件和穗木切削調(diào)位組件組成。穗木切削組件采用兩個直動電磁鐵作為切削驅(qū)動力，實現(xiàn)穗木雙面楔形切削。穗木切削調(diào)位組件用于調(diào)整穗木切刀相對于穗木的切角，實現(xiàn)穗木切削裝置的微調(diào)。設計的穗木切削機構(gòu)見圖4。

圖4 穗木切削機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 樹苗嫁接機器人嫁接試驗

2.1 樹苗嫁接機器人樣機

樹苗嫁接機器人各個關鍵機構(gòu)設計完畢后，便進行機械零部件加工、制造和裝配，研制出樹苗嫁接機器人樣機，如圖5所示。

2.2 試驗對象

嫁接試驗用砧木為一年生通直楊樹枝條，直徑為20～25 mm，長度為100 mm;穗木為當年生健壯飽滿帶穗枝條，直徑為4～6 mm，長度為100 mm。

2.3 試驗結(jié)果與分析

選取砧木、穗木試樣各100根，隨機分為10組，采用研制的樹苗嫁接機器人進行嫁接試驗，試驗結(jié)果見表1。砧木切削成功率為94%，失敗的原因有兩個:一是有些砧木不是通直，導致軸向切偏;二是砧木切削切口處存在苞節(jié)，切削力增大，砧木夾持機械手受力后不穩(wěn)。穗木切削成功率為93%，穗木生長的不一致性致使穗木切削面難以呈現(xiàn)雙面楔形。砧木、穗木嫁接的成功率為86%，由于樹苗生長的不一致性，砧木和穗木的形成層難以準確的對齊，導致嫁接成功率受到影響。樹苗嫁接機器人樣機平均嫁接時間為20.9 s，與普通嫁接操作人員的手工嫁接作業(yè)時間近似。試驗結(jié)果表明:樹苗嫁接機器人樣機的嫁接時間和嫁接成功率接近人工嫁接水平，待進一步改進后，作業(yè)效率能夠高于人工水平。

圖5 樹苗嫁接機器人樣機

表1 嫁接試驗結(jié)果

3 結(jié)論

(1)根據(jù)樹苗劈接嫁接手工操作流程，設計出基于絲杠傳動、電機驅(qū)動和電磁鐵驅(qū)動的樹苗嫁接機器人機械系統(tǒng)。

(2)樹苗嫁接機器人樣機平均嫁接時間為20.9 s，嫁接成功率為86%，接近人工嫁接水平。

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