自動取苗末端執行器的設計

余偉芬，田玉鳳，劉海彬，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌　712100)

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自動取苗末端執行器的設計

余偉芬，田玉鳳，劉海彬，崔永杰

(西北農林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌712100)

摘要：蔬菜嫁接栽培是克服連茬病害和低溫障礙的有效途徑。為了實現瓜科嫁接供苗工序的自動化，根據穴盤和嫁接用苗的實際尺寸，設計了一種自動取苗末端執行器，并介紹了其工作原理，闡述了各部分的組成及各部分部件的設計方案。該方案采用氣動方式驅動氣缸運動到穴盤的穴孔中心位置，通過電機運動帶動曲柄滑塊機構運動，實現攏苗定位手指的閉合，完成嫁接用苗的攏苗、定位和剪切作業。

關鍵詞：嫁接；取苗；末端執行器

0引言

蔬菜嫁接栽培是克服連茬病害和低溫障礙的有效途徑，也是提高蔬菜優質、穩產和高產的重要措施之一[1-3]。2014年，我國蔬菜嫁接面積達134.5萬hm2，嫁接苗總數量約160.39億株(第一屆國際學會蔬菜嫁接研討會)。隨著嫁接苗需求的增多，實現嫁接全自動化十分必要。

在已有的嫁接機器人研究中，研究嫁接過程自動化技術與方法較多，大部分的蔬菜嫁接可以通過半自動嫁接機來實現；但是，存在嫁接作業效率低、勞動強度大等問題[4]，對自動供苗技術與方法的研究較少，實現機械智能供苗代替傳統的手工上苗十分迫切。嫁接幼苗胚軸柔弱，砧木胚軸直徑約為3～4mm，接穗胚軸直徑更小。根據供苗要求，考慮到幼苗的柔弱特性，本文以白籽南瓜嫁接砧木幼苗為研究對象，采用斷根貼接法，設計了一種自動取苗末端執行器，能夠實現嫁接用苗的取苗自動化。

1自動取苗末端執行器總體方案

1.1整機結構

自動取苗末端執行器主要由三軸氣缸、連接板、兩軸氣缸、攏苗夾持器、電機、攏苗定位手指、剪切手指、剪切定位手指，以及氣動手爪等機構組成。如圖1所示。

1.刀片　2.剪切手指1　3.攏苗定位手指1　4.攏苗定位手指2

1.2工作原理

自動取苗末端執行器的工作原理是將已經培育好的嫁接用苗，通過攏苗、定位、剪切作業，完成嫁接用苗的取苗作業，最終實現供苗工序自動化。

首先，在三軸氣缸的作用下，攏苗定位剪切機構向前運動，到達穴盤嫁接用苗生長的穴孔的位置；接著，電機旋轉通過攏苗夾持器使攏苗定位手指閉合，嫁接用苗的莖稈限制在攏苗定位手指閉合的區域內，兩軸氣缸帶動攏苗定位機構向上運動，完成攏苗作業；然后，電機再次旋轉，使幼苗的莖稈定位在攏苗定位手指的中心；最后，氣動手爪閉合，帶動剪切機構完成幼苗的剪切作業，完成嫁接用苗的取苗作業。

自動取苗末端執行器的電氣控制原理如圖2所示。其中，電磁閥為3位5通4v110-06，繼電器采用HHG1-0/032F-20，輸入電壓5～32V，輸出電壓12～250V；其輸出端與電磁閥相連并直接連接到DC24V電源，輸入端連接到系統總線，由工控機對其進行控制。氣動手爪采用MHC2-10D，兩軸氣缸采用TN16*40，三軸氣缸采用MGPM12-75，磁性開關1采用D-Z73，磁性開關2采用CS1-J，分別檢測三軸氣缸和兩軸氣缸是否到達指定位置，將檢測信號通過單片機系統以CAN總線方式傳輸給工控機，電機采用伺服舵機RB-150MG。

圖2　末端執行器電氣控制原理圖

2關鍵零部件設計

嫁接用苗選用京欣砧六號(黃瓜專用嫁接砧木)白籽南瓜種子。對種子進行浸泡催芽，種子露白后，胚根朝下，用50(5×10)眼的穴盤進行培育，內裝7∶3(質量比)比例混合草炭和蛭石營養土放置于30℃溫室中培育12～15天；嫁接前將苗床澆透水，用500～700倍的多菌靈溶液對嫁接用苗及周圍環境進行消毒[5]，在陜西楊凌新天地農業示范園現代溫室中培育。

2.1攏苗剪切定位手指的設計

攏苗剪切定位手指主要包括攏苗定位手指和剪切定位手指，主要功能是實現嫁接用苗的精確攏苗定位作業，保證取苗過程能夠順利完成，且不能夾傷胚軸，否則會影響嫁接的成活率和嫁接苗的成活率。

本文設計的攏苗定位手指由左側攏苗定位手指和右側攏苗定位手指組成，根據穴盤尺寸，設計手指寬20.5mm，長42mm，夾角θ取110°，如圖3所示。

攏苗定位手指夾角θ直接影響傷苗的程度，為了不傷嫁接用苗，要滿足以下要求

其中，f是嫁接用苗與攏苗定位手指材料的摩擦因數，f≤0.7。

取摩擦因數為0.7，選用鋁合金材料[7]。由于左右兩個攏苗定位手指對嫁接用苗攏苗定位容易造成嫁接用苗攏苗定位不穩定，且容易造成嫁接用苗被切傷。因此，左右各取兩個攏苗定位手指交錯疊放，對嫁接用苗進行攏苗定位。

圖3　攏苗定位手指結構圖

2.2攏苗夾持器設計

攏苗夾持器的主要功能是將電機的旋轉運動轉化為攏苗定位手指的直線運動，實現攏苗定位作業，主要由滑塊、連接桿、電機及支撐板組成，如圖4所示。

1.滑塊1　2.連接桿5　3.支撐板　4.連接桿4　5.連接件

2.2.1機構自由度分析

攏苗夾持器機構運動簡圖，如圖5所示。其由曲柄滑塊機構構成，活動構件數為5個，低運動副數7個，高運動副數0個，即n=5,PL=7,PH=0，則

F=3n-(2PL+PH)=1

因此，該機構的自由度為1個[8]。

圖5　機械手夾持器機構運動簡圖

2.2.2機構運動分析[9]

曲柄OA1勻速運動，α=ωt，則有

根據工作過程可知，攏苗夾持器中電機旋轉兩次，初始位置為x1：第1次轉動，攏苗夾持器使攏苗定位手指閉合，到達位置x2；然后，電機再次旋轉，使幼苗的莖稈定位在攏苗定位手指的中心，到達位置x3。已知：x1=0,x2=12,x3=22,l1=16,l2=26帶入公式

化簡得

求解得

α1=0,α2=π/3,α3=π/2

攏苗夾持器的電機采用伺服舵機RB-150MG，通過單片機作為控制單元。其工作原理是：控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。其內部有一個基準電路，產生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出；最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

單片機采用STC12C5A60S2，舵機控制程序如下：

舵機調試程序：

#include "stc12c5a60s2.h"http://STC12C5A系列單片機

typedef unsigned int uint;

typedef unsigned char uchar;

sbit pwm=P2^7; //輸出PWM信號

uint pwm_value=1500; // 初值為1.5ms

voiddelay_ms(uint x)// 延時 1 ms

{

uint i;

while(x--)

for(i=0;i<1000;i++);

}

voidInitTimer(void)

{

TMOD=0x11; // 開定時器0,1

TH0=-18463/256; // 定時20MS,20MS為一個周期

TL0=-18463%256;

TH1=-1500/256; // 定時1.5MS,這時舵機處于0度

TL1=-1500%256;

EA=1;//開總斷

TR0=1; // 開定時器0

ET0=1;

TR1=1; //開定時器1

ET1=1;

}

void timer0(void) interrupt 1//定時器0中斷函數

{

pwm=1;

TH0=-18463/256;

TL0=-18463%256;

TR1=1;

}void timer1(void) interrupt 3//定時器1中斷函數

{

pwm=0;

TH1=-pwm_value/256;

TL1=-pwm_value%256;

TR1=0;

}

void main(void)//主函數

{

P2M1 = 0X00;// 將P0口設成強推免輸出，提高帶負載能力

P2M0 = 0XFF;

delay_ms(10);

InitTimer();

while(1)

{

delay_ms(1000);

}

}

2.3氣壓系統設計

自動取苗末端執行器氣動驅動原理圖如圖6所示。其包含氣動執行元件兩軸氣缸A、三軸氣缸B和氣動手爪C，各氣動執行元件均由二位五通電磁閥控制，并分別由節流閥調節速度。

2.4自動取苗末端執行器實驗

設計制作的自動取苗末端執行器樣機由夾持器、兩軸氣缸、三軸氣缸、電機、氣動手爪等組成，如圖7所示。

采用末端執行器樣機在實驗室進行實驗，實驗裝置由直流穩壓電源、氣動三聯件、繼電器、機架、末端執行器、單片機、電磁閥等組成，如圖8所示。結果表明：自動取苗末端執行器能夠滿足嫁接用苗定位、夾持、剪切自動取苗要求。

J為節流閥 DT0～DT2為二位五通電磁閥 N為消聲器

1夾持器　2兩軸氣缸　3三軸氣缸　4電機　5氣動手爪

1.直流穩壓電源　2.氣動三聯件　3.氣源　4.繼電器　5.機架

3結論

1)結合穴盤幼苗出芽點的分布情況，設計了一種自動取苗末端執行器。

2)確定了其結構和參數，并試制了樣機，進行了試驗。結果表明：該自動取苗末端執行器能夠滿足供苗要求。

參考文獻：

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[9]郭麗，暢國勇．基于Pro/E的發動機曲柄滑塊機構運動仿真分析[J]．機械研究與應用，2013(4)：70-74．

Design Study on the End-effector of Fetch Seedling

Yu Weifen, Tian Yufeng, Liu Haibin, Cui Yongjie

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northwest Agriculture & Forest University,Yangling 712100,China)

Abstract：Grafting cultivation of vegetables is an effective way to overcome even stubble diseases and hypothermia losses .In order to achieve grafting feed seedling process automated, developed an end-effector of fetch seedling，introduced its working principle，and described some parts of the composition of the various parts of the design．

Key words：grafting; fetch seedling; end-effector

文章編號：1003-188X(2016)05-0087-05

中圖分類號：S233.74

文獻標識碼：A

作者簡介：余偉芬(1990-)，女，安徽黃山人，碩士研究生，(E-mail)yuweifen2011@163.com。通訊作者：崔永杰(1971-)，男，吉林圖們人，副教授，博士，(E-mail)cuiyongjie@nwsuaf.edu.cn。

基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目(2012AA10A506)

收稿日期：2015-04-27