植物工廠省力搬運系統(tǒng)

Minoru TOKIMASA

近文介紹一種自動栽培架運輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)可完成栽培單元移出栽培架、調(diào)整栽培架內(nèi)栽培單元位置、移出栽培架等作業(yè)，工人只需在栽培室入口處裝卸定植好的栽培單元即可。此外，該系統(tǒng)還配置了最新的網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，不僅可對作業(yè)情況進(jìn)行實時監(jiān)控，還可遠(yuǎn)程排除故障。該系統(tǒng)可有效解決由于工人在栽培室內(nèi)作業(yè)而帶來的病菌污染、高空作業(yè)安全隱患和勞動力成本上升等問題，為實現(xiàn)植物工廠大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

搬運系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1為自動搬運系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。該系統(tǒng)主要包括1個穿梭運輸機(jī)器人和2臺升降機(jī)。2臺升降機(jī)分別位于栽培架的收獲側(cè)（飄浮板移出側(cè)）和移栽側(cè)（栽培單元移入側(cè)）。穿梭運輸機(jī)器人可沿著栽培架在水平方向進(jìn)行自由移動。升降機(jī)則可將穿梭機(jī)器人從地面抬升至指定位置。在移入栽培單元時，首先在入口處由人工將定植好的栽培單元裝到穿梭運輸機(jī)器人上，然后穿梭機(jī)器人進(jìn)入升降機(jī)，并抬升至指定位置，將栽培單元安放在指定位置。在收獲時，穿梭運輸機(jī)器人將栽培單元從栽培架移出，然后由升降機(jī)運送回地面后，再將栽培單元放置在傳動帶上。

圖2為自動運輸系統(tǒng)將栽培單元移入栽培架的作業(yè)過程。開始時，在入口處將栽培單元放置在穿梭運輸機(jī)器人上，然后穿梭運輸機(jī)器人進(jìn)入升降機(jī)（步驟1），被提升（步驟2）至指定位置（步驟3）。隨后穿梭運輸機(jī)器人進(jìn)入栽培架，將栽培單元運送到指定位置（步驟4），并安放在栽培架上（步驟5）。最后，穿梭運輸機(jī)器人返回升降機(jī)，并回到入口處，完成作業(yè)（步驟6）。

圖3為自動運輸系統(tǒng)將栽培單元移出栽培架的作業(yè)過程。首先，穿梭運輸機(jī)器人從下方將要收獲的栽培單元托起，然后移動至收獲側(cè)升降機(jī)（步驟1和2），并將栽培單元卸在升降機(jī)上（步驟3），隨后穿梭運輸機(jī)器人返回到栽培架（步驟4），而栽培單元則由升降機(jī)運送至地面上的傳送帶，并運送至加工和包裝車間（步驟5）。

穿梭運輸機(jī)器人的特征

圖4是穿梭機(jī)器人的運行過程。穿梭機(jī)器人不僅能像圖1那樣水平運動，還配置了短程提升裝置，可完成栽培單元的抬升和放置作業(yè)。首先，穿梭機(jī)器人在栽培單元下方運動，在到達(dá)指定位置后停止，然后通過短程提升裝置將栽培單元抬升即可載著栽培單元自由移動。由于穿梭運輸機(jī)器人可隨著升降機(jī)移動至任何栽培架的任何指定位置。所以，數(shù)個栽培架可共用一個穿梭運輸機(jī)器人。圖5所示的穿梭運輸機(jī)器人有2個驅(qū)動系統(tǒng)，可完成垂直提升和水平移動。每套驅(qū)動系統(tǒng)包含一個高效無刷直流電動機(jī)（24 V），最小輸出功率為80 W。穿梭運輸機(jī)器人動力來自蓄電池，不需要電線。另外，由于電動機(jī)的輸出功率較低，當(dāng)故障出現(xiàn)時，如電路短路或碰撞等，可通過人力將其強行停止。

穿梭運輸機(jī)器人的控制系統(tǒng)

穿梭運輸機(jī)器人的控制系統(tǒng)、倉儲控制系統(tǒng)（WCS）包括：升降機(jī)控制器（用于指揮栽培床的裝卸過程）、穿梭機(jī)器人運行控制器和收獲傳輸帶控制器。通過該系統(tǒng)不僅可共享來自辦公室終端和工廠終端的信息，對栽培單元的位置和裝卸過程進(jìn)行全程監(jiān)控，還能及時探測并排除故障。比如在移動栽培單元的過程，必須要停止其營養(yǎng)液循環(huán)，若在運輸過程中出現(xiàn)震動或撞擊的話，栽培單元內(nèi)的營養(yǎng)液將會灑出。

穿梭機(jī)器人運輸過程模擬

水平和垂直運輸測試裝置及其特征

本系統(tǒng)擬應(yīng)用于位于大阪府立大學(xué)的植物工廠。該植物工廠每天擬生產(chǎn)生菜5000株。栽培單元為1200 mm×700 mm，重10 kg。生菜種苗在栽培單元上生長18天。栽培單元裝載在6排栽培架中，其中4排栽培架有18層，長25 m；另外2排栽培架有16層，長25 m。每一層有36個栽培單元。該植物工廠每天要移出200個栽培單元，然后對3600個栽培單元進(jìn)行調(diào)整，為新移入的200個栽培單元騰出空間。

在運輸過程中，首先要停止栽培單元的營養(yǎng)液循環(huán)，排干內(nèi)部營養(yǎng)液，然后開始運輸。運輸完成后，再重新啟動營養(yǎng)液循環(huán)。在上述植物工廠中，停止?fàn)I養(yǎng)液循環(huán)的時間為30 min，營養(yǎng)液排干時間為10 min，栽培單元移出及移入栽培架的時間約31 min，栽培架內(nèi)栽培床位置調(diào)整為

21 min。為了防止?fàn)I養(yǎng)液灑出、栽培床滑落，穿梭機(jī)器人的運行速度設(shè)置為2.9 m/min（其最大速度是14 m/min），升降機(jī)速度設(shè)置為20 m/min。基于上述考慮，該植物工廠總共需要配置28個穿梭機(jī)器人。

穿梭機(jī)器人的電力消耗

從減少勞動力和能耗的觀點出發(fā)，需要對標(biāo)準(zhǔn)傳送帶和穿梭運輸機(jī)器人的電力消耗進(jìn)行比較。在本研究中，植物工廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)傳送帶的電力消耗是每天29.3 kW·h，而穿梭運輸機(jī)器人的電力消耗是每天4.8 kW·h，僅為標(biāo)準(zhǔn)輥子傳動帶的0.164倍。因此，該穿梭機(jī)器人的節(jié)能效果明顯。

運輸裝置的安全性

當(dāng)穿梭機(jī)器人發(fā)生任何碰撞的時候，傳送系統(tǒng)將會被強行停止。本研究使用推拉力計對強行停止穿梭運輸機(jī)器人所需要的力進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，當(dāng)穿梭運輸機(jī)器人以20 m/min的速度運動時，強行使其停止所需要的力為110 N。因此，在實際中，穿梭機(jī)器人很容易由人工強行停止。

應(yīng)用前景

該自動運輸系統(tǒng)可應(yīng)用于多層栽培架，從而可以解決植物工廠內(nèi)病原菌污染、勞動力成本和作業(yè)安全的問題。對于每天生產(chǎn)5000株生菜的常規(guī)植物工廠，需要雇傭25～33個工人，每天工作8 h，也就是說總工時為200～264 h。其中有63～83 h用于搬運工作，占總工時的31%。使用本系統(tǒng)將則會顯著減少勞動強度，降低勞動成本。