雙斷根嫁接機自動搬運與回栽裝置設計與試驗

童俊華 喻擎蒼 泮金輝 楊太瑋 丁煜華

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018)

雙斷根嫁接機自動搬運與回栽裝置設計與試驗

童俊華1,2喻擎蒼1,2泮金輝1楊太瑋1丁煜華1

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018)

為提高嫁接流程的自動化程度，設計了一種適用于雙斷根嫁接機的自動搬運及回栽裝置，以解決嫁接后嫁接苗依靠人工搬運、回栽作業的問題。闡述了搬運及回栽裝置工作原理，并對關鍵機構進行了仿真和運動學分析。通過嫁接苗貼接夾緊區域統計和嫁接苗搬運試驗，確定搬運機構對嫁接苗的最佳夾持位置；當機構夾持嫁接苗夾子下端搬運，搬運成功率可達94%，平均耗時為2.5 s/株。通過鎮壓三因素三水平正交試驗，確定嫁接苗鎮壓效果最優條件；當打孔孔徑10 mm、打孔深度15 mm、鎮壓塊形狀為對分錐面鎮壓時,嫁接苗回栽試驗成功率可達92%，平均耗時為4 s/株，滿足目前全自動嫁接機的嫁接速度要求。試驗表明，設計的嫁接苗自動搬運及回栽裝置與嫁接機配套使用，可提高嫁接流程的自動化程度。

雙斷根嫁接機； 搬運； 回栽； 鎮壓； 夾持

引言

雙斷根嫁接法[1-3]是近年來新出現的嫁接方式，區別于傳統的嫁接方法，它將砧木和接穗的原有根系均去除，誘導嫁接苗產生新的根系[4-5]。雙斷根嫁接與常規插接方法相比人均嫁接速率、嫁接功效、嫁接成活率分別提高32%、46.8%、8%，對于商品化、工廠化育苗具有較大的推進作用[6-8]。

目前，嫁接過程中切削自動化已經普遍實現，自動取苗、供苗、嫁接苗自動栽植、后期管理等操作過程的自動化正得到更多的研究關注[9]。2011年，日本井關公司設計的GRF800-U型全自動嫁接裝置已經可以自動切斷根部實現雙斷根嫁接[10]。2010年，辜松等[11]、樓建忠等[12]提出的2JX-M系列氣力蔬菜嫁接切削器可對砧木和接穗進行自動切削作業，提升了斷根嫁接的自動化程度。2012年，ZHANG等[13-14]提出一種適用于貼接法嫁接機的自動上苗裝置，該裝置也可以在嫁接前對砧木和接穗進行自動斷根處理。2014年，張鐵中團隊[15-16]提出單人操作的蔬菜嫁接機，該機器可以根據需要對嫁接苗進行斷根和留根嫁接。為了提升雙斷根嫁接的自動化程度，國內外很多團隊已經研制出具有斷根切削功能的切削器和上苗裝置[17-19],部分嫁接機器人也已經實現自動雙斷根嫁接[20],但嫁接完成后嫁接苗的搬運、回栽目前依然以人工為主。

為進一步提高嫁接流程的自動化程度，減少人工輔助強度，本文擬設計一種可以和雙斷根嫁接機配套使用的自動搬運與回栽裝置，并對其可行性和最佳使用條件進行試驗驗證。

1 搬運回栽裝置工作流程

雙斷根嫁接苗自動搬運及回栽裝置分為搬運機構和回栽機構兩部分，如圖1所示，該裝置可直接與嫁接機對接安裝。

當嫁接苗在嫁接臺處完成雙斷根嫁接后，嫁接苗搬運機構將嫁接苗夾持，并搬運至嫁接苗回栽機構處；嫁接苗回栽機構夾取嫁接苗后移動到相應的穴盤上方，之后由回栽機構對穴孔基質打孔并將嫁接苗插入基質中鎮壓，完成對嫁接苗的回栽作業。

圖1 嫁接苗自動搬運及回栽裝置結構示意圖Fig.1 Structural diagram of automatic carrying and replanting device for grafting1.嫁接機嫁接臺 2.搬運機構 3.回栽機構 4.嫁接苗回栽穴盤 5.嫁接機夾持苗機構 6.嫁接機切削機構 7.搬運及回栽區域

2 關鍵機構設計與工作原理

2.1 嫁接苗夾持與搬運機構

圖2 夾持機構Fig.2 Clamping mechanism1.直線氣缸 2.齒條 3.小齒輪 4.夾爪

夾持機構對嫁接苗的夾持可靠性會影響搬運的成功率。如圖2所示，本文設計的夾持機構主要由夾爪、直線氣缸、齒條和小齒輪組成。該機構的主要工作原理為：直線氣缸帶動齒條前后運動，齒條兩側有2個相應的小齒輪與其相嚙合，小齒輪另一端與夾持機構的夾爪相固定。在氣缸推動齒條前后運動時，齒輪帶動夾爪完成張開和收攏動作。

嫁接夾持機構的夾爪為上下兩層交錯，兩層前端的開口為“V”字形，有利于夾持機構攏苗，減少對嫁接苗的損傷。嫁接苗苗徑大約為3 mm，夾持機構夾爪在收攏之后會形成一個4.5 mm左右的孔徑，同時會在夾爪“V”字形端口表面粘貼彈性EVA 軟質墊片，避免夾持過程中對嫁接苗莖稈造成傷害。

由圖1可知，嫁接苗搬運機構將嫁接苗從嫁接臺搬運至回栽機構處需要越過切削機構。同時為了便于回栽機構夾持，搬運機構搬運過程中要始終保持豎直狀態，同時夾持機構在搬運過程中水平方向上需要轉向180°。

嫁接苗搬運機構的工作原理為：當同步帶輪繞著一個固定的同步帶輪轉動時，它會繞著固定同步帶輪公轉而無自轉。圖3中與公轉同步帶輪固定的支架、第3轉軸和第4轉軸始終保持豎直向下狀態。如圖4所示，本方案的工作過程為：① 初始狀態，夾持機構夾取嫁接臺處的嫁接苗。② 電動機通過第1同步帶輪組帶動轉動臂旋轉90°，同時第3轉軸始終繞著第2轉軸公轉而無自轉。③ 第4轉軸上的旋轉同步帶輪受到固定在轉臂的固定同步帶輪影響而自轉，利用錐齒輪傳動從而使第5轉軸轉動180°，嫁接苗搬運至回載機構處。④ 夾持機構松開嫁接苗后，夾持機構回到原來位置，再進行與步驟①～③相同的下一次循環，如圖3往復循環，自動搬運嫁接苗。

圖3 搬運機構結構示意圖Fig.3 Structural diagram of automatic carrying mechanism1.第1同步帶輪組 2.電動機 3.第2同步帶輪組 4.轉臂 5.第3同步帶輪組 6.固定支架 7.錐齒輪組 8.夾持機構

嫁接苗搬運機構中固定支架是唯一的，旋轉臂臂長可以調節，通過更換旋轉臂可以實現在不同高度的嫁接機嫁接臺上旋轉搬運嫁接苗。

2.2 嫁接苗回栽機構

2.2.1回栽機構工作原理

根據農藝要求可知，回栽裝置需要實現嫁接苗夾取、基質打孔、嫁接苗回栽以及基質鎮壓功能。

圖5所示為雙驅動多連桿機構結構簡圖，該裝置主要由持苗打孔機構和鎮壓機構共同組成，通過水平氣缸和豎直氣缸一起驅動雙驅動多連桿機構來實現嫁接苗的回栽。Fa代表了水平方向上的雙軸氣缸產生的水平方向動力，Fb代表了豎直方向上的雙軸氣缸產生的豎直方向動力，其具體的工作步驟如下：

圖4 自動搬運機構工作示意圖Fig.4 Working process of automatic handling mechanism

圖5 雙驅動多連桿機構結構簡圖Fig.5 Structural diagram of dual drive multilink mechanism

(1)當夾持機構N保持閉合狀態后，豎直方向上的力Fb向下移動，除了帶動夾持機構N和與其固定的滑塊E向下移動，同時帶動打孔滑塊M和固定滑塊上的打孔桿向下移動，完成打孔動作。

(2)水平方向動力Fa往后移動，帶動彎曲連桿EAK沿槽進行水平方向的移動，滑塊E跟隨著連桿EAK移動使得夾持機構變成張開狀態，同時打孔滑塊M向上移動，收回打孔桿。彎曲連桿EAK往后運動通過連桿BA帶動連桿CO旋轉。與連桿CO相連的連桿CD受到影響帶動滑塊D往下運動到最低點完成對基質的鎮壓。之后彎曲連桿EAK繼續向后運動，滑塊D開始往上移動離開基質。

(3)豎直方向力Fb通過連桿JG帶動夾持機構等往上移動。離開穴盤后，水平方向力Fa往前推動彎曲連桿EAK向前運動，使得夾持機構保持閉合狀態，完成對新的嫁接苗的夾持，開始下一個循環動作。

2.2.2鎮壓和打孔機構運動學分析

雙驅動多連桿機構中水平氣缸和豎直氣缸產生的量程是不變的，但其驅動的鎮壓機構的鎮壓速度過快容易損傷嫁接苗。本節通過對鎮壓機構運動學分析，確定機構關鍵尺寸參數的合理性。

圖6 鎮壓機構結構簡圖Fig.6 Structural diagram of pressing mechanism

首先建立位移方程，由圖6建立機構的矢量方程

lOB+lBA=lOA

(1)

將矢量方程轉化成解析形式，分別為

(2)

(3)

式中θ1——連桿BO和X軸的夾角

θ2——連桿BA和X軸的夾角

由上述方程組求解，可得

(4)

(5)

建立速度方程，并對方程組(2)、(3)求一階導數得

(6)

(7)

聯立式(6)、(7)，求解可得

(8)

(9)

式中θ′1——連桿BO的角速度

θ′2——連桿BA的角速度

已知彎曲連桿AK的速度，可得連桿OC的角速度，可進一步計算得到鎮壓塊D的速度和加速度，為下一步優化做準備。

首先建立位移方程，建立機構的矢量方程

lOC+lCD=lOD

(10)

將矢量方程轉化成解析形式，分別為

(11)

(12)

式中θ4——連桿OC和Y軸的夾角

θ5——連桿CD和Y軸的夾角

由上述方程組求解，可得

(13)

(14)

建立速度方程，對方程組(11)、(12)求一階導數，得

(15)

(16)

求解可得

(17)

Y′D=θ′4lCOcosθ4-θ′5lCDsinθ5

(18)

式中θ′5——連桿CD的角速度

Y′D——滑塊D的速度

得到在Fa和X′A作用下，相關連桿的速度及各連桿的極限位置?，F各關鍵連桿具體參數為：lCD=60 mm、lEM=65 mm、lCO=50 mm，取X′A為300 mm/s,代入到上述計算公式中,得到鎮壓塊速度曲線。由圖7可知，鎮壓滑塊速度穩定在150～300 mm/s，鎮壓速度適中，不易對嫁接苗造成損傷[21]。

圖7 鎮壓桿速度曲線Fig.7 Velocity curve of suppression link

不同種類嫁接苗適宜的打孔深度不同，打孔機構可以通過改變水平氣缸量程d1和豎直氣缸量程d2改變打孔深度，以適應不同深度要求。如圖8所示，Fa驅動滑塊E前移距離d1，打孔滑塊M向下運動。然后Fb驅動帶動打孔機構向下移動距離d2，打孔滑塊M繼續向下運動。

圖8 打孔機構結構簡圖Fig.8 Structural diagram of drilling mechanism

打孔滑塊M點的初始位置為

(19)

式中mY——滑塊M與N點的豎直距離

滑塊E到達左極限位置時，M點的位置為

(20)

連桿JG向下移動到最低點時，M點的位置為

(21)

根據雙驅動多連桿機構的結構簡圖和關鍵桿件的參數，建立回栽機構的三維模型驗證該機構的可行性，圖9所示為回栽機構的工作示意圖。

3 試驗與分析

為確定自動搬運及回栽裝置的可行性及適合的工作條件，分別對嫁接苗貼接夾緊區域進行統計及回栽鎮壓條件測試，然后在最佳工作條件下試驗搬運及回栽裝置的成功率和效率。試驗中采用5×10規格的50孔穴盤育苗，穴盤基質由泥炭、蛭石、珍珠巖以3∶1∶1的體積比以及適量的水均勻混合制成，基質填滿整個穴盤孔。試驗用砧木為浙蒲二號葫蘆苗，接穗為京欣王一號西瓜苗，砧木育苗時間要早于接穗4天，等砧木長到一葉一心以及接穗子葉平展時進行相關試驗。

圖9 自動回栽機構工作示意圖Fig.9 Working process diagrams of automatic replanting mechanism

3.1 搬運機構夾持成功率測試

搬運機構中末端夾持件對不同貼接夾緊區域的夾持穩定程度不同，其最終影響搬運機構的搬運成功率。本節對嫁接苗嫁接夾貼接夾緊區域的分布進行統計，并通過搬運夾持試驗分析對嫁接苗的最佳夾持位置。

嫁接苗嫁接時，夾持氣缸松開嫁接夾子瞬間，夾子對嫁接苗貼接夾緊區域不可確定。圖10所示為嫁接夾子對砧木和接穗的夾持圖，圖中O點為砧木和接穗的橢圓切面的中心點，O點在夾子中的位置代表了嫁接苗的夾持位置。

圖10 貼接夾緊區域示意圖Fig.10 Regional diagram of clamping area

因嫁接所用夾子高度為10 mm，圖中以夾子中心線為坐標軸，根據嫁接時嫁接點O點所在區域劃分出上、中、下3個夾持位置。

嫁接夾子對嫁接苗貼接夾緊區域統計選用嫁接機嫁接成功的100株嫁接苗，對每株嫁接苗中嫁接點O所在位置進行統計，具體結果如表1所示。

由貼接夾緊區域統計可知貼接夾緊區域主要以中間為主，但仍然有32%的嫁接苗為非中間區域貼接夾緊。為尋找嫁接苗的最適宜夾持位置，搬運機構采取嫁接夾上下兩位置對3種貼接夾緊區域的嫁接苗進行夾持搬運試驗，統計搬運成功率，如圖11所示。其中，3種貼接夾緊區域的嫁接苗各50株，如圖12所示，A、B為嫁接苗夾持點。

表1 貼接夾緊區域統計結果Tab.1 Experiment results of clamping area statistics

圖11 嫁接苗自動搬運機構Fig.11 Automatic carrying mechanism

圖12 嫁接苗實物Fig.12 Grafted seedlings

搬運試驗為夾持機構夾持嫁接苗，旋轉搬運嫁接苗至指定位置。其中夾持機構將分別夾持嫁接苗的A、B兩點，通過試驗記錄分析哪種組合方式成功率最高。試驗中嫁接苗搬運成功的指標為：嫁接苗搬運結束后依然保持直立狀態，角度偏差小于15°；嫁接苗砧木莖稈沒有受到擠壓等損傷；嫁接苗的砧木和接穗依然被嫁接夾子牢固夾持沒有出現松動或脫離情況。嫁接搬運試驗結果統計如表2所示。

表2 搬運試驗結果Tab.2 Success rate of seedling carrying

試驗結果分析可知：

(1)對3種貼接夾緊區域的嫁接苗，夾持點位于B處時，成功率均大于92%。

(2)夾持點位于A處時，貼接夾緊區域位于(2,5)的嫁接苗成功率相對較低。

(3)采用A、B夾持點搬運總成功率為：各貼接夾緊區域占比例與表2中各區域搬運成功率乘積和，則P(A)=91.4%，P(B)=93.3%，P(A)

搬運機構轉臂以30 r/min轉速對150株雙斷根嫁接苗以B點夾持進行循環搬運試驗，其成功率為94%，與上述統計結論相符。搬運試驗平均耗時2.5 s/株，滿足目前全自動嫁接機的7 s/株的嫁接速度要求。

3.2 鎮壓機構工作條件測試

嫁接苗回栽機構工作過程中基質打孔孔徑、打孔深度以及鎮壓塊形狀會影響到鎮壓成功率。本測試通過正交試驗將打孔孔徑、打孔深度、鎮壓塊形狀作為設計因素，分析三因素對試驗成功率的影響權重，得到鎮壓成功率最高的最優孔徑、打孔深度和鎮壓塊形狀組合。

確定正交試驗因素后，設計三因素三水平的正交試驗。設計水平為：

(1)根據西瓜雙斷根育苗要求，嫁接苗插入基質的深度在20～30 mm之間[22]，將打孔深度L水平設計為20、25、30 mm。

(2)由于砧木桿軸徑變化范圍為2.5～3.5 mm，基質具有一定的松弛度，為了確?；卦砸约版倝盒Ч瑢⒋蚩卓讖皆O計為8、10、12 mm 3個水平。

(3)設計了3種基質鎮壓塊，分別為平面鎮壓塊(Ⅰ型)、錐面鎮壓塊(Ⅱ型)和對分錐面鎮壓塊(Ⅲ型)，如圖13所示。

圖13 3種鎮壓塊鎮壓示意圖Fig.13 Schematic diagram of three kinds of compaction blocks1.嫁接苗莖稈 2.鎮壓塊 3.基質

試驗具體操作為：育苗穴盤內填滿65%濕度的基質，打孔機構按組次選用不同直徑的光軸打孔，其后嫁接苗豎直插入基質并保持豎直狀態；鎮壓塊對基質鎮壓，鎮壓機構離開0.5 h后，觀察嫁接苗鎮壓效果。

鎮壓成功的評價標準：嫁接苗栽植直立度較好，莖稈角度偏差不超過20°；嫁接苗回栽后拔起有明顯的阻力感；嫁接苗莖稈沒有受到明顯損傷。根據測試要求，設計如表3所示的三因素三水平正交試驗，選取嫁接苗180株，每組試驗取20株個體進行試驗，試驗結果如表3所示。

按照正交試驗分析法對結果分析，如表4所示。其中，Y1、Y2和Y3分別為3個因素在3個水平下的成功率之和；y1、y2和y3分別為Y1、Y2和Y3的平均值，R為極差。根據極差可確定影響鎮壓成功率的主要因素以及最佳因素水平組合。

通過極差R可知打孔孔徑對試驗成功率影響最大，鎮壓塊形狀次之，最后是打孔深度。當打孔孔徑為10 mm，打孔深度為25 mm，鎮壓塊為對分錐面鎮壓塊半圓柱體(Ⅲ型)時，回栽鎮壓效果最好，鎮壓成功率最高為95%。

表3 鎮壓試驗設計與結果Tab.3 Experiment design and results of seedling pressing

表4 鎮壓試驗數據分析Tab.4 Data analysis of pressing experiment

3.3 回栽機構作業測試

在上述最佳鎮壓條件下，對回栽機構進行嫁接苗的回栽鎮壓整體試驗。嫁接苗回栽過程包括栽植和鎮壓2個階段。栽植階段栽植成功判定標準為：夾持機構順利夾持嫁接苗；嫁接苗成功插入基質；嫁接苗插入時直立度較好，莖稈角度偏差不超過20°；嫁接苗莖稈沒有受到夾持、插入等造成的損傷。鎮壓階段成功率判定標準與鎮壓試驗相同。

回栽機構整體試驗步驟為：嫁接苗置于搬運機構的夾持位置，豎直氣缸驅動進行夾持、打孔、栽植作業，檢驗栽植成功率；水平氣缸驅動進行鎮壓作業，檢驗鎮壓成功率。一次回栽鎮壓結束后將新的嫁接苗置于回栽機構上，同時育苗穴盤空穴孔再挪動一格進行循環試驗。如圖14，取100株嫁接苗按照設定步驟進行回栽鎮壓試驗。

圖14 嫁接苗回栽作業測試Fig.14 Automatic replanting test for grafted seedlings

經過不間斷試驗后，得出的試驗結果如表5所示。

表5 嫁接苗回栽作業測試結果Tab.5 Replanting experiment results of grafted seedlings

試驗結果可知，回栽階段與鎮壓基質階段成功率均在96%左右，回栽試驗整體成功率為92%，成功率較高。試驗失敗的主要原因為少數砧木發育情況不好，導致嫁接苗的砧木莖稈彎曲度過大，嫁接苗插入基質時失敗或者插入時候損傷莖稈。對嫁接苗連續回栽鎮壓測試，作業平均耗時4 s/株，滿足全自動嫁接機的效率要求。

4 結論

(1)針對目前采用雙斷根嫁接法的嫁接機，設計了一種嫁接苗自動搬運機構，可實現嫁接苗越過嫁接機切削裝置連續提升、轉向轉運過程中保持豎直向下姿態不變的功能。

(2)設計了一種嫁接苗自動回栽裝置，通過運動學分析其雙驅動多連桿關鍵機構，使各桿長滿足連桿工作時速度和加速度要求，其中LCD=60 mm、LEM=65 mm、LCO=50 mm符合要求。

(3)對嫁接苗貼接夾緊區域分布統計并進行搬運機構夾持試驗，夾持嫁接夾下端位置時，嫁接苗自動搬運成功率可達94%，平均耗時2.5 s/株。

(4)通過正交試驗分析影響嫁接苗鎮壓的因素，其中打孔孔徑對成功率影響最大，打孔孔徑為10 mm、鎮壓塊為對分錐面形狀、打孔深度為25 mm條件下嫁接苗鎮壓效果最好；回栽機構的回栽鎮壓整體成功率為92%，平均耗時4 s/株，滿足目前全自動嫁接機的嫁接速度要求。

1 姜闖，張青，方偉，等．3種嫁接方法對黃瓜嫁接苗前期生長的影響[J]．園藝與種苗，2011(6)：4-6．

JIANG Chuang, ZHANG Qing, FANG Wei, et al.Effects of three grafting methods on cucumber grafting seedings[J].Horticulture & Seed, 2011(6): 4-6.(in Chinese)

2 褚佳，張鐵中，李軍，等．斷根嫁接苗自動栽植裝置設計與試驗[J/OL]．農業機械學報，2016, 47(10)：29-35．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20161004&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.10.004.

CHU Jia, ZHANG Tiezhong, LI Jun, et al.Design and experiment of automatic planting device for root-cut grafted seedlings[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 29-35.(in Chinese)

3 楊仕偉，李躍建，劉小俊．斷根嫁接對黃瓜生理特性及產量的影響[J]．長江蔬菜，2013(2)：44-47．

YANG Shiwei, LI Yuejian, LIU Xiaojun.Effects of root-cut-grafting on physiological characteristics and yield of cucumber[J].Journal of Changjiang Vegetables, 2013(2): 44-47.(in Chinese)

4 林歡，許林云．中國農業機器人發展及應用現狀[J]．浙江農業學報，2015，27(5)：865-871．

LIN Huan, XU Linyun.The development and prospect of agricultural robots in China[J].ACTA Agriculturae Zhejiangensis, 2015, 27(5): 865-871.(in Chinese)

5 LEE J, KUBOTA C, TSAO S J.Current status of vegetable grafting: diffusion, grafting techniques, automation[J].Scientia Horticulturae, 2010, 127(2): 93-105.

6 蘇長躍.雙斷根嫁接對甜瓜生長發育及生理特性的影響[D].泰安：山東農業大學,2014.

SU Changyue.Effects of both-root-cut grafting on growth,development and physiological characteristics of muskmelon[D].Taian:Shandong Agricultural University,2014.(in Chinese)

7 張雷，賀虎，武傳宇.蔬菜嫁接機器人嫁接苗特征參數的視覺測量方法[J]．農業工程學報，2015, 31(9)：32-38．

ZHANG Lei, HE Hu, WU Chuanyu.Vision method for measuring grafted seedling properties of vegetable grafted robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(9): 32-38.(in Chinese)

8 華斌.西瓜斷根嫁接育苗技術優化研究[D].武漢：華中農業大學,2010.

HUA Bin.Study on the optimized root-cut grafting technique of watermelon seedling nursery[D].Wuhan:Huazhong Agricultural University，2010.(in Chinese)

9 張凱良，褚佳，張鐵中，等．蔬菜自動嫁接技術研究現狀與發展分析[J/OL]．農業機械學報，2017，48(3)：1-13． http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170301&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.001.

ZHANG Kailiang, CHU Jia, ZHANG Tiezhong, et al.Development status and analysis of automatic grafting technology for vegetables[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(3): 1-13.(in Chinese)

10 初麒，姜凱．2JC-600型自動嫁接機的試驗研究[J]．農機化研究，2011,33(1)：183-186．

CHU Qi, JIANG Kai.Experimental study on 2JC-600 automatic grafting machine[J].Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011,33(1): 183-186.(in Chinese)

11 辜松，李愷，初麒，等．2JX-M系列蔬菜嫁接切削器作業試驗[J]．農業工程學報，2012, 28(10)：27-32．

GU Song, LI Kai, CHU Qi, et al.Experiment of 2JX-M series vegetable cutting devices for grafting[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2012, 28(10): 27-32.(in Chinese)

12 樓建忠，李建平，朱盤安，等．斜插式蔬菜嫁接機砧木夾持機構研制與試驗[J]．農業工程學報，2013, 29(7)：30-35．

LOU Jianzhong, LI Jianping, ZHU Pan’an, et al.Design and test of stock clamping mechanism for vegetable grafting[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(7): 30-35.(in Chinese)

13 ZHANG Lu, WANG Zhelu, ZHANG Lei.Experimental study on an automatic graft robot for fruits and vegetables[J].Advanced Materials Research, 2011,186 (22): 79-83.

14 賀磊盈，蔡麗苑，武傳宇．基于機器視覺的幼苗自動嫁接參數提取[J]．農業工程學報，2013, 29(24)：190-195．

HE Leiying, CAI Liyuan, WU Chuanyu.Vision-based parameters extraction of seedlings for grafting robot[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2013, 29(24): 190-195.(in Chinese)

15 褚佳，張鐵中．葫蘆科營養缽苗單人操作嫁接機器人設計與試驗[J/OL]．農業機械學報，2014，45(增刊)：259-264．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2014s142&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.S0.042.

CHU Jia, ZHANG Tiezhong.Design and experiment of vegetable grafting robot operated by one-person for Cucurbitaceous seedlings cultivated in humus pots[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(Supp.): 259-264.(in Chinese)

16 褚佳，張鐵中，張立博，等．套管式蔬菜自動嫁接機出套裝置設計與試驗[J/OL]．農業機械學報，2016，47(2)：64-70．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160209&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.009.

CHU Jia, ZHANG Tiezhong, ZHANG Libo, et al.Design and experiment of tube-outputting device for vegetable grafting machine using tube-grafting method[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,147(2): 64-70.(in Chinese)

17 CHEN S, CHIUY C, CHANG Y C.Development of a tubing-grafting robotic system for fruit-bearing vegetable seedlings[J].Applied Engineering in Agriculture, 2010, 26(4): 707-714.

18 周興宇，辜松，姜凱．2JC-450型旋轉嫁接機的研究[J]．農機化研究，2009, 31(12)：93-95．

19 XU Donglei, TIAN Subo.Current status of grafting robot for vegetable[J].International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology, 2011(4): 1954-1957.

20 楊麗，劉長青，張鐵中．雙臂蔬菜嫁接機設計與試驗[J]．農業機械學報，2010, 41(9)：175-181．

YANG Li, LIU Changqing, ZHANG Tiezhong.Design and experiment of vegetable grafting machine with double manipulators[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(9): 175-181.(in Chinese)

21 陳晨．蔬菜嫁接機上下苗末端執行器的設計與試驗研究[D].杭州：浙江理工大學, 2015.

CHEN Chen.Research on end effector of feeding and replanting seedling for grafting robot[D].Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2015.(in Chinese)

22 崔鳳有，辜松．蔬菜斷根嫁接苗機械回栽技術[J]．農機化研究，2007,29(4)：220-221．

DesignandExperimentofAutomaticCarryingandReplantingDeviceforBoth-root-cutGraftingMachine

TONG Junhua1,2YU Qingcang1,2PAN Jinhui1YANG Taiwei1DING Yuhua1

(1.FacultyofMechanicalEngineeringandAutomation,ZhejiangSci-TechUniversity,Hangzhou310018,China2.KeyLaboratoryofTransplantingEquipmentandTechnologyofZhejiangProvince,Hangzhou310018,China)

Both-root-cut grafting is a new method in seedlings grafting, which can result in a greater production in a longer harvesting period.In order to improve the automation level of grafting process, especially the current situation of grafted seedlings relying on manual carrying and artificial replanting, a mechanism of automatically carrying and replanting both-root-cut grafted seedlings was developed.The working principle of newly designed handling and replanting was introduced.The simulation and kinematic analysis of key mechanisms were carried out.Experiments of grafting seedling area statistics and automatic carrying seedlings were conducted in laboratory, the results showed that the success rate of carrying seedlings was up to 94% and the average time of carrying was 2.5 s, while the clamping mechanism was located at the lower end of the clip.Pressing experiment of three levels and three factors was designed to deal with the following conditions: the drilling hole diameter, the depth of punch and the suppression scheme of the grafted seedlings.While the hole diameter, the depth of drilling, and the pressing block was 10 mm, 15 mm, and a cylinder with lower surface separately, the effect of experiments was the best.Under this condition, the comprehensive success rate of grafted seedlings was up to 92%, and the average time of replanting was 2.5 s.The experimental results showed that the automatic carrying device and the replanting device can be well matched with the grafting machine.And they can improve the automation level of the grafting process.

both-root-cut grafting machine; carrying; replanting; pressing; clamping

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.007

S223.1; S616

A

1000-1298(2017)10-0059-08

2017-05-15

2017-07-22

國家自然科學基金項目(51375460)、杭州市農業科研攻關項目(20140432B15)和機械工程浙江省高校重中之重學科優秀青年人才培養基金項目(ZSTUME01B11)

童俊華(1984—)，男，講師，博士，主要從事設施農業裝備技術研究，E-mail：jhtong@zstu.edu.cn

喻擎蒼(1967—)，男，教授，主要從事智能農業裝備研究，E-mail：qcyu@zstu.edu.cn