瓜類嫁接機上苗定位夾持裝置的設計

楊 安，童俊華，泮金輝，邵立東，郭偉剛，楊蒙愛

(1.杭州職業技術學院 友嘉機電學院，杭州 310018；2.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018)

?

瓜類嫁接機上苗定位夾持裝置的設計

楊 安1，童俊華2，泮金輝2，邵立東1，郭偉剛1，楊蒙愛2

(1.杭州職業技術學院 友嘉機電學院，杭州 310018；2.浙江理工大學 機械與自動控制學院，杭州 310018)

設計了一種新型嫁接機上苗定位夾持裝置，可實現嫁接苗的定位、斷根和夾取功能。新型上苗定位裝置由滑塊搖桿收攏機構和夾取斷根機構兩個部分構成，針對幼苗定位連桿末端需形成包絡軌跡將嫁接苗包住的農藝要求，進行機構的數學建模和仿真優化，得到了最佳的結構參數。以“拿鐵砧”葫蘆苗為對象取苗進行試驗，其定位夾持的成功率達93%以上，符合自動嫁接需求。

嫁接機；上苗；定位；仿真；優化

0 引言

設施農業是用具有特定性能和結構的設施改變小氣候來進行農業生產的一種生產方式。作為世界最大的設施農業國之一，嫁接種植在我國具有廣泛的應用。嫁接種植可以有效克服連作病害。例如，大棚新建時的黃瓜枯萎率約為12%，而第2年連作發病率會高達50%[1]。嫁接種植能有效降低連種黃瓜等作物的枯萎病發病率，同時能改善果蔬的品質和產量，提高作物的耐寒和耐旱特性。日本55.7%和韓國70.2%的大棚黃瓜及日本、韓國所有的大棚甜瓜和西瓜都是通過嫁接栽培的[2-8]。幼苗嫁接過程中，由于胚苗脆弱，嫁接工作需要工作者有較多的經驗。由于嫁接標準的不統一，砧穂成活率極其低下，且嫁接農時短，需要大量人力在短時間內完成大量幼苗的嫁接工作。上述原因導致人工嫁接的效率低，實施效益不高。而自動嫁接機可以有效地解決嫁接工作中的效率問題，減少嫁接工作對人工的依賴，有效地提高生產效率和農業經濟效益，是加快農業自動化的重要組成部分。

上苗定位夾持裝置是自動嫁接機中最重要的組成部分，是嫁接苗獲取、傳遞及準備嫁接工作能準確進行的基礎。結構合理功能齊全的定位夾持裝置是嫁接過程自動化的關鍵部分。近年來，有眾多國內外學者開展了自動嫁接機上苗定位夾持裝置的研究。東北農業大學的劉寶偉等設計了一種電磁驅動的自動嫁接機砧木夾持機構，該機構的夾口采用模塊化設計，可嫁接多種品種的砧木，有效提高了嫁接機的使用率[9-10]。我國臺灣國立宜蘭大學的邱奕志等設計了一種有效克服傳統氣動夾持機構由于管線布置而影響機構旋轉的瓜苗嫁接夾持機構[11]。華南農業大學的劉元強等設計了可實現5株幼苗同時嫁接的砧木苗夾持機構[12]。浙江大學、浙江機電職業技術學院和溫州科技職業學院共同設計制作了一種斜插式蔬菜嫁接機的砧木夾持機構，該機構可矯正砧木苗的彎曲，并增加了夾持力調節機構，有效減小了嫁接過程中砧木苗的損傷[13-14]。

一般而言，嫁接機上苗定位夾持裝置在取苗過程主要存在夾不準和夾傷的問題。首先，由于幼苗生長的隨機性，部分幼苗彎曲生長，偏離理想生長的垂直空間，導致定位夾持裝置在夾取幼苗過程中夾不準，進而影響后續動作；其次，如果裝置的夾持力過大，會造成夾取過程中幼苗的損傷，從而影響幼苗嫁接的成活率。本文提出一種新型瓜類自動嫁接機的定位夾持裝置以解決上述提到的技術問題，該裝置能對幼苗進行定位和斷根操作并自動完成夾取操作，將幼苗抓取至砧木臺和穗木臺，實現幼苗的嫁接。

1 裝置設計

1.1 機構組成

根據瓜類幼苗的生長特性，參照功能-行為-結構的設計過程，設計了一種上苗定位夾持裝置，其三維立體示意圖如圖1所示。該裝置在實現基本夾持功能的同時，增加了斷根和定位幼苗等功能。上苗定位夾持裝置主要包括滑塊搖桿收攏機構(實現幼苗定位功能)和夾取斷根機構(實現幼苗獲取和斷根功能)。

滑塊搖桿收攏機構包括頂板、雙桿氣缸、T形支撐板、定位桿及運動桿。頂板底面固定雙桿氣缸，氣缸的頂桿沿頂板向前伸出。T形支撐板在頂板下方水平前伸(與頂板平行布置)，雙桿氣缸的頂桿前端固定在豎直段安裝板上；T形支撐板前端兩側分別設有一組運動桿組件，對稱布置，運動桿組件由定位桿和運動桿組成；定位桿的一端與運動桿鉸接，另一端與T形支撐板的水平段安裝板相鉸接；兩運動桿的另一端與頂板的U型開口兩側鉸接。定位桿由下、中、上3部分組成，下部向嫁接苗呈鉤狀水平伸出，中部鉸接定位桿上部與支撐板，上部同時鉸接運動桿和支撐板。當T形支撐板沿水平前后運動，帶動兩側定位桿的上部運動時，兩側定位桿的下部將交叉合攏或張開。

1.頂板 2.雙桿氣缸 3.Y形氣缸 4.手爪 5.擋板 6.T形支撐板 7.定位桿 8.運動桿 9.嫁接苗 10.刀刃圖1 上苗定位夾持裝置三維立體示意圖

夾取斷根機構包括Y形氣缸、手爪、擋板和刀刃。Y形氣缸固定于T形支撐板的下部；手爪固定在Y形氣缸的夾臂上，手爪還有聯動上側手指和聯動下側手指，夾取手爪下側的聯動手指的前端(位于聯動手指內側)均相向而對地固定有兩把切刀；擋板的一端固定在夾取手爪的一個聯動手指的下側，另一端水平伸出并橫跨下側的夾取手爪的另一個聯動手指。

1.2 工作原理

上苗定位夾持裝置的工作順序和工作原理：Y形氣缸工作時手爪封閉，而非工作時手抓張開；雙桿氣缸工作時氣缸伸出，而非工作時氣缸縮回。

1)雙桿氣缸工作，而Y形氣缸不工作。雙桿氣缸的氣缸伸出，推動T形支撐板向前移動，帶動定位桿、運動桿擺動和Y形氣缸向前運動。定位桿的下部運動呈一個包絡軌跡，與弧形擋板同時作用，約束嫁接苗在指定的范圍內。

2)雙桿氣缸工作，Y形氣缸也工作。Y形氣缸工作時，兩側的手爪封閉，帶動前端的刀刃閉合并剪斷幼苗。在上述過程中，幼苗直徑小于手爪的閉合間隙，不會擠傷嫁接苗。此外，切刀將嫁接苗約束在豎直方向移動。

3)雙桿氣缸不工作，而Y形氣缸工作。Y形氣缸工作實現嫁接苗的夾取，而雙桿氣缸不工作，氣缸使推桿縮回，完成嫁接苗的輸送。

2 裝置分析與優化

本節將針對上苗定位夾持裝置的結構及尺寸進行優化設計。根據滑塊搖桿收攏機構的工作原理，定位桿的末端運動形成的包絡軌跡需要將幼苗包圍住。圖2所示為滑塊搖桿收攏機構的運動簡圖。

1.頂板 6.T形支撐板 7-1.定位桿的上段 7-2.定位桿的下段 8.運動桿 9.嫁接苗圖2 滑塊搖桿收攏機構的運動簡圖

根據圖2，滑塊搖桿收攏機構運動模型圖如圖3所示。

圖3 滑塊搖桿收攏機構運動模型圖

圖3中：O點、A點、B點、C點和D點分別為頂板與運動桿桿的鉸接點，運動桿與定位桿的鉸接點，T形支撐板與定位桿的鉸接點，定位桿的下端點和嫁接苗位置點。以O點為原點，建立XOY笛卡爾坐標系。l為雙桿氣缸的行程，L為O點到B點的水平距離，H為O點到B點的垂直距離，L1為運動桿長度，L2和L3分別為定位桿上部和下部長度。

2.1 機構的數學建模

根據滑塊搖桿收攏機構的數學運動模型圖，并定義A、B、C和D點坐標為(XA, YA)，(XB, YB)，(XC, YC)和(XD, YD)，A、B和C點的初始坐標為(XA0, YA0)，(XB0, YB0)和(XC0, YC0)。A、B和C點的行程末端坐標為(XA1, YA1)，(XB1, YB1)和(XC1, YC1)，A、B和C點的矢量速度是(VXA, VYA)，(VXB, VYB)和(VXC, VYC)。θ為定位桿上部與下部的夾角，θ1和θ2分別為OA和AB與X軸的夾角，θE是定位桿下部與X軸的夾角，ω1和ω2分別為OA和AB的角速度?？傻玫交瑝K搖桿收攏機構的位置方程、速度方程，即式(1)～式(18)。

1)位置方程。

A點的位置方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

B點的位置方程為

(5)

(6)

(7)

(8)

C點的位置方程為

(9)

對θE有

(10)

對L2有

(11)

對L3有

(12)

對θ有

(13)

2)速度方程。

將上述位置方程對時間求導，可推出各點的速度方程如下:

A點的速度方程為

(14)

B點的速度方程為

(15)

其中，V為B點沿Y軸方向運動速度，即氣缸運動速度。

C點的速度方程為

(16)

搖桿OA的角速度為

(17)

連桿AB的角速度為

ω2=

(18)

2.2 機構的結構優化與仿真

滑塊搖桿收攏機構的夾持裝置伸出時，手爪將嫁接苗收攏，而夾持裝置縮回時，定位桿下部不能與已收攏的嫁接苗碰撞，防止傷害幼苗。因此，定位桿下部應該在夾持裝置伸出、縮回后保持相同的位置和角度。為了使定位桿的下部(即BC段)能在雙桿氣缸工作前、后狀態的角度相同，則在雙桿氣缸工作的前、后狀態，運動桿OA應該關于Y軸對稱，即定位連桿上部AB在雙桿氣缸工作的前、后狀態下保持相同的姿態。本文采用MatLab軟件的優化算法，對機構參數H、L和L1進行迭代優化求解。為使定位連桿接觸到幼苗時對幼苗的損害最低，優化求解的目標設置為：C點末端的速度Vc最小。機構參數優化流程圖如圖4所示。

圖4 機構參數優化流程圖

根據桿長條件和包絡條件，a的初始值設置為100mm。

按以上流程優化后得到滑塊搖桿收攏機構結構尺寸優化解為：H= -9.5mm，L=14.5mm，L1=20.5mm，L2=14.5mm，L3=35mm，θ=118.9°。將結構尺寸優化后的結果輸入MatLab運動學仿真程序，利用Timer函數進行滑塊搖桿收攏機構的動畫仿真。圖5所示為結構尺寸優化后的滑塊搖桿收攏機構在MatLab動畫仿真中若干位置的截圖。由圖5可知：BC桿運動可以實現對D點的一個包絡作用，完全滿足功能要求。

本文將上述結構尺寸優化后的滑塊搖桿收攏機構利用特征造型軟件Pro/ENGINEER進行實體建模，并進行虛擬裝配、干涉檢測和虛擬樣機仿真。在“機構”模塊中，將Y形氣缸的旋轉閉合速度和雙桿氣缸推桿的直線速度分別設置為120(°)/s和100mm/s，進行機構的運動學分析，考慮到Y形氣缸的行程為15°、雙桿氣缸的行程為40mm，根據上述設置的速度可得到Y形氣缸和雙桿氣缸的運行時間分別為0.125 s和0.4 s。因此，本文設置0～0.4s時段內雙桿氣缸推出；0.4～0.525s時段內Y形氣缸閉合。

圖6所示為滑塊搖桿收攏機構虛擬樣機的運動狀態圖，兩條細線代表定位桿末端的運動軌跡。由圖6運動軌跡可知：該軌跡與圖5中的模擬分析曲線重合。此外，連桿的運動可以將圖6(a)所示陰影區域內的幼苗約束在圖6(d)所示的區域內。這也在理論上說明了本文所設計的上苗定位夾持裝置能夠準確定位嫁接苗。

圖5 結構尺寸優化后的滑塊搖桿收攏機構在動畫仿真中若干位置的截圖

圖6 滑塊搖桿收攏機構虛擬樣機的運動狀態圖

3 裝置實現與測試

上苗定位夾持裝置的實物照片如圖7所示。采用雷賽DMC1308運動控制卡作為控制器，利用Visual C++軟件編寫控制程序。選用浙江省農科院提供的砧木 “拿比砧”葫蘆樣苗作為嫁接苗。砧木幼苗的長軸和短軸采用游標卡尺測量，幼苗苗莖長軸平均長度(3.74±0.304)mm，幼苗苗莖短軸長度(3.09±0.325)mm。

圖7 上苗定位夾持裝置的實物照片

為測試本文設計上苗定位夾持裝置的功能，本文開展了取苗實驗其目的主要有以下3點：①測試上苗定位夾持裝置能否順暢運動，無死點；②驗證裝置在運動過程中是否形成如仿真的包絡軌跡；③評判裝置在取苗過程中是否損傷嫁接苗。實驗包含嫁接苗的定位、斷根和夾取3部分，采用分步實驗法進行測試。嫁接苗定位實驗：將裝有幼苗的穴盤置于夾持裝置工作區域內，雙桿氣缸帶動定位機構工作，定位幼苗，記錄穴盤中成功定位的嫁接苗數量。嫁接苗斷根實驗：在保證定位成功的基礎上，Y形氣缸收攏，帶動切刀切斷苗根，記錄成功切斷苗根的數量。嫁接苗夾取實驗：夾取成功斷根的嫁接苗，記錄成功取回幼苗的數量。

經實驗測試，上苗定位夾持裝置運行過程平穩流暢，無運動死點。本文統計了所研制上苗定位夾持裝置的定位、斷根、取苗和整體實驗的樣本數量及其成功率。定位實驗的樣本數量為150個，成功率為96.7%；斷根實驗的樣本數量為145個，成功率為97.9%；夾取實驗的樣本數量為142個，成功率為98.5%；全流程整體的成功率達到了93.3%，符合當前嫁接作業的成功率要求。實驗不成功的原因如下：①在定位試驗時，少數嫁接苗處于定位桿包絡區域之外，導致定位不成功；②在斷根試驗時，少數幼苗存在連絲情況，導致夾取不成功；③在夾取實驗時，少數幼苗存在小幅彎曲，雙桿氣缸縮回時幼苗脫落。

4 結論

設計了一種新型瓜類嫁接機上苗裝置，并介紹了其機構組成與工作原理。上苗定位夾持裝置主要包括滑塊搖桿收攏機構和夾取斷根機構兩個部分。針對滑塊搖桿收攏機構進行了數學建模、結構工藝參數優化和虛擬樣機驗證，得到機構各項參數(H，L，L1，L2，L3，θ)的最佳參數為(-9.5mm，14.5mm，20.5mm，14.5mm，35mm，118.9°)。最后，制造出了新型瓜類嫁接機上苗裝置，并對該裝置開展了取苗實驗，實驗包括對嫁接苗的定位、斷根、夾取3部分功能的實驗。在取苗實驗時，整體的成功率達到了93.3%，表明該裝置符合當前嫁接作業的要求。

[1] 張鐵中, 徐麗明. 大有前途的蔬菜嫁接機器機器人[J].機器人技術與應用, 2001(2):14-15.

[2] 陳杭,張玫.韓國、日本蔬菜嫁接技術的應用[J].蔬菜, 1999(3):87-92.

[3] 于賢昌,王立江.蔬菜嫁接的研究與應用[J].山東農業大學學報,1998,29(2):249-256.

[4] 華斌,別之龍.西瓜甜瓜嫁接育苗進展[J].上海交通大學學報,2008, 26(5):363-368.

[5] 陳亞雪,陳前程,羅燕華,等.閩南地區黃瓜嫁接栽培的必要性和發展要求[J].福建熱作科技, 2010, 35(4):58-60.

[6] 鄭群,宋維慧.國內外蔬菜嫁接技術研究進展(上)[J].長江蔬菜, 2000(8):1-4.

[7] 鄭群,宋維慧.國內外蔬菜嫁接技術研究進展(下)[J].長江蔬菜, 2000(9):1-5.

[8] 張新, 秦志剛, 菲力申,等.嫁接在植物育種中的應用研究進展[J].安徽農業科學, 2008, 36(15):6289-6291.

[9] 劉寶偉,辜松. 2JC_500型自動嫁接機接穗夾持與切削機構[J]. 農機化研究, 2008(2):119-120.

[10] 姜凱,辜松,劉立意. 2JC_500型自動嫁接機砧木夾持機構[J].農機化研究, 2008(2):116-118.

[11] Y C Chiu,S Chen, Y C Chang. Development of a Circular Grafting Robotic System for Watermelon Seedlings[J].Applied Engineering in Agriculture, 2010, 26(6):1077-1084.

[12] 劉元強,劉凱,辜松.瓜科全自動嫁接機砧木苗夾持切削機構的設計與試驗[J]. 農機化研究, 2011,33(3):88-91.

[13] 樓建忠,李建平,朱盤安,等.斜插式蔬菜嫁接機穗木氣吸吸頭優化設計[J].農業工程學報, 2013, 44(2):63-68.

[14] 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.

Design of Seedling Taking Positioning and Clamping Device for Melon Grafting Machine

Yang An1, Tong Junhua2, Pan Jinhui2, Shao Lidong1, Guo Weigang1, Yang Mengai2

(1.Fair Friend Institute of Electromechanics, Hangzhou Vocational and Technical College , Hangzhou 310018,China; 2.Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

A novelseedling taking positioning and clamping device was designed in this paper, and it can local seedling, cut seedling, clamp seedling. The structure and working principle for the designed novel device was introduced first. Then, the seedlingpositioning mechanism was modeled by mathematics, and the mechanism parameters were optimized by computer simulation method. Finally, "NABIZHEN" gourd seedlings were chosen as experimental samples, and seedlings taking positioning and clamping experiments were carried out.The overall successful ratio for the designed seedling taking positioning and clamping device was larger than 93%, which meets the requirement of grafting machines.

grafting machine; taking seedling; positioning seedling; simulation; optimization

2016-05-30

浙江省自然科學基金項目 (LQ16E050006);杭州市農業科技攻關項目(20140432B15)

楊 安(1973-),女，江西上饒人，碩士研究生，(E-mail) 54ya@163.com。

S233.74；S606.9

A

1003-188X(2017)06-0129-06