單人工上苗式半自動蔬菜嫁接機關鍵機構設計與試驗

童俊華 丁煜華 武傳宇 喻擎蒼 泮金輝 孫 良

(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)

0 引言

嫁接可增強蔬菜作物的抗病性、抗旱性，使作物早熟，提高作物產量[1-3]。目前國內蔬菜幼苗嫁接作業多依靠人工完成，存在嫁接效率低、嫁接成本高等問題[4-6]，隨著勞動力成本的上升和對生產高效率的要求，很有必要通過操作簡單可靠[7]、嫁接效率和成功率高的嫁接機來實現該作業生產機械化[8-11]。

日本和韓國自20世紀90年代開始研制嫁接機[12-13]。韓國Helper Robotech公司開發了GR800CS型自動嫁接機，該機有兩名操作人員，可進行茄科和瓜科蔬菜的嫁接，嫁接效率可達800株/h[14-16]。2011年，日本井關農機株式會社和日本生研機構共同推出了GRF800-U型自動嫁接機，該機使用貼接法嫁接，嫁接效率達800株/h，推廣價格為140萬人民幣[17-19]。中國對自動蔬菜嫁接機的研究起步較晚，現有機型大多處于實驗室樣機狀態[20-22]。1998年，中國農業大學張鐵中等研制出2JSZ-600型蔬菜自動嫁接機[23]，嫁接效率達600株/h。2009年又研制了雙臂蔬菜自動嫁接機，嫁接效率提升至854株/h[24]。2012年，北京農業智能裝備研究中心研制了自動蔬菜嫁接機[25]，將作業效率提高至800株/h。2017年，中國農業大學褚佳等設計了南瓜科穴盤苗的單人操作嫁接機器人[11]，嫁接成功率達95%，嫁接效率達455株/h。目前全自動嫁接機的生產能力高，但其價格高昂農民難以接受，且對嫁接用苗的要求較高；半自動嫁接機生產能力低，但價格和對嫁接用苗要求相對更低。我國育苗機械技術正穩步發展，但仍存在蔬菜育苗生產模式不一致等問題[21，25-26]，應在保證嫁接機高生產率的同時，開發低成本、通用性好的嫁接設備[27]。

本文設計一種貼接式半自動蔬菜嫁接機，其砧、穗木上苗圓盤與持苗雙臂采用雙棘輪防回轉機構連接，實現單人工砧、穗木的上苗操作，以達到相對提高嫁接效率的目的。通過虛擬仿真構建蔬菜嫁接機模型，試制樣機后結合PLC控制進行人機配合嫁接試驗，測定機器嫁接性能參數，并與人工操作對比。

1 嫁接機組成與原理

該嫁接機工作區域由嫁接主區域和嫁接輔助區域組成，如圖1所示。

圖1 半自動蔬菜嫁接機Fig.1 Semi-automatic vegetable grafting machine1.送苗夾和輸送苗區域 2.嫁接臺 3.夾持機械臂 4.切削器 5.嫁接試驗臺面 6.持苗盤

幼苗嫁接主區域包括夾苗區域、搬運區域、切削區域、嫁接區域。

幼苗嫁接輔助區域包括人工上苗操作區域、送苗夾和輸送苗區域。

嫁接主區域左右對稱，兩部分分別是接穗和砧木的工作區域。該區域由持苗盤、夾持機械臂、切削器、嫁接臺和輸送帶組成，其中持苗盤可自轉，夾持機械臂在持苗盤和嫁接臺之間作來回90°往復動作，切削器固定布置在夾持機械臂路徑中點45°處。工人負責在持苗盤處上苗，振料盤負責輸送苗夾至嫁接臺，輸送帶負責輸送已嫁接完畢的幼苗。

整機工作流程為：操作員上苗后將兩個夾持機械臂手動調至水平狀態，并對準持苗盤幼苗。上電后，人工分別補一株接穗和砧木苗，氣動夾持機械臂往前夾取苗木。夾取成功后氣缸桿收回，機械臂向內旋轉45°至切削器處對幼苗進行切削處理。切削完成后，夾持機械臂繼續旋轉45°至嫁接臺進行嫁接處理，嫁接臺頂夾桿將苗夾頂出，夾住苗，嫁接完成的幼苗掉落至輸送帶排出，最后夾持機械臂回轉至初始位置，同時持苗臺旋轉至下一個工位，此時完成了第1株苗嫁接，隨后人工分別補一株接穗和砧木苗。第3株及以后的嫁接苗生產重復上電之后的動作。

自動嫁接機的關鍵技術是對待嫁接幼苗的處理，本文將幼苗處理分為3個過程，分別是取砧穗苗、切削砧穗苗和嫁接砧穗苗，分別對應嫁接機的取苗工位、切削工位和嫁接工位。

2 關鍵部位設計

2.1 砧穗木夾持旋轉機構

砧穗木夾持搬運機構將砧木接穗苗從持苗盤處搬運到嫁接臺處，這過程中夾持機構對砧木接穗苗夾持穩定性、搬運準確性以及嫁接成功率起到了決定性的作用。圖2所示為夾持搬運機構和雙棘輪旋轉持苗防回轉機構。

圖2 砧穗木夾持旋轉機構Fig.2 Stock and scion seedlings clamping and rotation device1.夾持搬運機構 2.雙棘輪旋轉持苗防回轉機構

2.2 夾持搬運機構

夾持搬運機構的往復行程為90°，與相關雙臂嫁接機器人[19-21]相比，縮短了行程。該機構的運動過程如圖3所示。圖中A、B、C、D為各持苗槽位。

圖3 夾持搬運機構運動過程圖Fig.3 Moving process graph of clamping and transportation mechanism

幼苗從持苗盤到切削器以及嫁接臺工位的移動需要機械臂來協助搬運。夾持搬運機構的設計原則是能準確取苗和夾苗，設計夾持機械臂由SMC-CU系列雙作用氣缸和固定在雙作用氣缸桿末端上的SMC-MHZ系列手指氣缸組成，通過雙作用氣缸伸縮完成取苗和砧穗對接動作，手指氣缸夾持完成夾苗動作。

初始位置下，夾持機械臂上雙作用氣缸啟動往持苗盤上槽位A的方向伸出，氣動夾持氣缸夾緊槽位A中幼苗后雙行程氣缸回退取出幼苗；夾持臂逆時針轉動90°，將所夾持的幼苗轉移至下一切削位置進行切苗；切苗后，夾持機械臂繼續逆時針旋轉90°至下一嫁接位置進行嫁接，雙作用氣缸氣動伸出將砧穗木切削點對接；嫁接完成后，夾持臂順時針轉動90°復歸初始位置。

夾持機械臂的夾持手指末端貼有適量泡沫膠，以防夾持過程中損傷幼苗。人工擺放幼苗時，應注意使幼苗苗葉處于持苗盤上方，根莖處于下方并保持自然下垂，確保夾持機械臂夾取幼苗成功。

2.3 雙棘輪旋轉持苗防回轉機構

夾持機械臂需間歇從持苗盤四向槽位中夾取幼苗，為快速準確完成這個動作，設計了雙棘輪旋轉持苗防回轉機構，如圖4所示。

圖4 雙棘輪機構平面圖Fig.4 Planar graph of two-ratchetings mechanism1.機械臂轉軸 2.從動輪 3.持苗盤轉軸 4.持苗盤軸套 5.右棘輪 6.從動帶輪 7.主動帶輪 8.左棘輪 9.步進電機

圖5 左右棘輪向視圖Fig.5 Direction view of left and right ratchetings1.主動帶輪 2.左棘輪第二棘爪 3.持苗盤轉軸 4.持苗盤軸套 5.右棘輪 6.從動帶輪 7.機械臂轉軸 8.右棘輪第二棘爪 9.步進電機 10.左棘輪第一棘爪 11.左棘輪 12.右棘輪第一棘爪

該機構由一對不同向棘輪、兩個帶輪、機械臂轉軸和持苗盤轉軸等組成。其中機械臂轉軸與左棘輪固定，持苗盤軸套與機架和右棘輪固定。主動帶輪受左棘輪控制，從動帶輪固定于持苗盤轉軸上。

圖5所示為左右棘輪的向視圖，棘爪固定于帶輪上，是帶輪和棘輪相互運動的媒介。該機構基本的工作要求是：步進電機帶動機械臂轉軸逆時針轉動90°，左棘輪通過棘爪摩擦阻力帶動從動帶輪，右棘輪止動后從動同步帶輪和與之固定的持苗盤轉軸保持靜止；步進電機帶動機械臂轉軸順時針轉動90°，左棘輪帶動主動帶輪并聯動從動帶輪，使持苗盤轉軸逆時針轉動90°。

由工作要求可知，機械臂轉動角度必須等于持苗盤轉動角度，才可保證機械臂對幼苗夾持精準，故同步齒形帶輪傳動比設置為1∶1。為保證雙軸在0°、90°位置啟停中棘爪完全卡入棘齒中，棘輪的棘齒需每隔90°布置一個，由此可知棘齒齒數z為

z=4n

(1)

式中n——正整數

查機械設計手冊，本設計取z=16，模數m通過強度要求確定，用拉力計測得并計算出力矩最大在機械臂轉軸處為0.59 N·m，可知機器工作中機械臂所需負荷強度很小，可先通過外形結構確定棘輪齒頂圓直徑，本設計暫確定齒頂圓直徑da為70～80 mm之間，根據公式

m=da/z=4.375～5 mm

(2)

取m=5 mm，反向求得齒頂圓直徑da=80 mm。由模數m、齒頂圓直徑da和齒數z即可根據公式計算得其它設計參數，此處不再贅述。

雙棘輪旋轉持苗防回轉機構通過機構之間的配合傳動控制雙軸反向旋轉，能完成動作并簡化控制邏輯。因為棘輪齒數固定，棘爪依靠卡位能實現精確定位，輔助夾持機械臂完成夾持、嫁接這些工位對機械臂位置精度的要求。

2.4 切削機構

貼接嫁接法需對砧木和接穗都進行切削，并將砧木和接穗都削成斜面。圖6所示為切削工位圖，為保證切削機構互不干涉，左半部接穗的切削采用自上而下旋轉切削，右半部砧木切削采用自下而上旋轉切削，兩個切削機構中的轉動軸線均與切削轉臂的中心線偏置一定的角度。

圖6 切削工位圖Fig.6 Graph of cutting working position1.夾持機械臂 2.切削機構 3.試驗臺面

如圖7所示，該切削機構由調節滑槽、旋轉氣缸、刀片安裝板、刀片固定螺釘、刀片、緊定螺釘、切削轉臂、距離調節臂組成。距離調節臂與調節滑槽組成滑動副，距離調節臂通過螺釘與調節滑槽固定，可以調整切削刀片的切削半徑。切削轉臂通過旋轉氣缸驅動，固定安裝在旋轉氣缸的軸端，能使切削刀片有一個180°范圍上下切削的動作。

圖7 切削機構分解圖Fig.7 Decomposition graph of cutting mechanism1.調節滑槽 2.旋轉氣缸 3.刀片安裝板 4.切削刀片 5.刀片固定螺釘 6.緊定螺釘1 7.切削轉臂 8.緊定螺釘2 9.距離調節臂

接穗子葉下方8～10 mm處需斜切出一個切口，砧木則需切除子葉節處的生長點、一片真葉，形成斜切口。

準確的切苗角度和較高成功率是嫁接需實現的目標，為此，本嫁接機構設置夾持機械臂移動時在切削機構處停頓片刻，以輔助實現切苗的穩定。

2.5 嫁接臺機構

砧木和接穗切削好后，需要在嫁接臺處對接并夾持。如圖8所示為嫁接臺機構，該機構由振動篩選盤、苗夾軌道槽、仿形導向塊、苗夾氣缸、單桿氣缸等組成。

圖8 嫁接臺示意圖Fig.8 Schematic of grafting bench1.振動篩選盤 2.苗夾軌道槽 3.仿形導向塊 4.壓夾塊 5.苗夾氣缸 6.推夾桿 7.氣缸槽 8.單桿氣缸

嫁接臺機構工作原理為：振動篩選盤可調整至一定的頻率進行振動篩選苗夾，苗夾由苗夾軌道槽引導入氣缸槽，單桿氣缸的推夾桿往前推動苗夾通過仿形導向塊。仿形塊的具體結構如圖9所示，仿形塊內部漏斗形設計容許苗夾鐵絲通過，使苗夾保持水平狀態。苗夾氣缸收縮壓迫苗夾接受到待嫁接苗后，苗夾氣缸張開完成嫁接苗的嫁接工作。

圖9 仿形導向塊Fig.9 Profiling guide block

苗夾夾持好待嫁接苗后，掉落至輸送帶，由輸送帶運輸至嫁接機外部進行后處理。

2.6 嫁接機嫁接效率理論分析

自動嫁接機各道工序設計完成后需考慮嫁接過程中人與機器相配合的時間對嫁接效率的影響，以指導后續試驗。

本文將自動嫁接機的各道工序按時間先后順序進行排列，制成工作時序圖如圖10所示。圖中將時序分為機器運行操作和人工操作兩部分。圖中，T為人工操作時間；t1為夾臂取苗時間；t3為切削苗時間；t21、t22為搬運苗時間；t4為嫁接苗時間；t5為夾臂復位時間。

圖10 嫁接機工作時序圖Fig.10 Working sequence in time graph of grafting machine

人工操作時間為上接穗苗和上砧木苗的時間。機器操作時間為夾持機械臂從持苗盤取苗時間、切削苗時間、搬運苗時間、嫁接苗時間、夾臂復位時間。嫁接完成一株幼苗所需時間由人工操作時間和機器操作時間共同組成，人工操作時間為T，機器操作時間為t1～t5。完成第1株苗所需時間是人工操作時間加上機器操作時間，上苗完成后啟動機器。隨著第2株苗、第3株苗的嫁接，人可在機器操作的同時進行補苗，所以每株苗所需時間可用機器操作時間代替。

假設本嫁接機實際上可達到或多于800株/h的嫁接效率。

設ta為完成第1株嫁接苗所需時間，tb為完成第2株及之后每株苗所需時間。根據上文分析，可列出

ta=T+t1+t21+t3+t22+t4+t5

(3)

tb=t1+t21+t3+t22+t4+t5

(4)

按自動嫁接過程及安全生產要求，人必須在機器完成嫁接動作時間之內完成上苗動作，得人工操作時間和機器操作時間需滿足

T≤tb

(5)

(6)

式中n——嫁接次數

ζ——完成n次嫁接的工作效率，株/h

對于所給理論目標，工作效率應滿足

ζ≥800株/h

(7)

對同一人進行基礎上苗培訓，得出人工操作時間分布在3～9 s內，據此對T進行取值。圖11中4條曲線分別代表人工操作時間T為3.0、5.0、7.0、9.0 s時嫁接效率隨機器操作時間變化的關系。

圖11 嫁接效率與人機操作時間關系曲線Fig.11 Relationship curves of grafting efficiency and time of human and machine operation

由圖可看出，機器操作時間從1.0 s到6.0 s時，嫁接效率變小的幅度較大。根據嫁接效率關系式(7)對圖進行處理，可得出機器操作時間tb的要求范圍，經分析，為達到嫁接效率要求，在不同的人工操作時間T下，有如下關系

(8)

據此做出人工和機器操作時間關系圖，如圖12所示。每個人個體差異明顯，操作熟練度不同。在預期的嫁接效率下，人工操作時間T不同，機器操作時間tb的要求也不同。

圖12 人工和機器操作時間關系Fig.12 Relationship graph of artificial and machine times

在實物試驗中，可預先測得試驗員人工操作時間T，結合式(5)以及圖12得出機器操作時間，并通過調控機器運行速度以達到這個機器操作時間，從而明確試驗目標，以更快地在試驗中獲得理想嫁接效率。

3 試驗

本試驗需測定嫁接機的嫁接成功率、嫁接效率和嫁接后的幼苗存活率，并與人工進行比較，驗證嫁接機的可行性。

本次試驗上苗工序由人工完成，切削、搬運、嫁接等工序由機器自動完成。整個試驗嫁接過程連續進行以保證統計數據科學性。

3.1 試驗準備

本試驗采用瓜科“錦栗”南瓜作為砧木，“六葉早”絲瓜苗作為接穗，缽苗均采用集約化生產方式，保證每株嫁接苗生長和發育情況相似，排除個體差異對試驗結果產生的影響。

試驗過程中，為排除不確定因素的影響，該嫁接機的上苗過程均由同一人操作，后續操作由機器自動完成。

在機器作業中，采用5×10規格的50孔規格穴盤，試驗對象分為A和B兩組，每組包含100株砧木和100株接穗，對A組進行兩次連續試驗，每次試驗使用50株砧木、50株接穗進行嫁接。待試驗員休息充分后，對B組進行兩次連續試驗。相對應的，在人工嫁接作業中，試驗員也連續嫁接合計200株的兩組幼苗，并允許中途休息。

3.2 試驗材料參數測定

貼接法嫁接方式需將砧木和接穗兩個斜面靠在一起，用嫁接夾固定。本文培育的嫁接苗要求南瓜砧木胚軸直徑在2.2～3.0 mm，絲瓜接穗胚軸直徑在1.5～2.0 mm。

砧木和接穗的胚軸截面為橢圓形，利用測量工具對A、B兩組砧木和接穗胚軸同一位置短軸和長軸進行測量，得出均值并計算記錄基本參數如表1所示。

表1 試驗材料數據Tab.1 Data of test materials

本試驗所選用的南瓜苗砧木和絲瓜苗接穗的胚軸直徑符合要求范圍，由標準差可得出每一株之間的胚軸直徑變化不大，證明培育出的成品符合嫁接條件要求，可進行試驗。

3.3 嫁接成功率及效率試驗分析

試驗員上苗的時間越短，嫁接效率越高。經過一段時間的上苗培訓后，一般情況下，要求試驗員動作規范快速放好幼苗。測得人工操作時間T在4 s以內，根據圖11對應機器操作時間tb在4.1～4.3 s以內。

由于機器操作時間和嫁接效率負相關，所以機器操作時間tb的優化目標應接近較小值4.1 s。經程序調整后，測得機器操作時間在4.0～4.1 s之間波動，符合要求，實際人工操作時間在4 s以內即可達到理論嫁接效率。

圖13為嫁接過程：人工上苗、機器取苗、機器搬運幼苗、切削砧木和接穗、嫁接夾苗和輸送下苗。

圖13 嫁接過程示意圖Fig.13 Sketches of grafting processing

根據獲得的人工操作時間和機器操作時間組合對A組和B組幼苗進行試驗，結果如表2所示。

表2 成功率及嫁接效率試驗結果Tab.2 Test result of success rate and grafting efficiency

該試驗結果與傳統人工嫁接試驗作對比。規定夾持失敗為未夾持住幼苗，切削失敗為切錯或未切到幼苗苗莖，嫁接失敗為砧穗木彼此分離。為消除人為因素影響，測得準確的嫁接效率，總時間不包括上下苗盤時間，試驗員中途停留休息時間等在本試驗中不作統計。從表2可以看出，機器作業的嫁接速率比人工作業快，嫁接成功率兩者基本一致。為更直觀地表達這些變化，討論機器作業和人工作業對試驗結果嫁接效率和成功率影響的顯著性，作單因素方差分析，如表3、4所示。

表3 成功率及嫁接效率數據統計Tab.3 Statistics of success rate and grafting efficiency

由表3可知，機器作業嫁接效率均值為846.3株/h，人工嫁接效率為253.6株/h，從方差看，每盤苗的嫁接效率機器作業比人工作業更穩定。機器作業成功率均值為89%，與人工嫁接成功率93.5%相比，低了4.5個百分點，從方差看，每盤苗嫁接的成功率機器作業比人工作業更穩定。由表4分析結果可知，在機器和人工作業的嫁接效率上，臨界值F大于F0.05，且無顯著影響概率P小于0.01，表明機器和人工作業對嫁接效率有非常顯著的影響，在機器和人工作業的嫁接成功率上，臨界值F小于F0.05，且無顯著影響概率P大于0.01，說明機器和人工作業對成功率的影響不顯著。總體來說，試驗結果滿足本文設計目標，該半自動嫁接機效率可達人工的3.3倍，且機器嫁接成功率與人工作業基本一致。

表4 成功率及嫁接效率的方差分析Tab.4 Variance analysis of success rate and efficiency of grafting

根據試驗結果可知，在機器作業中，切削失敗、嫁接失敗的個數較多，對嫁接成功率影響較大。通過分析，發現若人工上苗時子葉朝向未調整到位，切削過程中會出現切歪的現象，破壞需要保留的子葉，導致切削失敗，上苗中應該注意將子葉調整到位；由于植物培育差異性，部分砧木子葉與莖稈連接處會出現畸形彎曲，切削后截面與接穗截面差異過大無法對接，產生大幅偏移，導致嫁接失敗，應從培育角度科學生產優質砧木接穗以降低畸形率。在人工作業中，人手工切苗時，切苗角度和力度控制出現偏差都會導致切削失敗，而夾持和嫁接過程相對更費時但是不容易出錯。

4 結論

(1)為提高嫁接機的運行效率，本文優化嫁接機關鍵機構布局，使持苗旋轉臂的總旋轉角為90°，切削工位在其旋轉范圍的45°位置，砧穗木上苗盤采用同側設計，方便人機配合嫁接作業。

(2)嫁接機關鍵部位設計了雙棘輪旋轉持苗防回轉機構，可實現單電機驅動雙軸間歇旋轉，提高嫁接效率，雙棘輪定位精確，保證了嫁接的成功率。

(3)嫁接臺安裝仿形導向塊和氣缸夾持手，保證苗夾精準夾苗；人工操作時間和機器操作時間為4 s和4.1 s以內，使嫁接效率符合要求。

(4)嫁接樣機通過人機配合嫁接試驗得出常規作業性能參數，嫁接成功率和嫁接效率穩定，其嫁接成功率為89%，嫁接效率為846.3株/h，是人工嫁接效率的3.3倍，滿足工廠化生產嫁接苗的需求。