菜苗移植入穴裝置設計與研究

邱文驍 蔡佳麟 李穎姍

摘 要：無土栽培是現代農業的一項新型的技術，是一項具有科技含量的技術形式；無土栽培適用于大規模種植農作物，在此期間就需要大規模引入現代農業自動化設備，針對無土栽培入穴一環，設計菜苗移植入穴裝置整體機構以及尺寸，所設計的菜苗移植入穴能夠降低無土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作強度，在一定程度上解放勞動力，也為農業現代化提供了一種全新的方法。

關鍵詞：菜苗移植；移植入穴裝置；解放勞動力；設計試驗

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.104

我國盡管擁有遼闊的國土面積，但是地理環境的多樣性以及我國人口的基數大使得我們的可用耕地資源相對較少，在2018年第28個全國土地日座談會中提及我國現在的耕地面積為20.23億畝，平均每人耕地面積1.45畝；雖然我國提出了嚴格的耕地保護制度和耕地總量動態平衡制度，但未來耕地面積減少將是一種不可避免的長期趨勢，這種趨勢只能減緩而不能遏制，18億畝耕地紅線面臨最為嚴峻的考驗，目前解決這個問題的最有效的方法便是提高單位面積土地上農作物的產量以及農產品品質。于是，無土栽培便應運而生，但是，提高單位面積土地上農作物的產量意味著勞動任務更加繁重；以蔬菜生產為例，因為蔬菜的生長周期短并且收獲周期也短，勞動任務十分繁重，甚至可以說蔬菜的生菜是一個“勞動密集型產業”，在蔬菜的生產過程中，勞動強度最大的莫過于蔬菜菜苗的移植以及蔬菜的收獲，在我國，蔬菜菜苗的移植幾乎都是有人工來完成，所以蔬菜生產過程中會出現移栽菜苗質量差等情況發生，導致生產效率偏低。因此，實現蔬菜菜苗移植自動化是我國現階段在蔬菜種植生產中急需解決的問題。

1 菜苗移植入穴裝置建模設計

1.1 組成與設計要求

如圖1所示，本菜苗移植入穴裝置主要由三大部分組成：第一部分為機械結構部分，主要由主體機架、護翼、X、Y、Z軸導向桿、X、Y、Z軸導向套、X、Y、Z軸電機組成；第二部分為夾持動作部分，主要由機械手、機械手控制單元、機械手支架、機械手夾持電機組成；第三部分為輸送機構部分，主要由輸送皮帶、穴盤組成。

在電機的選型上，我們選擇直流電機，因為直流電機維修費用很低，運轉距離比較大，同時啟動特性和調速特性很優秀；直流電機的直流比交流更加節能環保、起動和調速性能好，調速范圍廣平滑，過載能力較強，受電磁干擾影響小。

在機械手模塊中，我們亦可以把機械手氣動手指換為現有技術中其他可以實現抓取作業的結構，如機械夾爪，真空吸盤等。

1.2 各部分設計圖示及說明

菜苗移植入穴裝置主要由機械結構部分、夾持動作部分、輸送機構部分構成，結構如圖1所示。

機架：機架分成工作區以及備苗區，工作區上設有用于放置菜苗穴板的工作臺。

輸送機構：輸送機構安裝于機架上并位于工作臺的一側；輸送機構用于輸送菜苗；主要由皮帶來進行傳動。

機械手：機械手安裝于機架上并用于抓取輸送機構的輸送端面上的菜苗至菜苗穴板；機械手可沿機架的高度方向運動；機械手可沿機架的長度方向運動；機械手可沿機架的寬度方向運動；所述輸送機構以及工作臺均位于機械手的運動軌跡上。

X軸驅動機構：X軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的長度方向運動。

Y軸驅動機構：Y軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的寬度方向運動。

Z軸驅動機構：Z 軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的高度方向運動。

2 菜苗移植入穴裝置工作流程

如圖2所示的一種菜苗移植入穴裝置，包括機架、輸送機構、機械手、X軸驅動機構、Y軸驅動機構以及Z軸驅動機構，在機架上設有工作臺，該工作臺用于放置菜苗穴板。上述的輸送機構安裝于機架上并位于工作臺的一側，該輸送機構用于輸送菜苗。

首先，將多個菜苗放置在輸送機構的起始端，同時可人工將菜苗穴板放置在工作臺上。此后，傳感器接收到有菜苗信號之后，在Y軸驅動機構的帶動下，使機械手沿著機架跨度方向運動至輸送機構的輸送端面上方，然后Z軸驅動機構帶動機械抓沿著機架的高度方向向下運動，機械手便開始工作了，氣動手指抓取輸送機構的輸送端面上的菜苗，夾取菜苗之后Z軸驅動機構帶動機械抓沿著機架的高度方向向上運動，而后Y軸驅動機構繼續工作，使得抓有菜苗的機械手沿著機架的寬度方向運動至菜苗穴板的上方，并對準菜苗穴盤第一個穴位將菜苗放下，如圖4標綠穴位。如此反復，機械手沿著Y軸方向往復進行菜苗入穴作業，直至穴盤第一行排滿。

而在菜苗穴板第一排整排擺放滿之后，X軸驅動機構開始運作，帶動機械手沿著機架長度方向運動至下一段，再重復上述操作，實現依次有序移植菜苗進入穴盤上的各個穴位，待菜苗穴盤各個穴位都移植滿之后，便可將菜苗穴板放入栽培環境進行栽培；整個入穴流程自動化程度較高，能夠大大減少人工工作強度以及提高移植效率，且可減少菜苗移植入穴的時間周期，降低菜苗的損壞率。

3 試驗平臺的搭建

為了進一步獲取數據，提高機器對菜苗的識別率以及機械手對菜苗投放入穴的成功率，同時以便我們進一步改進與完善機器圖紙，我們搭建了實物試驗機器，本文截取其中一部分作為示例，如圖6所示。

4 結論

（1）菜苗移植入穴裝置設計結構合理，整體結構滿足菜苗移植要求，能夠完成無土栽培中菜苗移植工作。

（2）自動化程度較高，能夠大大提高移植效率，且可減少菜苗移植入穴的時間周期，降低菜苗的損壞率。

（3）菜苗移植入穴能夠降低無土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作強度，在一定程度上解放勞動力。

參考文獻

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