小型蔬菜移栽機(jī)械手的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

付 強(qiáng),胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

0 引言

雖然我國(guó)擁有廣闊的國(guó)土面積，但由于我國(guó)人口眾多及地理環(huán)境的多樣性，造成我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中突出的問(wèn)題是可耕地資源相對(duì)較少，目前解決這一實(shí)際問(wèn)題的有效途徑之一便是大幅提高單位面積內(nèi)農(nóng)作物產(chǎn)量和產(chǎn)品品質(zhì)[1]。

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中較為突出的矛盾是副食品供應(yīng)偏緊，為了緩解這一緊要矛盾，我國(guó)農(nóng)業(yè)部在20世紀(jì)80年代末期提出建設(shè)“菜籃子工程”，經(jīng)過(guò)30年的建設(shè)與發(fā)展，取得了顯著成效。我國(guó)國(guó)家辦公室于2010年下發(fā)了關(guān)于統(tǒng)籌推進(jìn)新一輪“菜籃子”工程建設(shè)的意見(jiàn)，各級(jí)政府及農(nóng)民對(duì)蔬菜生產(chǎn)的重視程度進(jìn)一步增強(qiáng)，蔬菜種植面積穩(wěn)步增加[2]。自我國(guó)實(shí)施“菜籃子工程”后，我國(guó)蔬菜種植面積逐年穩(wěn)定增加。據(jù)國(guó)家市統(tǒng)計(jì)局官方數(shù)據(jù)顯示，2015年全國(guó)蔬菜面積達(dá)21 999.7khm2，較2010年增加2 999.82khm2。

蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中，由于其生長(zhǎng)周期短、勞動(dòng)任務(wù)繁重，因此可將蔬菜生產(chǎn)劃分為勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。目前，在我國(guó)種植面積較為廣泛的蔬菜品種中，通過(guò)育苗移栽方式種植的蔬菜品種約占60%，而在整個(gè)蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度較大的兩項(xiàng)工作分別是蔬菜秧苗移栽及蔬菜收獲。其中，蔬菜秧苗移栽工作占總勞動(dòng)量的20%左右，僅次于收獲作業(yè)[3]。目前，秧苗栽植幾乎全部由人工完成。隨著近年來(lái)城市的飛速發(fā)展，農(nóng)村大量勞動(dòng)力向城市轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)村可用勞動(dòng)力減少，進(jìn)而導(dǎo)致蔬菜生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)效率低、移栽質(zhì)量差等問(wèn)題的發(fā)生。因此，實(shí)現(xiàn)蔬菜移栽機(jī)械化已成為我國(guó)蔬菜種植發(fā)展過(guò)程現(xiàn)階段的迫切需要。

蔬菜移栽機(jī)械化意味著蔬菜種植過(guò)程中基本不需要人工參與，即蔬菜秧苗的取放、種植均由機(jī)械完成，而移栽機(jī)器人則是完成此項(xiàng)工作的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)。所以，對(duì)移栽機(jī)器人的研究是實(shí)現(xiàn)蔬菜移栽機(jī)械化的重要工作之一。然而，我國(guó)對(duì)移栽機(jī)器人的研究較歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家晚，歐美國(guó)家最先在經(jīng)濟(jì)作物與蔬菜方面開(kāi)展此項(xiàng)研究，在有一定研究基礎(chǔ)上陸續(xù)延伸到其他的糧食作物[4-5]。

國(guó)外最早的商用移栽機(jī)器人是用于辣椒移栽的機(jī)器人，它由具有五自由度的機(jī)械手及連接在機(jī)械手末端的夾持器組成的，此機(jī)器人是由美國(guó)的路易斯安那農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站Hwang和Sistler在1986年研制成功的[6]。為證明移栽機(jī)器人可以對(duì)溫室穴盤(pán)苗進(jìn)行移栽作業(yè)，美國(guó)奧本大學(xué)的U.Kutz等人在1987年成功設(shè)計(jì)出基于Puma560機(jī)器人的苗圃植物移栽機(jī)器人[7]。為進(jìn)一步優(yōu)化移栽機(jī)器人，美國(guó)羅格斯大學(xué)的K.C.TING等人在1990年設(shè)計(jì)出由氣缸驅(qū)動(dòng)移栽爪完成移栽工作的移栽機(jī)器人[8-10]。在上述基礎(chǔ)上，日本東北國(guó)家農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站的Osamu SAKAUE在1996年成功研制出一套基于現(xiàn)代電子技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)[11]。韓國(guó)首爾大學(xué)的K.H.Ryu在2001年開(kāi)發(fā)出一款移栽機(jī)器人[12]，由直角坐標(biāo)機(jī)器人、氣動(dòng)雙驅(qū)動(dòng)移栽爪、步進(jìn)電機(jī)組成，可實(shí)現(xiàn)氣、電兩種控制方式。為驗(yàn)證不同結(jié)構(gòu)機(jī)器人的移栽工作效果，捷克生命科學(xué)大學(xué)的P.hula等人在2008年利用不同結(jié)構(gòu)ABB機(jī)器人進(jìn)行了移栽效果比較試驗(yàn)[13]，證明所測(cè)試的機(jī)器人都能用于移栽作業(yè)。

我國(guó)于20世紀(jì)末期開(kāi)始對(duì)移栽機(jī)器人進(jìn)行研究，較歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家晚10年左右。據(jù)資料顯示，我國(guó)最早研究移栽機(jī)器人的是國(guó)立臺(tái)灣大學(xué)的林逵德，在1996年針對(duì)直角坐標(biāo)移栽機(jī)器人展開(kāi)研究，并對(duì)秧苗換盤(pán)移栽的路徑進(jìn)行了規(guī)劃分析[14-15]。國(guó)立中興大學(xué)鄭經(jīng)紳等人緊隨其后，于1997年創(chuàng)新研發(fā)了新式花卉穴盤(pán)苗移栽機(jī)器人，采用氣缸驅(qū)動(dòng)，并對(duì)移栽機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行了規(guī)劃[16-17]。浙江大學(xué)任燁于2007年開(kāi)發(fā)研究了具有視覺(jué)系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及抓取系統(tǒng)等系統(tǒng)的溫室移栽機(jī)器人[18]，并取得了一定的有益效果。同年，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的田素博老師團(tuán)隊(duì)分別對(duì)氣動(dòng)式花卉穴盤(pán)苗移栽機(jī)的移栽機(jī)械手[19]、輸送系統(tǒng)[20]和控制系統(tǒng)[21]進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)出基于PLC的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[22-23]。2007年，江蘇大學(xué)的郁玉峰等人[24]運(yùn)用數(shù)值的形態(tài)學(xué)方法求得圖像中各秧苗的中心位置，并以此為依據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)了三平移并聯(lián)移栽機(jī)器人，同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)秧苗進(jìn)行定位[25]。2009年，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的周婷等人提出目前的溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)器人應(yīng)可適用于不同規(guī)格的規(guī)格育秧穴盤(pán)[26]。2010年，北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司以直角坐標(biāo)移栽機(jī)器人為基礎(chǔ)，開(kāi)發(fā)了一款新型植物工廠(chǎng)移栽收獲機(jī)器人網(wǎng)。

綜上所述，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的移栽機(jī)及移栽機(jī)械手存在許多不足之處。例如，現(xiàn)有的多數(shù)移栽機(jī)不能應(yīng)用于溫室大棚，與我國(guó)國(guó)情不符；需要人工喂苗，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低等。近幾年，我國(guó)諸多科研工作者研發(fā)的移栽機(jī)械手多數(shù)為氣壓或液壓驅(qū)動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)室或土壤狀況較好的環(huán)境下工作相對(duì)較為穩(wěn)定，但溫室大棚內(nèi)土壤狀況不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)一種能夠在溫室大棚內(nèi)廣泛應(yīng)用的移栽機(jī)械手是當(dāng)前研究的一個(gè)重點(diǎn)。

1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)有的蔬菜育苗缽盤(pán)的外形尺寸及茄科蔬菜(如茄子、辣椒等)的育苗農(nóng)藝要求，并結(jié)合吊籃-鴨嘴式移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)確定移栽機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)移栽機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)，計(jì)算各部件的結(jié)構(gòu)尺寸。同時(shí)，根據(jù)所閱讀的文獻(xiàn)及蔬菜移栽的工作過(guò)程，本文設(shè)計(jì)的蔬菜移栽機(jī)械手應(yīng)能夠完成蔬菜缽苗的夾取、移動(dòng)及投放工作。依據(jù)現(xiàn)有的蔬菜育秧盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸，本文設(shè)計(jì)的蔬菜移栽機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.底座 2.旋轉(zhuǎn)單向舵機(jī) 3.旋轉(zhuǎn)底盤(pán) 4、6、8、10.雙向舵機(jī) 5.大臂 7.小臂 9.連接板 11、12.機(jī)械手指

本文設(shè)計(jì)的蔬菜移栽機(jī)械手的工作過(guò)程為：旋轉(zhuǎn)單向舵機(jī)控制整個(gè)機(jī)械手中旋轉(zhuǎn)底盤(pán)的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，即控制機(jī)械手從夾取蔬菜缽苗后到機(jī)械手向鴨嘴式吊籃中投放蔬菜幼苗之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；3個(gè)雙向舵機(jī)聯(lián)動(dòng)控制機(jī)械手在夾取蔬菜缽苗以及投放缽苗過(guò)程中大臂、小臂及機(jī)械手指的角度，以確保能夠在不損傷蔬菜缽苗的情況下完成蔬菜缽苗的夾取及投放工作。在移栽機(jī)械手的工作過(guò)程中，雙向舵機(jī)控制機(jī)械手指的開(kāi)合大小，并保證在機(jī)械手的移動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)蔬菜缽苗因機(jī)械結(jié)構(gòu)的震動(dòng)而掉落的情況。

1.2 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的蔬菜移栽機(jī)械手是以我國(guó)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化蔬菜育秧缽盤(pán)所育蔬菜秧苗為對(duì)象的，因此本文對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化蔬菜育苗缽盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，其具體尺寸與結(jié)構(gòu)如圖2、表1所示。

根據(jù)育苗缽盤(pán)的結(jié)構(gòu)尺寸及油菜移栽機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(NY/T 1924-2010)，對(duì)移栽機(jī)械手主要零部件的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，具體如圖3～圖5所示。

1.3 三維設(shè)計(jì)

利用三維建模軟件建立移栽機(jī)械手的三維模型，模擬移栽機(jī)械手的整個(gè)工作過(guò)程，分別分析機(jī)械手指、大臂及小臂的應(yīng)力應(yīng)變，檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)各部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否能夠滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)機(jī)械國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。其中，機(jī)械手指、大臂及小臂的結(jié)構(gòu)如圖6～圖8所示，整體裝配如圖9所示。

圖2 秧盤(pán)三維模型Fig.2 Three - dimensional model of seedling tray

表1 育秧盤(pán)尺寸Table 1 Dimensions of seedling tray mm

圖3 手指尺寸圖Fig.3 Finger size map

圖4 大臂尺寸圖Fig.4 Large arm dimension drawing

圖5 小臂尺寸圖Fig.5 Dimension drawing of small arm

圖6 大臂Fig.6 Large arm

圖7 小臂Fig.7 Small arm

圖8 機(jī)械手指Fig.8 Mechanical fingers

圖9 裝配圖Fig.9 Assembly drawing

2 缽苗破碎試驗(yàn)與仿真分析

為了解缽苗的力學(xué)性能，并為后續(xù)的機(jī)械手靜力學(xué)分析提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)支持，利用WDW-200E型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)蔬菜缽苗(辣椒)進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，得到苗缽破碎的力學(xué)曲線(xiàn)，如圖10所示。

圖10 位移—力曲線(xiàn)圖Fig.10 Displacement force curve diagram

由圖10可知：辣椒缽苗破碎力呈先增大后減小趨勢(shì)，在9.8～10.6mm之間達(dá)到極值，極值范圍為30～31N。即對(duì)辣椒缽苗施加此范圍內(nèi)的壓力時(shí)，辣椒缽苗完全破碎。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，可得到缽苗破碎力的方程式為

y=-6×10-6x4+0.012x3-0.0926x2+

2.8686x+0.5181

式中x—測(cè)量所得破碎力；

y—校正后的破碎力。

由此可得，辣椒缽苗的破碎力最大值為31N。缽苗破碎試驗(yàn)為后續(xù)機(jī)械手關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用繪圖軟件中的分析模塊對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11 大臂應(yīng)力分析Fig.11 Stress analysis of large arm

圖12 小臂應(yīng)力分析Fig.12 Stress analysis of small arm

圖13 手指應(yīng)力分析Fig.13 Stress analysis of finger

由圖11～圖13可知：大臂的最大變形量為4.714×10-6mm，小臂的最大變形量為9.476×10-6mm，手指的最大變形量為0.039mm，三者的最大變形量均在允許變形范圍內(nèi)，滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求與農(nóng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。在仿真分析過(guò)程中，因仿真軟件限制，大臂、小臂及手指材料均為45鋼，其極限屈服強(qiáng)度為335MPa，而大臂、小臂及手指所受最大應(yīng)力分別為0.021 0、0.022 6、28.82MPa，均遠(yuǎn)小于其材料的極限屈服強(qiáng)度，故所設(shè)計(jì)的機(jī)械手滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

1)由有限元分析可知：大臂的最大變形量為4.714×10-6mm，小臂的最大變形量為9.476×10-6mm，手指的最大變形量為0.039mm，大臂、小臂及手指所受最大應(yīng)力分別為0.021 0、0.022 6、28.82MPa，均遠(yuǎn)小于其材料的極限屈服強(qiáng)度。分析結(jié)果表明：本文所設(shè)計(jì)的小型蔬菜移栽機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理，整體結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足農(nóng)藝要求，能夠完成溫室內(nèi)蔬菜缽苗移栽工作。

2)若此機(jī)構(gòu)能夠與鴨嘴-吊籃式移栽機(jī)成功結(jié)合，則可在一定程度上解放勞動(dòng)力，降低溫室大棚內(nèi)蔬菜移栽工作的勞動(dòng)強(qiáng)度。本研究可為以后全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)與理論參考。