花卉種苗移植機器人的設計與性能試驗

劉 凱,黎 波,殷振新,辜 松

(1.廣東機電職業技術學院,廣州 510515;2.華南農業大學,廣州 510642)

0 引言

移植作業是育苗生產過程的重要環節,目的是為了保證幼苗有足夠的生長空間,把幼苗從高密度的穴盤移植到低密度的苗缽中,以保證秧苗的進一步生長[1-2]。移植作業一般都是在溫室中進行,而溫室內溫度高、濕度大,作業環境比較惡劣,且勞動強度大。用機械化、自動化等先進生產手段提高移植作業的自動化程度,是擴大溫室栽培規模,提高生產效率的有效解決途徑[3-4]。

由于國外勞動力成本高,溫室內機械化作業技術十分發達,在植物工廠的移植機器人研發應用已被廣泛重視,并取得了良好的效果。自20世紀80年代開始,荷蘭等先進技術國家先后建立了一批植物工廠,采用溫室、穴盤培養基種植秧苗,當秧苗長到一定大小,就對穴盤中的秧苗進行移植[5-6]。國外在秧苗移植時通常采用串聯機構,且一般是定位、定量抓取[7-9]。

國內花卉移植機的研究還處于研發階段[10-13],K.C.Ting 和Y.Yang 等人研制的移植機,把幼苗從600 穴的育苗盤中移植到48 穴的苗盤中,該機本體部分由4個自由度執行結構和夾持器組成,力覺傳感器保證夾持器夾住而不損傷蔬菜苗[14-15]。北京農業智能裝備技術研究中心的馮青春等人設計了由上位機擴展多路電機驅動節點的幼苗根部夾持手抓,移植成功率95%以上[16]。

針對花卉苗移植模式,設計了一種結構簡單、作業準確率高、節省人工的溫室秧苗移植機,并對夾持手的搬運機構、移植機械手、穴盤定位系統進行設計和集成,且進行了性能試驗。

1 總體方案

1.1 總體結構

移植機器人由穴盤/苗缽輸送機構、搬運機械臂和移植機械手構成,如圖1所示。

1.苗缽輸送機構 2.穴盤輸送機構 3.移植機械手 4.機架 5.X-Z移動機構圖1 雙移植機械手花卉種苗移植機器人主體結構Fig.1 The main structure of the transplanting robot with double hands for tray seedlings of flower

穴盤/苗缽輸送機構的作用是運輸穴盤或苗缽至工作位置,由2條輸送帶構成,第1條輸送帶輸送穴盤,第2條輸送苗缽;穴盤/苗缽輸送機構上方設置有搬運機械臂,針對工藝要求及現場空間位置情況,設計搬運機械臂能在X軸、Z軸做直線運動;移植機械手作為執行機構,在搬運機械臂的帶動下,結合氣缸驅動,可以實現幼苗的抓取動作,考慮到移植生產率,設置了2個移植機械手。

1.2 工作原理

如圖2所示：工作時,系統啟動后程序進行初始化復位,按下啟動按鈕后輸送機構傳送帶啟動,穴盤和苗缽在輸送帶的帶動下向工作位置前進;穴盤和苗缽在輸送機構的輸送下到達工作位置,待兩邊均到位后,移植機械手在搬運機械臂的帶動下移動到穴盤上方,兩個移植機械手排成一線,在搬運機械臂帶動下運動到取穴盤正上方,再向下運動;機械手到達靠近取苗盤時,機械手上的驅動氣缸向下抓取秧苗,然后向上提起;機械手到達上限位時,移植機械手水平運動到苗缽上方,向下運動,把秧苗垂直放入放苗盤中;最后,機械手垂直向上回到上限位,完成一次作業。當穴盤或苗缽完成一行的移植后,輸送機構自動進給到下一行,直至結束移植。

圖2 移植手移植作業流程Fig.2 The operation process of Transplanting hands

由于2個移植機械手的最小距離大于兩個相鄰穴空的間距,故采用隔一個移植方式,即1+6、2+7、3+8、4+9、5+10的移植方案,如圖3所示。

圖3 移植手移植作業路徑Fig.3 The transplanting trace

2 系統構成模塊

2.1 穴盤/苗缽輸送機構

穴盤/苗缽輸送機構的主要功能是輸送苗盤,與安裝在其上方的搬運機械臂、移植機械手協調配合實現幼苗的移植。

根據總體移植的設計要求,選用并行的兩條輸送帶輸送苗盤,一條輸送穴盤,另一條輸送苗缽。穴盤輸送帶設有導向機構,確保穴盤在輸送帶上不發生滑動和軸向串動。

2.2 搬運機械臂

搬運機械臂按其結構形式及編程坐標系主要分類為關節型機械手臂和直角坐標機械手臂等。目前,被廣泛應用的直角坐標機械手臂主要由直線運動單元組成,主要由電機和導軌組成。其傳動形式主要可以分為兩種：一是采用同步齒型帶傳動。由于齒型皮帶受力后變形會導致傳動精度降低,所以重復精度一般較低,但其運動速度較快,在長距離搬運過程中采用該種傳動方式可大幅度節省運行時間。二是采用滾珠絲杠傳動,傳動精度較高,一般為0.105mm,但速度較慢。本設計優先考慮到移植效率和搬運距離,選用同步齒形帶傳動方式。

直角坐標機械手臂各個運動軸通常對應直角坐標系中的X、Y和Z軸,X軸和Y軸是水平面內運動軸,Z軸是上下運動軸。由于傳送機構實現了Y軸運動的功能,因此設計的機械手臂只設計了2個自由度,分別由X軸和Z軸組成。考慮到2個移植機械手能在多點位精確定位,且保證高速運行,液壓傳動和氣壓傳動機械臂無法實現該要求,故采用伺服電機驅動Z軸鏈傳動裝置和驅動X軸同步帶傳動裝置,如圖4所示。

1.Z軸鏈傳動裝置 2.移植機械手 3.X軸同步帶裝置圖4 X-Z移動機構和移植機械手結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of X-Z moving mechanism and transplanting manipulator

2.3 移植機械手

由于氣壓傳動系統的動作迅速、反應靈敏、阻力損失和泄漏較小且成本低廉,加之幼苗抓取載荷較輕,因此移植機械手采用氣壓傳動方式。

3 系統控制方案

移植機器人控制器負責輸送機構、搬運機械臂、移植機械手的控制作業,如圖5所示。移植機器人輸入設備為光纖傳感器和光電傳感器,通過檢測穴盤的前端,實現穴盤的工作位置行走及等距進給。機械臂控制模塊負責雙機械手的協調同步定位,確保兩移植機械手按預定時間節拍進行抓取;末端執行器控制模塊可以根據控制器程序開關量,進而通過直流繼電器控制電磁閥,實現氣缸的伸出與縮回,實現花卉種苗的抓取。

圖5 移植機器人控制系統結構Fig.5 The structure of robot control system

X軸運動平臺的運行控制是通過FX1N-40MT主單元進行控制,程序中主要用到了原點回歸指令“DZRN”和絕對位置定位指令“DDRVA”。當運動機構位置發生偏移或者運行過程中突然發生斷電時,重新上電后控制系統無法識別運動機構的當前位置(伺服電機可利用電機尾部的編碼器解決該問題,但一般情況下也會執行該程序以校正其原點位置),此時可運行原點回歸程序,使運動機構找到其原點位置。

4 移植機器人定位精度和作業性能試驗

4.1 定位精度試驗

移植機器人采用Y軸輸送機構,X軸同步帶傳動和Z軸鏈傳動的3自由度協作方式。為了提高作業生產率,需要在保證作業質量的過程中盡可能提高作業速度。其中,X軸同步帶傳動機構在整個移植過程中的耗時最長,因此進行了定位試驗,在確保滿足作業精度的前提下獲取X軸移植機械手的最佳運動速度。

具體試驗方法是：在原點處設置光電傳感器,在目標位置設置標尺、試驗標簽,指針安裝在滑塊上,指向標尺方向。當機械手回到原點后,運行絕對位置定位程序,使機械手前進到目標位置;然后,利用數碼相機的近拍功能采集圖片,按照此方法重復1次,獲得的兩張圖片中指針在標尺上所指的刻度,則兩個刻度的差ΔX反應了運動平臺的重復定位精度。

試驗首先確定運動平臺承受負載情況下運行的最高速度,規劃運行速度變化區間,避免因為超速造成的電機過載。由于速度與控制電機的脈沖輸出頻率相關,最終確定脈沖輸出頻率最高為42 000Hz。對影響定位精度的另一指標—電機加減速時間進行區間判定,伺服電機的加減速時間通常不能低于100ms,由于機械臂帶有負載,最終確定加減速時間最低為300ms。

4.2 作業性能試驗

為了解移植機器人的作業性能,獲取移植機器人作業生產率,使用移植機器人系統完成5個穴盤的移植試驗。試驗過程中采用秒表記錄作業過程耗時情況,計時從穴盤到達工作位置開始,用秒表記錄作業過程耗時情況,計時從穴盤到達工作位置開始,至完成最后一排穴孔移植結束。

試驗對5個穴盤種苗分別進行移植,試驗結果記錄如表1所示。

表1 移植作業性能試驗結果Table 1 The test results of the transplant operation performance

由表1可知：平均移植成功率達到91.5%,平均移植作業生產率達到1772株/h;由于輸送機構過程耗時較長,建議后補穴盤之間的間距小于30mm.

5 結論

1)構建了移植機器人系統,完成了各關鍵部件的設計對進行了集成。機器人由兩個移植機械手構成,實現了相互協作移植作業過程。

2)移植機械手采用針式抓取移植,最大程度降低了對種苗根部的損傷。

3)依據移植作業流程,對移植機械手的移植路徑進行規劃,并對各路徑點時間節拍進行預設,從而保證移植作業高效執行。

4)性能試驗表明：移植作業生產率為1772株/h,移植成功率為21.5%。