溫室并聯移栽機器人設計與試驗

周 昕,蔡 靜

(江蘇大學 農業裝備工程學院,江蘇 鎮江 212013)

0 引言

我國溫室穴盤苗移栽作業主要靠人工作業,勞動強度大,效率低[1-3],無法滿足規模化生產需求,而機械化移栽具有降低人工成本及提高移栽作業效率的優點[4-5]。發達國家早就開始對缽苗機械化移栽進行研究,國外半自動移栽機已經發展成熟但價格昂貴[6-10]。由于我國育苗工藝、栽培方式及田間作業模式等與發達國家存在差異,國外的溫室移栽機不能滿足我國溫室穴盤苗移栽作業需求。

我國移栽機大多采用三坐標龍門結構,結構簡單、運動軌跡單一,容易形成累積誤差。并聯機構與現有機構對比,具有剛度大、精度高、累積誤差小及控制性能良好等特點,在包裝、分揀、康復醫療等領域獲得了成功應用[11-14],為并聯機器人在溫室移栽作業方面的研究和應用提供了參考。

本研究設計了一款并聯移栽機器人,并結合兩條輸送系統將穴盤自動輸送至移栽作業區域,完成移栽作業后再將穴盤輸送至下個作業工序,提高了移栽效率。

1 整機設計方案

1.1 設計需求

目前,市場上應用于溫室穴盤苗移栽作業的移栽機器人大多是龍門式結構,體積龐大、價格昂貴且移栽效率較低,行業內迫切需要一款能夠具有柔性作業能力、體積較小、慣性較小、剛度大的移栽機器人。并聯機器人具備這樣的特性,能夠滿足溫室穴盤苗移栽或者補栽作業的需求。現代化設施農業中,工廠規模化育苗品種主要涉及的是花卉、黃瓜、辣椒等,移栽任務是把培育好的苗從高密度穴盤移栽到低密度穴盤(甚至是缽盤)中去,根據移栽任務可以得出并聯移栽機的設計需求。移栽流程如圖1所示。

圖1 移栽流程Fig.1 Transplanting flow

1.2 移栽需求

黃瓜苗育苗采用的128孔穴盤,穴孔的基本尺寸為30mm×30mm×46mm;移栽目標穴盤是72孔,穴孔的基本尺寸是40mm×40mm×46mm。設計的并聯機器人末端執行機構在取苗和移栽作業時需要完成兩個動作,完成空間3個方向的平移運動,同時可以進行柔性移栽作業移動。因此,在設計時并聯機構的動平臺的方位特征集為

(1)

其中,t為移動單元;r為轉動單元。

2 主要部件設計

2.1 并聯機器人設計

本文設計的并聯移栽機器人(見圖2)根據移栽對象(即40日齡黃瓜穴盤苗)的移栽軌跡需求,高度方向的移栽距離需要大于此時的穴盤苗高度12cm,為安全取苗,設定移栽軌跡高度為1 300mm;根據穴盤規格,移栽時寬度方向跨度最大的距離為4 800mm,對角移栽最大距離6 000mm;考慮到輸送裝置的間隔距離,并聯機器人的移栽工作空間為6 000mm×4 800mm×1 300mm。根據移栽軌跡需求,并聯機器人由3條支鏈組成,第1支鏈用符號可以表示為-R-R-S-,第2支鏈表示為-HSOC{-R∥R-P4R-S-}-;第3支鏈和第2支鏈相同。符號含義分別為:R是轉動副,HSOC是混合支鏈,S是球副。

圖2 并聯機器人Fig.2 Parallel robot

2.2 輸送裝置設計

本次移栽需要從128孔穴盤移栽到72孔穴盤,為了實現自動化作業,設計了相應的配套輸送裝置,配合并聯移栽機器人進行穴盤運輸移動。為此,設計配合兩條輸送帶:一條用于將128孔穴盤黃瓜苗輸送至并聯機器人的移栽區域,待移栽作業完成后將空置的穴盤再輸送至收集處;另外一條輸送帶用于將72孔空穴盤輸送至移栽并聯機器人移栽作業位置,待移栽作業任務完成后,再將移栽后的穴盤輸送至下一步工序位置。

圖3所示的穴盤推桿定位安裝在鏈條上,電機帶動鏈輪轉動,安裝在鏈輪上的鏈條隨之轉動,從而推動穴盤推桿運動到指定移栽作業位置。

圖3 輸送裝置Fig.3 Convey device

2.3 整體結構設計

溫室并聯移栽機器人由框架結構、并聯機器人及輸送裝置三大部件組成,如圖4所示。一條輸送裝置通過鏈傳動將培育好的128孔穴盤苗輸送至并聯移栽機器人作業區域,且通過安裝在鏈條上的穴盤擋板間隔開每個穴盤;另一條輸送裝置將72孔空穴盤輸送至并聯移栽機器被移栽的作業區域等待移栽作業;整體的框架結構用于安裝并聯機器人的靜平臺,確定移栽作業區域。

整個溫室并聯移栽機器人與輸送裝置集成后,輸送裝置通過驅動電機驅動鏈輪轉動,帶動鏈條運轉;電機轉動一定的圈數后,穴盤擋板推動穴盤移動一定的距離,到達指定移栽作業區域后停止輸送裝置的驅動電機等待移栽作業。移栽機器人的驅動電機布置在靜平臺上,驅動并聯移栽機器人的驅動電機,通過PLC控制末端取苗爪的移栽作業。

3 試驗

3.1 育苗試驗

試驗選擇黃瓜苗作為移栽對象,品種為天津科潤農業科技股份有限公司黃瓜研究所研制的津優1號。育苗時,首先準備好育苗基質,體積配比按照草炭、蛭石、珍珠巖為3:1:1,加水攪拌均勻至濕度30%左右,要求基質不能成團;再將基質裝入128孔的穴盤,裝入時稍微用力,使得基質充滿穴孔,并抹平多余基質;將數個空穴盤疊起來,放在已抹平基質的穴盤上方并對齊,用力均勻向下壓,壓出的深度8～10mm(所有深度要一致,以便出苗整齊);最后,將準備好的黃瓜種子平放在穴盤孔中,每個穴放1顆,覆蓋1層10～15mm厚基質,并抹平多余基質;將播種好的穴盤放入水盆里浸水,直至浸透。黃瓜育苗穴盤如圖5所示。

圖5 黃瓜育苗穴盤(壓盤)Fig.5 Cucumber seedling tray (pressure tray)

在距離黃瓜下種育苗3周后,苗株整體高度約為10cm,略有差異;待到育苗第4～6周,苗株整體高度約為12cm。農藝研究表明:此時苗株主要是提升自身的盤根性,株高變化不大,是最佳移栽時機。對于本次研究的黃瓜苗,將以128孔穴盤作為初始育苗穴盤(見圖6),待苗株生長到6周時,將黃瓜苗移栽到72孔穴盤。黃瓜苗基情況如表1所示。

表1 移栽作業時黃瓜苗基本情況表Table 1 Basic table of cucumber Seedlings during planting

圖6 移栽黃瓜穴盤苗Fig.6 Transplant seedlings of cucumber seedlings

3.2 移栽試驗

樣機包含機械部分和控制部分,如圖7所示。其中,機械部分主要是框架結構、并聯機器人、輸送裝置,控制部分主要是電氣控制及其系統。設定本次移栽試驗時并聯機器人取苗后的上升高度為130cm,從128孔穴盤以不同加速度移栽至72孔穴盤中。

圖7 并聯移栽機器人系統樣機Fig.7 Prototype of parallel transplanting robot system

移栽試驗開始時,通過初步移栽調試試驗發現:若缽苗的含水率較低,移栽機器人的取苗爪在移栽作業時缽苗容易破裂,導致移栽過程中缽苗掉落甚至破裂,影響移栽合格率。因此,移栽時將黃瓜穴盤苗重新檢查含水率,每個穴盤孔中的黃瓜苗株的含水率大約在60%～70%時再進行下面的移栽重復試驗。

以取苗移栽階段時的不同移栽加速度進行對比試驗,根據試驗結果分析在不同移栽加速度條件下移栽成功率,并進行對比分析。試驗階段移栽加速度設定為5、10、15、20、25、30mm/s2,且設定并聯機器人在移栽作業完成后返回的加速度為30mm/s2。設定移栽過程中沒有出現缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功,移栽試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果Table 2 Test results

將移栽加速度調整為5、15、25、35、45mm/s2,且移栽作業完成后的返回加速度為50mm/s2。同樣設定移栽過程中沒有出現缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功。移栽試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果Table 3 Test results

將移栽加速度調整為10、20、30、40、50mm/s2,且移栽作業完成后的返回加速度為60mm/s2。同樣設定移栽過程中沒有出現缽苗破碎、缽苗掉落、苗株斷損且成功移栽至72孔穴盤中為移栽成功。移栽試驗結果如表4所示。

表4 試驗結果Table 4 Test results

4 結論

1)試驗結果表明:并聯移栽機器人在移栽速度在加速度超過20mm/s2時,缽苗破損數量及掉落數量明顯增加,移栽合格率降低;并聯移栽機器人在移栽加速度達到25mm/s2時,移栽合格率顯著降低;并聯移栽機器人在移栽加速度達到30mm/s2時,移栽合格率大大降低。

2)在3組移栽試驗中,以同樣的加速度移栽作業時,合格率不是完全一致。其原因可能是多樣的,如移栽時的缽苗狀況不佳、重復移栽作業時產生了累積誤差,導致移栽合格率下降等。

3)移栽試驗時,缽苗含水率對移栽效率的影響較大,若含水率較低時缽苗破裂的幾率大大提高。