夾莖式番茄缽苗取苗機構設計與試驗

李 華，馬曉曉，曹衛彬,3，李樹峰,3，周文靜

夾莖式番茄缽苗取苗機構設計與試驗

李 華1,2,3，馬曉曉2，曹衛彬2,3，李樹峰2,3，周文靜2

（1. 嶺南師范學院機電工程學院，湛江 524048；2. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832003；3. 農業農村部西北農業裝備重點試驗室，石河子 832003）

為避免取苗機構在夾取缽苗過程中對缽體與根系造成損傷，該研究針對夾莖取苗方式，提出一種基于二階橢圓齒輪行星輪系以及凸輪擺桿機構的夾莖式番茄缽苗取苗機構。依據二階橢圓齒輪傳動特性與機構工作原理，建立機構運動學理論模型，并對凸輪輪廓曲線進行設計，結合番茄缽苗取苗作業要求及機構特點，基于MATLAB軟件開發機構分析軟件對機構參數進行優化，并進一步分析優化后取苗軌跡與凸輪各工作段的對應位置關系，建立了夾莖式取苗機構虛擬樣機模型，利用ADAMS軟件對取苗機構運動過程進行仿真分析，驗證機構參數優化結果及零部件結構設計的準確性與合理性。試制取苗機構物理樣機開展高速攝影試驗，通過對比分析實際工作軌跡與理論分析及仿真軌跡的一致性，驗證了取苗機構設計的正確性。搭建自動取苗試驗臺進行取苗試驗。試驗結果表明，取苗機構工作性能可靠、穩定，取苗頻率為80株/min時，取苗成功率為92%，投苗成功率為94.2%，傷苗率為2.9%。研究結果可為番茄缽苗全自動移栽機自動取苗機構的研發提供參考。

農業機械；試驗；取苗機構；夾莖式；二階橢圓齒輪；番茄缽苗

0 引 言

新疆是中國加工番茄的主產區，番茄產業在新疆農業生產中占有非常重要的地位[1-2]。近年來新疆地區的番茄種植多采用育苗移栽，隨著種植規模的不斷擴大，每年春季對移栽機械的需求量劇增[3]。目前使用的移栽機械多為半自動移栽機，取投苗作業均需人工完成，自動化程度低、勞動強度大、作業成本高[4-6]。研制具有自動取苗和投苗功能的全自動移栽機勢在必行。

歐美國家研制的移栽機主要偏向于大型化、自動化和智能化聯合作業，取苗機構多為整排式取苗，雖然作業效率高，但整機價格昂貴，結構復雜，難以適應新疆地區膜上移栽的農藝要求，無法在新疆地區推廣應用[7-10]。韓國Choi等[11]研發了一種滑道-五桿式取苗機構，取苗成功率高達97%，但取苗效率僅為30株/min。日本洋馬公司研制的全自動蔬菜移栽機結構緊湊，自動化程度較高，移栽成功率在80%以上，但價格昂貴，維護成本高，取苗機構復雜，采用滑道機構控制取苗軌跡與姿態，工作過程中零部件易磨損[12-13]。東北農業大學與吉林鑫華裕農機有限公司合作研制的雙曲柄五桿機構水稻缽苗移栽機，是世界上第一臺單機構完成取苗、輸送和栽植動作的移栽裝備，結構簡單，但高速作業時機構振動較大，影響取苗與缽苗栽植質量，主要適用于低速移栽作業[14-15]。韓綠化等[16-17]設計了一種溫室缽苗自動移栽機，取苗機構采用氣動兩指四針鉗夾式夾缽取苗，針對多種缽苗的平均移栽成功率為90.70%，苗缽夾取破碎率低于5%，但作業效率不高。俞高紅等[18-20]提出了一種橢圓-非圓齒輪行星輪系取苗機構，主要由齒輪傳動部分和移栽臂組成，工作平穩，取苗效率較高，但非圓齒輪節曲線設計相對復雜。

基于以上分析，本文以適栽期番茄缽苗為對象，結合缽苗取苗作業要求，模擬人工取苗軌跡、動作及姿態變化要求，提出了一種斜夾直拔夾莖式取苗方法，并基于二階橢圓齒輪行星輪系與凸輪擺桿機構設計了一種夾莖式取苗機構。通過建立機構運動學模型，開發參數優化軟件獲得滿足番茄缽苗夾莖式取苗作業要求的理想取苗軌跡與機構參數，基于機構優化參數對取苗機構進行三維建模，并試制物理樣機。通過虛擬樣機仿真分析、高速攝影試驗以及臺架取苗試驗驗證番茄缽苗夾莖式取苗機構設計的合理性。

1 機構組成與工作原理

1.1 番茄缽苗夾莖式取苗機構設計要求

取苗機構的主要作用是模擬人工動作將缽苗從穴孔中取出，并按照一定軌跡運送至栽植器鴨嘴上方進行自動投苗[21]，需要在1個動作周期內完成取苗、運苗、投苗及回程4個動作過程。適栽期番茄缽苗莖稈粗壯且不易夾傷，若采用夾缽式取苗方式，苗針插入缽體時會對幼苗根系和基質造成機械損傷，影響缽苗的后續生長。因此，在分析人工夾莖取苗軌跡、動作及姿態變化過程的基礎上，提出如圖1所示的夾莖式取苗方案與取苗軌跡，設計的番茄缽苗夾莖式取苗機構需要滿足以下要求：

1）取苗、運苗和投苗過程的運動軌跡

取苗機構夾苗片夾持缽苗莖稈時要傾斜一定角度，拔苗取出時要垂直穴孔方向拔出，即滿足斜夾直拔作業要求；送苗過程中，夾苗片逐漸調整姿態，至投苗位置時需保證缽苗與栽植器鴨嘴豎直方向形成較小的角度差下落。

2）取苗、送苗和投苗過程夾苗片的開合狀態

夾苗片在靠近缽苗莖稈之前要完全張開；運動至莖稈兩側后完全夾緊，夾持缽苗莖稈；送苗過程中夾苗片保持夾緊狀態并持苗轉換空間姿態；送苗至栽植器鴨嘴上方投苗位置時夾苗片迅速張開投苗；投苗后回程階段始終保持張開狀態至下次取苗開始。

圖1 番茄缽苗取投苗過程

1.2 取苗機構組成及工作原理

根據取苗機構設計要求和二階橢圓齒輪行星系傳動特點，提出如圖2所示夾莖式取苗機構，主要由二階橢圓齒輪行星輪系傳動部分和夾苗器2部分組成，可以完成取苗、送苗和投苗3個動作。傳動部分由中心軸1、3個全等的二階橢圓齒輪（二階中心橢圓齒輪2、二階中間橢圓齒輪5、二階行星橢圓齒輪7）及行星架3組成；夾苗器部分由凸輪9、擺桿13、夾緊塊14、復位彈簧15與17、以及夾苗片20組成。中心軸一端與動力裝置連接，另一端與行星架固接，二階中心橢圓齒輪空套在中心軸上與機架固接，二階中間橢圓齒輪通過與其平鍵聯接的中間軸與行星架鉸鏈聯接，二階行星橢圓齒輪通過與其平鍵聯接的行星軸與行星架鉸鏈聯接，夾苗器通過夾苗器連接件與行星軸固接，凸輪通過凸輪軸與行星架固接，隨著行星架繞行星軸旋轉，凸輪將旋轉運動通過擺桿轉變為夾緊塊的移動，從而控制安裝在夾苗片支架上的夾苗片擺動，使兩夾苗片夾緊與張開，實現取苗和投苗作業。

1.中心軸 2.二階中心橢圓齒輪 3.行星架 4.中間軸 5.二階中間橢圓齒輪 6.行星軸 7.二階行星橢圓齒輪 8.夾苗器 9.凸輪 10.夾苗器連接件 11.支架 12.凸輪軸 13.擺桿 14.夾緊塊 15.復位彈簧a 16.夾苗片支架 17.復位彈簧b 18.螺栓 19.銷軸 20.夾苗片

工作時，二階中心橢圓齒輪固定不動，動力由中心軸傳遞至行星架，行星架繞二階中心橢圓齒輪逆時針勻速轉動，二階行星橢圓齒輪相對其中心作往復擺動，固接在行星軸的夾苗器同時隨二階行星橢圓齒輪往復擺動，使夾苗片末端形成封閉的取苗軌跡。當夾苗片運動至軌跡最右端靠近缽苗莖稈兩側時，凸輪擺桿機構控制夾苗片閉合，實現傾斜夾苗，并保持夾緊狀態；當夾苗片持苗接近投苗點時，通過連接在擺桿與支架上復位彈簧b的作用，使擺桿下落回位，同時安裝在兩夾苗片間的復位彈簧a使夾苗片打開實現投苗。

2 取苗機構運動學模型的建立

2.1 二階橢圓齒輪嚙合原理

二階橢圓齒輪又稱為卵形齒輪，齒輪副的一對相互純滾動的節曲線完全相同。如圖3所示，主動輪作等速順時針轉動，轉角為1，從動輪作逆時針變速轉動，轉角為2，兩二階橢圓齒輪瞬心線在1、2點接觸。1為主動輪的節曲線極徑，2為從動輪的節曲線極徑。

主動齒輪的節曲線極坐標方程為

式中1=(1－12)。二階橢圓齒輪長軸長為2(1+1)，mm；短軸長為2(1－1)，mm。

注：1、2分別為主動輪與從動輪的旋轉中心；1、2分別為主動輪與從動輪的嚙合點；1、2分別為主動輪與從動輪的極徑，mm；1、2分別為主動輪與從動輪的齒輪轉角，rad；為橢圓齒輪的長軸半徑，mm；1為主動輪偏心率；箭頭表示齒輪旋轉方向。

Note:1,2are rotation centers of driving gear and driven gear respectively;1,2are meshing points of driving gear and driven gear respectively;1,2are polar radius of driving gear and driven gear respectively, mm;1,2are rotation angles of driving gear and driven gear respectively, rad;is long axis radius of elliptical gear, mm;1is eccentricity of driving wheel; Arrow represent the rotation direction of gears.

圖3 二階橢圓齒輪傳動示意圖

Fig.3 Schematic diagram of the second-order elliptical gear transmission

從動輪的節曲線極坐標方程為

求得二階橢圓齒輪傳動比函數為

式中2為從動輪的偏心率；為二階橢圓齒輪傳動中心距，mm；12為主動輪與從動輪傳動比。

分析二階橢圓齒輪傳動特性可知，主從動輪曲線無內凹的條件為偏心率滿足0<<1/3，而橢圓齒輪偏心率對二階橢圓齒輪形狀及傳動比影響較大，可通過調整偏心率取值調節二階橢圓齒輪行星輪系的變速傳動范圍，得到滿足夾莖式取苗機構運動特性要求的二階橢圓齒輪輪廓形狀。

2.2 二階橢圓齒輪行星輪系機構運動學模型建立

建立夾莖式取苗機構運動學模型，可為編寫機構輔助分析與優化軟件，對取苗機構進行運動特性理論分析及參數優化奠定重要基礎。

二階橢圓齒輪行星輪系不等速傳動機構由3個完全相同的二階橢圓齒輪組成，如圖4所示，以行星架轉動中心1為坐標原點，水平方向為軸，豎直方向為軸建立直角坐標系[22-23]。

番茄缽苗取苗機構作業過程中，行星架勻速轉動。本文以逆時針轉動方向為正，順時針轉動方向為負。二階中心橢圓齒輪與機架固接，行星架相對于初始位置逆時針轉動的轉角為，轉速為。以φ()表示各二階橢圓齒輪相對行星架的自轉角。

根據二階橢圓齒輪行星輪系傳動特性，二階中心橢圓齒輪相對行星架順時針轉動，其相對行星架轉角1()為

注：ω為行星架角速度，rad·s-1；O3為二階行星橢圓齒輪旋轉中心；A為夾苗器拐角位置；B為夾苗器末端點；φH0為行星架初始安裝角，(°)；θ0為行星架拐角，(°)；θA0為夾苗器的初始安裝角，(°)；θB0為夾苗器拐角，(°)。

Note: ω is angular velocity of planetary carrier, rad·s-1; O3 is rotation center of second-order planetary elliptical gear; A is corner position of seedling clamper; B is end point of the seedling clamper; φH0 is initial installation angle of planetary carrier,(°); θ0 is corner angle of planetary carrier, (°); θA0 is initial installation angle of seedling clamper, (°); θB0 is corner angle of seedling clamper, (°).

圖4 二階橢圓齒輪行星輪系取苗機構

Fig.4 Seedling picking mechanism of planetary gear train with second-order elliptic gear

二階中間橢圓齒輪相對行星架逆時針轉動，其相對行星架轉角φ2(φ)為

（5）

二階行星橢圓齒輪相對行星架順時針轉動，其相對行星架轉角φ3(φ)為

改革開放40年來，中國取得了舉世矚目的成績，GDP規模位居世界第二位，制造業產值位居世界第一位，被稱為“中國奇跡”。與此同時，中國經濟質量的發展卻相對滯后，在全球價值鏈中所處地位較低[1]?，F階段國際經濟形勢復雜多變，中國的國民經濟發展速度逐漸放緩，進入結構調整的中速發展階段，國內經濟進入到了新常態的發展階段[2]，高盛在《“新常態”下的“新中國”經濟投資》報告中指出，中國經濟增長引擎轉向消費和服務業，傳統的中國投資框架已經無法有效追蹤中國經濟的“新常態”。

（6）

r3(φ)=a－r2(φ) （7）

式中r1(φ)為二階中心橢圓齒輪節曲線極徑，mm；r2(φ)為二階中間橢圓齒輪節曲線極徑，mm；r3(φ)為二階行星橢圓齒輪節曲線極徑，mm；a為二階橢圓齒輪傳動中心距，mm。

由于行星架拐角的引入，使得二階行星橢圓齒輪的初始安轉角φ30為

（8）

求得二階中間橢圓齒輪轉動中心O2坐標，進一步得到二階行星橢圓齒輪轉動中心O3坐標為

（9）

求得夾苗片末端A點的位移方程為

②Richard Kemp，“United Kingdom －Legal Aspects of Managing Big Data”，Cyberspace Law，19(6)，2014，p．6．

（10）

夾苗片端點B的位移方程為

農產品生產過程中，容易出現意外情況，包括人為因素和自然環境因素等。農業生產者可以通過互聯網查詢相關規避風險的方法，和其他農戶交流生產技術，來減少生產過程中的風險。收獲時期，農業生產者可以在互聯網上了解各地農產品供需信息，制定銷售規模和產品定價，優化資源要素配置。

（11）

式中xo2(φ)、yo2(φ)分別為二階中間橢圓齒輪轉動中心O2的橫、縱坐標，mm；xo3(φ)、yo3(φ)分別為二階行星橢圓齒輪轉動中心O3的橫、縱坐標，mm；xA(φ)、yA(φ)分別為夾苗器A點的橫、縱坐標，mm；xB(φ)、yB(φ)分別為夾苗片末端B點的橫、縱坐標，mm；lo3A為二階行星橢圓齒輪旋轉中心O3至夾苗器拐角A點的距離，mm；lAB為夾苗器拐角位置A點至夾苗片末端B點的距離，mm。

2.3 夾苗器凸輪機構設計

夾苗器是取苗機構能否成功完成取投苗動作的關鍵機構，一般通過凸輪擺桿機構以及復位彈簧控制其開合[24]，夾苗器凸輪機構則是其核心部件之一。課題組在前期夾缽式取苗機構取苗臂研究的基礎上[25]，結合夾莖式取苗機構對夾苗片開合動作控制要求，對夾缽式取苗臂結構進行優化改進，其主要結構參數可為本文夾苗器設計提供參考。為便于分析，將夾莖式取苗機構夾苗片的開合運動與凸輪擺桿的運動在同一平面表達，建立如圖5所示的直角坐標系，依據夾缽式取苗臂主要結構參數，得到夾莖式取苗機構夾苗器相關參數見表1。

注：A為夾苗片端點；B為夾苗片折彎點；O、C分別為夾苗片回轉中心；D為夾苗片上開合螺栓安裝點；E為夾緊塊作用于開合螺栓作用點；F為擺桿與夾緊塊連接點；F1，F2為擺桿的兩個極限位置；O4為擺桿擺動中心；H為滾子中心；O5為凸輪回轉中心；θ為夾苗片BC段與x方向夾角，(°)；φ為擺桿FO4段與y方向夾角，(°)；β為擺桿GH段與y方向夾角，(°)；φm為擺桿最大擺角，(°)。 Note: A is end point of seedling clip; B is bending point of seedling clip; O, C are both rotation center of seedling clip; D is the installation point of opening and closing bolt and seedling clip; E is the action point of clamping block acting on the opening and closing bolt; F is the connection point between swing rod and clamping block; F1, F2 are two extreme positions of swing rod; O4 is swing center of the swing rod; H is roller center; O5 is cam rotation center; θ is angle between BC segment of seedling clip and x direction, (°); φ is angle between FO4 segment of swing rod and y direction, (°); β is angle between GH segment of swing rod and y direction,(°); φm is maximum swing angle of swing rod, (°). 圖5 夾苗器凸輪機構示意圖 Fig.5 Schematic diagram of cam mechanism of seedling clamper

表1 夾苗器結構參數 Table 1 Structure parameters of seedling clamper 參數Parameters數值Values參數Parameters數值Values參數Parameters數值Values lAB/mm52LGH/mm21.9xO4/mm0 lBC/mm132LO2F/mm66.6yO4/mm-66.6 lCD/mm28.9LFG/mm51.8xO5/mm20 LDE/mm13.2yC/mm18yO5/mm-40.6 LEF/mm0yE/mm0β/(°)107.1

根據幾何關系得到點A坐標方程為

幸好，有一個同事，幫了我很多忙。還有一些朋友，時不時來看我；出院后，他們帶著我玩，外地和本地。抑郁癥患者最重要的是多一些交流和溝通，少一個人在房間里悶著、胡思亂想。身邊朋友們的好，是一種拯救。也因此，對所有人感恩，感激于每一個對你無償伸出援手的人，還有那些不落井下石，給予只言片語安慰和鼓勵的人，不僅是一種自覺的素質，更是一種必不可少的習慣和品性。

（12）

式中xA、yA分別為夾苗片末端A點的橫、縱坐標，mm；lBC為夾苗片BC段的長度，mm；lAB為夾苗片AB段的長度，mm；lOC為兩夾苗片回轉中心O點與C點的距離，mm。

依據A點坐標方程，依次求出凸輪機構直角坐標系中B、D、E與F各點坐標方程。并分別求出夾苗片間距最大和最小時，擺桿上F點運動到極限位置的坐標方程。

大體積混凝土由于相對散熱面積較小，在施工過程中很容易因內外溫差而出現溫度裂縫[2]。為有效控制承臺施工的混凝土溫度，針對重慶筍溪河特大橋工程，從以下幾個方面采取了溫度控制措施，以保證橋梁承臺的安全：

當夾苗片間距最大時，擺桿上F點運動到極限位置F1點處，推導出F1點坐標方程為

（13）

當夾苗片間距最小時，擺桿上F點運動到極限位置F2點處，推導出F2點坐標方程為

（14）

在以上各點坐標方程的基礎上，對G點與O4點進行分析，分別得到擺桿上G點與擺桿擺動中心O4的坐標方程，分析擺桿GH段，根據幾何關系得到點H的坐標方程為

豬高熱綜合征具有病因較為復雜、傳播速度較快、發病率及死亡率高等特點[1]，因此，我國養豬業受到一定的影響，為保證養豬業的不斷發展以及這一行業帶來的經濟效益，針對豬高熱綜合征的防控措施進行研究尤為重要。結合該文討論的問題，中西獸醫結合的方式能在這一疾病的防治中起到良好的效果。西藥的大量使用很有可能導致病豬出現其他并發癥或在健康方面受到其他影響，而單純使用中醫藥進行治療，那么就很有可能因為中醫藥難以迅速見效而導致病豬死亡率上升。結合這2點內容，在豬高熱綜合征防治中，靈活地將中西獸醫結合的理念進行應用非常重要。

（15）

式中xF、yF為擺桿與夾緊塊連接點F點的橫、縱坐標，mm；xF1、yF1為擺桿極限位置F1的橫、縱坐標，mm；xF2、yF2為擺桿極限位置F2的橫、縱坐標，mm；lFO4為擺桿FO4長度，mm；xH、yH分別為滾子中心H點的橫、縱坐標，mm；lGH為擺桿GH段的長度，mm。

得到滾子中心H到凸輪回轉中心O5的距離R為

（16）

則凸輪基圓半徑為r0=minR。

式中xO1、yO5分別為凸輪回轉中心O5的橫、縱坐標，mm。

樣品的全部制備過程均應遵循無菌操作程序，無菌生理鹽水作為稀釋液。以無菌操作稱取25 g樣品，置于225 mL稀釋液的無菌均質袋中，用拍擊式均質器拍打2 min制成1:10的樣品稀釋液。

適用的番茄育苗穴盤穴孔上口尺寸為32 mm× 32 mm，兩穴孔中心間距為32 mm，為避免取苗作業時，夾苗片靠近缽苗莖稈與左右穴孔缽苗莖稈以及苗盤產生干涉，確定兩夾苗片間最大距離為32 mm。根據前期對莖稈抗壓力學特性測試分析結果確定夾苗時兩夾苗片間保持距離為2 mm時莖稈具有較好的抗壓力學性能[26]。由此得到夾苗片在最大距離和最小距離時對應的yA值分別為：yAmax=16 mm，yAmin=1 mm，根據上述所建立的數學方程分別求出一組凸輪回轉中心到輪廓線上點的距離和擺桿的角度值，分別記為R1和φ1，R2和φ2，其中R1和R2中的較小值為凸輪的基圓半徑r0，即r0=minRi，φ1?φ2的值為擺桿最大擺角φmax。根據上述夾苗器凸輪機構運動學方程分別求得r0為5 mm，φmax為53°。

夾莖式取苗機構工作時要求取苗過程平穩，投苗過程迅速，本文選用五次多項式運動規律來設計凸輪輪廓曲線，結合凸輪機構運動學分析，計算得到夾苗器凸輪運動過程參數如表2所示，進而得到凸輪實際輪廓曲線。

表2 夾苗器凸輪運動過程參數 Table 2 Cam motion process parameters of seedling clamper 工作階段Working segments起始升程Initial lift/mm終止升程Terminating lift/mm起始角度Initial angle/(°)終止角度Termination angle/(°) 推程158.5080 近休止段8.58.580120 推程28.513120140 遠休止段1313140320 回程135320360

注：起始升程與終止升程分別為滾子中心H相對于凸輪回轉中心O5的距離。

Note: Initial lift and termination lift are distance between roller center H and cam rotation center O5.

3 取苗機構參數優化

3.1 優化目標

為使取苗機構夾苗片端點形成理想的運動軌跡，滿足夾莖式取苗作業的工作要求，結合前期對齒輪-連桿組合取苗機構參數優化研究的基礎與經驗[27]，分析番茄缽苗形態特征與取苗機構運動過程及結構特點，共確定如下7個優化目標與約束條件：

1）為避免取苗過程中夾苗片扎傷缽苗苗葉，要求夾苗片避開苗葉，并沿缽苗生長方向自下而上靠近缽苗莖稈，且以一定傾斜角度夾持莖稈，拔取缽苗時盡量使缽苗垂直于穴孔，以滿足斜夾直拔作業要求；

融資租賃又稱金融租賃或現代租賃，是指出租人根據承租人對供貨人和租賃標的物的選擇，由出租人向供貨人購買租賃標的物，然后租給承租人使用。融資租賃是一種融物與融資密切結合、以融物手段達到融資目的的信用形式。

2）取苗角（夾苗片夾持缽苗莖稈時與莖稈生長方向夾角）介于20°與50°之間。課題組自制送盤裝置傾斜角度為30°，取苗時缽苗傾斜角度為60°，理論上取苗角取值范圍介于0°與60°之間，但為保證夾苗器順利取苗且不損傷苗葉與穴盤，滿足夾莖取苗作業的斜夾直拔要求，取苗角不能過大或過小，考慮取苗機構實際工作情況，將其取值范圍初步設定為20°與50°之間。

3）投苗角（投苗時缽苗莖稈與豎直方向夾角）小于40°，保證夾苗片張開投苗時，缽苗下落瞬間能夠快速轉換為豎直向下姿態；

4）取苗過程中應保證夾苗器與苗盤不能發生干涉，避免取苗機構損傷穴盤；

5）拔苗段直線軌跡長度須大于40 mm（番茄育苗穴盤穴孔深度為40 mm），才能保證將缽苗從穴盤中完全取出；

6）為避免取苗過程中缽苗與送盤裝置及取苗機構發生干涉，取苗軌跡高度須大于190 mm；

7）取苗軌跡寬度大于100 mm。為保證取苗機構作業過程中不與穴盤發生干涉，在夾苗拔取過程中形成直線段軌跡，要求取苗軌跡曲線過渡段為光滑圓弧，并在軌跡右端形成尖嘴狀環扣。通過對取苗機構簡化模型進行運動仿真分析，當取苗軌跡寬度小于100 mm時無法滿足上述要求。

涉及的優化參數主要有：二階橢圓齒輪長軸長2Al、二階橢圓齒輪偏心率k、行星架拐角θ0、夾苗器初始安裝角θA0、行星輪旋轉中心到夾苗片末端A點的距離LO3A、夾苗片AB段長度LAB以及夾苗器拐角θB0。

3.2 參數優化過程與結果

基于2.2節建立的運動學模型，利用MATLAB軟件的GUI模塊編寫取苗機構輔助分析與優化軟件如圖6，進行取苗機構參數與取苗軌跡的優化。

圖6 取苗機構人機交互分析優化軟件 Fig.6 Optimization software for human-computer interaction analysis of seedling picking mechanism

在優化過程中采用單變量控制法分析取苗機構各主要設計參數單獨變化時對取苗軌跡的影響。首先根據研究經驗與機構設計要求對各目標優化變量分別賦予初始參數，并保持其他參數不變，在該初始參數值基礎上利用人機交互優化軟件逐步調整其取值，分析該參數變化對取苗機構運動軌跡及優化目標的影響規律，待確定其理想取值后再對其余待優化參數進行逐一優化。優化后得到1組滿足作業要求的機構參數：二階橢圓齒輪長軸長2Al=49 mm；二階橢圓齒輪偏心率k=0.15；行星架拐角θ0=60°；夾苗器初始安裝角θA0=48°；行星輪旋轉中心到夾苗片A點距離LO3A=45 mm；夾苗片AB段長度LAB= 195 mm；夾苗器拐角θB0=90°。

利用該組優化參數，分別求得其他各組合參數優化值，如表3所示，優化參數組合的取苗機構簡化模型及取苗軌跡如圖7所示。

表3 取苗機構參數優化結果 Table 3 Parameter optimization results of seedling picking mechanism 參數Parameters含義Meanings數值Values θ1/(°)取苗角40 θ2/(°)投苗角30 R/mm取苗軌跡處圓弧半徑28 L1/mm取苗軌跡處圓弧圓心距環扣尖點距離28 L2/mm拔苗段直線軌跡長度60 L3/mm取苗軌跡高度220 L4/mm取苗軌跡寬度170

分析取苗機構參數優化結果和取苗軌跡可知，夾莖式取苗機構的取苗角θ1為40°，取苗軌跡拔苗段直線軌跡長度為60 mm，取苗機構夾苗片末端在取苗軌跡右端形成的環扣狀軌跡有利于夾苗片實現姿態轉換并完成斜夾直拔式取苗動作。優化后的投苗角為30°，取苗軌跡高度值與寬度值分別為220和170 mm，滿足優化目標。

1.二階中心橢圓齒輪 2.二階中間橢圓齒輪 3.行星架 4.二階行星橢圓齒輪 5.夾苗器 6.取苗軌跡 1.Second-order central elliptical gear 2.Second-order middle elliptical gear 3.Planet carrier 4.Second-order planetary elliptical gear 5.Seedling clamper 6.Trajectory of seedling picking 圖7 優化后的取苗機構簡圖與運動軌跡 Fig.7 Schematic diagram and trajectory of optimized transplanting mechanism

3.3 取苗軌跡與凸輪工作行程匹配關系

在二階橢圓齒輪行星輪系逆時針轉動過程中，行星軸帶動夾苗器相對行星架順時針轉動，夾苗片端點形成如圖8b所示的取苗軌跡，凸輪與行星架同步運動，根據取苗機構的作業要求，得到凸輪對應的各工作階段如圖8a所示。

注：A：取苗開始點；B：夾苗開始點；C：拔苗開始點；D：拔苗結束點；E：投苗開始點；F：投苗結束點。A0－F0為取苗軌跡上的各對應點。 Note: A: starting point of seedling picking; B: starting point of seedling clamping; C: starting point of seedling pulling; D: end point of seedling pulling; E: starting point of seedling dropping; F: end point of seedling dropping. A0－F0 represents the corresponding points on seedling pickling flack. 圖8 凸輪工作段與取苗軌跡匹配關系 Fig.8 Matching relationship of cam working section and trajectory of seedling picking

近休止段AB：當擺桿運動至A點時，凸輪空運行階段開始，凸輪相對于擺桿逆時針旋轉，兩夾苗片完全張開，擺桿相對夾苗器保持靜止，兩夾苗片以與缽苗莖稈40°的傾斜角度，即取苗角，靠近缽苗莖稈。夾苗片末端從取苗軌跡上的A0點到達環扣處B0點時擺桿運動到凸輪輪廓B點位置。

夾苗段BC：此階段夾苗片以固定張角從缽苗莖稈兩側穿過，從B點開始，凸輪驅動擺桿做逆時針擺動，在擺桿作用下夾緊塊迅速到達極限位置，夾苗片瞬間夾緊缽苗莖稈，此時復位彈簧a受拉伸長，復位彈簧b受壓縮短，夾緊莖稈后兩夾苗片端點間距保持不變。

拔苗段CD：此階段擺桿位于凸輪輪廓遠休止段，在凸輪輪廓CD段保持相對靜止的運動，兩夾苗片保持莖稈夾緊狀態，沿取苗軌跡C0D0段垂直穴盤平面將缽苗拔出穴孔。

送苗段DE：此階段擺桿在凸輪輪廓DE工作段保持相對靜止的運動，夾苗器隨二階行星橢圓齒輪做順時針轉動，兩夾苗片保持夾緊缽苗莖稈，在夾苗器帶動下沿取苗軌跡D0E0運動，凸輪旋轉到E點時，送苗過程結束，缽苗轉換姿態，取苗機構進入投苗階段。

投苗段EF：當擺桿與凸輪輪廓E點接觸時夾苗器開始投苗，此時擺桿下落回位，夾緊塊在復位彈簧b的作用下向后滑動，同時復位彈簧a恢復原長，兩夾苗片快速張開，到達F點時投苗結束，兩夾苗片尖點距離最大。

復位段FA：當凸輪共同與行星架逆時針轉動，擺桿與凸輪輪廓上F點接觸后，凸輪進入復位段，擺桿相對于夾苗器逆時針擺動，此過程兩夾苗片間距逐漸減小，當夾苗片末端運動至取苗軌跡A0點時，兩夾苗片間距保持不變，取苗機構準備進入下一次取苗過程。

4 驗證試驗

4.1 虛擬樣機仿真試驗

根據夾莖式取苗機構參數優化結果，利用Solidworks軟件對取苗機構進行結構設計并完成虛擬樣機裝配，利用ADAMS軟件對取苗機構運動過程進行虛擬仿真分析，獲得取苗機構夾苗器上夾苗片標記點的運動軌跡，如圖9所示。

圖9 虛擬樣機仿真軌跡 Fig.9 Simulation trajectory of virtual prototype

測量取苗軌跡高度、寬度以及拔苗段直線段軌跡長度等參數，與理論分析得到的取苗軌跡（圖7）進行對比，結果表明該仿真軌跡與理論軌跡基本一致，驗證了取苗機構設計的正確性以及理論分析的準確性。

4.2 高速攝像試驗

在Solidworks中完成夾莖式取苗機構設計，根據設計結果加工取苗機構物理樣機，并搭建自動取苗試驗臺。

試驗采用高速攝像技術采集取苗機構運動過程視頻，獲取并分析夾苗片末端運動軌跡。試驗儀器為FASTEC-TS4型高速攝像儀，分辨率1 280×1 024（像素），幀速率500幀/s。試驗時在取苗機構夾苗片末端粘貼標記點以便捕捉其運動軌跡，將機構調試至運轉平穩后采集其運動視頻，采集時取苗機構轉速為60 r/min。利用高速攝像運動分析軟件ProAnalyst獲得夾苗片末端實際運動軌跡如圖10所示。將樣機高速攝像試驗軌跡、理論分析軌跡（圖7）以及虛擬仿真軌跡（圖9）進行對比分析可知三者總體趨勢基本保持一致，但由于取苗試驗臺存在振動以及高速攝影跟蹤軌跡手工描點誤差等原因，樣機試驗軌跡不夠光滑，尤其在軌跡曲線環扣處以及軌跡最下端較為明顯。試驗結果驗證了取苗機構理論分析的正確性，所設計的取苗機構能夠滿足番茄缽苗斜夾直拔夾莖式取苗軌跡以及姿態轉換等作業要求。

其實，這跟年歲一點關系都沒有。央視有個足球評論員叫張路，說球說了三十多年。我小時候，他就在激情澎湃地說意甲，如今還在激情澎湃地說球，一口氣說出那么多球員的名字，這得多好的記憶力啊。老了的張路先生，依然顯得年輕，依然帥氣，也只有活在自我情趣中的人，才會這么年輕吧。

1.取苗機構 2.夾苗片末端實際運動軌跡 3.送苗裝置 1.Seedling picking mechanism 2.Actual movement trajectory of seedling clip end point 3.Seedling feeding device 圖10 樣機高速攝影試驗軌跡 Fig.10 High-speed photographic test trajectory of prototype

4.3 取苗試驗

為進一步驗證夾莖式取苗機構的實際工作性能，進行取苗試驗。試驗用苗為新疆地區大面積移栽種植的“石番36號”加工番茄缽苗，苗齡為45 d，缽苗長勢良好，根系充分包絡基質。穴盤規格為16×8，穴孔上邊尺寸為32 mm×32 mm，下邊尺寸為16 mm×16 mm，相鄰穴孔中心距為32 mm，穴孔深40 mm。試驗前用噴壺澆透缽苗缽體，15 h后進行試驗，測得缽體含水率平均值為65.74%。

為保證取苗機構夾莖取苗的可靠性，對隨機選取的30株番茄缽苗在穴盤中相對缽體中心的偏移量進行測量。得到缽苗莖稈相對缽體中心的最大偏移量為10.58 mm，平均偏移量為5.95 mm，即缽苗生長在以缽體中心為圓心，以10.58 mm為半徑的圓周內。

取苗試驗于2019年12月在石河子大學農業部西北農業裝備重點試驗室自動取苗試驗臺上進行，如圖11所示。依據JB-T10291-2013《旱地栽植機械》行業標準[28]，結合番茄缽苗自動移栽機取苗機構工作要求，選取取苗成功率、投苗成功率及傷苗率作為取苗效果評價指標。由于新疆膜上移栽機移栽頻率一般低于70株/min[29]，本次試驗將取苗機構轉速分別調整至60、70及80 r/min，對應取苗頻率分別為60、70與80 株/min，不同工作頻率下各進行1組取苗試驗，每組試驗選取1盤缽苗，測試取苗機構在不同取苗頻率下的工作性能。

1.取苗機構 2.番茄缽苗 3.送苗裝置 1.Seedling picking mechanism 2.Tomato plug seedlings 3.Seedling feeding device 圖11 取苗試驗 Fig.11 Seedling picking test

試驗過程中記錄穴盤缺苗數、成功取苗數、成功投苗數以及傷苗數，并計算對應評價指標值。取苗試驗結果如表4所示。分析表4可知，取苗機構作業效果良好，夾苗器能夠順利完成夾苗和投苗動作，且傷苗率較低，當取苗頻率為60與70株/min時，傷苗率僅為1.7%，取苗機構對缽苗苗葉、莖稈以及根系沒有造成明顯機械損傷，出現損傷的情況為缽苗根系沒有充分纏繞包裹缽體，夾持莖稈拔取缽苗時缽體下端出現輕微破損。

取苗成功率隨取苗頻率的增加而下降，當取苗頻率為80株/min時，取苗成功率為92%。分析夾莖取苗過程中出現漏取的原因主要有：1）缽苗葉面展幅過大，部分缽苗枝葉纏繞，取苗時夾苗片將鄰近穴孔缽苗一同帶離穴孔；2）送苗裝置間歇送苗時由于試驗臺振動使部分缽苗脫離穴孔，當缽苗由送苗裝置輸送至取苗位置時，缽苗相對于穴孔出現位置偏移，由于缽苗莖稈已經存在的偏移量，使得缽苗莖稈相對于取苗夾片的位置偏移量出現累計，造成夾苗片無法準確夾持缽苗莖稈取苗，從而出現漏取。投苗成功率也隨取苗頻率的增加而下降，取苗頻率為80株/min時的投苗成功率為94.2%，成功取出的104株缽苗中有6株在姿態轉換過程中出現滑落，分析其主要原因是由于夾苗片末端內側沒有做防滑處理，且取苗機構高速運轉時夾苗片受到振動影響使夾苗狀態發生變化，出現夾持松動，從而導致缽苗脫離夾苗器，造成投苗失敗。

表4 取苗試驗結果 Table 4 Test results of seedlings picking 穴盤Plugs取苗頻率Seedling picking frequency/(株·min-1)缽苗數Number of plug seedling 穴盤缺苗數Number of plug seedling missing取苗數Number of seedlings picking 取苗成功率Success rate of seedling picking/%投苗數Number of seedling dropping投苗成功率Success rate of seedling dropping/%傷苗數Number of injured seedlings傷苗率Injury rate/% 1601181011294.910997.321.7 270120811293.310795.321.7 38011315104929894.232.9

5 結 論

1）基于二階橢圓齒輪行星輪系與凸輪擺桿機構，設計了一種滿足斜夾直拔作業要求的番茄缽苗夾莖式取苗機構，分析了該取苗機構的設計要求及工作原理，建立了機構的運動學模型，并設計了夾苗器開合控制凸輪輪廓曲線。

2）利用MATLAB軟件編寫了夾莖式取苗機構輔助設計軟件，分析得到1組滿足番茄缽苗夾莖式取苗作業要求的機構參數：二階橢圓齒輪長軸長為49 mm，二階橢圓齒輪偏心率為0.15，行星架拐角為60°，夾苗器初始安裝角為48°，行星輪旋轉中心到夾苗片末端距離為45 mm，夾苗片上折彎點至其末端距離為195 mm，夾苗器拐角為90°。優化參數下取苗機構取苗角θ1為40°，取苗軌跡拔苗段直線軌跡長度為60 mm，滿足斜夾直拔取苗作業要求。

3）基于優化后的機構參數，進行了取苗機構虛擬樣機仿真分析，并試制樣機進行高速攝像與取苗試驗，試驗結果表明夾莖式取苗機構能夠滿足番茄缽苗取苗作業要求，取苗頻率為80株/min時，取苗成功率為92%，投苗成功率為94.2%，傷苗率為2.9%，驗證了該取苗機構理論分析與設計的準確性及合理性。

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Design and experiment of seedling picking mechanism by stem clipping for tomato plug seedling

Li Hua1,2,3, Ma Xiaoxiao2, Cao Weibin2,3, Li Shufeng2,3, Zhou Wenjing2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048,China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China; 3. Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment of Ministry of Agricultureand Rural Affairs, Shihezi 832003, China)

Abstract: Technology of seedling transplanting is widely used in the tomato planting in Xinjiang, Western China. In recent years, the demanding for the automatically transplanting machine increases rapidly, with the continuous expansion of planting scale. Nevertheless, most transplanting machines used in Xinjiang are semi-automatic transplanters, which still need the manual operation to complete seedling picking and dropping. Thus, it is very imperative to develop the automatic transplanter for the plug seedlings of tomato. As one of the key components in an automatic transplanter, the seedling picking device can pick plug seedlings and then drop them automatically with a preset movement trajectory. Since the stems of tomato plug seedlings have good mechanical properties in a suitable period, in this study, a novel seedling picking device in a stem clipping type was designed for the tomato plug seedlings, using the special mechanism of second-order elliptical planetary gear train and cam swinging rod. An automatic seedling picking test-bed was built for the tomato seedling picking experiment, which was carried out in the Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, China. The picking mechanism in a stem clipping type showed a good effect on reducing the damage rate of plug seedling, while improving the efficiency of seedling picking. 1) The kinematic model of seedling picking mechanism was established by analyzing the transmission characteristics of second-order elliptic gear, meanwhile, the actual contour curve of cam was also explored. A specific optimization objective of mechanism parameters was proposed, according to the requirements of picking tomato seedling, and the structural characteristics of seedling picking mechanism. A human-computer interaction optimization software was established on the MATLAB software to optimize the structure parameters for the stem clipping type in a seedling picking device. 2) A dataset on the optimal combination of mechanism parameters was obtained by the human-computer interaction analysis, indicating to satisfy the requirements of oblique clamping and straight pulling operation, when the seedling picking mechanism working. The virtual prototype of seedling picking mechanism in a stem clipping type was designed on the SOLIDWPORKS software, and then the physical prototype of mechanism was developed, according to the optimized structural parameters. 3) The virtual simulation of device and high-speed photography experiment were carried out, in order to verify the accuracy of the optimized structural parameters. The results showed that the relative trajectories at the endpoint of seedling clip captured from a high-speed camera were basically consistent with the theoretical trajectories and virtual prototype simulation. According to the picking experiment of tomato plug seedling, the success rate of seedling picking reached 92%, when the seedling frequency was set as 80 plants/min, while, the damage rate of seedling was only 2.9%, and the success rate of dropping seedlings attained to 94.2%. The test results showed that the seedling picking mechanism was stable and reliable when working, indicating that the mechanism can perfectly meet the agronomic requirements of mechanical seedlings picking for tomato plug seedlings. The findings can provide an important reference and technical support for the development of automatically picking mechanism in plug seedling.

Keywords:agricultural machinery; experiment; seedling picking mechanism; stem clipping type; second-order elliptical gear; tomato plug seedling

李華，馬曉曉，曹衛彬，等. 夾莖式番茄缽苗取苗機構設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(21)：39-48.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005 http://www.tcsae.org

Li Hua, Ma Xiaoxiao, Cao Weibin, et al. Design and experiment of seedling picking mechanism by stem clipping for tomato plug seedling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 39-48. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005 http://www.tcsae.org

收稿日期：2020-06-13

修訂日期：2020-10-22

基金項目：國家自然科學基金項目（51765059）；廣東省自然科學基金項目；嶺南師范學院自然科學類校級人才專項（ZL2020）；新疆兵團重大科技項目（2018AA010）

作者簡介：李華，博士，副教授，主要從事農業機械設計與自動化技術研究。Email：shzdxlh@126.com

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005

中圖分類號：S223.92

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819(2020)-21-0039-10