杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統設計與試驗分析

李鵬舉，毛鵬軍，耿 乾，方 騫，張家瑞，黃傳鵬

（1.河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.甘肅省機械科學研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000；3.河南科技大學農業裝備工程學院，河南 洛陽 471003）

杜仲是我國名貴的經濟樹種，也是世界上發展潛力最大的優質膠源樹種［1］。在育苗時，常采用嫁接方法來提高杜仲的抗寒性、抗旱性和抗病性。但人工嫁接方法存在勞動強度大、效率低、幼苗成活率低以及難以實現工廠化育苗等問題［2-3］。

對于植物嫁接機器人的研究，國外起步較早。20世紀80年代，日本的井關農機株式會社和生研株式會社合作研制了瓜科半自動嫁接機，其采用單株貼接法，嫁接效率為800株/h，嫁接成功率可達95%［4］；20世紀90年代初，韓國的Helper Robotech公司開發了GR-800CS型自動嫁接機，其可對茄科和瓜科蔬菜進行嫁接，嫁接效率可達800株/h［5］；2010年，荷蘭的ISO Group Machinebouw公司研制了一種瓜、茄科作物嫁接機器人，該機器人采用圖像處理技術對作物幼苗進行識別處理，幼苗的成活率可達99%［4］。

我國對植物嫁接機器人的研究起步較晚。2008年，湖南農業大學的李明等研制了一種半旋轉切削機構，并以桃、李、柑橘、葡萄和板栗等5種嫁接幼苗為試驗對象進行正交試驗，驗證了該切削機構的可行性［6］；2010年，湖南農業大學的羅軍等以葡萄苗莖桿為試驗對象，研究了切削深度、轉速以及莖稈直徑等因素對切削扭矩的影響，并制作了基于Plug-in的苗木嫁接機切削機構，提高了葡萄苗的嫁接效率［7-8］；2014年，華南農業大學的楊艷麗等研制了一種半自動葫蘆科幼苗嫁接機器人，其采用砧木子葉氣吸夾方式，縮短了砧木上苗的作業時間，使得嫁接效率提高至600株/h［9］；2015年，浙江理工大學的張雷等采用圖像處理綜合算法實時獲取了蔬菜嫁接苗的直徑、生長點和苗長等特征信息，經驗證，該算法能夠滿足嫁接機器人實時獲取苗木嫁接位置的要求，可提高苗木的嫁接效率和成活率［10］；2017年，中國農業大學的李世軍等基于光切法得到了葡萄砧木苗的切面，并采用圖像處理方法實現了葡萄硬枝嫁接切面粗糙度的檢測［11］。但是，目前針對杜仲嫁接機器人的研究仍很少。

苗木嫁接機器人最關鍵的部件是切削機構。切削機構的性能直接影響苗木的嫁接效率和成活率［12］。基于此，筆者設計了一種杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統，其一次可完成4行4列（共16株）杜仲砧木苗的切削，旨在解決人工切削方法效率低、長時間作業效果不穩定等問題。

1 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的結構組成及工作流程

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統由夾持機構、輸送機構、切削機構和皮帶清理機構等4個部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統結構組成Fig.1 Structure composition of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

如圖2所示，杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的工作流程為：1）放入杜仲砧木苗盤，觸發苗盤放入傳感器，同時啟動皮帶清理機構，以將苗盤送至夾持機構處；2）觸發夾持機構傳感器，完成夾苗定位，之后皮帶清理機構和夾持機構同時啟動；3）苗盤到達切削位置后，觸發切削機構傳感器，按照設定順序完成切削動作；4）啟動皮帶清理機構和夾持機構，苗盤到達皮帶變坡位置后，觸發皮帶變坡傳感器，夾持機構松開苗盤；5）再次啟動皮帶清理機構和夾持機構，直至苗盤到達出料口；6）觸發出料口傳感器，皮帶清理機構和夾持機構停止運行，并等待1 s；7）夾持機構啟動倒轉，回到起始位；8）觸發起始位傳感器，皮帶清理機構停止運行，系統做下一次切削準備。

圖2 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的工作流程Fig.2 Working flow of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

2 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統關鍵部件設計

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統中最關鍵的部件是矩陣式切削機構和夾持機構。下面對矩陣式切削機構和夾持機構進行設計。

2.1 矩陣式切削機構設計

2.1.1 杜仲砧木苗切削方式選取

常見的砧木切削方式可分為直切、斜切、旋切和滑切等幾種方式［13-14］。圖3（a）所示為直切方式，可將砧木切成水平斷面，但不滿足杜仲的嫁接要求。圖3（b）所示為斜切方式，切刀刀刃和砧木呈一定夾角。對砧木進行受力分析發現，沿著砧木方向，由于受到切刀的壓力F，切刀刀刃兩側的砧木纖維受到擠壓，隨著切刀的進入，壓力變大，導致刀刃下方的砧木失去向內收縮的恢復力，從而影響砧木的嫁接存活率。圖3（c）所示為旋切方式，位于旋轉刀柄上的切刀可一次性完成穗木和砧木的切削。由于刀柄作旋轉運動，使得穗木和砧木的切面為弧面，若要使切面為平面，則需增大切削半徑，但這會造成切削機構體積龐大，成本增加。圖3（d）所示為滑切方式，切刀與砧木呈垂直關系，切刀切削砧木時，切刀作垂直于砧木方向和平行于刀柄方向的切削運動，在這種切削方式下，切刀進入砧木后產生的摩擦力較小，從而使砧木切面的形變量較小，但采用滑切方式的切削機構的復雜程度較高和制造成本較大［15-16］。綜合上述幾種切削方式的優缺點，對直切方式進行改進，即保證切刀所在平面與砧木軸線垂直，與砧木徑面呈一定夾角，將這種切削方式稱為壓切。采用壓切方式的切削機構結構簡單，可使砧木的切面為斜面類橢圓面，對砧木的損傷較小，符合杜仲的嫁接要求。

圖3 常用的砧木切削方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of commonly used rootstock cutting methods

2.1.2 杜仲砧木苗切削特性分析

杜仲苗與蔬菜苗的最大區別是前者的莖內為木質結構，而后者的莖內為嫩芽。選取滿足嫁接要求的杜仲砧木苗，共200株，統計其形態特征，結果如表1所示。

表1 嫁接期杜仲砧木苗的形態特征Table 1 Morphological characteristics of eucommia ulmoides rootstock seedlings during grafting 單位：mm

根據杜仲嫁接育苗技術規程的要求，在杜仲砧木苗地上高50 mm處進行嫁接。杜仲砧木苗切面與苗盤水平面呈75°。取直徑為6 mm的杜仲砧木苗進行切削，其切面如圖4所示。

圖4 杜仲砧木苗切面示意圖Fig.4 Schematic diagram of cutting surface of eucommia ulmoides rootstock seedling

由圖4可知，杜仲砧木苗的切面形狀為橢圓形，其中：AB為杜仲砧木苗的直徑，A1B1為杜仲砧木苗切面的長軸，C1D1為杜仲砧木苗切面的短軸。以C1D1方向為X軸方向、A1B1方向為Y軸方向，構建直角坐標系，則杜仲砧木苗切面的方程可表示為：

由圖4可以看出，當切刀從D1點水平切入杜仲砧木苗時，阻力增大；當切刀刀刃與A1B1重合時，阻力增大速率達到最大，之后阻力增大速率緩慢減小，直至杜仲砧木苗被切斷。設杜仲砧木苗橢圓切面的長軸長度為2b，短軸長度為2a，則杜仲砧木苗切面的面積S可表示為：

式中：x為進刀距離；y為切口長度。

由于杜仲砧木苗切面的長軸和短軸的長度為常數，代入數值并化簡式（2），可得：

進刀阻力與杜仲砧木苗切面面積成正比，則進刀阻力Ff可表示為：

聯立式（3）和式（4）并化簡，可得進刀阻力的函數式。通過計算和試驗分析得到最終的進刀阻力為70.34 N。

2.1.3 矩陣式切削機構結構設計

當采用壓切方式時，砧木一側須貼在板上，切刀從另一側切入。為防止因晃動而導致的砧木切面不平整，在切削過程中須固定砧木。設計的矩陣式切削機構的結構如圖5所示。當杜仲砧木苗進入矩陣式切削機構后，利用壓苗板和背板將杜仲砧木苗固定。

圖5 矩陣式切削機構結構示意圖Fig.5 Structure diagram of matrix cutting mechanism

矩陣式切削機構主要由光軸、切刀固定板、滑塊、壓苗固定板、背板固定板、背板、壓苗板、切刀保護板、切刀、刀座、刀架、切苗氣缸和壓苗氣缸（2個氣缸位于切削機構內部，在圖5中未顯示）等組成。其中，光軸通過光軸固定座固定在機架上，上、下光軸上分別套有4塊和3塊滑塊（見圖6），用于固定切刀固定板、背板固定板和壓苗固定板。

圖6 矩陣式切削機構后視圖Fig.6 Rear view of matrix cutting mechanism

2.2 夾持機構設計

夾持機構的作用是實現苗盤夾持和砧木固定，以保證切削精度。設計的夾持機構的結構如圖7所示，其主要包括苗盤夾緊板、苗盤、砧木夾子、導軌滑塊、導軌、U形固定座、連接板、背板氣缸、光軸和滑塊等。

夾持機構的工作流程為：當操作人員將杜仲砧木苗盤放入時，苗盤放入傳感器檢測到苗盤喂入，啟動皮帶清理機構，通過皮帶輸送將苗盤送至夾持機構處，夾持機構傳感器獲取苗盤到位信息后，皮帶清理機構停止運行；然后，夾持機構后方的背板氣缸收縮，使得左、右苗盤夾緊板夾緊苗盤；與此同時，砧木夾子閉合，將杜仲砧木苗固定在定位孔內。

圖7 夾持機構結構示意圖Fig.7 Structure diagram of clamping mechanism

2.3 矩陣式切削系統氣缸選型

在矩陣式切削系統中，氣缸為主要執行元件。其中：背板氣缸用于控制左、右兩側苗盤壓緊板，以固定苗盤；切苗氣缸用于控制切刀固定板滑塊動作，以帶動切刀完成切苗動作；壓苗氣缸用于控制壓苗板動作，以固定杜仲砧木苗。背板固定板、切刀固定板和壓苗固定板都與相應氣缸連接。根據杜仲砧木苗盤的形狀，確定背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸的行程分別為20，15和20 mm。氣缸推力與氣體壓強、氣缸活塞橫截面積有關，其計算式為：

式中：Ft為氣缸推力；P為氣體壓強，與所配氣泵有關，工作時P=0.5 MPa；A為氣缸活塞橫截面積。

通過計算可得，背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸的性能參數如表2所示。根據表2，矩陣式切削系統的背板氣缸和切苗氣缸選用亞德克AirTAC SDA 63×20系列單桿氣缸；壓苗氣缸選用亞德克AirTAC MGPM 25-40系列三桿氣缸。

表2 矩陣式切削系統中各氣缸的性能參數Table 2 Performance parameters of each cylinder in matrix cutting system

3 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的控制系統設計

3.1 控制系統的功能與組成

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統控制系統的主要功能為：通過輸入、輸出控制指令對背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸進行控制，進而完成苗盤固定，杜仲砧木苗的定位、切削等動作；對皮帶清理機構電機進行控制，完成苗盤放入、傳輸以及切削后樹枝的清理等動作。該控制系統有手動和自動兩種控制模式。

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統控制系統采用PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制，包括硬件和軟件兩部分，其中硬件部分的組成如圖8所示。

圖8 基于PLC的杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統控制系統的硬件組成Fig.8 Hardware composition of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot based on PLC

3.2 控制系統硬件設計

PLC在控制系統中負責與觸摸屏通信并輸出信號，以控制電磁閥。根據控制系統輸入、輸出的點數和輸出高速脈沖數來選擇PLC的型號［17-18］?；诙胖偌藿訖C器人的結構，本文選擇西門子公司的Siemens S7-200系列PLC，其輸入輸出分配如表3所示，其中I表示PLC的輸入點，Q表示PLC的輸出點。

表3 Siemens S7-200系列PLC的輸入輸出分配Table 3 Distribution of input and output of Siemens S7-200 series PLC

3.3 控制系統軟件設計

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統控制系統的程序流程如圖9所示。其主要步驟為模式選擇、步進電機的啟停、氣缸（背板氣缸、切苗氣缸和壓苗氣缸）的控制、皮帶清理機構電機的啟停以及傳感器信息的采集與顯示等。矩陣式切削系統控制系統的程序在SIENENS STEP 7 MICRO-WIN中編寫，采用梯形圖進行編程。

圖9 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統控制系統的程序流程Fig.9 Program flow of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

3.4 人機交互界面設計

選用威綸通科技有限公司生產的TK6071iQ觸摸屏作為杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的人機交互界面，其可通過MPPI/PPI通信電纜與PLC連接。TK6071iQ觸摸屏采用7英寸（155 mm×87 mm）高亮度TFT液晶顯示屏，其分辨率為（800×480）像素，可用于控制信息的輸入和現場采集工作數據的顯示。

杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的人機交互界面包括創建功能界面和信息以及輸入/輸出區域組態等［19］。如圖10所示，該人機交互界面主要分為上、中、下區域。在上部區域可完成模式選擇，其中在自動模式下可依次完成夾苗、輸送和切削等工序；當選擇手動模式后，在中部區域進行操作，以完成步進電機的啟停、換向，各個氣缸的開關和皮帶清理機構電機的啟停。下部區域為顯示區域，可顯示各個工位的運行情況、本次工作時長和已完成的切削量。

圖10 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的人機交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

4 切削試驗

4.1 試 樣

供苗樣品為河南綠普森農林科技有限公司洛寧基地培育的待嫁接杜仲砧木苗。

4.2 試驗儀器

所選試驗儀器為設計的杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統、游標卡尺（量程為150 mm，精度為0.01 mm，由南京蘇測計量儀器有限公司生產）、氣泵（容積為18 L，排氣壓力為0.8 MPa，由臺州市奧突斯工貿有限公司生產）。

4.3 試驗方法與結果

共進行3組切削試驗，每組重復進行2次。A組由1人操作，手動為圖11（a）所示的杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統輔助上料后，系統自動完成余下工序，切削過程和切削結果如圖11（b）至圖11（f）所示。B組由熟練嫁接的農民來完成切削動作。C組作為對照，不用苗，即杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統空轉運行。為排除其他因素的對試驗結果的影響，由同一個人操作機器，試驗結果如表4所示。表中：“成功數”是指切削后可用于嫁接的杜仲砧木苗數量，“時間”是指切削相同數量杜仲砧木苗的時間。

表4 矩陣式切削系統與人工切削方法的切削試驗結果對比Table 4 Comparison of cutting test results between matrix cutting system and manual cutting method

由表4可知，杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的切削速度可達517株/h，平均成功率為92.58%，人工切削方法的平均成功率為94.14%。出現該結果的原因主要有以下2個：

1）矩陣式切削系統夾持損傷或定位失敗。根據農藝要求，砧木夾子定位孔的直徑設計為6 mm，但試驗用杜仲砧木苗的直徑較粗，在夾持過程中易被夾傷。工廠采用集約化育苗方式，杜仲砧木苗較高，因光照等環境因素不均勻，導致砧木苗彎曲率較大，超出了砧木夾子的約束范圍，從而導致定位失敗。

2）人工操作因素。由B組試驗結果可知，其第2組的切削速度和成功率都有所降低，這是因為隨著時間推移，人工體力消耗，導致作業質量下降。由C組對照試驗可知，機器空轉運行的平均切削速度可達527株/h，是該系統帶苗運行時的1.04倍，人工切削的1.13倍。這說明人工供苗環節占用了一部分時間，可以通過訓練工人或設計自動供苗機構。

圖11 杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的切削過程及切削結果Fig.11 Cutting process and cutting results of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

5 結 語

1）從機械結構和控制系統兩方面出發，設計了杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統。該系統由1人操作，能夠穩定、便捷、可靠地運行，實現杜仲砧木苗的切削。

2）在杜仲砧木苗大小合適以及操作人員操作熟練的情況下，杜仲嫁接機器人矩陣式切削系統的切削速度可達517株/h，平均切削成功率可達92.58%，這在一定程度上提高了杜仲的嫁接成功率。