穴盤苗吹葉補苗機構設計與試驗

黎 波，辜 松，謝忠堅，初 麒，姜德龍

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642；2. 江西農業大學工學院，南昌 330045；3. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；4. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642）

0 引 言

穴盤育苗技術廣泛應用于蔬菜及花卉生產[1-3]，為保證穴盤苗的品質，育苗過程中需控制穴盤苗的長勢均一性。針對穴盤苗中的不合格苗，目前主要利用機器視覺技術對穴盤苗俯視圖圖像進行判別，確定不合格苗穴位置[4-7]，然后采用氣力或機械手剔除不合格苗[8-10]，再利用補苗機械手對剔苗后的空穴補苗。荷蘭Visser公司[8]、TTA公司[9]及Flier公司[10]均開發出針對穴盤苗的補苗裝備產品。童俊華等[11]基于貪心算法對溫室穴盤苗由高密度移向低密度的移植路徑進行優化；周梅芳等[12]針對花卉穴盤苗設計了一種取苗和植苗的一體式自動移植機構；尋真福[13]采用光敏傳感器對穴盤苗的缺苗信息進行檢測，設計了一種穴盤苗檢測與補苗裝置。以上研究都是針對穴盤苗移苗及補苗技術的初步探索。金鑫[14]通過機器視覺對穴盤苗莖稈進行判別，判斷穴盤穴孔是否有苗；梁喜鳳等[15]針對子葉期蔬菜穴盤苗研制了一種包裹式補苗末端執行器；丁煜華[16]基于機器視覺技術，設計了一款針對穴盤苗的剔補試驗樣機。以上研究均針對不存在葉片遮擋的苗齡較小的穴盤苗。

然而，一些處于移植期的花卉及蔬菜穴盤苗的葉片較大，葉片之間相互遮擋，這種狀態下，通過穴盤苗的俯視圖像難以判別葉片遮擋下的穴盤苗長勢。目前針對葉片相互遮擋的穴盤苗，大都采用人工剔苗再人工補苗，作業效率低，勞動成本高[17-18]，迫切需要開發針對穴盤苗葉片遮擋待補空穴的自動化補苗生產裝備[19]。

針對穴盤苗葉片遮擋的情況，荷蘭Visser公司的Select-O-Mat型高速分選機[8]，TTA公司的MaxSorter分選機[9]以及Flier公司的分級生產線[10]，先將穴盤中的所有穴盤苗取出，然后利用機器視覺技術基于側視圖圖像評判每株苗的長勢，以解決穴盤苗葉片遮擋情況下無法通過俯視圖像判別穴盤苗長勢的問題。然而，生產中穴盤苗成苗不合格率一般不足20%[20]，如果利用穴盤苗分級設備對穴盤中所有穴苗進行分選，工作量大，設備復雜、成本高。對于穴盤苗成苗僅需使用合格苗替換不合格苗即可，無需將穴盤苗全部取出。針對葉片遮擋穴盤苗的長勢識別，作者所在團隊在暗室條件下用帶有光纖光束的微型攝像機獲取種苗葉片下方莖稈的圖像進行判別[21]，識別不合格穴苗，獲取不合格苗位置。在此基礎上，本文針對葉片遮擋穴盤苗的空穴機械補苗作業時補苗機械手補苗時造成穴盤苗葉片損傷的問題，提出一種基于高壓氣流的吹葉補苗方法，設計一種吹葉機構協助補苗機械手移植補苗，并以紅掌、白掌、芥藍、菜心、白菜和生菜6種具有不同葉片遮擋程度的穴盤苗為對象，進行吹葉補苗性能試驗。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

研究選取6種栽培量較大的紅掌和白掌2種花卉穴盤苗，芥藍、菜心、白玫瑰白菜和精品意大利生菜4種蔬菜穴盤苗。其中2種花卉穴盤苗苗齡為組培苗定植于穴盤后3個月，4種葉菜穴盤苗苗齡為播種后16 d[22-23]，均使用72穴（6×12）PVC穴盤培育，穴盤外形尺寸為280 mm×540 mm。6種穴盤苗的側面投影圖如圖1所示。

為考察所用穴盤苗的幾何參數，選取6種穴盤苗各60株，使用Canon 500D型數字相機，拍攝各單株穴盤苗側面投影圖（圖1），然后通過Image J圖像處理軟件，測取各單株穴盤苗的株高、冠幅（見表1）。穴盤待補空穴的初始葉片遮擋率（記為初始葉片遮擋率）為穴盤待補空穴被相鄰穴盤苗葉片遮擋的面積與穴孔面積的比值，反映相鄰穴盤苗葉片對待補空穴的遮擋程度。使用Canon 500D型數字相機，針對各類穴盤苗，分別拍攝60幅葉片遮擋下的待補空穴俯視圖圖像，然后通過Image J圖像處理軟件，測取并計算出初始葉片遮擋率，結果見表1。為考察穴盤苗莖稈的彎曲特性，截取各類穴盤苗莖稈長10 mm的莖段，使用ARK-10M4-20型力學測試平臺和IMADA-DS2-2N型測力計測試該莖稈的彎曲力，測力計精度為 0.001 N，測量范圍為0～2 N。如圖2所示，測量時莖稈一端固定，另一端通過提升掛鉤在距離莖稈固定點5 mm處對莖稈進行提拉，提升速度設為5 mm/min，提拉力的最大值為苗的彎曲力，每種穴盤苗隨機選10株截取10個莖段進行測量，結果取平均值。

如表1所示，紅掌穴盤苗莖稈的彎曲力明顯大于其他品種，另外，蔬菜穴盤苗中芥藍的彎曲力也較大。通過比較圖1中6種穴盤苗的葉片方向，可以看出紅掌穴盤苗的葉片方向幾乎是水平的，而其他穴盤苗的葉片方向都是傾斜的。另外，由于栽培時間的不同，2種花卉穴盤苗的初始遮擋程度較為嚴重，其待補空穴的初始葉片遮擋率是其他4種葉菜類穴盤苗的2倍左右。

表1 試驗用穴盤苗的特征參數Table 1 Characteristic of plug seedlings for experiments

1.2 工作原理

1.2.1 補苗機工作原理

如圖3所示，穴盤苗補苗機主要由穴盤苗供給裝置和補苗裝置組成。穴盤苗供給裝置包括合格穴盤輸送機構和待補苗穴盤輸送機構，作用是為補苗裝置提供合格苗和待補苗穴盤。補苗裝置主要包括吹葉機構、補苗機械手和補苗機械手移動機構，作用是通過補苗機械手將合格苗補入待補空穴中。

作業時，先人工分選出1整盤合格穴盤苗，與已剔除不合格苗的待補苗穴盤分別由輸送帶輸送至補苗機械手正下方，然后補苗機械手拾起1行6株合格苗，通過補苗機械手移動機構輸送至待補苗穴盤正上方；吹葉機構安裝于待補穴盤苗輸送機構補苗位置正下方，由6組伺服電動缸驅動的射流氣管組成，射流氣管通過待補苗穴盤輸送機構上的孔穿過穴盤底端滲水孔，與上方補苗機械手的位置一一對應，在獲取由不合格苗剔除裝置中視覺識別單元給出的待補苗空穴位置坐標后[18]，相應位置的射流氣管由伺服電動缸驅動向上運動，利用高壓氣流將遮擋待補空穴周邊的穴盤苗葉片吹開，相應位置的補苗機械手將合格苗植于待補空穴中；然后待補穴盤沿輸送機構運動方向步進至下一行待補苗空穴位置與正上方的補苗機械手對齊，補苗機械手在移動機構的帶動下調整補苗位置繼續補苗，直至6株合格苗全部用完。重復上述步驟，直至所有空穴被合格苗補齊。

1.2.2 吹葉機構作業原理

吹葉機構包括6組射流氣管，射流氣管的數量與穴盤短邊方向上穴孔的數量相等，為6個。如圖4所示，射流氣管由穴盤底端滲水孔向上伸出（圖4a）。當射流氣管頂端到達穴盤的上表面后，高壓氣流由射流氣管下端進入，射流氣管上端頂部出口被封住，在頂端同一水平面上，等角度間距開有多個圓孔，高壓氣流由圓孔射出，然后射流氣管繼續上升（圖4b）；最終在高壓氣流的作用下，待補空穴周圍的穴盤苗葉片被吹開（圖4c）；然后射流氣管與補苗機械手同步下移，補苗機械手在無遮擋條件下將合格苗植入待補空穴中，完成補苗作業。

2 吹葉機構設計

射流氣管選用不銹鋼鋼管，由于72穴穴盤底端滲水孔直徑為7 mm，考慮到對位誤差，鋼管內徑確定為5 mm，壁厚為0.5 mm。射流孔布置在射流氣管的頂端，如圖5所示。射流氣管由伺服電動缸驅動上下運動，由于穴盤穴孔深度為43 mm，考慮到穴盤苗最大株高（表1，為105.9 mm），射流氣管伸出穴盤上表面高度H取為107 mm，伺服電動缸行程選為150 mm，型號為MRB32-L1-S150。

為考察射流氣管出氣口氣流速度分布情況和確定射流管射流孔開孔數量，利用Fluent 15.0軟件對射流氣管產生的射流流場進行模擬。考慮到葉片對穴盤待補空穴的遮擋來自不同方向，射流氣管的射流孔布置在同一水平斷面上，沿圓周均布。開孔數越多，射流的輻射面越大，但開孔數在結構尺寸上受孔徑的影響，而射流孔直徑小于1 mm會造成局部阻力過大[24-25]，綜合考慮以上因素，選取射流孔數量分別為6、7、8個進行模擬。此外，考慮到射流速度與射流氣管內的氣流速度主要受射流氣管截面面積與所有射流孔面積之和的比值C（式（1））的影響，因此，對C值為1、2、3的工況進行模擬。射流孔直徑d按式（2）計算，當C分別為3、2、1時，6個射流孔情況下的射流孔直徑d分別為1.2、1.4和2.0 mm，7個射流孔情況下的射流孔直徑分別為1.1、1.3和1.9 mm，8個射流孔情況下的射流孔直徑分別為1.0、1.2和1.8 mm。

式中At為射流氣管截面面積，mm2；Aj為所有射流孔面積之和，mm2；D為射流氣管內徑，mm；N為射流孔數量。

首先利用Solidworks 2010軟件建立上述工況的三維模型，并利用Gambit軟件分別對三維模型進行網格劃分。采用標準k-ε湍流模型，近壁面的流動模擬采用標準壁面函數[26-28]。射流氣管底端為氣流入口，射流孔為自由流動出口。環境條件[29-30]為空氣密度（ρ）1.29 kg/m3，環境壓力（P）1.01×105Pa，環境溫度（T）298 K，動態黏度（μ）1.78×105kg/(m·s)，仿真結果如圖6所示。

由圖6可以看出，當射流孔數為6時，在C=3條件下，氣流輻射面積僅為所輻射圓周面積的1/3左右，在C=1時，增加到1/2左右；當射流孔數為7時，在C=1條件下，增加到2/3左右；而當射流孔數增加到8時，在C=1條件下，氣流已完全覆蓋整個圓周。因此，為獲得理想的氣流輻射作用，射流孔數確定為8，C值通過性能試驗確定。

為了分析射流氣管噴出的射流對替補苗基質塊的影響，依據仿真結果，在射流孔數為8的條件下，針對不同C值時射流垂直截面上的氣流速度分布進行模擬（結果如圖7）。由圖7可知，3個C值條件下的射流上邊緣均存在死角，可容下補苗機械手夾持的基質塊，射流作用區域與基質塊有一定距離，當射流氣管和基質塊同時向下移動時，補苗機械手在吹葉機構射流的輔助下進行補苗作業，射流不會與穴盤苗基質塊接觸而影響作業效果。

3 吹葉補苗試驗

3.1 材料與方法

為考察穴盤苗葉片遮擋條件下射流吹葉補苗的作業效果，針對圖1中的6種穴盤苗分別進行吹葉補苗試驗。試驗使用1個單元模塊的吹葉機構和1個補苗機械手進行，補苗機械手掛接于VP-6242E/GM型機械臂上，機械手最大負荷2 kg，射流氣管固定于MRB32-L1-S150型伺服電動缸上。氣路連接示意圖如圖8所示，試驗裝置如圖9所示。

補苗作業性能試驗主要考察穴盤待補空穴上方的遮擋葉片能否被吹開，阻礙補苗的遮擋葉片是否會補入待補空穴的基質塊壓住或損傷。為此，目標函數確定為吹葉后葉片遮擋率（Rcb）和穴盤苗補苗成功率（Rf）。吹葉后葉片遮擋率為射流氣管到達葉頂端時（此時吹葉效果最佳），待補空穴被相鄰穴盤苗葉片遮擋的面積與穴孔面積的比值，測定方法與1.1節相同。穴盤苗補苗成功率為穴盤苗完全進入待補空穴后，待補空穴相鄰穴盤苗葉片沒有發生損傷的補苗數量與總補苗數量的比值。

射流氣管壓力影響氣流吹葉效果，通過預試驗發現，最小射流孔為1.0 mm條件下，射流氣管壓力至少要大于0.1 MPa，6種試驗用穴盤苗莖葉才開始出現由穴孔中心向四周吹開的趨勢；當射流氣管壓力大于0.31 MPa時，生菜和白菜的穴盤苗莖葉開始出現損傷，其他品種穴盤苗莖葉擺動幅度較大且不穩定，因此確定射流氣管壓力為0.1～0.31 MPa，間隔0.03 MPa，共8個水平。另外，C值也對吹葉效果有影響，其水平值的選取與1.3節一致，取為1、2和3，試驗因素水平如表2所示。

表2 吹葉補苗試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of experiments on blowing leaves and replanting seedlings

首先，機械臂驅動補苗機械手拾取待補合格苗，然后移動到被相鄰穴盤苗遮擋的待補空穴上方，伺服電動缸驅動射流氣管從穴盤底端滲水孔穿過待補空穴，射流隨射流氣管到達葉頂部；隨后，補苗機械手夾持基質塊與射流氣管同步向下移動，穴盤苗基質塊底端與射流氣管上端保持5 mm間距；最后，射流氣管移開，補苗機械手將合格苗補入待補空穴中。參考現有補苗機作業速度[8-10]，補苗機械手和射流氣管移動速度均為0.6 m/s。

隨機選取滿足要求（待補穴孔四周都有合格的穴盤苗）的30個穴孔位置，先將該位置的穴盤苗和基質塊剔除，按表2進行全因素試驗。

3.2 結果與分析

試驗結果如圖10所示，由圖10可知，隨著射流氣管壓力的增加，2種花卉穴盤苗的補苗成功率存在明顯的波峰，兩者成功率的最大值與最小值差值分別為80%和16.7%，與白掌相比紅掌的波峰更加顯著。4種葉菜穴盤苗的補苗成功率隨著射流氣管壓力的增大而小幅增大，個別品種也有波峰出現（比如芥藍補苗成功率的最大值與最小值差值為26.7%），但是趨勢并不明顯。進一步觀察圖10中各類穴盤苗的補苗成功率，均有90%以上的工況，紅掌在射流氣管壓力為0.28 MPa時（圖10a）補苗成功率達到92%，白掌在壓力范圍為0.19～0.25 MPa（圖10b）時補苗成功率達到94%，芥藍在壓力范圍為0.22～0.31 MPa（圖10c）的補苗成功率最高，其他3種蔬菜穴盤苗在壓力范圍為0.16～0.31 MPa（圖10d～10f）的補苗成功率最高。根據以上結果可以得出，花卉穴盤苗補苗成功率大于90%時對應的射流氣管壓力范圍比葉菜穴盤苗要窄，即花卉穴盤苗的遮擋葉片比葉菜的更難以吹動。

吹葉后葉片遮擋率實時反映葉片遮擋情況，是影響補苗作業的重要因素，如圖10所示，補苗成功率與吹葉后葉片遮擋率基本成反比。另外，各類穴盤苗的初始葉片遮擋率也對補苗成功率產生影響。根據表1可知，花卉穴盤苗的初始葉片遮擋率為56%～60%，待補空穴的初始葉片遮擋較為濃密，即使用較大壓力射流去吹開遮擋葉片，仍有部分葉片會趨向恢復到原有位置，無法達到一個較為穩定、較小的瞬時吹葉后葉片遮擋率，因此，隨著射流氣管壓力的增大，花卉穴盤苗的補苗成功率先上升，后下降；葉菜穴盤苗的初始葉片遮擋率為29%～36%，初始葉片遮擋不是很嚴重，隨著射流氣管壓力的增大，葉菜穴盤苗的補苗成功率均呈緩慢上升趨勢。根據對試驗過程的觀察，花卉穴盤苗的初始葉片遮擋率高，葉片遮擋面積大，嚴重阻擋了射流氣管噴出的氣流，隨著射流氣管壓力的增加，射流克服葉片遮擋的能力增強，直至補苗成功率達到最大值，而當射流氣管壓力進一步增大，在較大初始葉片遮擋率與加強射流的耦合作用下，強氣流穿過葉片層形成隨機渦流，同時也會產生氣流振動，導致瞬時吹葉后葉片遮擋率以及補苗成功率不穩定，甚至下降，這個趨勢可由圖10中紅掌與白掌的補苗成功率和吹葉后葉片遮擋率變化得到驗證，即在0.25 MPa射流氣管壓力以上的高壓區，二者補苗成功率和吹葉后葉片遮擋率的標準差均比其他工況高許多（紅掌和白掌為10%左右，其他品種穴盤苗僅為5%左右），這說明在此條件下補苗成功率和吹后葉片遮擋率非常不穩定。與花卉穴盤苗相比，葉菜穴盤苗的補苗成功率與吹葉后葉片遮擋率的標準差都較小，因此，葉菜穴盤苗的補苗成功率總體平穩（圖10）。根據圖10的補苗成功率都隨著C值的增大先增大后減小，C值為2，射流孔直徑為1.2 mm時作業性能更好。

紅掌和芥藍穴盤苗的莖稈彎曲力分別在花卉和葉菜中最大（表1），在射流氣管壓力低于0.19 MPa時，與其他4種穴盤苗相比，補苗成功率低于90%。綜合考慮穴盤苗莖稈彎曲力和穴盤苗初始葉片遮擋率（表1），在最小射流氣管壓力0.1 MPa條件下，紅掌的補苗成功率最小，僅為16.7%，其他穴盤苗的補苗成功率在70%～80%之間，差異不大。此外，在各穴盤苗達到最大補苗成功率時，紅掌穴盤苗所需的射流氣管壓力值最大，為0.28 MPa，而其他穴盤苗均不超過0.22 MPa（圖10）。

紅掌穴盤苗的補苗成功率存在峰值（圖10a），達到最大補苗成功率時的射流氣管壓力最大為0.28 MPa，這不僅是因為紅掌莖稈彎曲力和初始葉片遮擋率較高，其葉片與水平面的傾角較小也是原因之一。如圖1所示，大部分穴盤苗的葉片向上，與水平面夾角約45°，而紅掌穴盤苗的葉片與水平面接近平行，甚至向下傾斜。圖11為在吹葉機構射流作用下，紅掌和白掌穴盤苗葉片的受力情況。白掌葉片向上傾斜，由于射流氣管噴出的射流方向基本是水平的，比較這2種穴盤苗，可以發現白掌葉片有一定迎風面積，而紅掌葉片迎風面積很小，因此，紅掌葉片獲得的旋轉力矩不大。另外，與其他葉片向上傾斜的穴盤苗相比，紅掌的莖稈彎曲力最大，這也進一步導致紅掌葉片是最難吹動的。

4 結 論

1）針對機械補苗作業中存在穴盤苗葉片遮擋待補空穴的問題，設計內徑5 mm的射流氣管，該射流氣管頂端封閉，靠近頂端的水平截面均布開設8個直徑1.2 mm的射流孔。射流氣管由穴盤底端滲水孔向上移動，與夾持合格苗的補苗機械手配合填補空穴，可實現針對72穴盤培育的紅掌、白掌、芥藍、菜心、白菜和生菜6種具有不同程度葉片遮擋的穴盤苗進行補苗作業。

2）補苗作業時，補苗成功率與各條件下吹葉后葉片遮擋率成反比。穴盤苗的初始葉片遮擋率，葉片傾角對補苗成功率影響較大。對于初始葉片遮擋率較大的紅掌和白掌穴盤苗，隨著射流氣管壓力的增加，二者補苗成功率均出現波峰，當射流氣管壓力大于0.25 MPa時，補苗成功率波動較大，吹葉效果不穩定。

3）針對不同程度葉片遮擋的穴盤苗進行吹葉補苗試驗，在射流氣管射流孔數為8，射流孔直徑1.2 mm條件下，射流氣管壓力為0.28 MPa時，紅掌穴盤苗的補苗成功率可達92%；射流氣管壓力為0.22 MPa時，白掌穴盤苗的補苗成功率可達94%；射流氣管壓力為0.22～0.31 MPa時，芥藍穴盤苗的補苗成功率均可達90%；射流氣管壓力為0.16～0.31 MPa時，菜心、白菜和生菜穴盤苗的補苗成功率均可達90%。