水植生菜自動采摘裝置整體方案設計

蔣會哲，張春燕

1. 鄭州鐵路職業技術學院（鄭州 450000）；2. 黃河科技學院（鄭州 450000）

日益增長的人口和土地資源減少產生的矛盾一直以來是全球面臨的主要難題，如何減少土地占用率同時提高農作物產量迫在眉睫[1]。其中蔬菜作為人們食譜中關鍵的一環，具有重要的營養價值和商業效益[2]，目前傳統的土壤種植蔬菜產能已無法滿足人們需求，植物工廠種植模式已逐漸流行全球，據預測，2020年中國植物工廠規模將達到100億，相關產業及生產設備都將井噴式發展[3-4]。

植物工廠是通過人為營造植物所生長的環境條件，從而達到植物快速高效成長的一種現代農業生產方式[5-7]。水植栽培是植物工廠的典型代表，可以采用立體栽培方式從而提高土地利用率，同時直接對農作物根部輸送營養液，使農作物加速生長，培養作物的生長速度為常規土壤種植的2~4倍，土地利用率更是高達40~108倍[8]。

隨著我國農村年輕勞動力不斷外移，植物工廠對自動化程度要求越來越高[9]，以水植生菜為例，目前國內外生菜的立體搬運、根部切割、拔取、包裝都是以人工為主[10]。Hayashi[11]設計出茄子自動采摘設備，Reed[12]、周云山等[13]都設計了蘑菇自動采摘設備[12-13]，杜冬冬等[14]設計了一種甘藍自動采摘設備，但僅僅適用于大田種植方式，目前對于水植栽培模式葉菜類的自動采摘設備研究較少。因此，此次研究以水植生菜為試驗對象，對生菜的自動采摘方案進行研究，以期為水植生菜自動采摘設備的設計提供一定參考。

1 水培生菜培養及采摘現狀分析

水植生菜目前常用的栽培方式有平面栽培和立體栽培兩種[15]，平面栽培方式如圖1（a）所示，將生菜置于玻璃溫室內進行日光培養，立體栽培方式如圖1（b）所示，生菜錯落分布在封閉植物工廠內，采用LED人工光源進行培養。

圖1 水培生菜栽培方式

據調查，平面栽培模式和立體栽培模式，營養液輸送、循環、監測、調控均已實現自動化，播種、移栽定值、生菜采摘卻依然以人工為主。

水植生菜目前的人工采摘方式主要有去根采摘和留根采摘兩種，勞動力成本高，熟練的作業人員采摘的生菜品質高、不散葉、完整性好，去根采摘方式如圖2（a）所示，作業人員在定值板上將生菜根莖去除后進行采摘，留根采摘方式如圖2（b）所示，生菜在銷售時全部保留著根須。

圖2 水培生菜栽培方式

去根采摘方式在生菜銷售時不能體現其水培特征，導致銷售價格偏低，留根采摘方式體現了水培特征，滿足了消費者購買生菜后的培育和欣賞，但生菜根部太長且大部分為根須。因此最佳方案為采用部分留根采摘，即留取生菜主根長部分進行采摘。

2 自動采摘裝置性能及分析

結合生菜人工采摘方式的分析，想實現水培生菜的自動采摘裝置，需要具備的主要功能有：（1）水培生菜定植板的自動運輸功能；（2）單株水培生菜根須自動切割功能；（3）將去除根須的單株生菜從定植板中自動取出的功能；（4）水培生菜的自動搬運功能。各個環節的主要性能需求如表1所示。

3 水培生菜自動采摘裝置方案制定

3.1 定植板輸送機構方案制定

借鑒物流運輸過程中的自動化裝置及定植板輸送所需滿足的性能，水培生菜定植板輸送裝置的工作流程如圖3所示。

圖3 定植板輸送裝置工作流程

根據常見的運送模式給出如圖4（a）所示的帶輪輸送和如圖4（b）所示的鏈輪輸送兩種方案，使用帶輪運輸的方式可以保證運輸過程平穩，但定植板的質量會對輸送帶形變產生影響，另外需要固定定植板的輸送軌跡，因此會引入“L”型擋板用于支撐和定位定植板，這樣會使輸送帶的磨損進一步加大，為了使生菜根部和定植板順利進入輸送線，需要較大的張緊力，會進一步磨損輸送帶，但帶式輸送構造相對簡單，成本較低。

圖4 定植板輸送機構方案

鏈傳動運輸相對于帶傳輸不易磨損，且不需要太大的張緊力，在步進電機的驅動下可以實現輸送線的間歇輸送，運輸定植板的倍速鏈型材自帶擋板，可以保證定植板的運輸路線，定植板輸入端無滾筒，可以使輸送線變短，但其構造相對復雜，成本較高。二者對比如表2所示。考慮到大量作業時，對輸送裝置磨損性能要求更高，建議采用鏈輪運輸方案。

表2 定植板輸送機構方案比較

3.2 根部切割機構方案制定

在定值板輸送機構暫停期間，根部切割機構需要在去除多余根系保留主根從而使生菜具備水植特性，通過查閱國內外切割機構設計文獻及水植生菜切割所需匹配的條件，提出3種根部切割機構方案進行對比，圖5（a~c）分別為環形帶刀切割機構、剪刀切割機構、往復式切割機構。

圖5 根部切割機構方案

環形帶刀切割機構為土壤種植葉菜類采收時常采用的切割機構，環形帶刀在兩個電機驅動下對蔬菜根部進行連續切割，運行平穩，水培生菜根部由于無土相對輕飄，采用環形帶刀切割機構很難保證切割后生菜根部的齊平性，影響生菜水培特性。

剪刀切割機構是根據人工去根方式進行設計的，其運行平穩，通過外力使剪刀開閉從而進行切根操作，因此其控制系統相對復雜，但是能很好地保證水培生菜根部的平齊性，如圖5（b）所示，此處將剪刀設計成一段固定，一段旋轉的方式，可以一定程度上降低剪刀開閉的復雜性，剪刀一側采用連接板固定，在單桿雙作用氣缸的推動下可以進行移動，通過設計不同大小的剪刀從而實現多個生菜根部同時切割，提高工作效率，可用于大量作業。

往復式切割機構和環形帶刀切割一樣，依靠刀片與根部接觸產生的切割力進行切割，但水植生菜根部較輕，因此也不能保證水培生菜根部的平齊性，切割刀片固定在一維的連桿上，因此在切割過程相對不平穩，容易產生較大噪音。三種根部切割機構的對比如表3所示。

表3 根部切割機構方案比較

3.3 生菜拔取搬運機構方案制定

生菜拔取機構最重要的是要保證可以無損傷地將根須切割后的水植生菜從定值板中取出，同時將生菜運往下一工站輸送裝置。對于小型物件，常見的抓取方式有氣爪抓取和仿型手指抓取，現針對這兩種方式提供兩種拔取搬運機構方案進行對比，如圖6（a）（b）所示。

圖6 拔取搬運機構方案

對于氣爪拔取搬運機構，位于雙軸氣缸下端的氣爪一般為通用結構，其抓取力接近，但不同生菜其展開度和根莖直徑是有區別的，因此存在部分生菜被拔取時出現損傷、出現脫落，若想解決該現象，就需要針對不同生長情況的水植生菜設計不同的氣爪進行拔取，這會大大增加機構的復雜性和成本。

對于仿型手指拔取搬運機構，其整體架構與氣爪拔取方式相近，位于雙軸氣缸下方的仿型手指其指間間距和高度均可以進行調節，從而可應用于不同生長情況的水植生菜，通用性高，成本低。兩種方案的對比如表4所示。

表4 生菜拔取搬運機構方案比較

3.4 水培生菜自動采摘最終方案制定

基于前3小節對自動采集裝置各機構方案的分析對比，分別選用鏈輪定值板運輸方案、根部剪刀切割方案、仿型手指拔取搬運機構方案，其構成的自動采集最終方案如圖7所示。配合上控制系統，其整個工藝流程圖如圖8所示。

圖7 水培生菜自動采摘最終方案

圖8 水培生菜自動采集方案工藝流程

4 結論

首先對目前水培生菜的人工采摘方式進行了分析，基于人工采摘方式給出自動采集方式各個環節機構裝置所需具備的功能和性能，分別對定植板輸送機構、根部切割機構、拔取搬運機構的多個方案進行了對比分析，最終選擇了鏈輪定值板運輸方案、根部剪刀切割方案、仿型手指拔取搬運機構方案，確定了水培生菜自動采摘的整體方案和工藝流程。對水植生菜各重要環節機構的設計和方案進行對比，為水植生菜自動化裝置設計提供一定的參考意義。