穴盤苗夾莖式取投苗機構優化設計與試驗

魏志強，宋磊，陽尚宏，劉軍，2，謝守勇，2

1.西南大學 工程技術學院，重慶 400715； 2.丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室，重慶 400715

蔬菜作為僅次于糧食的第二大作物，其種植勞動強度大、人力成本高、生產效率低成為制約蔬菜產業發展的重要因素[1-3]．采用育苗移栽方式種植的蔬菜具有高產穩定、對氣候補償和提高土地利用率等優勢，占到了蔬菜種植總量的60%以上[4-5]．因此研究蔬菜移栽機械化、自動化作業是蔬菜產業持續發展的必然趨勢[6-8]．目前國內的蔬菜移栽機大多都是半自動移栽機，取投苗作業均需人工完成，勞動強度仍然很大，漏苗、傷苗率較高，效率較低[9]．因此，蔬菜移栽機全自動化的關鍵問題是能否替代人工完成缽苗的取投這一重復性勞動，研究取投苗裝置對移栽機全自動化具有重要意義．國外學者根據穴盤苗特點以及栽植模式設計了不同類型的取投苗機構，如推苗桿式取苗裝置[10]、四自由度高速移動移栽機器人[11]、氣動抓取式取苗裝置[12]、五桿滑槽式取苗裝置[13]等．浙江理工大學提出了多種非圓齒輪行星輪系取苗機構[14-17]，可以較好滿足蔬菜缽苗的取苗要求，取苗成功率較高．童俊華等[18]基于兩臂回轉機構設計了一種三臂回轉式取苗機構，對比兩臂回轉取苗機構，在相同回轉速度下，取苗效率得到了提高； 黨玉功等[19]設計了一種開式鉸鏈四連桿自動取投苗機構，該裝置采用全機械裝置控制，易于適應復雜的田間環境，且取投苗成功率較高，對缽體的破損率較低； 袁挺等[20]提出了一種氣吹振動復合式取苗機構，結構較為簡單，取苗成功率較高； 本課題組也提出了一種斜插夾缽式取投苗機構[21]．

現有的取投苗裝置，取投苗速率及成功率均有較大的提高，但是結構較為復雜，為此本文提出了一種夾莖式自動取投苗機構．通過對其進行運動學分析建立運動學模型，編寫了取投苗機構輔助優化軟件，并利用該軟件得到了較優參數組合，最后通過試驗驗證較優參數的合理性和可行性，以期為蔬菜移栽機全自動化研究提供理論參考．

1 結構與工作原理

圖1為穴盤苗取投苗機構的運動簡圖，該機構是由曲柄滑塊機構和滑槽機構組合而成．曲柄AB作為原動件，通過鉸接在滑塊上的連桿BC帶動滑塊做往復直線運動．連桿EG與滑塊鉸接于點F，兩鉸接中心F、C連線與滑塊運動軌跡共線．滾輪與連桿EG鉸接于E點，在滑槽MPN中運動，其中滑槽是由曲率半徑為r的NP段和與之相切的直線滑槽PM段構成．桿EG和GH為同一根桿件，且成90°角，共同組成取苗臂．當曲柄AB逆時針作勻速轉動時，滑塊帶動與之鉸接的連桿EG作平動，使取苗臂從投苗點到達取苗點，同時連桿EG一端在滑槽MPN限制下繞F點轉動，實現取苗臂以合適的角度對準待取幼苗，為達到垂直取苗的要求，安裝傾角由苗盤傾角確定．滾輪轉動中心E點到達P點時，取苗臂取苗角調整完畢，不再發生改變，并沿當前角度直線行進取苗．當曲柄AB從初始位轉過180°時，取苗臂按預定軌跡cba到達給定取苗位，安裝在取苗臂上的電機帶動苗夾閉合夾緊幼苗莖稈； 曲柄AB再轉過一定角度，此時滾輪中心E在滑槽PM段運動，苗夾尖端H點由a點向b點移動，取苗臂將幼苗垂直于苗盤取出并移出一段距離，防止與苗盤干涉； 曲柄AB繼續轉動直至轉360°，苗夾尖端H點由b點運動到c點，取苗臂不斷調整自身角度并將幼苗運送至投苗位，取苗臂苗夾張開，幼苗在重力作用下到達下一步送苗機構，完成取投苗動作．

取投苗機構按照取投苗方式的不同主要分為夾缽式和夾莖式[22-25]．本文設計的機構主要針對莖稈粗壯且不易夾傷的蔬菜幼苗進行取投苗作業，采用夾莖式取苗方式進行取苗，取苗臂上苗夾的張開與閉合主要是通過絲桿雙螺母副機構完成，絲桿上兩螺母旋向相反，通過取苗臂上電動機帶動絲桿轉動，如圖2所示．苗夾與左右螺母采用螺栓固定，可根據不同苗盤規格采用不同苗夾，圖2所示苗夾為針對128孔苗盤設計，一次間隔夾取4株幼苗，可分4次取完整排幼苗．

圖1 機構運動簡圖

1.苗夾左頁； 2.苗夾右頁； 3.；緊固螺釘； 4.螺母①； 5.取苗臂； 6.螺母②； 7.絲桿．圖2 苗夾示意圖

2 運動學模型的建立

為便于分析，將該機構分為持苗段和取苗段兩個階段并對機構運動簡圖進一步簡化，如圖3所示．以滑塊運動方向為x軸，垂直于該運動方向為y軸建立參考坐標系xAy，同時以水平方向為x0軸，豎直方向為y0軸建立觀測坐標系x0Ay0．由于直接在觀測坐標系下計算更為復雜，故先以參考坐標系進行計算，最后進行轉換．滑槽由兩段構成，故該取苗機構可分為兩種運動狀態進行分析，從圖1可以看出，當滑塊帶動滾輪在滑槽NP段運動時，滾輪在滑槽NP段限制下繞曲率中心D點轉動，同時帶動取苗臂平動，對應軌跡為cb段，為軌跡持苗段，可簡化為圖3(a)所示； 當滾輪到達滑槽P點時，連桿EG受滑槽段PM約束和滑塊一起做直線運動，取苗臂開始取苗，對應軌跡為ba段，為軌跡取苗段，可簡化為圖3(b)所示．其中θ1，θ2，θ3，θ4分別為曲柄AB、連桿BC、桿DE、滑桿EF與x軸方向夾角，γ為滑槽安裝傾角．分析時各桿件不考慮其變形以及機構間縫隙，同時對兩個階段的機構作出封閉矢量多邊形，設原動件曲柄AB轉速ω1為常量．

2.1 苗夾尖點位移分析

(1)

其中l1，l2為曲柄AB、連桿BC的長度，θ1，θ2為曲柄AB、連桿BC與x軸方向的夾角，xB，yB為B點橫縱坐標，xC，yC為C點橫縱坐標．

由于yC=0，結合式(1)可知：xC，θ2均可表示為關于曲柄AB轉角θ1的表達式．

F點與C點均位于滑塊上，兩者間距固定，可得到F點位移方程：

(2)

其中sCF為轉動中心F和C沿x方向的距離，xF，yF為F點橫縱坐標．

(3)

其中Γ=yC-yD，Ι=xC-sCF-xD，l3，l4為桿DE、滑桿EF的長度，θ4為滑桿EF與x軸方向夾角，xD，yD為D點橫縱坐標．

(4)

為方便后續計算，將其表示為矩陣形式

(5)

同理，根據圖3(b)可得到軌跡取苗段ba的位移方程的矩陣形式為

[xHyH]T=[xF0]T+[-ab]T

(6)

由式(3)，桿EGH上EF段轉角θ4可表示為曲柄AB轉角θ1的表達式，而曲柄為勻速轉動，即：

θ1=θ1(t)=ω1t

(7)

其中ω1為原動件曲柄AB轉速．

將各式依次代入即可得到苗夾尖點H的運動軌跡cba的位移方程：

[xHyH]T=[f1(θ1(t))f2(θ1(t))]T

(8)

在實際觀測坐標系x0Ay0下，苗夾尖點的位移方程為

[x0Hy0H1]=[xHyH1]TR

(9)

2.2 苗夾尖點速度與加速度分析

對苗夾尖點位移方程求時間t的一階導數，可得到其速度方程：

(10)

(11)

而曲柄AB為勻速轉動，即：d(θ1(t))/dt=ω1，代入即可得到以曲柄轉動角速度為自變量的速度方程．同理，在觀測坐標系下的速度方程矩陣為

(12)

根據苗夾尖點速度方程式，對其求時間t的一階導數可得到苗夾尖點軌跡的加速度方程，將其用矩陣形式表示為

(13)

(14)

而d2θ1(t)/dt2=0，代入即可得到以曲柄轉動角加速度為自變量的加速度方程．

同理，在觀測坐標系下的加速度方程為

(15)

3 結構參數及軌跡優化

3.1 優化目標與設計變量

圖4 取投苗示意圖

根據旱地移栽機移栽農藝要求以及穴盤尺寸，要得到符合要求的取投苗運動軌跡，需對該取投苗機構各參數進行優選，最終獲得一組能滿足取投苗要求的結構參數，并且該取投苗機構具有良好的運動學特性．取投苗示意圖如圖4所示．

對該機構進行參數優化時主要為實現以下目標：

1) 由于穴盤采用傾斜放置，為實現順利取苗，取投苗軌跡高度H一般應大于180 mm，即：H=y0H(max)-y0H(min)>180 mm；

3) 苗夾取出幼苗過程中應不與其他機構發生干涉，保證持苗段軌跡與移盤機構距離h應大于50 mm(穴盤下方應預留安裝擋板空間)，即：h=(xH(π)-xH(θ1))min+38>50 mm；

4) 取苗段軌跡應接近于直線，且垂直于穴盤取苗，故存在關系：δ=π/2-γ．穴盤傾斜角度存在一定限制，過大時幼苗容易在重力狀態下脫落，過小時不利于苗夾順利從穴盤中取出幼苗．經過課題組前期研究，結合參考文獻，可知穴盤傾斜角度應在35°～65°之間；

5) 取投苗軌跡的長度不應過長，過長的取投苗軌跡會造成移盤機構與取投苗機構間存在較大的距離，整個裝置不夠緊湊，同時取投苗的時間更長．取投苗軌跡寬度：W=x0H(π)-x0H(0)；

6) 為保證投苗效果，軌跡在投苗點時，幼苗莖稈與豎直方向夾角越小越好，夾角：α=arctan((y0E(2π)-y0F(2π))/(x0E(2π)-x0F(2π)))-π/2(反正切函數在0～2π計算)； 同時考慮到投苗時掛苗情況，投苗時苗夾姿態應有一定的傾斜角度，且與水平軸成銳角．

影響取投苗軌跡的參數較多，其中取苗臂苗夾處的長度不影響軌跡的形狀，只影響軌跡的位置，故不對其進行分析．本文選取的優化變量有：曲柄AB的長度l1、連桿BC的長度l2、取苗臂上EF段長度l4、滑槽曲線段曲率半徑r以及曲率中心橫坐標xD、取苗機構安裝傾角γ．

3.2 軟件優化過程

該取投苗機構的參數優化問題同樣是一個多目標、非線性、強耦合的復雜優化問題[26]，考慮到傳統優化方法難以實現對該機構的參數優化，故采用人機交互的優化方法[27]．根據建立的穴盤苗取投苗機構的運動學模型，利用MATLAB GUI模塊編寫取投苗機構輔助優化軟件，其人機交互界面如圖5所示．在面板左側參數輸入欄輸入不同結構參數組合可得到不同取投苗軌跡及對應的運動學特性，結合右側參數輸出對該軌跡進行分析，評價是否符合設計要求．根據專家意見和設計要求對主要結構參數賦予初值，隨后在保持其他設計變量不變的情況下，不斷調整單個設計變量的相應參數，得到單設計變量對取投苗軌跡和運動特性的影響．對比各變量對目標的影響程度，明確重要參數以及次要參數，優先確立重要參數，然后不斷調整次要參數，調整方向根據參數影響方向確定．設計人員按照設計要求遵循變量影響規律不斷調整參數，通過對繪圖窗口實時反饋出的取投苗軌跡及對應參數輸出評價，直至設計軌跡符合目標要求，最終得到一組符合穴盤苗自動取投苗作業要求的結構參數．初始結構參數為：γ=45°，l1=100 mm，l2=270 mm，l4=50 mm，r=115 mm，xD=-327 mm．

圖5 人機交互界面

3.3 主要結構參數對取苗軌跡影響分析

苗夾尖點軌跡整體形狀大致已由機構確定，各參數的變化主要是對軌跡的空間位置、姿態以及軌跡各段長度產生影響．在輔助優化軟件中分別改變各結構參數，其他參數輸入設置為初始參數，可分別得到安裝傾角γ、曲柄AB長度l1、連桿BC長度l2、滑桿EF長度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標xD的變化對軌跡形狀和空間位姿的影響，依次如圖6(a)～(f)所示，通過分析可總結出單一變量對軌跡的影響規律，進而可確定各參數的重要程度與優化方向．

圖6 各結構參數對軌跡的影響

分析圖6可得出：安裝傾角γ不影響軌跡形狀，但影響軌跡空間位姿； 曲柄AB長度l1、連桿BC長度l2只影響軌跡形狀，且l2值對軌跡影響較為顯著； 滑桿EF長度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標xD對軌跡形狀和空間位姿均有影響，其中xD值對軌跡影響最為顯著，優化時宜優先確定其數值，r值和l4值影響并不顯著，r值僅對持苗段軌跡有影響，l4值可作為后續調整投苗點的因素．軌跡形狀和空間位姿對取投苗的影響如下：取苗點與投苗點縱向距離過小時，不利于苗盤輸送裝置的布置，同時苗盤輸送裝置的傾斜角度太小，不利于缽苗的取出； 反之，苗盤傾斜角度過大，田間作業時缽苗易從穴盤中脫落； 軌跡的長度過長時，導致整個取投苗機構占用更大的空間； 投苗點附近的軌跡凹陷時，苗夾容易和送苗杯發生干涉不利于投苗動作的進行； 取苗段軌跡(直線段)過小時，不利于苗夾將幼苗從穴盤中完全取出．

根據上述內容和圖6(a)～(f)的趨勢，分別分析出各結構參數的值過大和過小時對軌跡形狀和空間位姿的影響，可得到各結構參數的優化方向如下：增加l2值時對應軌跡更符合優化目標，r值增加時持苗段軌跡更符合要求，曲率中心位置向原點方向靠近為優化方向，γ值、l1值不能確定其優化方向，l4值僅作為后續調整投苗點的因素．

3.4 主要結構參數對運動學特性影響分析

對取投苗軌跡影響分析并不能確定所有參數的優化方向，因此需要結合各參數對運動特性的影響來確定優化方向．同時為使該取投苗機構在滿足取投苗過程中平穩的同時效率提高，可以降低苗夾取苗過程的速度以及加速度(分析時不同參數的繪圖取投苗總時間一致，即取投苗頻率一致)，以保證提高取投苗頻率，同時苗夾尖點的速度與加速度不會過大，取投苗過程更為平穩．

以曲柄AB轉過的角度為橫坐標，作出了曲柄運動一周對應的苗夾尖點的水平和豎直方向速度曲線．由于滑槽安裝傾角變化對苗夾合速度并無影響，故這里不作對應分析，曲柄AB長度l1、連桿BC長度l2、滑桿EF長度l4、滑槽曲線段半徑r、曲率中心橫坐標xD的變化對苗夾尖點的水平和豎直速度的影響如圖7(a)～(e)所示．

圖7 不同結構參數下速度變化曲線

由此可分析出從運動特性角度得到的各參數優化方向：l1值優化方向為減小方向；l2值優化方向為增大方向； 曲率中心橫坐標xD靠近曲柄轉動中心更符合優化效果；l4值變化對軌跡運動特性影響不顯著，僅對軌跡處于持苗段運動特性有輕微影響；r值的變化對持苗段軌跡影響較小，但顯著性高于l4值的變化，r值增大時持苗段軌跡水平速度、水平加速度均小幅減小．

3.5 參數優化方法

采用軌跡為先、運動特性改善為后的原則，將結構參數對軌跡及其運動特性的影響進行總結，得出了各結構參數優化時的調整方向：曲柄AB的長度沿減小的方向調整、連桿BC的長度沿增大的方向調整、滑桿EF用于后續調整、滑槽曲線段曲率半徑沿增大方向調整、滑槽曲線段曲率中心沿接近曲柄中心方向調整．滑槽安裝傾角是決定整個裝置最重要的一個參數，決定著軌跡的姿態和移盤機構的傾角，但不決定軌跡的形狀，故先結合課題組之前的研究在要求范圍內確定了安裝傾角[16]，安裝傾角選定為40°．

3.6 參數優化結果與分析

初始結構參數是設計時在三維軟件中根據專家經驗初步設定的值，將機構參數初始值輸入人機交互面板，可得到在參數初始值(lqm=41.89 mm，H=188.88 mm，W=554.94 mm，投苗點斜率為0.427，對應夾角α=60.56°，h=56.24 mm)下，通過和優化目標進行對比，顯然該軌跡不能全部符合設計要求．根據參數優化原則，使用取投苗機構輔助優化軟件，最后得到一組符合軌跡設計目標并且運動特性較好的結構參數．符合設計目標的參數為：l1=94 mm，l2=278 mm，l4=45 mm，a=235 mm，b=198 mm，r=130 mm，γ=40°，xD=-326 mm，sCF=50 mm．在該組結構參數下，lqm=50.96 mm，H=220.93 mm，W=409.67 mm，投苗點處軌跡斜率為-0.028，對應夾角α=32°，幼苗以與地面近乎垂直的角度進行投苗．

優化前后的軌跡和運動特性的對比如圖8所示．參數優化后，軌跡整體寬度減小，取投苗機構與移盤機構之間布置會更加緊湊，且取苗段軌跡長度相比初始軌跡增加了約9 mm，保證幼苗能完全從穴盤中取出．軌跡在投苗點附近向下凹陷情況減輕，持苗段到穴盤的最小距離h增大．投苗點處幼苗莖稈與豎直方向傾角減小，保證更好的投苗效果．在持苗段的運動特性有了較好的改變，水平方向速度、加速度大幅度降低，豎直方向加速度明顯更小，有利于增加投苗的成功率．

圖8 優化前后對比圖

4 虛擬仿真與試驗

4.1 建模與仿真

根據以上分析優化得到的各結構參數，在CREO 3.0中建立了各部件模型并進行虛擬裝配，利用CREO 3.0自帶的分析功能進行仿真，仿真設定曲柄速度為90°/min，曲柄AB轉動一周，苗夾完成一次取投苗．選擇苗夾尖點作為觀測點，可得到取投苗仿真軌跡圖如圖9(a)所示以及仿真速度曲線圖如圖9(b)所示．與前述理論分析得到的軌跡和速度曲線進行對比，兩軌跡曲線一致，表明了理論設計的正確性．

圖9 仿真結果

4.2 軌跡驗證試驗

取投苗機構的實際運動軌跡將直接影響取投苗的表現，因此必須驗證實際運動軌跡和理論軌跡、仿真軌跡是否一致[28-29]．按照設計好的各結構參數加工出取投苗機構，搭載在自制的試驗臺上并調整取投苗機構處于初始位置，利用高速攝像機(型號為M310-12G)對取投苗機構取投苗過程進行記錄，并利用MATLAB軟件對連續圖片進行處理，以苗夾尖點為觀測點，對每幀圖像進行標記，最后得到取投苗機構實際運動軌跡[30]，如圖10所示．可以看出，取投苗實際軌跡與理論軌跡、仿真軌跡基本一致，進一步驗證了理論分析的正確性以及該取投苗機構的實際可行性．同時由于試驗時裝置存在振動以及在MATLAB中對每幀圖片進行取點存在一定誤差，導致軌跡細微波動，故實際軌跡與理論、仿真軌跡有一定誤差．

圖11 取投苗試驗

4.3 臺架取投苗試驗

為驗證自動取投苗機構的實際取投苗性能，選用苗齡為54 d的辣椒苗作為試驗對象進行取投苗試驗，該辣椒苗為滄州津科力豐種苗有限責任公司生產銷售的牛角椒幼苗，辣椒苗的平均株高為17.4cm，莖粗平均值為3.5 mm，葉片數為4～5片，幼苗莖稈粗壯且不易夾傷，適合采用夾莖式方式進行取投苗作業[31]，試驗平臺如圖11所示．本次取投苗所用苗盤為臺州隆基塑業有限公司生產的Q128型穴盤，上穴口尺寸為29 mm×29 mm，下穴口尺寸為13 mm×13 mm，穴深38 mm，育苗基質為草炭、蛭石、珍珠巖，比例為3∶1∶1．以取苗成功率、投苗成功率和傷苗率作為試驗指標，分別以取投苗頻率60，70，80株/min進行取投苗試驗，并以旱地栽植機械試驗標準為參考[32]，每種取苗速率下完成3組試驗，每組試驗連續取投苗128株(一盤)，試驗結果如表1所示．

表1 取投苗試驗結果

由取投苗試驗結果可以看出，當取投苗頻率為60株/min時，取苗成功率均值為92.44%，投苗成功率均值為98%，平均傷苗率為1.40%； 當取投苗頻率為70株/min時，平均取苗成功率為90.10%，投苗成功率為95.7%，傷苗率為1.73%； 當取投苗頻率為80株/min時，平均取苗成功率為89.84%，投苗成功率為94.2%，傷苗率為2.89%．3種取投苗頻率下的平均取苗成功率均大于89%，平均投苗成功率均大于90%，平均傷苗率小于3%，說明所設計的取投苗機構能夠較好地完成取投苗作業．

5 結論

1) 設計了一種夾莖式自動取投苗機構，對其結構和工作原理進行了分析，建立了自動取投苗機構的運動學模型．

2) 結合農藝要求，按照實際取投苗軌跡需求，提出了優化目標，利用MATLAB GUI模塊編寫了取投苗機構輔助優化軟件，分析了主要結構參數對取投苗軌跡的影響，并得到一組滿足要求的結構參數．

3) 利用CREO3.0建立了取投苗機構虛擬裝配模型并進行了仿真分析，得到了仿真軌跡．加工裝配出試驗樣機，采用高速攝像機(M310-12G)進行取投苗高速攝影試驗，得到了實際軌跡．對比理論軌跡、仿真軌跡與實際軌跡，軌跡形狀基本一致，表明了理論分析的正確性．

4) 搭建了自動取投苗試驗平臺，進行了取投苗試驗．試驗結果顯示，該裝置在3種取投苗頻率下其平均取苗成功率均大于89%，平均投苗成功率大于90%，平均傷苗率小于3%，表明本文所設計的蔬菜穴盤苗取投苗機構能夠較好地完成取投苗作業，取苗效率可達80株/min．