溫室穴盤苗并聯移栽機器人不同路徑下的移栽試驗研究

周昕，蔡靜

（310021 浙江省 杭州市 浙江省農業科學院）

0 引言

溫室穴盤苗移栽技術是設施農業中的重要環節，其自動化作業水平直接影響溫室蔬菜的規模化生產效率[1-3]。發達國家對溫室穴盤苗移栽技術研究較早，學者主要依托機械臂進行穴盤苗的移栽作業[4-7]。Ryu 等人開發了一套配備圖像識別的移栽機器人，試驗中移栽效率可達到20～25 株/min[8]；VISSER 公司研發的PC-21 移栽機適用于64～72 孔穴盤移栽，該機采用指針插入式結構，取苗成功率較高，平穩運行下取苗效率達到200～280 株/min[9]；Thierry[10]針對工作空間問題，制定了相應的路徑軌跡規劃，并提出了一種近似最優的方法。國內針對溫室穴盤苗并聯移栽技術的研究開展比較晚。馬履中[11]等人首次提出了基于并聯機構的穴盤苗移栽機，對并聯機器人應用于移栽機上的可行性進行了探索和嘗試；胡建平[12]等人設計了一款高速移栽機器人，可以實現在二維平面內的取苗和載苗作業任務；楊啟志[13]等人設計了一款并聯式三平移移栽機器人對溫室穴盤苗移栽作業進行了仿真和試驗，發現移栽軌跡末端存在振蕩問題；周昕[14]等人設計了一款集成式的溫室并聯移栽機器人，并進行了初步的移栽試驗，發現含水率對移栽效果的影響最大。

并聯機器人的特點非常顯著[15-16]，國內針對溫室穴盤苗并聯移栽機器人的研究還不全面。本文針對不同移栽路徑進行仿真試驗及樣機試驗對比，分析并聯移栽機器人的工作空間仿真結果，并針對黃瓜穴盤苗的溫室并聯移栽機器人進行移栽試驗。

1 并聯移栽設計

1.1 機構確定

并聯移栽機器人的機構簡圖如圖1 所示。動平臺始終與靜平臺處于平行位置關系，動力源固定安裝在靜平臺上，主動桿以轉動副與靜平臺相連接，從動桿與主動桿鉸接。

1.2 結構設計

并聯移栽機器人由框架結構、并聯機器人以及輸送裝置三大部件組成；一條輸送線將128 孔穴盤苗輸送至指定作業區域，另一條輸送裝置將72 孔空穴盤輸送至等待移栽作業區域。整體框架結構用于安裝并聯機器人，移栽作業區域確定。參見圖2。

整個溫室并聯移栽機器人與輸送裝置集成后，輸送裝置通過驅動電機驅動鏈輪轉動，從而帶動鏈條運轉。電機轉動一定的圈數后，穴盤擋板推動穴盤移動一定的距離，到達指定移栽作業區域后停止輸送裝置的驅動電機，等待移栽作業。移栽機器人的驅動電機布置在靜平臺上，驅動并聯移栽機器人的驅動電機，通過PLC控制末端取苗爪的移栽作業。

2 移栽路徑規劃

穴盤苗在進行移栽作業時，需要對移栽策略進行優選與分析，不同移栽策略及移栽路徑規劃直接影響移栽作業質量。

2.1 基本參數

本文研究將已經培育好的128 孔黃瓜穴盤苗移栽至72 孔穴盤的移栽作業，穴盤規格基本參數如表1 所示，用于育苗的128 孔穴盤實物和規格如圖3 所示。

表1 穴盤參數表Tab.1 Parameters for plug trays

2.3 移栽流程分析

針對128 孔黃瓜幼苗生長移栽需求，以移栽效果和移栽質量作為目標，需要針對移栽機器人的末端執行機構進行移栽路徑規劃與研究。移栽作業時，移栽機器人的末端執行機構需要完成從源穴盤中取苗、沿著路徑運動、到達目標穴盤、最后再針對目標穴盤的指定穴孔進行植苗作業等工作，然后末端執行機構再回到起始位置，如此完成一個作業流程，移栽路徑如圖4 所示。

3 移栽路徑分析

3.1 路徑分析

若源穴盤和目標穴盤成排輸送，以按行、門子型路徑移栽，對移栽路徑進行分析。假設目標穴盤的移栽都以最靠近源穴盤的一側作為基準，則將載苗順序規定設置為以從左往右為準。

若按行移栽的取苗順序是以源穴盤苗橫向第1行開始取苗，從距離目標穴盤最近的苗為起始，依次從第1 行的右側開始往左取苗，將目標穴盤苗的第1 行全部移栽完畢，再對目標穴盤的第2 行進行移栽，其移栽路線如圖5 所示。

依然從第1 行取苗，從距離最遠的第1 行最左側進行依次取苗，然后對目標穴盤進行移栽，取苗順序如圖6 所示。

3.3 移栽機器人工作空間仿真分析

利用MATLAB 軟件求解限制條件下的工作空間范圍并繪制出并聯機器人的工作空間云圖，如圖7 所示。

本設計的溫室并聯移栽機器人的工作區間為6 000 mm×4 800 mm×1 300 mm。由圖7 可以看出，仿真結果顯示溫室并聯移栽機器人的工作空間為12 000 mm×13 000 mm×19 000 mm，經過分析，設計的溫室并聯移栽機器人符合移栽作業需求。

4 移栽試驗

4.1 試驗材料

本試驗的黃瓜苗生長周期為6 周，黃瓜苗整體苗株高度約為12 cm 左右，此時黃瓜穴盤苗生長較好，含水率適宜，苗株盤根性能狀況較好，移栽作業時損傷率較低。移栽作業時，黃瓜穴盤苗生長情況的基本參數如表2 所示。

表2 移栽作業時黃瓜穴盤苗參數Tab.2 Parameters of cucumber plug seedlings during transplanting operation

4.2 樣機移栽試驗

溫室并聯移栽機器人的工作空間是實現移栽作業功能的基本前提，通過進行穴盤苗移栽試驗可以檢驗機器人在研究的工作空間內是否具備良好的工作性能，是檢驗理論設計與實際移栽試驗是否具備統一性的直接方法。

源穴盤和目標穴盤輸送到指定移栽區域待移栽作業位置后，如圖8 所示。設定并聯移栽機器人的移栽加速度從5 mm/s2遞增至50 mm/s2，遞增量為5 mm/s2，移栽作業完成后以相同的回程加速度30 mm/s2返回源穴盤進行下一次移栽作業，試驗結果以人工計數方式進行統計。

為了便于統計和后期計算，源穴盤采用4 盤符合需求的黃瓜苗，以移栽苗株數500 為基數進行移栽對比試驗，“右-左”移栽試驗結果如表3 所示，“右-左-右”移栽試驗結果如表4 所示。

根據表3 的移栽合格率結果對比發現，當移栽加速度低于30 m/s2時，移栽合格率隨著其增加而逐步遞減；當移栽加速度超過30 m/s2時，苗株破碎率和掉苗率明顯增加，移栽合格率顯著下降。

表3 “右-左”移栽試驗結果Tab.3 Test results of "Right -Left" transplanting trajectory

根據表4 中的移栽結果對比分析得到，當移栽加速度低于30 m/s2時，移栽合格率逐步遞減；當移栽加速度超過30 m/s2時，苗株破碎率和掉苗率顯著增多，移栽合格率明顯下降。

表4 “右-左-右”移栽試驗結果Tab.4 Test results of "Right -Left-Right"transplanting trajectory

以同樣的移栽加速度和加速度增量對穴盤苗進行移栽試驗，以500 株黃瓜苗作為基準，其“左-右”移栽試驗結果如表5 所示，“左-右-左”移栽試驗結果如表6 所示。

表5 “左-右”移栽試驗結果Tab.5 Test results of "Left-Right " transplanting trajectory

根據表5 的移栽結果可以發現，當移栽加速度低于30 m/s2時，隨著移栽加速度不斷提高，移栽合格率逐步降低；當移栽加速度超過30 m/s2時，移栽合格率的降低明顯。

根據表6 的移栽結果對比發現，當移栽加速度低于30 m/s2時，隨著移栽加速度不斷提高，移栽合格率逐步降低；當移栽加速度超過30 m/s2時，黃瓜苗的破碎率和掉苗呂顯著提高，移栽合格率的明顯降低。

5 結論

溫室并聯移栽機器人的移栽效果的影響因素較多，如并聯移栽機器人的作業精度、移栽時溫度、濕度、苗缽自身情況，如苗株高度、含水率、根系生長情況等。

移栽試驗發現，當加速度超過30 m/s2時，移栽合格率逐步下降，說明移栽加速度在移栽過程中對移栽效果的影響較大。

根據黃瓜穴盤苗的移栽試驗結果分析，移栽取苗路徑對黃瓜苗的移栽也存在一定的影響，對比試驗結果，“左-右-左”和“右-左-右”兩種路徑下的移栽結果均分別略差于“左-右”和“右-左”型移栽路徑，引起移栽結果差異的原因可能是并聯移栽機器人在門字型路徑的轉折點處發生振蕩，導致移栽合格率下降。