一種葡萄苗木嫁接機器人的結構設計*

趙彥浩，趙棟杰，楊佳涵，王建凱

（聊城大學機械與汽車工程學院，山東 聊城 252000）

0 引言

目前，國內葡萄硬枝嫁接主要采用傳統的人工嫁接作業方式，該方式存在諸多缺點，對葡萄嫁接行業規模化生產造成了極大的阻礙，亟需研制合適的苗木嫁接機器人[1]。嫁接機器人相較于傳統的人工嫁接，具有嫁接效率高、嫁接質量易保證、易滿足育苗的工廠化生產需要等優勢[2]。因此，研究開發一種苗木嫁接機器人具有重大意義。

目前國內外有關苗木嫁接裝備的研究較少，可查閱到的研究資料主要集中于葡萄、毛桃、蘋果等常見苗木的切削機構及嫁接裝置，多數處于實驗室階段。法國某公司采用Ω 嫁接方式研制了葡萄自動化嫁接機，使用室內流水線方式進行嫁接任務，流水線操作相比于人機操作更容易保證葡萄嫁接苗的成活率；西班牙某公司研制了半自動葡萄嫁接裝置，通過勞動工人將砧木、穗木放在切削工位，可完成砧木和穗木的切削、接合操作[3-5]。國內方面，山東煙臺農業科學院姜秀美團隊[6]以葡萄為試驗對象研制了PJJ-50半自動嫁接機，該嫁接機采用Ω型嫁接方式，嫁接成活率在85%以上。湖南農業大學羅軍團隊[7-8]以葡萄苗莖稈作為試驗對象，研制了Plug-in 的葡萄嫁接機，成活率較高。中國農業大學趙燕平團隊[9-10]研制了楊樹苗自動嫁接機樣機，并對其進行了切削試驗，成功率可達96.5%。綜上所述，目前國內外苗木嫁接裝備大多只能完成切削與接合功能，但是無法實現自動匹配等功能。因此，為解決上述問題，本文提出了一種具有自動匹配、切削、接合、蠟封等功能的苗木嫁接裝置。

1 總體設計方案

該嫁接機器人主要包括砧穗匹配系統、切削接合裝置、蠟封收集裝置。總體結構如圖1 所示。

圖1 總體結構示意圖

其中，砧穗匹配系統由砧木供苗裝置和穗木供苗裝置組成，用于完成砧木、穗木的特征信息的采集和兩者之間的自動匹配；切削接合裝置包括切削接合機構、嫁接機械手、穗木旋轉機械手，其中，切削接合機構由切削模塊、夾持模塊和排苗模塊組成，可用于對匹配好的砧木與穗木進行準確切削和快速接合；蠟封收集裝置主要由蠟封機械手、蠟封裝置、儲苗臺、冷卻箱和收集箱組成，用于嫁接苗的蠟封、降溫、收集。

2 關鍵零部件的設計

2.1 砧穗匹配系統

砧穗匹配系統包括砧木供苗裝置和穗木供苗裝置，具體如圖2所示。

圖2 砧穗匹配系統

砧木供苗裝置由取苗機械手、砧木轉盤、電動旋轉臺、砧木支座、砧木圖像采集處理系統、輸送機、砧木座等組成，其中，砧木座共6 個，等間隔固定在輸送機上，輸送機位于取苗機械手的下方。該裝置可使用輸送機輸送待檢測的砧木，再通過圖像采集處理系統完成砧木粗度、彎曲度、表面破損情況的檢測，并判斷取苗機械手的抓取位置，然后由取苗機械手夾取、轉移符合條件的砧木，放置于砧木轉盤的砧木支座上，為后續的切削接合操作做好準備。

穗木供苗裝置由取苗機械手、穗木轉盤、電動旋轉臺、穗木支座、穗木圖像采集處理系統、輸送機、穗木座等組成，其中，穗木座共6 個，等間隔固定在輸送機上。該裝置可實現的功能與砧木供苗裝置相同，先由輸送機輸送待檢測的穗木，再由圖像采集處理系統完成穗木粗度、彎曲度、表面破損情況的檢測，并判斷抓取位置，最后由取苗機械手夾取、轉移符合條件的穗木至穗木轉盤的穗木支座上，用于后續的切削接合。

2.2 切削接合裝置

切削接合裝置包括切削接合機構、嫁接機械手、穗木旋轉機械手，如圖3所示。

圖3 切削接合裝置

其中，切削接合機構包括切削裝置、夾持裝置、排苗裝置，如圖4 所示。切削裝置由移動座、固定座、砧木后支座、穗木支座、主氣缸等組成，可實現砧木與穗木的準確切削和快速接合；夾持裝置包括砧穗夾具體、砧穗夾緊氣缸、砧木壓塊、穗木壓塊等，用于砧木與穗木的切削接合，并且可以在切削過程中對苗木起到夾持作用，保證切削時苗木不會因切削力而發生偏移；排苗裝置由嫁接苗壓緊氣缸、立柱、移動電磁鐵、固定電磁鐵、排苗滑臺組成，用于保證經切削接合后的嫁接苗能從切削接合裝置中較為順利地排出。

圖4 切削接合機構

嫁接機械手一方面可以夾取、轉移砧木轉盤上的砧木至切削接合機構；另一方面可將經切削接合的嫁接苗轉運至蠟封收集裝置的儲苗臺中，等待進行蠟封操作。穗木旋轉機械手用來夾取穗木轉盤上的穗木并將其轉移至切削接合機構，進行切削接合操作。

2.3 蠟封收集裝置

蠟封收集裝置是一個具有蠟封、冷卻、收集功能的裝置，如圖5 所示。主要由電動旋轉臺、蠟封機械手、儲苗臺、冷卻箱、收集箱以及蠟封裝置組成，儲苗臺、蠟封裝置、冷卻箱與收集箱分布在蠟封機械手周圍。該裝置的主要工作過程是：蠟封機械手通過末端的手指氣缸夾取儲苗臺上的嫁接苗，并將其轉移至蠟封裝置進行蠟封操作；蠟封完成后，蠟封機械手將嫁接苗取出并轉移至冷卻箱，進行冷卻操作；冷卻完成后，蠟封機械手再將嫁接苗轉移至收集箱中，完成操作。

圖5 蠟封收集裝置

3 結論

以葡萄苗木為研究對象，設計了一種葡萄苗木嫁接機，可實現苗木的自動匹配、切削、接合、蠟封等功能，自動化程度較高，可以節省大量的時間與人力，對實現我國未來葡萄種植產業快速、健康發展具有重大意義。