基于EDEM-ADAMS的甘薯水平移栽機構優化設計

摘要：針對現有甘薯水平栽插移栽機械較少、移栽位姿不符合農藝要求等問題，結合甘薯栽植農藝要求，設計一款能實現水平栽插的甘薯移栽機構。通過建立數學模型對移栽機構的整體結構和關鍵部件進行優化設計。以機構前進速度、機構安裝高度為試驗因素，通過EDEM-ADAMS耦合仿真對薯苗入土深度與土中直線長度進行仿真試驗與參數優化，仿真試驗的最優參數為：機構前進速度0.22 m/s、安裝高度181 mm。田間試驗結果表明，薯苗入土深度平均合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%、93.12%，符合甘薯水平栽插農藝要求。

關鍵詞：甘薯；移栽機；水平栽插；耦合仿真

中圖分類號：S223.93

文獻標識碼：A

Optimization design of sweet potato horizontal transplanting mechanism based on EDEM-ADAMS

Abstract：

Aiming at the problems that there are few existing sweet potato horizontal transplanting machines and the transplanting position does not meet the agronomic requirements， this paper designs a sweet potato transplanting mechanism that can realize flat planting by combining the agronomic needs of sweet potato planting. The overall structure and critical components of transplanting mechanism are optimized through establishing mathematical modelling. With the forward speed and installation height of the mechanism as the test factors， the simulation test and parameter optimization of the depth of potato seedlings into the soil and the straight length in the soil was carried out by coupled EDEM-ADAMS simulation. The optimal parameters of the simulation test were determined as the forward speed of the mechanism by 0.22 m/s and the installation height by 181 mm. The test results showed that the passing rate of the depth of potato seedlings into the soil and the straight length in the soil of sweet potato seedlings were 95.32% and 93.12%， respectively， which met the agronomic requirements of sweet potato horizontal planting.

Keywords：

sweet potato; transplanter; horizontal planting; coupled simulation

0 引言

甘薯又名紅薯、地瓜等，是我國主要糧食作物之一，其種植面積及總產量居我國第四位，僅次于水稻、小麥和玉米［12］。甘薯用途廣泛，常用于淀粉、飼料加工以及進行新能源開發等，具有極高的經濟價值［3］。甘薯種植方式繁多，農藝要求復雜，難以實現機械化種植，目前我國甘薯種植機械化水平不足26%，很多甘薯種植地區仍采用傳統人工種植或部分機械化種植模式，作業效率低，費時費力，隨著農村勞動人口流失，人工成本逐年增加，我國甘薯種植面積及總產量逐年減少［4］。

歐美等發達國家對于甘薯機械化技術裝備研究起步較早［5］，時至今日，一些國家已實現甘薯從種植到收獲的機械化生產。意大利研制的鏈夾式甘薯移栽機，一次可栽植多行，適用于大規模、標準化作業，作業時由大馬力拖拉機牽引，人工將薯苗放入鏈夾中，鏈夾將薯苗送入土中以此完成甘薯苗的機械化移栽［6］。日本研制的自走式帶夾苗移栽機，適用于小型丘陵種植，能實現膜上移栽［79］。劉正鐸［10］等研發的機械臂式甘薯移栽機通過深度學習進行漏苗檢測，由補苗機械臂實現補苗，同時能夠實現薯苗多種栽插方式。胡良龍［11］等采用非零速栽插原理，研制的甘薯裸苗復式栽植機可一次完成兩壟甘薯的旋耕、起壟、開溝、栽插、鎮壓等作業。申屠留芳團隊［1213］采用遺傳算法優化四桿機構的運動軌跡，使其更加符合甘薯斜插法農藝要求，運動軌跡的深度偏差率與入土苗長偏差率分別降低了5%與37.8%，該團隊也設計了一種指夾式甘薯移栽機，根據仿生學原理，模擬人手指的形狀設計甘薯移栽機的關鍵部件，降低了栽植裝置移栽過程對薄膜的破壞。

采用水平栽插種植方式，甘薯結薯均勻、產量高，商品屬性好，國內外甘薯移栽裝備機型多采用直插法及斜插法種植，目前針對甘薯水平栽插的研究較少。本文設計一種甘薯水平栽植機構，并通過EDEM-ADAMS對栽植機構進行聯合仿真試驗，利用田間試驗驗證栽植機構的工作效果，為薯苗機械化移栽的探索與研究提供新參考。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

兩壟兩行移栽機需與大功率拖拉機配套使用，可一次完成旋耕、施肥、起壟、移栽、澆水等工序；其結構如圖1所示，主要由懸掛機架、旋耕刀具、起壟機構、覆土機構、傳動鏈、支撐輪、栽植機構、送苗帶、傳動軸、錐齒輪組等部件組成。

1.2 工作原理

作業時，拖拉機三點懸掛裝置拖動機具前行，拖拉機后輸出動力經過減速箱帶動旋耕刀具轉動，完成碎土整地與起壟作業，旋耕刀具將土塊碎細后經肥箱施肥，再由起壟機構筑起高度為250～300 mm的梯形壟（壟高可調）。拖拉機帶動移栽機向前運動，此時在地輪與土地接觸，在摩擦力的作用下轉動，通過鏈條帶動栽植機構和送苗帶同步運動，送苗裝置每向夾取手傳送一株甘薯苗，栽植裝置則夾取甘薯苗完成一次移栽，然后拖拉機攜帶的水箱給移栽后的甘薯苗通過澆水裝置完成澆水，使得機具能一次進地就能完成甘薯苗移栽的全部工序。

2 移栽裝置設計

2.1 薯苗水平栽插軌跡分析

機械移栽的關鍵是實現符合農藝要求的軌跡。如圖2所示，水平栽插法因薯苗在土中軌跡部分為一段直線而得名，一般入土4～5節位，單株結薯較多，結薯大小均勻。薯苗栽植深度h為40～60 mm，直線部分長度l為90～110 mm，株距為200～300 mm。

2.2 運動數學模型

平面連桿機構是最常見的機構，可以實現各種軌跡運動，在機床、車輛、機器人等均有應用［14］。本文以平面四連桿機構為基礎設計水平栽插機構。如圖3所示，以A點為坐標原點建立直角坐標系對移栽裝置運動數學模型進行理論分析。

根據圖3可得取苗稈計算公式。

B點的坐標為

C點的坐標為

E點的坐標為

式中：

L1——主動件AB的長度；

L2——連桿BC的長度；

L3——連架桿CD的長度；

L4——機架AD的長度；

L5——取苗稈BE的長度；

A——AB與水平方向的夾角；

δ——BC與AD間的夾角；

φ——AD與水平方向的夾角；

θ——BC與BE間的夾角；

β——AD與BD間的夾角；

v——整個機構水平向左運動的速度。

根據建立的栽插機構運動數學模型，利用Matlab編寫鉸鏈四桿機構設計輔助程序，通過輔助程序對運動軌跡進行參數調整，各桿件長度為L1=100 mm，L2=330 mm，L3=350 mm，L4=215 mm，L5=300 mm且θ=230°，φ=-40°時，其運動軌跡如圖4所示。

在栽插深度為50 mm的情況下，軌跡中直線部分在100 mm左右，因此夾苗桿端點運動軌跡能夠很好滿足甘薯水平栽插法農藝要求。

2.3 機構設計

2.3.1 夾苗裝置設計

如圖5所示，夾苗裝置由彈簧、固定輪軸、取苗夾手等部分組成，其承擔著移栽的運動軌跡與薯苗的取放工作。從上文中已確定栽植裝置的各個參數，并對移栽工作軌跡進行了分析，符合甘薯水平栽插的農藝要求，但還需要對其取苗與放苗功能進行研究。在工作過程中，取苗夾手由固定輪軸與彈簧共同作用控制開合。當移栽裝置處于回程階段與夾苗前的預備狀態時，在彈簧向內的拉力及固定輪軸的作用下取苗夾手始終處于張開狀態。當取苗夾手夾苗時，固定輪軸向上運動，彈簧提供拉力，兩者共同作用帶動取苗夾手閉合，之后取苗夾手一直保持閉合狀態，直至栽植階段結束。取苗夾手夾苗部位設計有褶皺，能增加摩擦力，使薯苗在入土時不易脫落。

為保證移栽機構能順利夾取甘薯苗，需要研究固定輪軸上下移動距離與夾取桿開口大小之間的函數關系。如圖6所示，探討兩者之間的影響規律。

控制取苗夾手尾部開合的固定輪軸隨杠桿臂的運動做相對于夾取手的上下運動。固定輪軸推動取苗夾手尾部向中間夾攏的寬度計算如式（7）所示。

根據杠桿原理

式中：

q1——固定輪軸上下運動距離，mm；

γ——夾取手尾部突出部分傾斜角度，（°）；

q2——中部固定點到夾手尾部與輪軸接觸最低點的垂直距離，mm；

q3——夾手中部固定點到指夾的距離，mm；

q4——夾手指夾部位張開最大尺寸，mm。

根據已建立的移栽裝置虛擬樣機分析夾苗裝置工作情況，移栽過程中指夾會有張開—閉合動作。取苗夾手的開合情況如圖7所示，指夾的最大位置偏移約為20 mm，因此取苗夾手最大張開距離為40 mm，取苗夾手由張開到閉合大約需要0.2 s，能夠在瞬間夾住薯苗，減少漏栽率；當完成薯苗栽植后，取苗夾手需要快速張開且張開距離要大，避免將帶出薯苗，破壞移栽軌跡，取苗夾手從閉合到完全張開需要0.1s，符合設計要求。

2.3.2 移栽裝置設計

以水平栽插理想參數組合對移栽裝置進行設計。如圖8所示，移栽裝置由機架板、取苗夾手、凸輪推桿、固定輪軸、凸輪、連桿等組成。移栽裝置工作過程共有三個階段。夾苗階段：當夾手位于甘薯苗上方時，凸輪處于回程期，取苗夾手可以精準夾住放置在送苗機構上的薯苗，為提高取苗準確率，取苗夾手取苗時要垂直于薯苗，且在不發生干涉情況下，盡量靠近送苗機構；由于甘薯苗脆弱，取苗夾手指夾處采取突起處理，在夾苗階段，取苗夾手不完全閉合，以達到不傷苗的目的。栽植階段：凸輪處于近休止期，取苗夾手將薯苗帶離送苗機構，并帶苗入土實現甘薯水平栽插軌跡，接著凸輪進入推程期，取苗夾手松開薯苗。回程階段：凸輪處于遠休止期，機構已完成栽插作業，取苗夾手始終處于張開狀態，然后準備進入夾苗階段。該移栽裝置在一個運動周期內完成取苗、帶苗入土實現栽插軌跡、放苗、出土等。

3 仿真試驗

3.1 仿真模型建立

EDEM軟件中的Hertz-Mindlin with bonding接觸模型可以用來黏結顆粒，能夠很好地代替薯苗中纖維的連接作用［15］。Hertz-Mindlin with JKR接觸模型可以很好地模擬土壤間因靜電、水分等原因發生明顯黏結和團聚現象［16］。

薯苗的泊松比、密度和剪切模量分別為0.3、910 kg/m3和1.868×107 Pa，顆粒半徑為0.5 mm，接觸半徑0.6 mm、單位面積法向剛度5×108 N/m3、單位面積切向剛度6.05×108 N/m3，臨界法向應力1×1010 Pa，臨界切向應力1×1010 Pa；土壤泊松比、密度和剪切模量分別為0.4、2950 kg/m3和1.09×106 Pa［17］，土壤模型顆粒半徑為1～4 mm，表面能為1.5 J/m2。聯合仿真參數如表1所示，聯合仿真模型如圖9所示。

3.2 仿真結果與分析

移栽機構各參數均已確定，分析機構前進速度及安裝高度對薯苗入土深度、薯苗土中直線長度的影響。機構前進速度根據人工放苗速度，設定速度區間為0.1～0.3 m/s。根據甘薯平插栽植深度農藝要求，機構安裝高度為170～190 mm。以機構前進速度、安裝高度為試驗因素，以薯苗入土深度、薯苗土中直線長度為評價指標，進行二元二次回歸正交組合設計仿真試驗。薯苗位姿情況及測量方式如圖10所示。因素水平編碼表、試驗方案及結果以及方差分析如表2～表5所示，其中A、B為因素編碼值。

通過表4方差分析結果可知，機構前進速度及安裝高度對薯苗入土深度Y1的分析模型均具有顯著性，且失擬項均不顯著表明模型較為穩定，回歸方程擬合較好。薯苗入土深度Y1影響程度從大到小順序：B、A、B2、A2、AB，其中AB的交互作用不顯著，剔除不顯著項，其回歸方程為

Y1=51.76+0.772A-6.91B-0.418A2-0.950B2（9）

通過表5方差分析結果可知，機構前進速度A及安裝高度B對薯苗土中直線長度Y2的分析模型均具有顯著性，且失擬項均不顯著表明模型較為穩定，回歸方程擬合較好。薯苗土中直線長度Y2影響程度從大到小順序：A、B、A2、B2、AB，其回歸方程為

Y2=101.84-1.80A+1.45B+0.85AB-1.05A2-0.93B2（10）

由圖11（a）可知，隨著機構安裝高度的增加，薯苗入土深度隨之減小，機構安裝高度直接影響薯苗入土深度。當以前進速度作為試驗因素時，隨著機具前進速度的增加，薯苗入土深度隨之增加。機具前進速度增加，取苗夾手運動速度加快，造成苗上方的土壤被快速向后方擾動，苗莖稈上方的土壤形成空穴，莖稈在自身彈性作用下向上“挺直”。

由圖11（b）可知，薯苗土中直線長度隨機具前進速度增加而降低，因為取苗夾手運動速度加快，土壤擾動過程中改變薯苗的位姿。薯苗土中直線長度隨機構安裝高度增加而增加，因為夾取手在土壤中的水平運動軌跡長度是固定的，入土深度增加到一定程度后，會使水平運動軌跡在土壤的作用下發生傾斜。

4 田間試驗

4.1 試驗方法

針對薯苗入土深度與土中直線長度的回歸模型，運用Design-Expert軟件中Optimization功能，以栽植深度51 mm、直線長度101 mm為條件，求解回歸模型得到的最優參數為前進速度0.22 m/s、安裝高度181 mm。

根據最優參數組合完成樣機試制，并進行田間試驗，驗證該機是否滿足作業要求。

薯苗入土深度合格率

式中：

M1——入土深度合格數量，株；

M——樣本總數量，株。

薯苗土中直線長度是指在甘薯扦插后，薯苗呈直線部分的長度。直線長度在90～110 mm范圍內為合格。薯苗土中直線長度合格率

式中：

M2——土中直線長度合格數量，株；

M——樣本總數量，株。

每30株薯苗為1組，每組試驗重復3次，記錄薯苗入土深度合格率、薯苗土中直線長度合格率。

4.2 試驗結果

入土深度合格率與土中直線長度率試驗結果如表6所示，平均入土深度合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%和93.12%，表明水平移栽機構可以很好地滿足甘薯水平栽植農藝要求。

5 結論

1）" 建立栽植裝置水平栽插運動學模型，運用Matlab編寫四桿鉸鏈機構設計輔助程序，分析四桿機構各個參數對薯苗移栽軌跡的影響，當各桿件長度為L1=100 mm，L2=330 mm，L3=350 mm，L4=215 mm，L5=300 mm且θ=230°，φ=-40°時，機構運動軌跡滿足甘薯水平栽插農藝標準。

2）" 利用EDEM軟件建立薯苗柔性體模型及土壤顆粒模型，基于EDEM-ADAMS聯合仿真模擬移栽裝置整個移栽過程，并進行仿真試驗。仿真試驗的最優參數為機構前進速度0.22 m/s、安裝高度為181 mm。田間試驗結果表明，薯苗入土深度平均合格率與土中直線長度合格率分別為95.32%、93.12%，通過田間試驗驗證表明該機構滿足甘薯水平栽植農藝要求。

參 考 文 獻

［1］ 沈公威， 王公仆， 胡良龍， 等. 甘薯菜用莖尖收獲裝置發展概況與展望［J］. 中國農機化學報， 2019， 40（3）： 26-32.

Shen Gongwei， Wang Gongpu， Hu Lianglong， et al. Development status and prospect of the harvesting mechanism for stem tips of vegetable sweet potatoes ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（3）： 26-32.

［2］ 劉洪明， 呂寶村， 王桂蓮， 等. 我國甘薯專業合作社存在的問題與發展對策——基于即墨市固定觀察點的調查與分析［J］. 安徽農業科學， 2020， 48（2）： 244-247.

Liu Hongming， Lü Baocun， Wang Guilian， et al. Problems and development strategies of sweet potato specialized cooperatives in China： Investigation and analysis based on fixed observation points in Jimo City ［J］. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2020， 48（2）： 244-247.

［3］ 胡良龍， 胡志超， 王冰， 等. 國內甘薯生產機械化研究進展與趨勢［J］. 中國農機化， 2012， 33（2）： 14-16.

Hu Lianglong， Hu Zhichao， Wang Bing， et al. Research development and trend of sweet potato production mechanization in China ［J］. Chinese Agricultural Mechanization， 2012， 33（2）： 14-16.

［4］ 胡良龍， 計福來， 王冰， 等.國內甘薯機械移栽技術發展動態［J］. 中國農機化學報， 2015， 36（3）： 289-291.

Hu Lianglong， Ji Fulai， Wang Bing， et al. Latest developments of sweet potato mechanical transplanting in China ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2015， 36（3）： 289-291.

［5］ 崔中凱， 張華， 周進， 等. 4U-750牽引式甘薯收獲機設計與試驗［J］. 中國農機化學報， 2020， 41（5）： 1-5， 25.

Cui Zhongkai， Zhang Hua， Zhou Jin， et al. Design and test of 4U-750 trailing type sweet potato harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（5）： 1-5， 25.

［6］ 趙海， 劉新鑫， 潘志國， 等.甘薯種植農藝及機械化種植技術研究［J］. 中國農機化學報， 2021， 42（6）： 21-26.

Zhao Hai， Liu Xinxin， Pan Zhiguo， et al. Agronomic characteristics and mechanized planting technology of sweet potato ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2021， 42（6）： 21-26.

［7］ 嚴偉， 張文毅， 胡敏娟， 等. 國內外甘薯種植機械化研究現狀及展望［J］. 中國農機化學報， 2018， 39（2）： 12-16.

Yan Wei， Zhang Wenyi， Hu Minjuan， et al. Present situation of research and expectation on plant mechanization of sweet potato in China and abroad ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2018， 39（2）： 12-16.

［8］ Zhang G， Wen Y， Tan Y， et al. Identification of cabbage seedling defects in a fast automatic transplanter based on the maximum algorithm ［J］. Agronomy， 2020， 10（1）： 65.

［9］ Li Lin， Xu Yalei， Pan Zhiguo， et al. Design and experiment of sweet potato up-film transplanting device with a boat-bottom posture ［J］. Agriculture， 2022， 12（10）.

［10］ 劉正鐸. 機械臂式甘薯移栽機關鍵技術與移栽機理研究［D］. 泰安： 山東農業大學， 2022.

Liu Zhengduo. Key technology and transplanting mechanism of sweet potato transplanter with mechanical arm ［D］. Taian： Shandong Agricultural University， 2022.

［11］ 胡良龍， 王冰， 王公仆， 等. 2ZGF-2型甘薯復式栽植機的設計與試驗［J］. 農業工程學報， 2016， 32（10）： 8-16.

Hu Lianglong， Wang Bing， Wang Gongpu， et al. Design and experiment of type 2ZGF-2 duplex sweet potato trans planter ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（10）： 8-16.

［12］ 申屠留芳， 吳旋， 孫星釗， 等. 基于遺傳算法的紅薯栽植機構設計［J］. 中國農機化學報， 2019， 40（12）： 6-11.

Shentu Liufang， Wu Xuan， Sun Xingzhao， et al. Design of sweet potato planting mechanism based on genetic algorithm ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2019， 40（12）： 6-11.

［13］ 申屠留芳， 唐立杰， 孫星釗， 等. 指夾式甘薯移栽機栽植機構的設計與仿真［J］. 江蘇農業科學， 2018， 46（14）： 223-226.

Shentu Liufang， Tang Lijie， Sun Xingzhao， et al. Design and simulation of planting mechanism of finger clip sweet potato trans planter ［J］. Jiangsu agricultural science， 2018， 46（14）： 223-226.

［14］ 趙萬卓. 基于3-RPS并聯機構的穩定平臺建模與仿真［D］. 北京： 軍事科學院， 2021.

Zhao Wanzhuo. Modeling and simulation of stable platform based on 3-RPS parallel mechanism ［D］. Beijing： Academy of Military Sciences， 2021.

［15］ 趙吉坤， 宋武斌， 李晶晶， 等. 基于 EDEM 的水稻秸稈建模及力學性能分析［J］. 土壤通報， 2020， 51（5）： 1086-1093.

Zhao Jikun， Song Wubin， Li Jingjing， et al. Modeling and mechanical analysis of rice straw based on discrete element mechanical model ［J］. Chinese Journal of Soil Science， 2020， 51（5）： 1086-1093.

［16］ Zhou J C， Zhang L B， Hu C， et al. Calibration of wet sand and gravel particles based on JKR contact model ［J］. Powder Technology， 2022， 397： 117005.

［17］ 王憲良， 胡紅， 王慶杰， 等. 基于離散元的土壤模型參數標定方法［J］. 農業機械學報， 2017， 48（12）： 78-85.

Wang Xianliang， Hu Hong， Wang Qingjie， et al. Calibration method of soil contact characteristic parameters based on DEM theory ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2017， 48（12）： 78-85.