仙人球自動移栽機末端執行器的設計與試驗

摘要：針對現有仙人球疏植移栽設備的取苗末端執行器存在株距調整靈活性差、自動化程度低、移栽成功率不高等問題，基于仙人球的物理特性和移栽作業工藝要求，設計一種株距可動態調整的取苗末端執行器，可滿足不同株距穴盤之間的幼苗疏植移栽作業。根據疏植移栽的作業流程和受力情況，設計取苗末端執行器的整體結構，分析計算確定各關鍵部件的尺寸參數，應用UG和Adams軟件建立苗缽復合模型，并進行運動仿真試驗。以移栽存活率和苗缽完整度為試驗指標，以取苗針傾斜角、取苗針長度、取苗針插入速度、取苗針下端直徑為試驗因素，搭建仙人球自動移栽機取投苗試驗平臺，進行正交試驗和驗證試驗。通過極差分析得到最優參數組合為苗針傾斜角19°、取苗針長度33 mm、取苗針插入速度0.4"m/s、取苗針下端直徑12"mm，移栽后苗缽完整率為93.67%，7天后的移栽成活率為91.83%。取苗末端執行器可較好地完成取投苗作業。

關鍵詞：仙人球；自動移栽機；末端執行器；疏植移栽；運動仿真；極差分析

中圖分類號：S223.99""""""文獻標識碼：A""""""文章編號：2095?5553"（2025）"02?0020?08

Design and experiment of end effector for cactus automatic transplanter

Ye Haiping1， Zheng Zhijian2

（1. College of Intelligent Manufacturing， Zhangzhou Institute of Technology， Zhangzhou， 363000， China；

2. Zhangzhou Branch of Fujian Special Equipment Inspection and Research Institute， Zhangzhou， 363000， China）

Abstract： Aiming at the problems of poor flexibility in plant spacing adjustment， low degree of automation， and low success rate of transplanting in the end effector for picking seedlings of existing cactus sparse planting and transplanting equipment， a seedling picking end effector with dynamically adjustable plant spacing was designed based on the physical characteristics of cactus and the technical requirements of transplantation process， which could meet the needs of seedling sparse planting and transplanting operations between different plant spacing hole plates. According to the operation process and stress situation of sparse planting and transplanting， the overall structure of the seedling end effector was designed. The size parameters of each key component were analyzed and calculated. A composite model of seedling bowl was established in UG and Adams. A moving simulation experiment was conducted. The transplant survival rate and seedling bowl integrity were used as experimental indicators， the inclination angle， length， insertion speed， and lower diameter of the seedling needle were used as experimental factors. The experimental platform was built to conduct orthogonal and validation experiments for the automatic transplanting machine of cactus balls. The optimal parameter combination obtained through range analysis is the inclination angle of the seedling needle of 19°， the length of the seedling needle of 33 mm， the insertion speed of the seedling needle of 0.4 m/s， and the diameter of the lower end of the seedling needle of 12 mm. After transplantation， the seedling bowl integrity rate is 93.67%， and the survival rate after 7 days is 91.83%. The experimental results indicate that the end effector for picking seedlings can effectively complete seedling picking and dropping operations.

Keywords： cactus; automatic transplanting machine; end effector; sparse planting and transplanting; motion simulation; range analysis

收稿日期：2023年9月14日""""""" 修回日期：2023年10月30日

? 基金項目：福建省中青年教師教育科研項目（JAT210858）；福建省教育科學“十四五”規劃課題（FJJKGZ23—115）；漳州市自然科學基金項目（ZZ2024J01）；漳州職業技術學院校級科研課題（zzykyk24006）

第一作者：葉海平，男，1982年生，福建龍海人，碩士，副教授；研究方向為農業機械和自動控制等。E?mail： 44002326@qq.com

0 引言

仙人球造型奇特、開花顏色鮮艷，同時又能凈化空氣，是一種深受歡迎的小盆栽植物。仙人球采用穴盤育苗，疏植移栽過程一般由人工完成，目前的移栽設備存在自動化程度低、作業效率低下、取投苗成功率低等問題。為實現移栽的自動化，提高移栽作業生產效率，開展仙人球自動移栽設備末端執行器的研究設計意義重大[1， 2]。

自動移栽機是將苗缽從小的穴盤移栽到大的穴盤中。在整個工作流程中，取苗末端執行器與苗缽直接接觸，完成取苗和放苗動作，是自動移栽機的核心部件，直接影響到移栽工作[3]。國內外針對自動移栽機的取苗末端執行器開展了大量研究[4， 5]。美國、德國和日本等國家的缽苗自動移栽設備技術較為成熟，均研制出大量適合本國農業的全自動移栽機及末端執行器，移栽的研究對象主要為農作物、水果和蔬菜[6， 7]。國內學者針對自動移栽機和末端執行器也開展了大量研究工作[8， 9]。段宏兵等[10]針對目前國內馬鈴薯組培苗移栽的移栽設備自動化程度低，作業環境差、效率低、移栽成活率不高等問題，研發試制了一種馬鈴薯組培苗移栽吸附式末端執行器，吸附式末端執行器依靠PLC進行控制，達到農藝工藝要求；韓豹等[11]針對現有甘藍取苗末端執行器存在取苗針間距固定、靈活性差、適用范圍窄等問題，設計了一種插入針間距可調的針式取苗末端執行器，通過調整調節滑塊和針座在支架上的位置，實現取苗針間距的調整；童俊華等[12]針對針式末端執行器夾持移栽后穴孔內基質殘留較多的問題，設計了一種指鏟式末端執行器，通過增大指鏟與苗缽基質的接觸面積，可剔除穴孔內大部分基質；朱興亮等[13]針對國內現有茄果類移栽機自動化程度低、效率低下等問題，設計了一種茄果缽苗自動移栽機，滿足了新疆茄果類蔬菜缽苗移栽需求；王超等[14]針對蔬菜移栽機取苗機構取苗頻率低的問題，設計了一種氣動下壓式高速取苗裝置及配套組合式穴盤，實現高速取苗作業。經過查閱國內外相關的文獻資料，均未找到針對仙人球的全自動移栽機末端執行器的研究成果和專利[15， 16]。

由于仙人球穴盤苗的物理特性與果蔬具有一定的差異性，現有的末端執行器無法直接應用。結合設施農業仙人球移栽工藝，設計一種株距可調的仙人球自動移栽機取苗末端執行器。首先，通過凸輪機構實現株距動態調整，分析計算出取苗末端執行器的結構尺寸；然后，運用軟件進行取苗末端執行器的運動仿真；最后，采用正交試驗法進行試驗驗證取苗末端執行器的整體工作性能，以期為今后仙人球全自動移栽機的整體設計提供參考。

1 取苗末端執行器的總體結構與工作原理

伴隨著農村勞動力大量涌入城市，農村勞動力匱乏，勞動力成本高的特點，設施農業在農村受到政府的大力推廣。仙人球是沙漠植物，為提高種植產量，保證良好品相，延長開花周期，一般采用溫室大棚進行規模化種植。仙人球的培育方式主要采用穴盤育苗，當生長到一定階段，為創造更好的生長條件，需要進行疏植移栽。現有的移栽設備主要還是依靠人工完成，自動化程度低、移栽成本高、工作效率低下，嚴重影響了仙人球產業的發展，仙人球全自動移栽機的研究就顯得十分必要。取苗末端執行器作為自動移栽機的關鍵部件，研究設計出性能好的取苗末端執行器，為仙人球全自動移栽機的研究打下了堅實的基礎。

1.1 取苗末端總體結構

取苗末端執行器的直接工作對象為穴盤苗缽，目前仙人球的穴盤規格主要有3種：32孔、50孔和105孔。為便于取苗末端執行器的開發設計，對穴盤的規格尺寸進行了測量，結果如表1所示。

仙人球的疏植移栽過程主要是將105孔的穴盤苗疏植移植到50孔或32孔的穴盤。針對仙人球的移栽工藝，所設計的全自動仙人球移栽機的取苗末端執行器如圖1所示。

步進電機提供動力，與可編程控制器配合實現轉動角位置的控制，凸輪軸、滑塊和導軌構成螺旋傳動副，通過凸輪軸的轉動帶動滑塊在導軌上移動，滑塊與取苗手指相連，實現5個取苗手指的間距動態調整，中間的凸輪槽是圓環，另外4個凸輪槽兩兩對稱分布，取苗手指由筆形氣缸、取苗針和取苗擋板三部分組成，通過筆形氣缸的活塞伸縮，帶動取苗針上下移動，實現取苗和放苗工作。

1.2 取苗末端執行器工作原理

疏植移栽開始工作前，將取苗末端執行器下移到取苗點，步進電機開始工作，通過聯軸器帶動螺旋桿轉動。當取苗手指間距調整到達取苗穴盤位置，步進電機停止工作，手指氣缸開始工作，取苗針插入穴盤開始取苗，自動移栽機將末端執行器抬起，將取苗末端執行器輸送到需投放的穴盤位置。步進電機繼續工作，調整株距，直至取苗手指分別位于投放穴盤的正上方，末端執行器下移，將幼苗投放到穴盤中，取苗手指氣缸工作，取苗針回縮脫離苗缽，完成投苗作業，整個疏植移栽工作流程結束，如圖2所示。

在疏植移栽工作時，取苗末端執行器的工作過程如下：（1）移栽初始，將取苗末端執行器移動到取苗穴盤上方，步進電機啟動，取苗手指完成間距動態調整，通過行程開關控制，實現5個取苗手指分別位于5個取苗穴盤的正上方，保證取苗手指與穴盤一一對應；（2）取苗末端執行器繼續下移直至到達取苗位置，筆形氣缸開始工作，取苗針伸出并插入取苗穴盤的苗缽；（3）將取苗末端執行器上移，使得苗缽脫離穴盤，完成取苗工作，并將末端執行器移動到投放穴盤的正上方；（4）步進電機繼續轉動，完成取苗末端執行器的間距調整，直至5個取苗手指正好分別位于5個投苗穴盤正上方時，步進電機停止工作；（5）取苗末端執行器繼續下移至投放的穴盤，將苗缽投放到穴盤內，取苗手指氣缸開始工作，取苗針回縮，在取苗擋板的作用下，與苗缽脫離，完成投苗工作，取苗末端執行器歸位，移栽工作完成。

2 取苗末端執行器設計

關鍵機構設計和參數選擇的合理性直接影響到仙人球自動移栽機整體的疏植移栽工作性能。取苗末端執行器作為一個與苗缽直接接觸的執行機構，是自動移栽機的核心部件。取苗末端執行器的主要難點是取苗手指的株距動態調整，選用凸輪傳動機構實現株距動態調整，取苗手指由筆形氣缸、擋板和取苗針組成，筆形氣缸完成取苗針的伸出和回縮工作。

2.1 驅動部件的選擇

取苗末端執行器的主要驅動方式有電磁驅動、液壓驅動、氣壓驅動、電機驅動，工作特性如表2所示，末端執行器在工作中，為實現取苗手指間距的動態調整，對凸輪軸旋轉的角位移要實施控制，農用機械一般選擇穩定性好、性價比高的，所以選擇電機驅動作為取苗末端執行器的驅動部件。根據仙人球自動移栽機工作特點，選擇86步進電機套裝（參數：86"BYG250"H轉速），驅動器參數型號MA860"H（帶風扇）[17]。

2.2 傳動機構設計

取苗手指株距動態調整是疏植移栽技術的核心環節。通過查閱相關資料，自動移栽機要在一定穩定下實現取苗手指的株距動態調整，可以實現變距的方式有4種：凸輪傳動機構、塔輪調節機構、連桿調節機構，凸輪調節機構。與其他3種變距機構相比，凸輪傳動機構簡單，在工作運行平穩，可根據實際工作要求靈活調整取苗手指間距，制造成本低。因此，選擇凸輪傳動機構作為自動移栽機取苗末端執行器的疏植移栽調節機構。

凸輪調節機構作為疏植移栽的關鍵部件，其工作性能直接影響到自動移栽機的取苗效率，為了提高自動移栽機工作效率，在軸上加工封閉的凸輪槽，如圖3所示，封閉的凸輪槽內分別裝有滑塊，凸輪的轉動帶動取苗手指的移動，實現取苗手指的株距動態調節。

2.2.1 圓柱凸輪設計

根據仙人球的移栽特性和穴盤的規格，仙人球自動移栽機的取苗末端執行器的株距調節40～70"mm。通過取苗手指的工作行程范圍，確定凸輪株距調節機構的結構尺寸。結合仙人球在移栽過程中的受力情況，選擇直徑為50"mm的軸作為凸輪軸，材質選擇普通45號鋼，在凸輪軸上加工出5條凸輪槽，根據取苗手指的工作范圍，確定凸輪槽的行程范圍為30～70"mm和60～140"mm，選擇凸輪槽深度為4"mm，寬度為8"mm。為保證凸輪傳動機構的運動平穩性，避免運動過程中出現太大的剛性沖擊，凸輪的運動曲線選擇簡諧振動曲線，式（1）為靠近中心的對稱凸輪槽曲線方程，形狀如圖4（a）所示，式（2）為外圍的對稱凸輪槽曲線方程，形狀如圖4（b）所示。考慮到凸輪傳動機構的工作行程，其運動凸輪槽的兩條對稱曲線方程如式（1）、式（2）所示。在復雜的外部環境下，凸輪傳動機構無法連續無突變的平穩運動，會出現一定程度上的沖擊和振動。

[y=x（t）=20×sin（x-90°）+50] （1）

[y=x（t）=40×sin（x-90°）+100] （2）

式中： x（t）——取苗手指的的軸向位移，mm；

x——凸輪軸轉動的角度，[0°≤x≤360°]。

2.2.2 凸輪傳動機構的受力情況

機械設計過程中，通過分析計算機構在工作過程中的受力情況，確定零部件的機構尺寸。仙人球自動移栽機在工作過程中，疏植移栽作業的株距動態調整采用凸輪傳動機構，凸輪機構在工作過程中，凸輪軸轉動的同時，取苗手指聯接的滑塊與凸輪槽接觸并沿著導軌做直線運動。分析滑塊與凸輪槽相互作用的整體受力情況，并繪制出圖5。

在疏植移栽過程中，通過凸輪軸的轉動調整取苗手指的間隙，滑塊通過凸輪軸的轉動帶動下發生軸向移動，滑塊在工作中，受到凸輪的轉動力矩T，滑塊與凸輪槽接觸面的正壓力[F2]，正壓力與豎直線的夾角為θ，滑塊的軸向移動推力[F1]，滑塊與凸輪軸的相對滑動產生的摩擦力[F3]，通過理論分析計算，可得到力平衡方程組如式（3）所示。

式中： μ——滑塊與凸輪槽的相對滑動摩擦因數；

[r]——凸輪軸半徑，mm。

2.3 取苗手指

取苗手指的結構如圖6所示，由筆形氣缸、擋板和取苗針三部分組成，筆形氣缸主要完成取苗針的伸縮工作，取苗針負責完成插入和拔出苗缽工作，擋板的作用是協助完成投苗工作。

2.3.1 缽苗取苗手指的選擇

根據移栽過程中的受力情況不同，取苗手指分為夾持式和直插式兩類。夾持式取苗手指在工作過程中，取苗針對苗缽產生一定的擠壓作用力，然后靠苗缽與取苗針之間的摩擦力帶動苗缽脫離穴盤，在移栽過程中，夾持方式工作平穩，但是當受力太大時，易導致苗缽發生形變，甚至破壞苗缽的完整性。直插式取苗手指在移栽過程中，取苗針以一定的角度斜插入苗缽，在插入過程中，對苗缽會產生一定的擾動，在一定程度上破壞了苗缽的完整性，主要通過取苗針對苗缽形成的支持力和摩擦力完成整個取苗過程。鑒于直插式對苗缽的破壞性較小、結構簡單，結合仙人球的根系特點和苗缽特性，選擇直插式取苗手指完成取投苗工作。

2.3.2 取苗針的確定

取苗針是取苗手指的執行部件，考慮到仙人球移栽工作環境和受力情況，選擇鋁合金作為取苗針的材質，具體如圖7所示。

針數和直徑是取苗針的兩個重要參數。目前的取苗針針數主要有2針、3針、4針，通過試驗分析，在相同直徑的情況下，取苗針的針數越多，取苗手指工作越平穩，為能實現穩定夾持，選擇4根取苗針結構。取苗針的直徑選擇用試驗方式進行確定，分別選擇直徑1"mm、2"mm、3"mm、4"mm、5"mm對仙人球穴盤進行取苗試驗，試驗發現，1"mm、2"mm的取苗針由于尺寸太小，剛性不足易折彎，3"mm的取苗針取苗過程，沒有出現取苗針折彎或苗缽變形現象，4"mm的取苗針由于尺寸太大，易導致苗缽發生變形，綜合以上試驗結果，選擇直徑為3"mm的取苗針。

2.3.3 取苗手指的主要參數

1） 取苗針傾角φ。每個取苗手指都有4根對稱布置的取苗針，其傾斜角度與穴盤的角度方向一致，取苗針通過傾斜角來提高夾持苗缽的穩定性，為避免角度過小，在插入過程中刺破穴盤側壁，取苗針傾角應大于穴盤的傾角，即

[φ≥arctan（D1-D2）／2H1=β] （4）

式中： [D1]——穴盤上端直徑，mm；

[D2]——穴盤下端直徑，mm；

[H1]——穴孔高度，mm；

β——穴孔棱線傾角，（°）。

通過表1計算可得，32穴盤、50穴盤、105穴盤的穴盤傾角分別為16.70°、15.52°、14.03°，為防止刺破穴盤側壁，取苗針的傾角設計成18°。

2） 取苗針長度[L1]。取苗針插入越深，對苗缽的夾持越平穩，為防止取苗針插入太深而刺破穴盤的底部，即

[H／cosφ≤H1] （5）

由表1可得，穴盤高度最小為32穴盤，高度40"mm，通過分析計算選擇取苗針的長度為36"mm。

3） 取苗針的上端直徑[D3]和下端直徑[D4]。取苗針在插入穴盤中的苗缽時，不能觸碰到穴盤側壁，所以取苗針下端直徑[D4]要小于[D2]，上端直徑[D3]要小于穴盤上端直徑[D1]，考慮到本移栽工作對象為32孔、50孔和105孔三種規格穴盤，具體尺寸如表1所示，取苗針下端直徑[D4]為13"mm，取苗針的上端直徑[D3]為33"mm。

3 仿真優化取苗參數

取苗末端執行器在株距調整過程中，簡諧運動曲線的凸輪機構的轉動帶動滑塊的水平移動，從而實現株距的調整。根據疏植移栽工藝要求，凸輪機構在工作過程中，包括推程、休止、回程、休止四種工作狀態，會出現一定程度的振動，滑塊也會出現突然加速或停止，從而引起沖擊和振動，造成位置精度不夠準確。因此，在UG和Adams軟件進行建模仿真，分析不同穴盤疏植移栽過程中，取苗手指的運動特性。

仙人球栽植的穴盤主要分為32孔、50孔、105孔三種，其對應的取苗手指的株距位移分別為67"mm、53"mm和41"mm。選取設施農業中仙人球疏植移栽工藝要求進行模擬仿真分析，分別為105孔穴盤疏植移栽至50孔穴盤、105孔穴盤疏植移栽至32孔穴盤。由圓柱凸輪疏植移栽仿真過程分析發現，從動件整體運行平穩，可以滿足疏植移栽平穩高速的要求，但由于株距要求的不同，急啟急停現象仍然存在，需進一步對沖擊現象進行分析。

根據仙人球在疏植移栽過程中，凸輪機構的運動情況，在軟件中完成對模型的各種條件約束，包括固定約束、接觸約束和轉動約束等。然后增加動力驅動，設置好凸輪軸的轉動速度為5°/s，設置仿真步長為600。并提取取苗手指在疏植移栽過程的位移和速度曲線，如圖8所示。

仙人球在疏植移栽過程中，當從105孔穴盤移栽至50孔穴盤時，取苗手指工作前的初始位移在41"mm位置，初始速度為-4.3"mm/s，凸輪機構進入推程狀態，取苗手指到達株距53"mm位置（推程的頂端）時完成取苗手指株距調整，保證取苗手指與50孔穴盤一一對應，在1.2"s的休止階段完成投苗作業，然后進入回程階段，當取苗手指調整到41"mm位置時，與105孔穴盤一一對應，完成株距調整，在另一個1.3"s休止階段完成取苗作業，完成疏植移栽的一個工作流程。

通過仿真數據可以看到，在疏植移栽過程中有出現速度突變和波動現象，速度的輕微波動不會造成什么沖擊，而大幅變化的速度會產生很大的接觸應力，造成一定的剛性沖擊。通過仿真數據計算最大接觸應力，如表3所示，然后與許用應力相比較，均未超過材料的許用應力，滿足設計要求。

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗方法

試驗材料選擇仙人球種植基地福建省漳州市高新區鄒塘村的仙人球，選取105孔穴盤30盤作為移栽對象。將試制的仙人球取苗末端執行器搭載在穴盤自動移栽機試驗臺進行移栽試驗。采用L9（34）正交表安排試驗，選取末端執行器的取苗針傾角、取苗針長度、取苗針插入速度和取苗針的下端直徑[D4]為試驗因素，如表4所示。末端執行器主要的工作任務是取苗和投苗。移栽過程中，取苗針對苗缽的作用力易造成苗缽變形和顆粒出現脫落，為盡量保證苗缽的完好無損和移栽過后能成活，選擇苗缽的完整率P和移栽成活率η作為試驗指標。苗缽完整率是移栽后總質量與原來總質量的比值，移栽成活率是指移栽7天后成活總株數與移栽全部株數的比值。每次試驗取相同樣本多次重復試驗，取平均值作為試驗結果數據。

[P=（m1-m2）／m1]×100% （6）

式中： m1——移栽前苗缽總質量，kg；

m2——移栽過程中苗缽脫落的質量，kg。

[η=（W1-W2）／W1]×100% （7）

式中： W1——移栽的總株數，株；

W2——移栽后死亡的株數，株。

4.2 試驗結果分析

取苗末端執行器采用正交試驗，將試驗結果進行規范化整理，如表5所示，A、B、C、D分別表示取苗針傾斜角、取苗針長度、取苗針插入速度、取苗針下端直徑的編碼值。為確定試驗因素參數變化對試驗指標的影響大小，對表5的數據進行極差分析可得表6和表7。由表6可知，自動移栽完整率的最佳組合為A1、B1、C1、D2，4個參數變化對苗缽完整率影響從大到小分別為C、A、B、D；由表7可知，自動移栽成活率的最佳組合為A1、B3、C1、D2，4個參數變化對苗缽成活率影響從大到小分別為C、A、B、D。取苗針在不刺破穴盤底部的情況下，取苗針越長，對苗缽的夾持越穩定，因此，選擇最佳組合為A1、B3、C1、D2，即取苗針傾斜角為19°、取苗針長度為33"mm、取苗針插入速度為0.4"m/s、取苗針下端直徑為12"mm的組合下，取苗末端執行器的工作性能最優。

4.3 試驗驗證

通過對正交試驗結果的數據分析計算，確定最優組合：取苗針傾斜角為19°、取苗針長度為33"mm、取苗針插入速度為0.4"m/s、取苗針下端直徑為12"mm，選擇10盤105孔穴盤的仙人球放置到自動移栽試驗臺，再次進行移栽試驗，以驗證正交試驗數據的準確性。移栽到50孔穴盤的苗缽完整率為93.56%，移栽7天后的成活率為91.76%，移栽到32孔穴盤的苗缽完整率為93.67%，移栽7天后的成活率為91.83%。再次試驗驗證的數據與正交試驗數據一致，結果表明，末端執行器在最優參數的組合下，性能最優，能夠滿足設施農業對仙人球自動移栽的技術要求。

5 結論

1） 根據仙人球的自身物理特性和穴盤自動移栽工藝，分析開發設計一種全自動仙人球移栽機的取苗末端執行器。通過凸輪傳動機構實現移栽過程中株距的自動調整，采用取苗手指實現取苗和投苗工作。通過分析計算確定結構尺寸，并在軟件中進行仿真末端執行器的功能。

2） 將試制的取苗末端執行器搭載在穴盤自動移栽試驗臺，選取取苗針傾角、取苗針長度、取苗針插入速度、取苗針下端直徑為試驗因素，移栽的苗缽完整率和移栽成活率為試驗指標，進行正交試驗。試驗獲得最優的組合：取苗針傾斜角為19°、取苗針長度為33"mm、取苗針插入速度為0.4"m/s、取苗針下端直徑為12"mm，取苗末端執行器完成移栽后的苗缽完整率為93.67%，7天后的移栽成活率為91.83%，試驗證實所設計的末端執行器能滿足仙人球自動疏植移栽的取投苗工作。

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