穴盘苗斜楔块片状式取苗末端执行器设计

胡　静，毛罕平，胡圣尧，3，温贻芳，于　霜，韩绿化，储建华，高新浩

(1.苏州工业职业技术学院，江苏 苏州　215104；2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江　212013；3.常州工学院，江苏 常州　213022)



穴盘苗斜楔块片状式取苗末端执行器设计

胡静1，2，毛罕平2，胡圣尧2，3，温贻芳1，于霜1，韩绿化2，储建华1，高新浩1

(1.苏州工业职业技术学院，江苏 苏州215104；2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江212013；3.常州工学院，江苏 常州213022)

摘要：取苗末端执行器，是穴盘苗自动取苗机构的核心工作部件。为此，依据我国穴盘苗生产实际情况，设计了一种斜楔块片状式取苗末端执行器。选择72穴西葫芦穴盘苗作为试验测试对象，通过初步试验对比分析了不同夹持手指的取苗效果，优选出叉子形夹持手指取苗效果最好。同时，进行全因素试验研究叉子形手指取苗特性，得出当手指长度L为130mm、插入深度h为30mm、夹持角度β为12°时，取苗末端执行器的成功率达到95%，秧苗伤苗率为5%，兼顾取苗质量又减少了对秧苗的损伤。

关键词：穴盘苗；移栽机；末端执行器

0引言

穴盘苗技术是20世纪70年代中期在欧美国家率先发展起来的一种适合工厂化种苗生产的育苗方式，80年代中期引入我国，近年来得到空前发展。穴盘育苗移栽不仅具有普通移栽种植的特点，还可以节省种子、便于规范化管理、培育壮苗且移栽后没有缓苗期,非常适合机械化栽植作业，可有效减少劳动力，提高作业效率。

目前，我国穴盘苗栽植机械处于半机械作业水平，移栽过程中需要人工取苗喂入栽植机，移栽效率低、用工量大[1]。而取苗末端执行器作为穴盘苗自动取苗机构的核心工作部件，直接和穴盘苗钵体接触，在尽量不伤苗的情况下，将穴盘苗从穴盘孔穴中夹取出来。国内学者对穴盘苗自动移栽机的研究主要集中在取苗机构的研发上[2-6]，仅仅实现了取苗的轨迹要求，没有有效合理地设计取苗末端执行器。

本文依据我国穴盘育苗实际情况，设计一种斜楔块片状式取苗末端执行器，通过初步试验对比分析不同型式夹持手指的取苗效果，优选出适合我国穴盘育苗情况的最好夹持手指，再进行全因素试验研究取苗特性，最终完成穴盘苗自动移栽机取苗末端执行器设计。

1取苗末端执行器设计

移栽机上的取苗末端执行器，按夹持手指形状，可分为片状和针式。对针式取苗末端执行器，按手指数量又可分为两针式、三针式、四针式[7-8]。三针和四针式取苗可靠性优于两针式，但容易伤苗，且结构比较复杂。两针式不易伤苗，但要求秧苗盘根充分，这样才能将秧苗夹取出来[9]。对两针式夹持，通过研究发现对育苗质量的要求很高，当苗钵盘根不好时，两针夹持容易把苗钵夹碎，从而导致取苗失败。

本文设计的取苗末端执行器，采用片状夹持手指，具体结构如图1所示。

1.盖板　2.固定块　3.拉杆　4.压缩弹簧　5.U型折板

取苗末端执行器，包括盖板、固定块、拉杆、压缩弹簧、U型折板、弹性片及斜楔块。其中，钢丝绳和拉杆固定连接，拉杆末端和斜楔块固定，在拉杆的拉动下，斜楔块沿拉杆方向滑动，使弹性片开合，从而夹取和释放钵体。

如图2(a)所示，取苗末端执行器在取苗工作时，以与竖直方向成γ角度来执行取苗动作，穴盘的受力如图2(b)所示。取苗末端执行器两夹片以β角度夹紧钵体，将钵苗从穴盘中取出，这个过程钵体受到夹持手指方向摩擦力f1、f2，夹持手指法向载荷P1、P2，钵体所受拔苗力P，钵体侧边角度θ。力P的影响因素较多，包括钵体成分、含水率、钵体大小，与穴盘孔壁的粘附性等，P值可通过实验测定平均值[10]。摩擦力f1、f2只考虑土壤滑移摩擦力。

(a)　取苗示意图

(b)　钵体受力分析

受力分析为

f1=f2

(1)

p1=p2

(2)

fi=upi(i=1,2)

(3)

(4)

联立方程组解得

(5)

从式(5)可知：取苗末端执行器夹持手指的夹持力，即夹持手指法向载荷P1、P2的大小，由P、β、μ3个因素决定，由于对同一种移栽对象拔苗力P、静摩擦因数μ基本不变，所以夹持手指的夹持力主要由夹持角度β决定。

2取苗试验设计

试制取苗末端执行器样机，将其安装在导向槽取苗台上，实现对穴取苗，如图3所示。选择72穴西葫芦穴盘苗作为试验测试对象，含水率为55%～60%。

图3　取苗末端执行器取苗试验台

2.1夹持手指型式

取苗末端执行器夹持手指的形状直接影响取苗的成功率，本试验设计了3种夹持手指末端的形状，如图4所示。选用的材料是65锰钢，1号和2号都是锥形手指，2号手指比1号手指宽，夹持力大于1号，3号手指为叉子形。

1号　　　　2号　　　　3号

2.2试验参数

通过取苗末端执行器夹苗分析，得出对同一种移栽对象钵体所受的拔苗力P、静摩擦因数μ基本不变，夹持力主要由夹持角度β决定。此外，取苗时，取苗末端执行器插入钵体中的深度h影响夹持力度，夹持手指长度L的不同会影响夹持片的刚度。所以，最终确定出取苗试验的参数：夹持角度β，插入深度h，夹持手指长度L。取苗试验参数设定如表1所示。

表1　取苗试验参数

表中“—”内容为空缺，表示数据量少或无法实现。

调整参数的方法是：试验时，通过调整斜楔块在夹持手指中的位置来改变夹持角度β；通过调整移箱和取苗部件的相对位置来改变插入深度h；通过安装不同长度的夹持手指来改变夹持手指长度L。

2.3评价指标

1)取苗成功率。取苗末端执行器将秧苗从穴盘中取出并成功投苗，作为取苗成功的标准，即

2)取苗伤苗率。取苗末端执行器在进行夹苗时，容易把钵体夹碎，在投苗过程中，滑块推苗有可能会损伤苗茎或者叶子。由于现在还没有伤苗标准，以把钵体破坏超过整体1/4、苗茎弄断作为伤苗标准；而叶片的损伤不会太大程度影响秧苗的生长，可不作考虑。

计算式为

3取苗试验与结果

3.1初步试验

表2是不同型式夹持手指的取苗试验结果。从表2可以看出：取苗成功率最高的是3号取苗片，最差的是2号取苗片；伤苗率最低的是3号取苗片，最高的是2号取苗片。2号取苗片末端采用锥形，与3号的叉子形相比，插入钵体中的面积较大，而钵体基本被根系盘绕住；2号取苗片很难充分插入土中，反而会将钵体压碎，将根须切断，导致取苗成功率差，伤苗率高。1号取苗片由于插入钵土中的面积比2号小，取苗成功率比2号略高，但伤苗率也比较高。通过对比，采用3号叉子形夹持手指，取苗效果最好，因此选择3号叉子形夹持手指作为最佳方案。

表2　不同夹持手指取苗试验记录

3.2最优试验

通过初步试验分析，选择3号叉子形夹片作为取苗末端执行器的夹持手指，根据试验设计的3个参数：夹持手指长度L、插入深度h、夹持角度β，进行全因素试验，每组取苗的株数为20株。试验结果如表3所示。

表3　取苗试验记录

表中“—”内容为空缺，表示数据量少或无法实现。

通过全因素试验，当取苗末端执行器的夹持手指长度为100mm时，取苗成功率很低。这是因为当取苗末端执行器取苗时夹持力不够，难以夹钵脱盘。当取苗末端执行器的夹持手指长度为130mm，且插入深度为45mm时，取苗末端执行器达到较高取苗成功率；但由于取苗末端执行器插入较深，钵体容易被夹坏，并且随着夹持角度β的增加，斜楔块到取苗末端执行器末端的距离越来越近，比较容易压断苗茎，导致伤苗率较高。当取苗末端执行器的夹持手指长度为130mm、插入深度为15mm时，伤苗率具有较低数值，取苗成功率也比较低。这是因为取苗末端执行器插入钵体的深度较浅，往往取不出苗钵，在携苗投递过程中，容易将苗钵甩出，从而不能成功将取出的苗钵投到栽植器接杯里，于是达不到理想的取苗移栽效果。

通过综合对比，最佳的参数组合是夹持手指长度L为130mm、插入深度h为30mm、夹持角度β为12°，如图5所示，在该参数组合下，取苗末端执行器取出秧苗后苗的状态，秧苗基本上无损伤。

图5　完成取苗后苗的状态

4结论

1)对于斜楔块片状式取苗末端执行器，夹持手指的夹持力主要由夹持角度β决定，此外，取苗时，取苗末端执行器插入钵体中的深度h影响夹持力度，夹持手指长度L的不同会影响夹持片的刚度。

2)通过试制样机进行初步取苗和最优取苗试验，得出当夹持手指长度L为130mm、插入深度h为30mm、夹持角度β为12°时，取苗末端执行器的成功率达到95%，同时秧苗伤苗率最低，为5%。这一最优组合兼顾取苗质量又减少对秧苗的损伤。

3)所设计的取苗末端执行器仅仅对西葫芦穴盘苗做了取苗效果试验分析，达到了最优取苗效果，满足实际取苗要求，更多的试验对象只需在最优组合条件下作进一步研究。

参考文献：

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0133-EA

Design of a Sheet-typed End-effector with Oblique Wedge for Picking up Plug Seedlings in Automatic transplanting

Hu Jing1,2, Mao Hanping2, Hu Shengyao2, 3, Wen Yifang1, Yu Shuang1,Han Lvhua2, Chu Jianhua1, Gao Xinghao1

(1.Suzhou Institute of Industrial Technology, Suzhou 215104,China；2.Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013,China；3.Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213022；China)

Abstract：End-effector for picking up seedlings is the core components of the automatic transplanters.A sheet-type picking seedlings end-effector by oblique wedge for plug seedlings was designed,which 72 zucchini plug seedlings was considered as testing subjects.Picking seedlings effect of different gripping fingers was analyzed by the initial tests, and then the best picking seedlings effect was with fork-shaped gripping fingers. By full factors’ picking seedlings testing for fork-shaped gripping fingers, when finger’s length is 130 mm, inserting depth is 30 mm, and gripping angle is 12 degree, the success rate of picking seedlings end-effector is up to 95% and injury rate of seedlings is 5%, which is good at both picking seedlings quality and less damage to plug seedlings. At last, picking seedlings end-effector for plug seedling automatic transplanting is designed.

Key words：plug seedlings; transplanter; end-effector

文章编号：1003-188X(2016)07-0133-04

中图分类号：S223.92

文献标识码：A

作者简介：胡静(1984-)，女，江苏连云港人，博士，(E-mail)hujingyangran@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(61233006、31201659、31401286)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD08B03)；江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ11＿0581、CXLX13＿67)；江苏高校优势学科建设工程项目(苏财教[2014]37号)；江苏省高校自然科学基金(11KJB210001)；江苏省高校自然科学研究计划项目(13KJD510001)；农业部“948”项目(2004-Q1)

收稿日期：2015-07-04