夹护式西瓜钵苗移栽机构设计与试验

许春林，解江涛，王宇杰，李恩全，辛 亮

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

西瓜为重要经济作物，国内西瓜种植多依靠人工移栽西瓜钵苗。为减轻农民劳动强度、降低人工成本、提高栽植质量效率，机械化移栽是旱地移栽必然趋势。

国外移栽机械大多以电控自动化为主或以半自动栽植结合自动取苗，结构复杂、成本高，不适合我国种植农艺要求和耕地现状[1]。国内鸭嘴类半自动栽植需人工喂苗，栽植质量较高，但难以保证栽植效率[2]；机械取苗多基于土钵和作物特性设计末端执行器，取出率高[3]。现有末端执行器取苗方式主要分为夹取茎秆式和夹取土钵式[4]，前者通过夹片夹紧钵苗茎秆，将钵苗强制由穴盘拔出，适用于茎秆粗壮、耐压作物。夹取土钵式通过取钵针探入并夹紧土钵，将钵苗从穴盘中取出，避免损伤作物茎秆和根系。袁挺等采用振动土钵和气吹取出组合取苗方式，避免损伤秧苗，克服定位困难和取苗成功率低问题，但需与之配套栽植设备，尚未广泛使用[3]。

韩长杰等[5]、潘桂根等[6]基于PLC 设计蔬菜瓜果末端执行器。冯青春等提出柔性花卉末端执行器，减少对土钵和根系损伤，栽植效率低，不适于大田地块作业[7]。韩绿化等采用四针式取苗末端执行器完全包裹钵苗，提升取苗稳定性，提高取出质量，但对土钵损伤较大且结构复杂[8]。冯天翔等提出先聚叶后抓茎花卉末端执行器，提高输送质量，但基质损失较大[9]。为减少基质损伤和提高取苗质量，周梅芳等通过添加辅助装置提高取苗质量和栽植质量，但辅助装置对作物幼苗子叶造成损伤[10]。西瓜幼苗茎秆脆嫩，不适合夹片强制夹取方式，由于西瓜钵苗株冠较大且茎秆较为纤细，西瓜株形不规整，机械栽植过程中西瓜幼苗所受惯性力和风阻力较大，常规取钵机构在西瓜钵苗栽植过程中，存在脱落和松动现象，但现有辅助装置在取钵过程对子叶造成损伤，影响后期生长。因此需设计一种适合西瓜钵苗大株冠特点，避免取苗末端执行器对作物子叶造成损伤。为解决以上问题，实现西瓜钵苗高效高质移栽，本文设计一种夹护式西瓜钵苗移栽机，由末端执行器协同非圆齿轮行星轮系完成钵苗取出、输送和栽植动作，末端执行器由取钵机构和护苗机构两部分组成，在取钵机构夹取土钵过程中护苗机构同时搂紧西瓜秧苗茎秆，保护秧苗茎秆和株冠子叶，达到无损、高质和高效移栽目的。

1 移栽机构工作原理和轨迹分析

1.1 设计要求

根据西瓜钵苗形态和西瓜移栽农艺要求，结合课题组提出系列探入式取钵轨迹[11]，利用该轨迹直线-曲线段取苗轨迹，保证取钵片顺利取出秧苗，避免取秧片对土壤造成搅动及对作物根系二次损伤。在常规探入式取钵末端执行器添加一套护苗（辅助）装置，二者相对固定，借助非圆齿轮不等速转动，驱动护苗装置沿作物茎秆方向向下运动，探入并搂紧秧苗，避免辅助装置因与作物子叶接触造成损伤，提高秧苗在输送过程中稳定性，保证取苗和栽植质量，形成取钵轨迹和护苗轨迹如图1所示。通过限定取钵机构和护苗机构位移行程，利用护苗机构和取钵机构共用一套位移行程，既保证护苗机构和取钵机构动作精准度，又降低机构设计难度。

1.2 工作原理

夹护式西瓜钵苗移栽机构总体包括传动机构和末端执行器两部分，如图2a 所示，末端执行器传动如图2b 所示，末端执行器结构如图2c 所示。传动部分由壳体和3个相互啮合非圆齿轮组成；末端执行器由壳体、护苗夹片、取钵片、取钵齿轮、取钵齿条组成。动力经非圆齿轮行星轮系传动至凸轮，拨叉在凸轮和弹簧作用下推动取钵齿条（弹簧座和齿条）往复运动，取钵齿条经齿轮带动取钵片在取钵壳体内往复运动，实现对土钵夹取和释放，取钵齿条带动推秧杆往复探出和收回，带动护苗夹片张开和闭合，实现对钵苗茎秆保护和释放。

末端执行器工作原理如图2d 所示，图中红色为护苗机构推秧杆，黑色为取钵机构取钵齿条，其中A、C 为取钵齿条触手，B 为推秧杆触手。取钵齿条在凸轮、拨叉和取钵弹簧作用下探出，取钵齿条A端与推秧杆B端接触，取钵齿条推动推秧杆从护苗壳体探出，推秧杆探出并利用自身形状强制撑开护苗夹片，推出秧苗，取钵齿条经取钵齿轮带动取钵片回收，释放秧苗，完成秧苗栽植；取钵齿条在凸轮、拨叉和取钵弹簧作用下回收，取钵齿条C端与推秧杆B端接触，随后取钵齿条带动推秧杆同步回收，护苗夹片回复原状并搂紧秧苗，同时取钵齿条带动取钵片从取钵壳体探出扎入土钵，实现待取钵苗的取出和保护，实现秧苗护苗栽植。

2 移栽机构运动学模型建立

2.1 行星轮系理论模型建立

以经过变换封闭旋轮线蜗线为非圆齿轮节曲线，其中r（θ）为节曲线向径，θ为节曲线向径极角。建立坐标系如图3所示，以行星架转动中心O为坐标原点，水平方向为X 轴，竖直方向为Y 轴。令α0为行星架初始安装角，角速度为ω，本文以逆时针转动为正，顺时针转动为负。太阳轮节曲线极径为r1（φ），若相互啮合两齿轮中心距为d，根据齿轮啮合基本原理，中间轮节曲线极径为r2（φ）=d-r1（φ），行星轮节曲线极径为r3（φ）=d-r2（φ）。

则行星架相对转角φ：

行星架绝对转角φh（φ）分别：

太阳轮相对于行星架转角φ1'（φ）：

太阳轮绝对转角φ1（φ）分别：

中间轮相对于行星架转角φ2'（φ）：

中间轮绝对转角φ2（φ）：

建模时为增加机构可调性，便于优化出图1所示轨迹，引作星架拐角α1。行星轮相对于行星架转角：

行星架拐角引起行星轮初始安装角：

行星轮绝对转角：

行星架转动中心坐标：

中间轮转动中心坐标：

行星轮转动中心坐标：

取钵机构端点c、d、e坐标分别：

式中，ε1为秧苗开始栽植时刻（rad）；ε2为秧苗栽植结束时刻（rad）；ε3为取秧开始时刻（rad）；ε4为取秧结束时刻（rad）；S为取钵片探出长度（mm）。

式中，S1为第1 段栽植臂bc 长度（mm）；S3为第2 段栽植臂cd 长度（mm）；S4为取钵臂ce 长度（mm）；α3为栽植臂初始安装角（rad）；α4为第2 段栽植臂与第1 段栽植臂拐角（rad）；护苗机构端点f、g 坐标分别为：

式中，S2表示第1段护苗臂cf长度（mm）；S5表示第2段护苗臂fg长度（mm）。

2.2 护苗夹片理论模型建立

以推秧杆轴线为Y轴，建立坐标系，如图4所示。红色为初始位置，黑色为结束位置。为简化分析，将推秧杆和护苗夹片简化为线条，护苗夹片忽略应力形变，简化为等长线段。推秧杆探出，护苗夹片与推秧杆始终接触于一点c，护苗夹片支点a、拐点b、接触点c组成三角形，护苗夹片cd 段与cb 段夹角不变，通过余弦公式，由推秧秆运动规律推出护苗夹片运动规律。

护苗夹片拐点c点坐标：

护苗夹片尖点d点坐标：

式中，lab为第一段护苗夹片长度（mm）；lbc为第三段护苗夹片长度（mm）；δ为护苗夹片ab 段与ac段夹角（rad）；β为护苗夹片ac段与水平正轴线夹角（rad）；γ为护苗夹片bc 段与水平负轴线夹角（rad）；μ为护苗夹片bc段与cd段夹角（rad）。

3 参数优化与仿真

3.1 优化软件及优化数据

根据前文移栽机构运动学模型建立理论模型，应用Visual Basic 6.0开发移栽机构辅助优化设计软件，该软件可实现人机交互且操作简单，大幅度减少优化时间。优化设计软件界面如图5 所示，由菜单栏、图形显示区域、参数输入区域和目标参数区域组成，通过软件可实时显示移栽机构运动状态和部分关键数据。

为实现移栽机构取钵护苗、输送钵苗和栽植运动轨迹且满足移栽臂姿态要求，优化移栽机构参数。结合西瓜钵苗移栽作业农艺要求和西瓜钵苗形态，移栽机构目标数字化，设定移栽机构优化目标[12-14]如下：①轨迹高度大于220 mm；②秧苗直立度小于20°；③夹苗点高度40～80 mm；④夹秧片高度12～40 mm；⑤取钵过程取钵片摆角小于13°；⑥齿轮模数大于2.2 mm；⑦护苗夹片与秧箱无干涉；⑧取钵片与秧箱无干涉；⑨栽植过程碰倒秧苗；10 齿轮箱壳体距地面高度大于25 mm；11 护苗夹片开度30～50 mm；12 取钵片探出长度30～35 mm。

根据优化软件所得优化数据为：取钵机构壳体距地面高度h为34.23 mm，取钵机构第一段S1长度为117 mm，第二段S3长度为86.5 mm，取钵齿条探出长度为35 mm；护苗机构第一段长度S2为150 mm，第二段长度S5为53.8 mm，护苗夹片搂苗高度为45.83 mm，推秧杆行程为18 mm，且护苗夹片张开距离为50 mm；取钵阶段为267°～275°，栽植阶段为92°～132°，栽植秧苗直立度（秧苗与竖直方向夹角）为10.32°，取钵阶段栽植臂摆角为9.87°。

根据优化软件优化数据和所优化轨迹，在整个作业周期内，非圆齿轮行星轮系在267°时驱动取钵机构取钵片与西瓜幼苗土钵接触，与此同时，护苗夹片以最大角度张开并与西瓜幼苗茎秆接触，随后取钵齿条驱动取钵片探入土钵，在275°时结束取钵动作，护苗夹片在267°～275°沿秧苗茎秆方向斜向下探入并搂紧秧苗，护苗夹片在275°时闭合（收紧），完成搂（护）苗动作，取钵机构和护苗同步完成秧苗土钵夹取、茎秆搂紧和保护；取钵机构和护苗机构（夹护式末端执行器）在行星轮系带动下输送秧苗至栽植位置，由取钵齿条在92°～137°（下一栽植周期）驱动取钵片回收，取钵齿条在112°开始推动推秧杆，推秧杆撑开护苗夹片，取钵机构和护苗机构在132°完成秧苗栽植，并为下一周期取钵护秧作准备。为简化取钵机构和护苗机构设计难度，提高取钵机构和护苗机构配合动作精准度，采用凸轮拨叉机构驱动取钵和护苗机构。

3.2 齿条与推秧秆设计

由移栽动作确定：齿条在取钵过程先于推秧杆回收，结束收缩运动，在推钵栽植阶段齿条限于推秧杆探出，结束探出动作。在推钵栽植阶段，齿条在A点（93°）先于推秧杆a点（112°）运动，齿条带动取钵片回收，推秧杆由齿条驱动，顶开护苗夹片，在B和b点（132°）完成推苗栽植动作；在取钵搂苗阶段，取秧片入土和护苗夹片与秧苗接触为同一时刻，齿条驱动取钵片在C点（267°）点入土，护苗夹片在c点（270°）点收缩，开始搂紧秧苗，取钵片和护苗夹片在G 点和H 点（275°），结束取钵护苗动作，推秧秆和齿条位移关系如图6所示。

3.3 护苗机构设计

本文选取早佳麒麟1号西瓜种子，选取适龄钵苗120株（苗期30 d）作钵苗形态数据统计，统计结果为：西瓜钵苗第一片子叶距土钵表面高度L1平均为85 mm，平均苗高L2为160 mm，第一片子叶高度L3平均为30 mm，第一片子叶宽度L4平均为60 mm，钵苗茎秆直径D 平均为6 mm，如图7 所示，该数据为后续护苗夹片结构设计提供依据。

为保证护苗夹片作业效果，实现开不碰苗和闭不漏苗，需控制护苗夹片张开距离（张开开度）K1和闭合距离K2，如图8所示，蓝色实线为护苗夹片张开状态，黑色虚线为护苗夹片闭合状态，红色为待取钵苗，黑色为未取钵苗，蓝色为已取出钵苗。护苗夹片在张开时要防止护苗夹片K1过大推倒黑色钵苗，实现开不碰苗，以免影响移栽机构栽植性能；护苗夹片在与秧苗接触时K1要防止开度不足，推倒红色待取钵苗，影响移栽机构取苗性能；护苗夹片在闭合时，既要避免护苗夹片K2过小对秧苗茎秆造成挤压，又要防止护苗夹片K2过大使得秧苗茎秆从护苗夹片间脱落，实现闭不漏苗，以保证护苗机构性能。护苗夹片在取钵片开始探出时与秧苗茎秆接触，并保证护苗夹片以最大开口张开，防止护苗夹片对待取红色秧苗造成影响，避免破坏秧苗茎秆，降低取出质量，影响后期生长。

4 轨迹验证与性能试验

4.1 高速摄影轨迹验证试验

优化得到移栽机构设计参数，开展机构结构设计、建模和装配，并利用ADAMS 2014中对装配体添加相应束，作虚拟运动仿真，得到虚拟运动轨迹见图9。为验证物理样机运动轨迹和理论轨迹一致性，利用高速摄影技术得到物理样机轨迹，并与理论轨迹、仿真轨迹对比验证。物理样机采用3D 打印技术完成加工并装配，在试验台作空载运行试验（30 r·min-1），通过Phantom v5.1高速摄像机采集移栽机构信息，将视频导入Adobe AE 处理，得到样机轨迹，如图9c所示。

可见，仿真轨迹形状及取苗、推苗等关键位置与前文理论轨迹基本一致，证明移栽机构理论和设计合理性。理论轨迹与实际轨迹上各点坐标之间略有差别，分析原因是：物理样机加工过程中存在误差；实际作业过程中机器存在振动；零部件采用PLA 打印，零件刚度和强度不足；受限于视频处理软件精度，物理样机采样点区域选取过大。分析两轨迹存在误差在允许范围内，不影响移栽机构实际作业效果。

4.2 取苗栽植性能试验

为验证探入式钵苗移栽机构实用性能，作移栽机构移栽性能试验，在东北农业大学工程学院农业机械化实验中心，采用课题组研制旱田土槽试验台开展试验，试验装置见图10。参照JB/T 1029-2001《旱地移栽机械》[15]，土壤平面平整，无明显障碍物，土壤含水率为16.8%，模拟田间土壤状况，试验前需在土槽内事先开好所需穴坑。试验育秧基质选用通用营养土，早佳麒麟1号西瓜种子，结合课题组研发秧箱，本试验选用软质72 穴秧盘育苗，秧盘上穴口尺寸为38 mm ×38 mm，下穴口尺寸为19 mm×19 mm，穴口深度为40 mm。将移栽机构安装在试验台架上，对常规（不带护苗装置）移栽机构和夹护式移栽机构作对比性能验证试验，常规组和夹护组分别选取120 株，共240 株，每组对比试验重复3 次，考虑到3D 打印移栽机构零件强度，试验过程设定工作转速为35 r·min-1。栽植后以秧苗直立度（秧苗与地面水平夹角）介于45°和75°为栽植合格，大于70°为栽植优良。以钵苗是否顺利从钵盘内取出评价移栽机构取苗性能，钵苗是否顺利栽植进入穴坑评价移栽机构栽植性能，以秧苗栽植后秧苗直立度评价移栽机构栽植性能。性能对比试验结果如表1所示。

表1 试验结果统计Table 1 Statistical of test results

由表1 可知，以上试验数据均符合栽植要求，夹护式移栽机构较普通移栽机构取苗成功率提高5%，栽植成功率提高7.5%，栽植合格率提高7.5%，栽植优良率提高15%，两种移栽机构移栽性能均满足栽植要求，且护苗机构明显提高移栽机构栽植性能，验证夹护式移栽机构原理合理性与机构设计可行性。

经分析，造成秧苗未从穴盘中成功取出主要原因包括：秧苗盘根状况不佳，导致秧针夹取土钵过程中基质破碎；部分秧苗在生长过程中产生连根现象，秧针夹取土钵过程中阻力过大未能将秧苗取出。造成秧苗未能成功栽植到土槽中主要原因是：部分秧苗茎秆纤细，输送过程中秧苗脱落；以PLA为原材料制作的，护苗夹片刚度不足。造成秧苗合格率过低主要原因是：土槽所开穴口深度不够或穴口过大，在栽植过程中未及时覆土、镇压部分秧苗茎秆纤细，护苗片未搂紧秧苗。

5 结 论

a.设计一种茎冠夹护式西瓜钵苗移栽机构，可在移栽作业过程中保护秧苗茎秆和株冠子叶。该装置结构简单，成本低，对西瓜钵苗保护效果显著。

b. 根据秧苗形态，结合探入式移栽机构结构特点和西瓜移栽农艺要求，确立优化目标，并开发优化软件，通过人机交互方式，优化符合西瓜夹护移栽要求的工作部件结构参数。

c.利用3D打印技术加工物理样机，并通过高速摄影试验对比分析物理样机工作轨迹，物理样机工作轨迹与理论轨迹、仿真轨迹基本一致，验证夹护式西瓜钵苗移栽机构工作原理和机构设计合理性。

d.移栽机构性能对比试验结果表明，夹护式西瓜钵苗移栽机构取苗和栽植性能较普通取钵式移栽机构取苗成功率提高5%，移栽成功率提高7.5%，栽植合格率提高7.5%，栽植优良率提高15%。夹护式移栽机构较常规移栽机构西瓜钵苗栽植质量明显提升，验证夹护式西瓜钵苗移栽机构可行性和实用性。