夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验

李 华，马晓晓，曹卫彬,3，李树峰,3，周文静

夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验

李 华1,2,3，马晓晓2，曹卫彬2,3，李树峰2,3，周文静2

（1. 岭南师范学院机电工程学院，湛江 524048；2. 石河子大学机械电气工程学院，石河子 832003；3. 农业农村部西北农业装备重点试验室，石河子 832003）

为避免取苗机构在夹取钵苗过程中对钵体与根系造成损伤，该研究针对夹茎取苗方式，提出一种基于二阶椭圆齿轮行星轮系以及凸轮摆杆机构的夹茎式番茄钵苗取苗机构。依据二阶椭圆齿轮传动特性与机构工作原理，建立机构运动学理论模型，并对凸轮轮廓曲线进行设计，结合番茄钵苗取苗作业要求及机构特点，基于MATLAB软件开发机构分析软件对机构参数进行优化，并进一步分析优化后取苗轨迹与凸轮各工作段的对应位置关系，建立了夹茎式取苗机构虚拟样机模型，利用ADAMS软件对取苗机构运动过程进行仿真分析，验证机构参数优化结果及零部件结构设计的准确性与合理性。试制取苗机构物理样机开展高速摄影试验，通过对比分析实际工作轨迹与理论分析及仿真轨迹的一致性，验证了取苗机构设计的正确性。搭建自动取苗试验台进行取苗试验。试验结果表明，取苗机构工作性能可靠、稳定，取苗频率为80株/min时，取苗成功率为92%，投苗成功率为94.2%，伤苗率为2.9%。研究结果可为番茄钵苗全自动移栽机自动取苗机构的研发提供参考。

农业机械；试验；取苗机构；夹茎式；二阶椭圆齿轮；番茄钵苗

0 引 言

新疆是中国加工番茄的主产区，番茄产业在新疆农业生产中占有非常重要的地位[1-2]。近年来新疆地区的番茄种植多采用育苗移栽，随着种植规模的不断扩大，每年春季对移栽机械的需求量剧增[3]。目前使用的移栽机械多为半自动移栽机，取投苗作业均需人工完成，自动化程度低、劳动强度大、作业成本高[4-6]。研制具有自动取苗和投苗功能的全自动移栽机势在必行。

欧美国家研制的移栽机主要偏向于大型化、自动化和智能化联合作业，取苗机构多为整排式取苗，虽然作业效率高，但整机价格昂贵，结构复杂，难以适应新疆地区膜上移栽的农艺要求，无法在新疆地区推广应用[7-10]。韩国Choi等[11]研发了一种滑道-五杆式取苗机构，取苗成功率高达97%，但取苗效率仅为30株/min。日本洋马公司研制的全自动蔬菜移栽机结构紧凑，自动化程度较高，移栽成功率在80%以上，但价格昂贵，维护成本高，取苗机构复杂，采用滑道机构控制取苗轨迹与姿态，工作过程中零部件易磨损[12-13]。东北农业大学与吉林鑫华裕农机有限公司合作研制的双曲柄五杆机构水稻钵苗移栽机，是世界上第一台单机构完成取苗、输送和栽植动作的移栽装备，结构简单，但高速作业时机构振动较大，影响取苗与钵苗栽植质量，主要适用于低速移栽作业[14-15]。韩绿化等[16-17]设计了一种温室钵苗自动移栽机，取苗机构采用气动两指四针钳夹式夹钵取苗，针对多种钵苗的平均移栽成功率为90.70%，苗钵夹取破碎率低于5%，但作业效率不高。俞高红等[18-20]提出了一种椭圆-非圆齿轮行星轮系取苗机构，主要由齿轮传动部分和移栽臂组成，工作平稳，取苗效率较高，但非圆齿轮节曲线设计相对复杂。

基于以上分析，本文以适栽期番茄钵苗为对象，结合钵苗取苗作业要求，模拟人工取苗轨迹、动作及姿态变化要求，提出了一种斜夹直拔夹茎式取苗方法，并基于二阶椭圆齿轮行星轮系与凸轮摆杆机构设计了一种夹茎式取苗机构。通过建立机构运动学模型，开发参数优化软件获得满足番茄钵苗夹茎式取苗作业要求的理想取苗轨迹与机构参数，基于机构优化参数对取苗机构进行三维建模，并试制物理样机。通过虚拟样机仿真分析、高速摄影试验以及台架取苗试验验证番茄钵苗夹茎式取苗机构设计的合理性。

1 机构组成与工作原理

1.1 番茄钵苗夹茎式取苗机构设计要求

取苗机构的主要作用是模拟人工动作将钵苗从穴孔中取出，并按照一定轨迹运送至栽植器鸭嘴上方进行自动投苗[21]，需要在1个动作周期内完成取苗、运苗、投苗及回程4个动作过程。适栽期番茄钵苗茎秆粗壮且不易夹伤，若采用夹钵式取苗方式，苗针插入钵体时会对幼苗根系和基质造成机械损伤，影响钵苗的后续生长。因此，在分析人工夹茎取苗轨迹、动作及姿态变化过程的基础上，提出如图1所示的夹茎式取苗方案与取苗轨迹，设计的番茄钵苗夹茎式取苗机构需要满足以下要求：

1）取苗、运苗和投苗过程的运动轨迹

取苗机构夹苗片夹持钵苗茎秆时要倾斜一定角度，拔苗取出时要垂直穴孔方向拔出，即满足斜夹直拔作业要求；送苗过程中，夹苗片逐渐调整姿态，至投苗位置时需保证钵苗与栽植器鸭嘴竖直方向形成较小的角度差下落。

2）取苗、送苗和投苗过程夹苗片的开合状态

夹苗片在靠近钵苗茎秆之前要完全张开；运动至茎秆两侧后完全夹紧，夹持钵苗茎秆；送苗过程中夹苗片保持夹紧状态并持苗转换空间姿态；送苗至栽植器鸭嘴上方投苗位置时夹苗片迅速张开投苗；投苗后回程阶段始终保持张开状态至下次取苗开始。

图1 番茄钵苗取投苗过程

1.2 取苗机构组成及工作原理

根据取苗机构设计要求和二阶椭圆齿轮行星系传动特点，提出如图2所示夹茎式取苗机构，主要由二阶椭圆齿轮行星轮系传动部分和夹苗器2部分组成，可以完成取苗、送苗和投苗3个动作。传动部分由中心轴1、3个全等的二阶椭圆齿轮（二阶中心椭圆齿轮2、二阶中间椭圆齿轮5、二阶行星椭圆齿轮7）及行星架3组成；夹苗器部分由凸轮9、摆杆13、夹紧块14、复位弹簧15与17、以及夹苗片20组成。中心轴一端与动力装置连接，另一端与行星架固接，二阶中心椭圆齿轮空套在中心轴上与机架固接，二阶中间椭圆齿轮通过与其平键联接的中间轴与行星架铰链联接，二阶行星椭圆齿轮通过与其平键联接的行星轴与行星架铰链联接，夹苗器通过夹苗器连接件与行星轴固接，凸轮通过凸轮轴与行星架固接，随着行星架绕行星轴旋转，凸轮将旋转运动通过摆杆转变为夹紧块的移动，从而控制安装在夹苗片支架上的夹苗片摆动，使两夹苗片夹紧与张开，实现取苗和投苗作业。

1.中心轴 2.二阶中心椭圆齿轮 3.行星架 4.中间轴 5.二阶中间椭圆齿轮 6.行星轴 7.二阶行星椭圆齿轮 8.夹苗器 9.凸轮 10.夹苗器连接件 11.支架 12.凸轮轴 13.摆杆 14.夹紧块 15.复位弹簧a 16.夹苗片支架 17.复位弹簧b 18.螺栓 19.销轴 20.夹苗片

工作时，二阶中心椭圆齿轮固定不动，动力由中心轴传递至行星架，行星架绕二阶中心椭圆齿轮逆时针匀速转动，二阶行星椭圆齿轮相对其中心作往复摆动，固接在行星轴的夹苗器同时随二阶行星椭圆齿轮往复摆动，使夹苗片末端形成封闭的取苗轨迹。当夹苗片运动至轨迹最右端靠近钵苗茎秆两侧时，凸轮摆杆机构控制夹苗片闭合，实现倾斜夹苗，并保持夹紧状态；当夹苗片持苗接近投苗点时，通过连接在摆杆与支架上复位弹簧b的作用，使摆杆下落回位，同时安装在两夹苗片间的复位弹簧a使夹苗片打开实现投苗。

2 取苗机构运动学模型的建立

2.1 二阶椭圆齿轮啮合原理

二阶椭圆齿轮又称为卵形齿轮，齿轮副的一对相互纯滚动的节曲线完全相同。如图3所示，主动轮作等速顺时针转动，转角为1，从动轮作逆时针变速转动，转角为2，两二阶椭圆齿轮瞬心线在1、2点接触。1为主动轮的节曲线极径，2为从动轮的节曲线极径。

主动齿轮的节曲线极坐标方程为

式中1=(1－12)。二阶椭圆齿轮长轴长为2(1+1)，mm；短轴长为2(1－1)，mm。

注：1、2分别为主动轮与从动轮的旋转中心；1、2分别为主动轮与从动轮的啮合点；1、2分别为主动轮与从动轮的极径，mm；1、2分别为主动轮与从动轮的齿轮转角，rad；为椭圆齿轮的长轴半径，mm；1为主动轮偏心率；箭头表示齿轮旋转方向。

Note:1,2are rotation centers of driving gear and driven gear respectively;1,2are meshing points of driving gear and driven gear respectively;1,2are polar radius of driving gear and driven gear respectively, mm;1,2are rotation angles of driving gear and driven gear respectively, rad;is long axis radius of elliptical gear, mm;1is eccentricity of driving wheel; Arrow represent the rotation direction of gears.

图3 二阶椭圆齿轮传动示意图

Fig.3 Schematic diagram of the second-order elliptical gear transmission

从动轮的节曲线极坐标方程为

求得二阶椭圆齿轮传动比函数为

式中2为从动轮的偏心率；为二阶椭圆齿轮传动中心距，mm；12为主动轮与从动轮传动比。

分析二阶椭圆齿轮传动特性可知，主从动轮曲线无内凹的条件为偏心率满足0<<1/3，而椭圆齿轮偏心率对二阶椭圆齿轮形状及传动比影响较大，可通过调整偏心率取值调节二阶椭圆齿轮行星轮系的变速传动范围，得到满足夹茎式取苗机构运动特性要求的二阶椭圆齿轮轮廓形状。

2.2 二阶椭圆齿轮行星轮系机构运动学模型建立

建立夹茎式取苗机构运动学模型，可为编写机构辅助分析与优化软件，对取苗机构进行运动特性理论分析及参数优化奠定重要基础。

二阶椭圆齿轮行星轮系不等速传动机构由3个完全相同的二阶椭圆齿轮组成，如图4所示，以行星架转动中心1为坐标原点，水平方向为轴，竖直方向为轴建立直角坐标系[22-23]。

番茄钵苗取苗机构作业过程中，行星架匀速转动。本文以逆时针转动方向为正，顺时针转动方向为负。二阶中心椭圆齿轮与机架固接，行星架相对于初始位置逆时针转动的转角为，转速为。以φ()表示各二阶椭圆齿轮相对行星架的自转角。

根据二阶椭圆齿轮行星轮系传动特性，二阶中心椭圆齿轮相对行星架顺时针转动，其相对行星架转角1()为

注：ω为行星架角速度，rad·s-1；O3为二阶行星椭圆齿轮旋转中心；A为夹苗器拐角位置；B为夹苗器末端点；φH0为行星架初始安装角，(°)；θ0为行星架拐角，(°)；θA0为夹苗器的初始安装角，(°)；θB0为夹苗器拐角，(°)。

Note: ω is angular velocity of planetary carrier, rad·s-1; O3 is rotation center of second-order planetary elliptical gear; A is corner position of seedling clamper; B is end point of the seedling clamper; φH0 is initial installation angle of planetary carrier,(°); θ0 is corner angle of planetary carrier, (°); θA0 is initial installation angle of seedling clamper, (°); θB0 is corner angle of seedling clamper, (°).

图4 二阶椭圆齿轮行星轮系取苗机构

Fig.4 Seedling picking mechanism of planetary gear train with second-order elliptic gear

二阶中间椭圆齿轮相对行星架逆时针转动，其相对行星架转角φ2(φ)为

（5）

二阶行星椭圆齿轮相对行星架顺时针转动，其相对行星架转角φ3(φ)为

改革开放40年来，中国取得了举世瞩目的成绩，GDP规模位居世界第二位，制造业产值位居世界第一位，被称为“中国奇迹”。与此同时，中国经济质量的发展却相对滞后，在全球价值链中所处地位较低[1]。现阶段国际经济形势复杂多变，中国的国民经济发展速度逐渐放缓，进入结构调整的中速发展阶段，国内经济进入到了新常态的发展阶段[2]，高盛在《“新常态”下的“新中国”经济投资》报告中指出，中国经济增长引擎转向消费和服务业，传统的中国投资框架已经无法有效追踪中国经济的“新常态”。

（6）

r3(φ)=a－r2(φ) （7）

式中r1(φ)为二阶中心椭圆齿轮节曲线极径，mm；r2(φ)为二阶中间椭圆齿轮节曲线极径，mm；r3(φ)为二阶行星椭圆齿轮节曲线极径，mm；a为二阶椭圆齿轮传动中心距，mm。

由于行星架拐角的引入，使得二阶行星椭圆齿轮的初始安转角φ30为

（8）

求得二阶中间椭圆齿轮转动中心O2坐标，进一步得到二阶行星椭圆齿轮转动中心O3坐标为

（9）

求得夹苗片末端A点的位移方程为

②Richard Kemp，“United Kingdom －Legal Aspects of Managing Big Data”，Cyberspace Law，19(6)，2014，p．6．

（10）

夹苗片端点B的位移方程为

农产品生产过程中，容易出现意外情况，包括人为因素和自然环境因素等。农业生产者可以通过互联网查询相关规避风险的方法，和其他农户交流生产技术，来减少生产过程中的风险。收获时期，农业生产者可以在互联网上了解各地农产品供需信息，制定销售规模和产品定价，优化资源要素配置。

（11）

式中xo2(φ)、yo2(φ)分别为二阶中间椭圆齿轮转动中心O2的横、纵坐标，mm；xo3(φ)、yo3(φ)分别为二阶行星椭圆齿轮转动中心O3的横、纵坐标，mm；xA(φ)、yA(φ)分别为夹苗器A点的横、纵坐标，mm；xB(φ)、yB(φ)分别为夹苗片末端B点的横、纵坐标，mm；lo3A为二阶行星椭圆齿轮旋转中心O3至夹苗器拐角A点的距离，mm；lAB为夹苗器拐角位置A点至夹苗片末端B点的距离，mm。

2.3 夹苗器凸轮机构设计

夹苗器是取苗机构能否成功完成取投苗动作的关键机构，一般通过凸轮摆杆机构以及复位弹簧控制其开合[24]，夹苗器凸轮机构则是其核心部件之一。课题组在前期夹钵式取苗机构取苗臂研究的基础上[25]，结合夹茎式取苗机构对夹苗片开合动作控制要求，对夹钵式取苗臂结构进行优化改进，其主要结构参数可为本文夹苗器设计提供参考。为便于分析，将夹茎式取苗机构夹苗片的开合运动与凸轮摆杆的运动在同一平面表达，建立如图5所示的直角坐标系，依据夹钵式取苗臂主要结构参数，得到夹茎式取苗机构夹苗器相关参数见表1。

注：A为夹苗片端点；B为夹苗片折弯点；O、C分别为夹苗片回转中心；D为夹苗片上开合螺栓安装点；E为夹紧块作用于开合螺栓作用点；F为摆杆与夹紧块连接点；F1，F2为摆杆的两个极限位置；O4为摆杆摆动中心；H为滚子中心；O5为凸轮回转中心；θ为夹苗片BC段与x方向夹角，(°)；φ为摆杆FO4段与y方向夹角，(°)；β为摆杆GH段与y方向夹角，(°)；φm为摆杆最大摆角，(°)。 Note: A is end point of seedling clip; B is bending point of seedling clip; O, C are both rotation center of seedling clip; D is the installation point of opening and closing bolt and seedling clip; E is the action point of clamping block acting on the opening and closing bolt; F is the connection point between swing rod and clamping block; F1, F2 are two extreme positions of swing rod; O4 is swing center of the swing rod; H is roller center; O5 is cam rotation center; θ is angle between BC segment of seedling clip and x direction, (°); φ is angle between FO4 segment of swing rod and y direction, (°); β is angle between GH segment of swing rod and y direction,(°); φm is maximum swing angle of swing rod, (°). 图5 夹苗器凸轮机构示意图 Fig.5 Schematic diagram of cam mechanism of seedling clamper

表1 夹苗器结构参数 Table 1 Structure parameters of seedling clamper 参数Parameters数值Values参数Parameters数值Values参数Parameters数值Values lAB/mm52LGH/mm21.9xO4/mm0 lBC/mm132LO2F/mm66.6yO4/mm-66.6 lCD/mm28.9LFG/mm51.8xO5/mm20 LDE/mm13.2yC/mm18yO5/mm-40.6 LEF/mm0yE/mm0β/(°)107.1

根据几何关系得到点A坐标方程为

幸好，有一个同事，帮了我很多忙。还有一些朋友，时不时来看我；出院后，他们带着我玩，外地和本地。抑郁症患者最重要的是多一些交流和沟通，少一个人在房间里闷着、胡思乱想。身边朋友们的好，是一种拯救。也因此，对所有人感恩，感激于每一个对你无偿伸出援手的人，还有那些不落井下石，给予只言片语安慰和鼓励的人，不仅是一种自觉的素质，更是一种必不可少的习惯和品性。

（12）

式中xA、yA分别为夹苗片末端A点的横、纵坐标，mm；lBC为夹苗片BC段的长度，mm；lAB为夹苗片AB段的长度，mm；lOC为两夹苗片回转中心O点与C点的距离，mm。

依据A点坐标方程，依次求出凸轮机构直角坐标系中B、D、E与F各点坐标方程。并分别求出夹苗片间距最大和最小时，摆杆上F点运动到极限位置的坐标方程。

大体积混凝土由于相对散热面积较小，在施工过程中很容易因内外温差而出现温度裂缝[2]。为有效控制承台施工的混凝土温度，针对重庆笋溪河特大桥工程，从以下几个方面采取了温度控制措施，以保证桥梁承台的安全：

当夹苗片间距最大时，摆杆上F点运动到极限位置F1点处，推导出F1点坐标方程为

（13）

当夹苗片间距最小时，摆杆上F点运动到极限位置F2点处，推导出F2点坐标方程为

（14）

在以上各点坐标方程的基础上，对G点与O4点进行分析，分别得到摆杆上G点与摆杆摆动中心O4的坐标方程，分析摆杆GH段，根据几何关系得到点H的坐标方程为

猪高热综合征具有病因较为复杂、传播速度较快、发病率及死亡率高等特点[1]，因此，我国养猪业受到一定的影响，为保证养猪业的不断发展以及这一行业带来的经济效益，针对猪高热综合征的防控措施进行研究尤为重要。结合该文讨论的问题，中西兽医结合的方式能在这一疾病的防治中起到良好的效果。西药的大量使用很有可能导致病猪出现其他并发症或在健康方面受到其他影响，而单纯使用中医药进行治疗，那么就很有可能因为中医药难以迅速见效而导致病猪死亡率上升。结合这2点内容，在猪高热综合征防治中，灵活地将中西兽医结合的理念进行应用非常重要。

（15）

式中xF、yF为摆杆与夹紧块连接点F点的横、纵坐标，mm；xF1、yF1为摆杆极限位置F1的横、纵坐标，mm；xF2、yF2为摆杆极限位置F2的横、纵坐标，mm；lFO4为摆杆FO4长度，mm；xH、yH分别为滚子中心H点的横、纵坐标，mm；lGH为摆杆GH段的长度，mm。

得到滚子中心H到凸轮回转中心O5的距离R为

（16）

则凸轮基圆半径为r0=minR。

式中xO1、yO5分别为凸轮回转中心O5的横、纵坐标，mm。

样品的全部制备过程均应遵循无菌操作程序，无菌生理盐水作为稀释液。以无菌操作称取25 g样品，置于225 mL稀释液的无菌均质袋中，用拍击式均质器拍打2 min制成1:10的样品稀释液。

适用的番茄育苗穴盘穴孔上口尺寸为32 mm× 32 mm，两穴孔中心间距为32 mm，为避免取苗作业时，夹苗片靠近钵苗茎秆与左右穴孔钵苗茎秆以及苗盘产生干涉，确定两夹苗片间最大距离为32 mm。根据前期对茎秆抗压力学特性测试分析结果确定夹苗时两夹苗片间保持距离为2 mm时茎秆具有较好的抗压力学性能[26]。由此得到夹苗片在最大距离和最小距离时对应的yA值分别为：yAmax=16 mm，yAmin=1 mm，根据上述所建立的数学方程分别求出一组凸轮回转中心到轮廓线上点的距离和摆杆的角度值，分别记为R1和φ1，R2和φ2，其中R1和R2中的较小值为凸轮的基圆半径r0，即r0=minRi，φ1−φ2的值为摆杆最大摆角φmax。根据上述夹苗器凸轮机构运动学方程分别求得r0为5 mm，φmax为53°。

夹茎式取苗机构工作时要求取苗过程平稳，投苗过程迅速，本文选用五次多项式运动规律来设计凸轮轮廓曲线，结合凸轮机构运动学分析，计算得到夹苗器凸轮运动过程参数如表2所示，进而得到凸轮实际轮廓曲线。

表2 夹苗器凸轮运动过程参数 Table 2 Cam motion process parameters of seedling clamper 工作阶段Working segments起始升程Initial lift/mm终止升程Terminating lift/mm起始角度Initial angle/(°)终止角度Termination angle/(°) 推程158.5080 近休止段8.58.580120 推程28.513120140 远休止段1313140320 回程135320360

注：起始升程与终止升程分别为滚子中心H相对于凸轮回转中心O5的距离。

Note: Initial lift and termination lift are distance between roller center H and cam rotation center O5.

3 取苗机构参数优化

3.1 优化目标

为使取苗机构夹苗片端点形成理想的运动轨迹，满足夹茎式取苗作业的工作要求，结合前期对齿轮-连杆组合取苗机构参数优化研究的基础与经验[27]，分析番茄钵苗形态特征与取苗机构运动过程及结构特点，共确定如下7个优化目标与约束条件：

1）为避免取苗过程中夹苗片扎伤钵苗苗叶，要求夹苗片避开苗叶，并沿钵苗生长方向自下而上靠近钵苗茎秆，且以一定倾斜角度夹持茎秆，拔取钵苗时尽量使钵苗垂直于穴孔，以满足斜夹直拔作业要求；

融资租赁又称金融租赁或现代租赁，是指出租人根据承租人对供货人和租赁标的物的选择，由出租人向供货人购买租赁标的物，然后租给承租人使用。融资租赁是一种融物与融资密切结合、以融物手段达到融资目的的信用形式。

2）取苗角（夹苗片夹持钵苗茎秆时与茎秆生长方向夹角）介于20°与50°之间。课题组自制送盘装置倾斜角度为30°，取苗时钵苗倾斜角度为60°，理论上取苗角取值范围介于0°与60°之间，但为保证夹苗器顺利取苗且不损伤苗叶与穴盘，满足夹茎取苗作业的斜夹直拔要求，取苗角不能过大或过小，考虑取苗机构实际工作情况，将其取值范围初步设定为20°与50°之间。

3）投苗角（投苗时钵苗茎秆与竖直方向夹角）小于40°，保证夹苗片张开投苗时，钵苗下落瞬间能够快速转换为竖直向下姿态；

4）取苗过程中应保证夹苗器与苗盘不能发生干涉，避免取苗机构损伤穴盘；

5）拔苗段直线轨迹长度须大于40 mm（番茄育苗穴盘穴孔深度为40 mm），才能保证将钵苗从穴盘中完全取出；

6）为避免取苗过程中钵苗与送盘装置及取苗机构发生干涉，取苗轨迹高度须大于190 mm；

7）取苗轨迹宽度大于100 mm。为保证取苗机构作业过程中不与穴盘发生干涉，在夹苗拔取过程中形成直线段轨迹，要求取苗轨迹曲线过渡段为光滑圆弧，并在轨迹右端形成尖嘴状环扣。通过对取苗机构简化模型进行运动仿真分析，当取苗轨迹宽度小于100 mm时无法满足上述要求。

涉及的优化参数主要有：二阶椭圆齿轮长轴长2Al、二阶椭圆齿轮偏心率k、行星架拐角θ0、夹苗器初始安装角θA0、行星轮旋转中心到夹苗片末端A点的距离LO3A、夹苗片AB段长度LAB以及夹苗器拐角θB0。

3.2 参数优化过程与结果

基于2.2节建立的运动学模型，利用MATLAB软件的GUI模块编写取苗机构辅助分析与优化软件如图6，进行取苗机构参数与取苗轨迹的优化。

图6 取苗机构人机交互分析优化软件 Fig.6 Optimization software for human-computer interaction analysis of seedling picking mechanism

在优化过程中采用单变量控制法分析取苗机构各主要设计参数单独变化时对取苗轨迹的影响。首先根据研究经验与机构设计要求对各目标优化变量分别赋予初始参数，并保持其他参数不变，在该初始参数值基础上利用人机交互优化软件逐步调整其取值，分析该参数变化对取苗机构运动轨迹及优化目标的影响规律，待确定其理想取值后再对其余待优化参数进行逐一优化。优化后得到1组满足作业要求的机构参数：二阶椭圆齿轮长轴长2Al=49 mm；二阶椭圆齿轮偏心率k=0.15；行星架拐角θ0=60°；夹苗器初始安装角θA0=48°；行星轮旋转中心到夹苗片A点距离LO3A=45 mm；夹苗片AB段长度LAB= 195 mm；夹苗器拐角θB0=90°。

利用该组优化参数，分别求得其他各组合参数优化值，如表3所示，优化参数组合的取苗机构简化模型及取苗轨迹如图7所示。

表3 取苗机构参数优化结果 Table 3 Parameter optimization results of seedling picking mechanism 参数Parameters含义Meanings数值Values θ1/(°)取苗角40 θ2/(°)投苗角30 R/mm取苗轨迹处圆弧半径28 L1/mm取苗轨迹处圆弧圆心距环扣尖点距离28 L2/mm拔苗段直线轨迹长度60 L3/mm取苗轨迹高度220 L4/mm取苗轨迹宽度170

分析取苗机构参数优化结果和取苗轨迹可知，夹茎式取苗机构的取苗角θ1为40°，取苗轨迹拔苗段直线轨迹长度为60 mm，取苗机构夹苗片末端在取苗轨迹右端形成的环扣状轨迹有利于夹苗片实现姿态转换并完成斜夹直拔式取苗动作。优化后的投苗角为30°，取苗轨迹高度值与宽度值分别为220和170 mm，满足优化目标。

1.二阶中心椭圆齿轮 2.二阶中间椭圆齿轮 3.行星架 4.二阶行星椭圆齿轮 5.夹苗器 6.取苗轨迹 1.Second-order central elliptical gear 2.Second-order middle elliptical gear 3.Planet carrier 4.Second-order planetary elliptical gear 5.Seedling clamper 6.Trajectory of seedling picking 图7 优化后的取苗机构简图与运动轨迹 Fig.7 Schematic diagram and trajectory of optimized transplanting mechanism

3.3 取苗轨迹与凸轮工作行程匹配关系

在二阶椭圆齿轮行星轮系逆时针转动过程中，行星轴带动夹苗器相对行星架顺时针转动，夹苗片端点形成如图8b所示的取苗轨迹，凸轮与行星架同步运动，根据取苗机构的作业要求，得到凸轮对应的各工作阶段如图8a所示。

注：A：取苗开始点；B：夹苗开始点；C：拔苗开始点；D：拔苗结束点；E：投苗开始点；F：投苗结束点。A0－F0为取苗轨迹上的各对应点。 Note: A: starting point of seedling picking; B: starting point of seedling clamping; C: starting point of seedling pulling; D: end point of seedling pulling; E: starting point of seedling dropping; F: end point of seedling dropping. A0－F0 represents the corresponding points on seedling pickling flack. 图8 凸轮工作段与取苗轨迹匹配关系 Fig.8 Matching relationship of cam working section and trajectory of seedling picking

近休止段AB：当摆杆运动至A点时，凸轮空运行阶段开始，凸轮相对于摆杆逆时针旋转，两夹苗片完全张开，摆杆相对夹苗器保持静止，两夹苗片以与钵苗茎秆40°的倾斜角度，即取苗角，靠近钵苗茎秆。夹苗片末端从取苗轨迹上的A0点到达环扣处B0点时摆杆运动到凸轮轮廓B点位置。

夹苗段BC：此阶段夹苗片以固定张角从钵苗茎秆两侧穿过，从B点开始，凸轮驱动摆杆做逆时针摆动，在摆杆作用下夹紧块迅速到达极限位置，夹苗片瞬间夹紧钵苗茎秆，此时复位弹簧a受拉伸长，复位弹簧b受压缩短，夹紧茎秆后两夹苗片端点间距保持不变。

拔苗段CD：此阶段摆杆位于凸轮轮廓远休止段，在凸轮轮廓CD段保持相对静止的运动，两夹苗片保持茎秆夹紧状态，沿取苗轨迹C0D0段垂直穴盘平面将钵苗拔出穴孔。

送苗段DE：此阶段摆杆在凸轮轮廓DE工作段保持相对静止的运动，夹苗器随二阶行星椭圆齿轮做顺时针转动，两夹苗片保持夹紧钵苗茎秆，在夹苗器带动下沿取苗轨迹D0E0运动，凸轮旋转到E点时，送苗过程结束，钵苗转换姿态，取苗机构进入投苗阶段。

投苗段EF：当摆杆与凸轮轮廓E点接触时夹苗器开始投苗，此时摆杆下落回位，夹紧块在复位弹簧b的作用下向后滑动，同时复位弹簧a恢复原长，两夹苗片快速张开，到达F点时投苗结束，两夹苗片尖点距离最大。

复位段FA：当凸轮共同与行星架逆时针转动，摆杆与凸轮轮廓上F点接触后，凸轮进入复位段，摆杆相对于夹苗器逆时针摆动，此过程两夹苗片间距逐渐减小，当夹苗片末端运动至取苗轨迹A0点时，两夹苗片间距保持不变，取苗机构准备进入下一次取苗过程。

4 验证试验

4.1 虚拟样机仿真试验

根据夹茎式取苗机构参数优化结果，利用Solidworks软件对取苗机构进行结构设计并完成虚拟样机装配，利用ADAMS软件对取苗机构运动过程进行虚拟仿真分析，获得取苗机构夹苗器上夹苗片标记点的运动轨迹，如图9所示。

图9 虚拟样机仿真轨迹 Fig.9 Simulation trajectory of virtual prototype

测量取苗轨迹高度、宽度以及拔苗段直线段轨迹长度等参数，与理论分析得到的取苗轨迹（图7）进行对比，结果表明该仿真轨迹与理论轨迹基本一致，验证了取苗机构设计的正确性以及理论分析的准确性。

4.2 高速摄像试验

在Solidworks中完成夹茎式取苗机构设计，根据设计结果加工取苗机构物理样机，并搭建自动取苗试验台。

试验采用高速摄像技术采集取苗机构运动过程视频，获取并分析夹苗片末端运动轨迹。试验仪器为FASTEC-TS4型高速摄像仪，分辨率1 280×1 024（像素），帧速率500帧/s。试验时在取苗机构夹苗片末端粘贴标记点以便捕捉其运动轨迹，将机构调试至运转平稳后采集其运动视频，采集时取苗机构转速为60 r/min。利用高速摄像运动分析软件ProAnalyst获得夹苗片末端实际运动轨迹如图10所示。将样机高速摄像试验轨迹、理论分析轨迹（图7）以及虚拟仿真轨迹（图9）进行对比分析可知三者总体趋势基本保持一致，但由于取苗试验台存在振动以及高速摄影跟踪轨迹手工描点误差等原因，样机试验轨迹不够光滑，尤其在轨迹曲线环扣处以及轨迹最下端较为明显。试验结果验证了取苗机构理论分析的正确性，所设计的取苗机构能够满足番茄钵苗斜夹直拔夹茎式取苗轨迹以及姿态转换等作业要求。

其实，这跟年岁一点关系都没有。央视有个足球评论员叫张路，说球说了三十多年。我小时候，他就在激情澎湃地说意甲，如今还在激情澎湃地说球，一口气说出那么多球员的名字，这得多好的记忆力啊。老了的张路先生，依然显得年轻，依然帅气，也只有活在自我情趣中的人，才会这么年轻吧。

1.取苗机构 2.夹苗片末端实际运动轨迹 3.送苗装置 1.Seedling picking mechanism 2.Actual movement trajectory of seedling clip end point 3.Seedling feeding device 图10 样机高速摄影试验轨迹 Fig.10 High-speed photographic test trajectory of prototype

4.3 取苗试验

为进一步验证夹茎式取苗机构的实际工作性能，进行取苗试验。试验用苗为新疆地区大面积移栽种植的“石番36号”加工番茄钵苗，苗龄为45 d，钵苗长势良好，根系充分包络基质。穴盘规格为16×8，穴孔上边尺寸为32 mm×32 mm，下边尺寸为16 mm×16 mm，相邻穴孔中心距为32 mm，穴孔深40 mm。试验前用喷壶浇透钵苗钵体，15 h后进行试验，测得钵体含水率平均值为65.74%。

为保证取苗机构夹茎取苗的可靠性，对随机选取的30株番茄钵苗在穴盘中相对钵体中心的偏移量进行测量。得到钵苗茎秆相对钵体中心的最大偏移量为10.58 mm，平均偏移量为5.95 mm，即钵苗生长在以钵体中心为圆心，以10.58 mm为半径的圆周内。

取苗试验于2019年12月在石河子大学农业部西北农业装备重点试验室自动取苗试验台上进行，如图11所示。依据JB-T10291-2013《旱地栽植机械》行业标准[28]，结合番茄钵苗自动移栽机取苗机构工作要求，选取取苗成功率、投苗成功率及伤苗率作为取苗效果评价指标。由于新疆膜上移栽机移栽频率一般低于70株/min[29]，本次试验将取苗机构转速分别调整至60、70及80 r/min，对应取苗频率分别为60、70与80 株/min，不同工作频率下各进行1组取苗试验，每组试验选取1盘钵苗，测试取苗机构在不同取苗频率下的工作性能。

1.取苗机构 2.番茄钵苗 3.送苗装置 1.Seedling picking mechanism 2.Tomato plug seedlings 3.Seedling feeding device 图11 取苗试验 Fig.11 Seedling picking test

试验过程中记录穴盘缺苗数、成功取苗数、成功投苗数以及伤苗数，并计算对应评价指标值。取苗试验结果如表4所示。分析表4可知，取苗机构作业效果良好，夹苗器能够顺利完成夹苗和投苗动作，且伤苗率较低，当取苗频率为60与70株/min时，伤苗率仅为1.7%，取苗机构对钵苗苗叶、茎秆以及根系没有造成明显机械损伤，出现损伤的情况为钵苗根系没有充分缠绕包裹钵体，夹持茎秆拔取钵苗时钵体下端出现轻微破损。

取苗成功率随取苗频率的增加而下降，当取苗频率为80株/min时，取苗成功率为92%。分析夹茎取苗过程中出现漏取的原因主要有：1）钵苗叶面展幅过大，部分钵苗枝叶缠绕，取苗时夹苗片将邻近穴孔钵苗一同带离穴孔；2）送苗装置间歇送苗时由于试验台振动使部分钵苗脱离穴孔，当钵苗由送苗装置输送至取苗位置时，钵苗相对于穴孔出现位置偏移，由于钵苗茎秆已经存在的偏移量，使得钵苗茎秆相对于取苗夹片的位置偏移量出现累计，造成夹苗片无法准确夹持钵苗茎秆取苗，从而出现漏取。投苗成功率也随取苗频率的增加而下降，取苗频率为80株/min时的投苗成功率为94.2%，成功取出的104株钵苗中有6株在姿态转换过程中出现滑落，分析其主要原因是由于夹苗片末端内侧没有做防滑处理，且取苗机构高速运转时夹苗片受到振动影响使夹苗状态发生变化，出现夹持松动，从而导致钵苗脱离夹苗器，造成投苗失败。

表4 取苗试验结果 Table 4 Test results of seedlings picking 穴盘Plugs取苗频率Seedling picking frequency/(株·min-1)钵苗数Number of plug seedling 穴盘缺苗数Number of plug seedling missing取苗数Number of seedlings picking 取苗成功率Success rate of seedling picking/%投苗数Number of seedling dropping投苗成功率Success rate of seedling dropping/%伤苗数Number of injured seedlings伤苗率Injury rate/% 1601181011294.910997.321.7 270120811293.310795.321.7 38011315104929894.232.9

5 结 论

1）基于二阶椭圆齿轮行星轮系与凸轮摆杆机构，设计了一种满足斜夹直拔作业要求的番茄钵苗夹茎式取苗机构，分析了该取苗机构的设计要求及工作原理，建立了机构的运动学模型，并设计了夹苗器开合控制凸轮轮廓曲线。

2）利用MATLAB软件编写了夹茎式取苗机构辅助设计软件，分析得到1组满足番茄钵苗夹茎式取苗作业要求的机构参数：二阶椭圆齿轮长轴长为49 mm，二阶椭圆齿轮偏心率为0.15，行星架拐角为60°，夹苗器初始安装角为48°，行星轮旋转中心到夹苗片末端距离为45 mm，夹苗片上折弯点至其末端距离为195 mm，夹苗器拐角为90°。优化参数下取苗机构取苗角θ1为40°，取苗轨迹拔苗段直线轨迹长度为60 mm，满足斜夹直拔取苗作业要求。

3）基于优化后的机构参数，进行了取苗机构虚拟样机仿真分析，并试制样机进行高速摄像与取苗试验，试验结果表明夹茎式取苗机构能够满足番茄钵苗取苗作业要求，取苗频率为80株/min时，取苗成功率为92%，投苗成功率为94.2%，伤苗率为2.9%，验证了该取苗机构理论分析与设计的准确性及合理性。

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Design and experiment of seedling picking mechanism by stem clipping for tomato plug seedling

Li Hua1,2,3, Ma Xiaoxiao2, Cao Weibin2,3, Li Shufeng2,3, Zhou Wenjing2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Lingnan Normal University, Zhanjiang 524048,China;2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China; 3. Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment of Ministry of Agricultureand Rural Affairs, Shihezi 832003, China)

Abstract: Technology of seedling transplanting is widely used in the tomato planting in Xinjiang, Western China. In recent years, the demanding for the automatically transplanting machine increases rapidly, with the continuous expansion of planting scale. Nevertheless, most transplanting machines used in Xinjiang are semi-automatic transplanters, which still need the manual operation to complete seedling picking and dropping. Thus, it is very imperative to develop the automatic transplanter for the plug seedlings of tomato. As one of the key components in an automatic transplanter, the seedling picking device can pick plug seedlings and then drop them automatically with a preset movement trajectory. Since the stems of tomato plug seedlings have good mechanical properties in a suitable period, in this study, a novel seedling picking device in a stem clipping type was designed for the tomato plug seedlings, using the special mechanism of second-order elliptical planetary gear train and cam swinging rod. An automatic seedling picking test-bed was built for the tomato seedling picking experiment, which was carried out in the Key Laboratory of Northwest Agricultural Equipment of Ministry of Agriculture and Rural Affairs, China. The picking mechanism in a stem clipping type showed a good effect on reducing the damage rate of plug seedling, while improving the efficiency of seedling picking. 1) The kinematic model of seedling picking mechanism was established by analyzing the transmission characteristics of second-order elliptic gear, meanwhile, the actual contour curve of cam was also explored. A specific optimization objective of mechanism parameters was proposed, according to the requirements of picking tomato seedling, and the structural characteristics of seedling picking mechanism. A human-computer interaction optimization software was established on the MATLAB software to optimize the structure parameters for the stem clipping type in a seedling picking device. 2) A dataset on the optimal combination of mechanism parameters was obtained by the human-computer interaction analysis, indicating to satisfy the requirements of oblique clamping and straight pulling operation, when the seedling picking mechanism working. The virtual prototype of seedling picking mechanism in a stem clipping type was designed on the SOLIDWPORKS software, and then the physical prototype of mechanism was developed, according to the optimized structural parameters. 3) The virtual simulation of device and high-speed photography experiment were carried out, in order to verify the accuracy of the optimized structural parameters. The results showed that the relative trajectories at the endpoint of seedling clip captured from a high-speed camera were basically consistent with the theoretical trajectories and virtual prototype simulation. According to the picking experiment of tomato plug seedling, the success rate of seedling picking reached 92%, when the seedling frequency was set as 80 plants/min, while, the damage rate of seedling was only 2.9%, and the success rate of dropping seedlings attained to 94.2%. The test results showed that the seedling picking mechanism was stable and reliable when working, indicating that the mechanism can perfectly meet the agronomic requirements of mechanical seedlings picking for tomato plug seedlings. The findings can provide an important reference and technical support for the development of automatically picking mechanism in plug seedling.

Keywords:agricultural machinery; experiment; seedling picking mechanism; stem clipping type; second-order elliptical gear; tomato plug seedling

李华，马晓晓，曹卫彬，等. 夹茎式番茄钵苗取苗机构设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(21)：39-48.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005 http://www.tcsae.org

Li Hua, Ma Xiaoxiao, Cao Weibin, et al. Design and experiment of seedling picking mechanism by stem clipping for tomato plug seedling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 39-48. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005 http://www.tcsae.org

收稿日期：2020-06-13

修订日期：2020-10-22

基金项目：国家自然科学基金项目（51765059）；广东省自然科学基金项目；岭南师范学院自然科学类校级人才专项（ZL2020）；新疆兵团重大科技项目（2018AA010）

作者简介：李华，博士，副教授，主要从事农业机械设计与自动化技术研究。Email：shzdxlh@126.com

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.005

中图分类号：S223.92

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2020)-21-0039-10