温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验

童俊华，孟青新，辜 松，武传宇，马 可

·农业装备工程与机械化·

温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验

童俊华1,3，孟青新1，辜 松2，武传宇1,3※，马 可1

（1.浙江理工大学机械与自动控制学院，杭州 310018；2. 华南农业大学工程学院，广州 510642； 3. 浙江省种植装备技术重点实验室，杭州 310018）

温室水培叶菜幼苗种植需将钵苗从穴盘移栽至栽培槽中，传统人工作业劳动强度大、效率低，而通过移栽机自动化作业效率高、质量好。该研究设计了一种多移植手的穴盘取苗高速稀植移栽机构，可实现穴盘内成排取苗和栽培槽变间距并行植苗作业。高速稀植移栽机采用受拉缓冲带串接针爪式多移植手减缓变间距栽植过程中的不等速冲击，通过油压缓冲器减缓多移植手纵横向高速移动在末端位置的冲击。在移植手结构和叶菜钵苗状况确定的情况下，对稀植作业过程中多移植手间的受拉缓冲带弹性系数、水平方向平均速度1、水平运动末端油压缓冲器吸收能量1、垂直方向平均速度2和垂直运动末端油压缓冲器吸收能量2这5个因素进行正交试验。结果表明，水平方向的平均速度1和水平运动末端油压缓冲器吸收能量1间的耦合关系和缓冲带弹性系数对高速稀植过程的移栽成功率影响较大，多移植手机构最优参数组合为为0.128 N/m、1为0.49 m/s、2为0.74 m/s、1为6 J，2为15 J，此时移栽效率为3 956株/h，植苗成功率为96.7%，满足高效稀植的作业需求。

农业机械；设计；试验；温室；移栽；穴盘苗；多移植手；水培叶菜

0 引 言

设施园艺智能化是当前世界农业智能化装备的研发热点和产业升级的重点，中国设施园艺装备近年也在迅速发展[1-3]。设施园艺中采用营养液为根系直接提供营养和水分的水培技术，已经得到国内很多研究机构的推广与应用[4-6]。叶菜水培作业环节中，需将穴盘苗批量稀植移栽到栽培槽里，通常人工作业强度大、效率低。国外学者较早开展钵苗机械化移栽的相关研究，Ting等[7-8]研究了一种基于SCARA工业机器人手臂本体安装单末端执行器进行不同规格穴盘间的移栽模式，证明了温室钵苗机械移栽的可行性；Choi等[9]设计了一种五连杆取钵机构，取苗成功率为97%；Dong等[10]研制了一种由移栽机构、送盆机构、送盘机构、机架和控制器组成多移植手蔬菜移栽机，移栽速度为2 800盆/h；日本研发了一种半自动移栽机PVHR2-E18移栽效率为3 600株/h[11]；意大利法拉利公司生产的FPS型移栽机，移栽效率为2 500株/h[12]；Dihingia等[13]研制一种半自动旱地钵苗移栽机，可实现两行并联移栽作业，移栽效率为31株/min。近些年，国内学者也开展了适合本土育苗农艺的钵苗自动移栽技术研究。孙国祥等[14]基于有限元分析，设计一种末端机械手指，机械手指平均移栽成功率为95.76%，平均伤苗率为3.06%；钱少明等[15]通过建立气动驱动器中气压值与抓持能力之间关系，研制采摘黄瓜末端执行器，抓持成功率为90%；胡敏娟等[16]设计了一种变形滑针式取苗器；缪小花等[17-18]对穴盘苗钵基质进行力学分析；韩绿化等[19-20]设计了一种轻简型自动移栽，对于128/72孔穴盘苗，移栽效率分别达到122株/h和1 025株/h；高国华等[21]研制了一套斜入式穴盘苗移栽手爪，试验测试移栽成功率可达98%；胡建平等[22]设计了一种8爪并联作业式高效全自动钵苗移栽设备，移栽成功率可达90.23%；马锐等[23]设计了一种整排夹持的全自动移栽机末端执行器，并进行结构参数优化；许春林等[24]提出了一种Hermite插值行星轮系全自动草莓钵苗移栽机构，取苗成功率为92%；党玉功等[25]研制一种单自由度开式铰链四杆取苗机械臂，取苗成功率91.32%；马晓晓等[26]对一种番茄钵苗自动取苗装置进行结构优化；周昕等[27]研制了一种刚度大、精度高及累积误差小的并联移栽机器人，试验测试移栽机构加速度高于20 mm/s2时，移栽钵苗合格率明显降低；童俊华等[28]研究一种指铲式末端执行器,通过增大指铲与苗钵基质的接触面积，减少穴孔内基质的残留。上述研究主要围绕单移植手抓取移栽可靠性能开展，对基于多移植手高速稀植机构的设计优化研究较少。

本文以华南地区种植较多的水培叶菜钵苗为对象，设计一种针爪式多移植手机构进行稀植移栽作业，对影响移栽成功率的多移植手变间距移植过程中的冲击因素进行正交试验分析，获得高速稀植移栽的最佳机构参数组合。

1 多移植手高速稀植机构试验平台

水培叶菜钵苗多移植手稀植作业主要包括2个步骤：一是多移植手并拢从穴盘中成排取苗，二是多移植手变间距分开在栽培槽中植苗。本研究设计的多移植手稀植机构试验平台由3个部分组成：多移植手稀植作业部件、穴盘输送部件和栽培槽输送部件，如图1所示。其中多移植手稀植作业部件横跨在穴盘输送部件和栽培槽输送部件上方，将供苗穴盘中叶菜钵苗移栽至空栽培槽内；穴盘输送部件用于输送供苗穴盘，其两侧设置光电传感器用于检测供苗穴盘是否到位；栽培槽输送部件间歇输送空栽培槽。本试验平台基于三菱FX3U-63MT型PLC进行自动时序控制，其结构和作业参数如表1所示。

表1 试验平台结构和作业参数

以甘蓝钵苗稀植为例，试验平台作业时，将供苗穴盘放置穴盘输送部件，传感器检测到供苗穴盘后，将其输送至取苗位置；同时栽培槽输送部件将栽培槽输送至植苗位置；多移植手稀植作业部件动作，气缸驱动多移植手至最佳取苗位置，移植手成排抓取穴盘内钵苗，而后气缸带动多移植手整体上升移至植苗位置，同时多移植手等间距分开，将甘蓝钵苗整体植入对应的栽培槽槽孔内，而后多移植手整体返回初始位置；同时穴盘输送部件带动穴盘进给1排穴孔的距离，下一排钵苗进入移栽作业；栽培槽输送部件推送送料筒内部下个空栽培槽至植苗位置，等待下一排钵苗栽植，如此往复实现穴盘内成排取苗和栽培槽中变间距并行植苗作业。

2 关键部件设计

2.1 穴盘输送部件

根据移植作业要求，设计穴盘输送部件移送穴盘至移植手工作位置。如图1所示，穴盘输送部件主要由输送机和导向件组成，整体外形尺寸（长×宽×高）：1 220 mm× 440 mm×740 mm。输送机由72齿3M带轮、主从动滚筒、0.75 kW的80EMA-02A型伺服电机、2.25 m长的5935型网链输送带等组成。根据输送穴盘外宽尺寸（540 mm×280 mm），主、从动滚筒设计为长346 mm、外径25 mm、配装4个与网链输送带啮合的T10型链轮。输送机输送穴盘时，在输送带运动方向2侧布置设计2040导向型材件和直径为30 mm的PU60832型导向轮进行穴盘位置及运动方向的限制。主动带轮与伺服电机固连，通过同步带带动与从动带轮固连的主动滚筒转动，使穴盘实现按需水平间歇输送。在整排钵苗被取走后，进给一个穴孔位进行下一排钵苗夹取。为了避免输送速度过快导致穴盘和输送带打滑和停车时穴盘滑移，通过预试验，确定穴盘输送速度为0.45 m/s。

2.2 栽培槽输送部件

如图1所示，栽培槽输送部件由栽培槽工作台、进给气缸和下料框组成，整体外形尺寸（长×宽×高）：1 520 mm×725 mm×900 mm。其工作原理：栽培槽填满下料框，进给气缸推动最底层栽培槽运动至工作位置，而后复位；在重力作用下料框中剩余栽培槽整体下降一个槽高。移植结束后，进给气缸推动下料框中下一个栽培槽至工作位置。为了保证气缸推杆在栽培槽中心位置顺利推动，选用亚德客ACE型25 mm缸径气缸，行程为150 mm。

进给气缸推力0：

式中为输入气体平均压力，0.7 MPa；0为气缸缸径，25 mm。

最底层栽培槽摩擦力F：

式中为下料框最多可容纳放栽培槽数量；0为栽培槽质量，kg；为重力系数，9.8 N/kg；为摩擦系数。

由式（1）可得进给气缸推力0为291 N。本文设计的下料框最多可容纳6个栽培槽，栽培槽质量为0.44 kg，其摩擦系数为0.4，由式（2）可得最底层栽培槽做大摩擦力F为10 N，小于进给气缸推力0，进给气缸满足要求。为避免进给速度过快导致停车时栽培槽滑移，通过预试验，确定栽培槽平均进给速度为0.23 m/s。

2.3 多移植手稀植作业部件

2.3.1 总体结构

多移植手稀植作业部件是移栽机的核心机构，主要包括垂直气缸、齿条、齿轮、垂直滑轨、垂直油压缓冲器、多移植手、水平滑轨、水平横移气缸、水平缓冲器和机架，整体外形尺寸（长×宽×高）为1 600 mm×600 mm× 1 375 mm，如图2所示。多移植手机构通过水平横移气缸和垂直气缸分别在水平滑轨和垂直滑轨上进行往复运动；利用油压缓冲器吸收气缸带动部件运行产生的冲击力，实现柔性停车；齿轮和齿条啮合组成同步器，维持多移植手整体两侧同步升降。

多移植手机构在穴盘输送部件和栽培槽输送部件之间往复运动，1个行程运行时间小于4 s，因此水平横移气缸选取亚德客SC气缸，缸径为32 mm，行程为580 mm。本文设计的多移植手机构水平运动总质量1为6.5 kg，摩擦系数为0.3。根据公式（1）～（2）计算，水平横移气缸推力为478 N，大于其水平摩擦阻力19.1 N，预试验测得多移植手机构最大平均运行速度可为1.07 m/s，最短运行时间为0.54 s。

多移植手机构选取亚德客ACE型气缸，缸径为40 mm，行程为80 mm来实现上下升降功能。通过理论计算，该研究设计的多移植手机构垂直单侧质量2为13.5 kg，其和机架滑轨间摩擦系数为0.2。根据公式（1）～（2）计算，水平横移气缸推力为879.2 N，大于其竖直阻力158.76 N（摩擦力和重力之和），预试验测得多移植手机构竖直最大平均运行速度为1.31 m/s，最短运行时间为0.06 s。由上述分析可知，该多移植手机构运行1个行程最短时间为1.32 s，符合机构3 800株/h的高速稀植设计要求。

2.3.2 多移植手机构

多移植手机构是实现钵苗整排夹取和变间距植苗的关键部件，主要包括6个移植手组件、分离气缸、安装板和受拉缓冲带，如图3所示。移植手组件通过受拉缓冲带连接；与分离气缸缸体相连移植手组件固定，气缸拉扯推杆末端移植手组件，从而分散相邻移植手至与相邻栽培槽间距一致；气缸回缩带动推杆末端移植手组件依次压缩移植手组件间距，直至与穴盘相邻穴孔间距一致。

多移植手合并时相邻中心间距与穴盘相邻穴孔中心间距一致，为42.5 mm，展开时与栽培槽孔相邻间距一致，为100 mm。为了确保6组移植手正常移植作业，分离气缸行程需为288 mm，考虑安装空间和分离效率满足生产需求，选取缸径为20 mm的亚德客MG型气缸。通过理论计算，该单移植手组件质量为0.8 kg，其与机架导轨摩擦系数为0.2。根据式（1）～（2）计算，分离气缸推力为78.5 N，大于其分离总摩擦阻力9.4 N，该分离气缸满足要求。为避免分离速度过快导致钵苗基质振动破损，通过预试验确定多移植手平均分离速度为0.42 m/s。

移植手组件间固定等长的受拉缓冲带在分离气缸推动下实现多移植手等间距分离。多移植手组件分离存在惯性冲击，冲击过大则影响钵苗移栽过程基质完整度和移植成功率，其分离受力情况如图4所示。

1.受拉缓冲带 2.移植手组件

1.Tension buffer zone 2.End effector component

注：为气缸推力，N；T为第一段受拉缓冲带拉力，N；为摩擦力，N；1为第一个移植手组件加速度，m·s-2；0为受拉缓冲带起始长度，m；1为第一段受拉缓冲带张紧长度，m；2为第二段受拉缓冲带张紧长度，m。

Note:is the cylinder thrust, N；Tis the tension force of first section tension buffer zone, N;is the friction force, N;1is the acceleration of first end effector component, m·s-2;0is the initial length of tension buffer zone,m;1is the tension length of first section tension buffer zone,m;1is the tension length of second section tension buffer zone, m.

图4 多移植手机构分离过程受力分析示意图

Fig.4 Schematic diagram of force analysis of multiple end effectors in separation process

由图4可得，第一个移植手组件的受力平衡方程为

式中为受拉缓冲带弹性系数，N/m；为单移植手组件质量，kg。

第二个移植手组件的受力平衡方程为

式中2为第二个移植手组件加速度，m/s2。

以此类推，第个移植手组件的受力平衡方程为

式中x-1为受拉缓冲带第-1段张紧长度，m；x为受拉缓冲带第段张紧长度，m；a为第个移植手组件加速度，m/s2。

由式（3）～（5）可知，当=0时，第一移植手组件到达一定运行速度后，带动第二移植手组件与其等速度运动；第二移植手组件到达一定运行速度后，瞬间带动第三移植手组件与其等速度运动，依次类推，这种刚性分离过程中的瞬时加速度比较大，钵苗承受剧烈局部冲击振动，破坏基质之间黏结力，易导致钵苗移植过程中基质块散落；当＞0时，第一移植手组件在分离气缸作用力下，缓慢带动余下移植手组件进行柔性分离，减缓钵苗移栽过程冲击振动现象。因此本研究受拉缓冲带由刚性和柔性2种缓冲带组成，如图3b所示，图中深色标识线代表刚性缓冲带，浅色标识线代表柔性缓冲带。分离气缸推动多移植手组件逐步分开，其中柔性缓冲带缓冲分离过程中的冲击，而等长的刚性缓冲带则保证了多移植手组件在气缸停止推动后可等间距的分布开。

2.3.3 多移植手稀植作业部件碰撞过程仿真分析

通过多移植手稀植作业部件碰撞仿真分析，为水平缓冲器和竖直缓冲器的选型提供依据。由于多移植手稀植作业部件主要以气缸作为动力源，因此在移栽作业过程中机构停车时易产生较大冲击力。若冲击力过大，机械振动剧烈，易导致抓取的钵苗基质散落，影响钵苗移栽成功率。多移植手稀植作业部件冲击振动产生原因主要为水平横移气缸和垂直气缸运行到达末端后与机架发生的碰撞。在Solidworks软件中进行三维模型构建，并输出为x_t格式文件。将x_t文件导入到Adams软件中，多移植手机构与机架分别设定竖直和水平2个方向为碰撞约束，参考铝材料进行阻尼和密度参数设置，具体仿真参数设置如表2所示。

表2 多移植手稀植作业部件仿真参数设置

由于泥炭基质持水能力差且易坍塌[29]，水平停车冲击力过大，钵苗水平输送过程基质块易散落，造成钵苗在移动过程中掉落或在植入栽培槽后倒伏严重，因此需要降低碰撞产生的冲击力。本文设计机构的气泵源压力输入范围为0.6～0.8 MPa，多移植手机构水平运动总质量约为6.5 kg，其水平末端运行速度与第一个移植手机组件运行速度相等，为

式中为多移植手机构水平末端运行位移，m；1由式（7）计算：

式中为气泵源输入压力，MPa；1为水平横移气缸缸径，mm；1为多移植手机构水平运动总质量，kg。

由前文可知，水平横移气缸缸径为32mm，位移为580 mm，气泵源最大输入压力为0.8 MPa，由式（6）~（7）计算得水平末端运行最大平均速度为1.07 m/s。设定稀植作业部件的多移植手水平运行速度为1.07 m/s，则其末端与机架进行碰撞仿真，产生的冲击力变化如图5a所示。由图5a可知，多移植手机构与机架水平碰撞产生的最大冲击力为250 N。

水平横移气缸推动多移植手机构撞击机架的动能为

式中为多移植手机构水平撞击瞬间速度，m/s。

水平横移气缸推动多移植手机构撞击机架的驱动能量为

D=（9）

式中为多移植手机构冲击力，N；为碰撞缓冲位移（初始值为0.01 m），m。

由此可得冲击力总能量为

T=K+D（10）

由式（7）~（10）可知，水平横移气缸牵引多移植手机构水平运动最大速度造成冲击总能量为6.22 J。为降低水平碰撞产生的冲击力，在多移植手机构水平运动末端位置安装吸收能量可调节型西捷克AD1210油压缓冲器，其行程10 mm，最大吸收能量12 J。此时水平横移气缸牵引移植手水平运动最大冲击力产生的总能量小于AD1210油压缓冲器最大吸收能量，该油压缓冲器可起到缓解多移植手移动作业部件与机架水平碰撞产生刚性冲击力，减少振动冲击对钵苗夹持成功率的影响。

多移植手稀植作业部件两侧各安装一个垂直气缸。若多移植手机构垂直冲击力过大，钵苗植入栽培槽内时，钵苗基质振散，钵苗易掉落槽孔外部或倾倒斜于栽培槽内部，不利于钵苗后期生长。本文设计的多移植机构垂直单侧质量为15.3 kg，垂直运动加速度为

式中2为垂直气缸缸径，mm；2为多移植机构垂直单侧质量，kg。

由前文可知，本文设计水平横移气缸缸径为40 mm，位移为80 mm，汽泵源最大输入压力为0.8 MPa，根据公式（6）和（11）计算得多移植手机构垂直最大运行速度为1.31 m/s。设定稀植作业部件一侧多移植手机构水平运行速度为1. 31 m/s，其和机架垂直碰撞产生的冲击力变化如图5b所示，由图5b可知，多移植手机构与机架垂直碰撞产生的最大冲击力为370.5 N。

根据式（8）～（11）可知，垂直气缸牵引多移植手机构垂直碰撞最大速度产生的总能量为16.83 J。为降低垂直碰撞产生的冲击力，在多移植手机构垂直运行末端位置安装吸收能量可调节型西捷克AD1410油压缓冲器，其行程10 mm，最大吸收能量20 J。垂直碰撞产生最大冲击力产生的总能量小于AD1410油压缓冲器最大吸收能量，该油压缓冲器可起到缓解多移植手移动作业部件与机架垂直碰撞产生的刚生冲击力，减少振动冲击对成功率的影响。

3 移栽性能试验

3.1 试验材料

试验选用杭州市萧山区雷东村农场培育的甘蓝幼苗，栽培基质为泥炭，蛭石与珍珠岩组成，基质配比6∶3∶1，基质含水率为81.01%[30]，育苗温度为28.5 ℃，培育周期2.5周，穴盘尺寸为540 mm×280 mm，72孔，PS材质。试验钵苗为株高=80～96 mm，株宽=45～58 mm，叶片数4～6片，钵苗基质块高度1为38～44 mm，上边平均宽1=41 mm，底边平均宽2=22 mm，如图6所示。

预试验发现，栽培槽叶菜钵苗基质块质量小于原钵苗基质块质量40%时，钵苗在栽培槽内易发生倾斜，叶片倾倒于管内，不利于后期的生长管理。定义移栽成功指标为多移植手稀植作业部件成功拾取钵苗并输送投放至栽培槽中，且移栽后的钵苗基质块质量≥原钵苗基质块质量40%。

式中为钵苗总数量；1为穴盘中未取出钵苗数；2为移栽过程中掉落在栽培槽外部钵苗数；3为移栽过程中移植手带苗数；4为移栽后钵苗基质块质量＜原基质块质量40%钵苗数。

参考前期研究成果[30-31]，本文采用4根伸缩针式机械移植手进行钵苗移栽作业，重点分析多移植手机构组件高速稀植作业过程中停车冲击对钵苗移栽成功率和效率的影响。

3.2 试验方法

在试验钵苗状态、移植手结构和抓取深度等条件相同的情况下，根据上述分析知，多移植手高速稀植作业过程影响移栽成功率主要的因素为受拉缓冲带弹性系数、水平平均速度1、水平末端油压缓冲器吸收能量1、垂直平均速度2和垂直末端油压缓冲器吸收能量2。其中1和1间存在交互作用，当1单独作用时，其值越大移栽效率越高，但成功率越低；而当水平末端缓冲器吸收能量1作用于1末端时，通过调节1值大小，缓冲移植手到达末端速度瞬间减小产生的振动冲击，从而提高移栽成功率；同样，2和2间也存在交互作用，2单独作用时，其值增大会导致移栽成功率越低现象，而吸收能量2作用于末端，通过调节2值大小，缓冲2末端瞬间减小产生的机械冲击振动现象，从而提高移栽成功率。因此设计五因素三水平正交试验，对温室叶菜钵苗稀植机构试验平台移栽性能进行分析。

受拉缓冲带是多移植手等间距分离的关键联接件，受拉缓冲带的弹性系数决定了多移植手分离时的振动程度，但弹性系数过大，不利于气缸伸展进行移植手分离，根据多移植手稀植部件分离运动分析，选取受拉缓冲带的弹性系数为0、0.064、0.128N/m的3个水平进行试验。

钵苗在水平和垂直方向移送时，气缸作为驱动部件，垂直气缸推动多移植手机构向上运动带动抓取的钵苗与穴盘壁分离，水平横移气缸则带动多移植手机构水平移动至栽培槽上方，最后垂直气缸推动多移植手机构向下运动将钵苗植入栽培槽内；以上作业过程均为变加速变减速的运动过程，加速运动使移植手爪针与基质块间产生振动冲击，易导致苗针夹苗不稳、钵苗基质散落。移植影响因素的初步测试发现，水平平均运行速度1大于0.7 m/s时，移栽成功率小于60%；1小于0.2 m/s时，水平运动耗时大于3 s，远大于1为0.7 m/s时的0.8 s耗时。综合考虑，通过气阀调节得到1=0.30、0.49、0.68 m/s作为水平速度的3个水平。同理，确定2=0.26、0.50、0.74 m/s。

为减缓冲击影响，本移植装置使用的油压缓冲器为吸收能量可调节型，可通过旋转吸振器尾部调整旋钮，改变其吸收能量值，来调节油压吸振器缓冲强度。油压缓冲器吸收能量过大或过小，对多移植手部件都为刚冲击状态，起不到缓冲作用，因此选取合适的吸振器缓冲强度对稳定移栽过程与提高成功率较为重要。根据运行速度和输入压力，选取水平末端油压缓冲器吸收能量1分别为6、9 和12 J，垂直末端油压缓冲器吸收能量2分别为10、15 和20 J作为试验水平。稀植移栽正交试验因素水平如表3所示。

基于SPSS分析软件进行正交试验设计，每组试验水平测试5次。正交试验结果如表4所示，试验平台如图7所示。

表3 试验因素水平

表4 稀植移栽交互正交试验结果

注P为第列因素水平1试验结果平均值；J为第列因素水平2试验结果平均值；K为第列因素水平3试验结果平均值；S为第列因素离均差平方和；=1,2,3。

Note:Pis average of test results of level 1 of factor in column; Jis average of experiment results of level 2 of factor in column; Kis average of experiment results of level 3 of factor in column; Sis sum of squares of deviation from mean of factor in column;=1, 2, 3.

3.3 试验结果与分析

为判断因素水平变化所引起的试验成功率变动显著性，采用单因素试验方差由对表4进行分析，试验因素方差分析结果如表5所示，由表可知，1、2的方差与随机序列空白方差相差不大，其偏差主要由于试验误差干扰造成，其值变化对移栽成功率影响比较小。对其他试验因素进行显著性检测，求解其他试验因素显著性值，如表5所示。

表5 试验结果方差分析表

由表5可知，因素和1对移栽成功率影响显著，2次之；因素（1×1）交互作用大于因素（2×2）交互作用。多移植手机构的水平平均速度对钵苗移栽成功率影响显著，水平平均速度越大，钵苗基质承受冲击力越大，基质散落程度严重，导致移栽成功率越低现象。作用于1末端的水平末端油压缓冲器吸收能量1单独作用对移栽成功影响比较小，然而由于1和1之间耦合关系，因素（1×1）交互作用对移栽成功率具有显著影响。由表4可知，交互因素（1×1）在1为0.3 m/s，1为9 J、1为0.3 m/s，1为12 J和1为0.49 m/s，1为6 J条件下的平均移栽成功率最大为96.02%；其中1为0.49 m/s，水平末端油压缓冲器吸收能量1为6 J时，平均移栽效率为3 956株/h，移栽成功率为96.7%，综合效果最好。

受拉缓冲带弹性系数对钵苗移栽成功率影响显著性仅次于1，当=0.128 N/m时，移栽成功率平均可达为94.07%，而=0时，由于移植手组件为刚性分离，分离过程中钵苗基质散落严重，移栽成功率平均为90.00%，因此移栽过程中应选择为0.128 N/m进行移栽作业。

多移植手机构的垂直平均速度对钵苗移栽成功率影响显著性次于受拉缓冲带弹性系数，在其他影响因素相同的情况下都表现出垂直平均速度越大，带动钵苗与穴盘壁分离过程，分离速度块且停止时冲击较大，基质破坏严重，移栽成功率越低现象。作用于2末端的垂直末端油压缓冲器吸收能量2单独作用对移栽成功影响比较小，其与2之间耦合关系对移栽成功率的影响也不大，主要由于垂直运动对钵苗基质破损度影响比较小。

由上述可知，本文多移植手高速稀植机构的稀植效率和成功率受到了缓冲带弹性系数、水平横移的平均速度、水平末端缓冲器吸收能量、竖直运动平均速度和竖直运动末端缓冲器吸收能量因素的耦合交互影响，通过正交试验选定可获得高效稀植作业的机构参数最优组合为：缓冲带弹性系数为0.128 N/m、水平平均速度1为0.49 m/s、垂直平均速度2为0.74 m/s、水平末端油压缓冲器吸收能量1为6 J和垂直末端油压缓冲器吸收能量2为15 J，试验测得移栽平均效率为3 956株/h，移栽成功率为96.7%，适用于穴盘到栽培槽的叶菜类钵苗高速稀植作业。

4 结 论

本文针对泥炭基质水培叶菜钵苗，设计了一种多移植手的穴盘取苗稀植移栽机构，并对关键部件多移植手稀植作业部件进行碰撞仿真与设计分析。选用甘蓝钵苗，对移栽机构钵苗拾取正交试验，选取其最优运行参数。具体结论为：

1）提出并设计了一种多移植手的穴盘取苗稀植移栽机构，对关键部件多移植手稀植作业部件进行碰撞仿真与设计分析。

2）基于研制的多移植手的穴盘取苗稀植移栽机构，进行冲击影响因素正交试验，运用方差分析法进行数据分析，选定可获得高效稀植作业的机构参数最优组合，在缓冲带弹性系数为0.128 N/m、多移植手的水平平均速度为0.49 m/s、垂直平均速度为0.74 m/s、水平末端油压缓冲器吸收能量为6 J和垂直末端油压缓冲器吸收能量为15 J时，多移植手稀植机构的移栽效率为3 956株/h，移栽成功率为96.7%。

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Design and experiment of high-speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses

Tong Junhua1,3, Meng Qingxin1, Gu Song2, Wu Chuanyu1,3※, Ma Ke1

(1.,,310018,; 2.,510642,; 3.g,310018,)

Leafy vegetable cultivation with culture solution has become a promising new type of planting technology for the vegetable production in a green house. In processing, the seedlings of plugs need to be taken out from the float trays, and transplanted into the cultivation trough. However, a hand transplanting of seedlings is a major traditional operation with high labor intensity and low efficiency. In this study, a novel high-speed mechanism was designed with multiple end effectors for the sparse transplanting of hydroponics seedlings in greenhouses. Specifically, the operations of picking can realize for the whole row seedlings in the float trays, while plant the seedlings in parallel with variable intervals in the cultivation troughs, particularly with high level automation, and great quality. The test platform of sparse transplanting mechanism was composed of three parts: the sparse transplanting component with multiple end effectors, transportation component of seedling tray, and cultivation trough. The sparse transplanting component with multiple end effectors was utilized to transplant the seedlings to empty cultivation trough, connecting the transportation component of seedling tray and cultivation trough. Concurrently, the transportation component of seedling tray was used to convey the seedlings. The transportation component of cultivation trough was used to convey the empty cultivation trough. A systematic optimization was made for the transplanting mechanism, thereby to obtain the best transplanting effect under the combination optimal parameters. In the transplanting mechanism, a rigid cloth belt was adopted to connect the series of needle-type multiple end effectors for equal separation. An elastic belt was also added to alleviate the unequal velocity that resulted from the variable interval process. The collision simulation of multiple end effectors mechanism was conducted on the ADMS software, indicating a large impact force occurred at the end of cylinder. In order to cushion the movement impact, the hydraulic shock absorbers were installed at the end positions of multiple end effectors in the vertical and horizontal directions. The penetration angle and picking seedling depth were determined for the plug seedlings of leafy vegetable, according to the impact factors of transplanting mechanism. Five impact factors of transplanting effect included the belt elastic coefficient(), average horizontal velocity(1), absorption energy of oil buffer at the horizontal end(1), average velocity in the vertical direction(2),and absorption energy of oil buffer at the vertical end(2). An orthogonal test was conducted on the factors in each group. It was found that the transplanting efficiency and transplanting success rate were inversely proportional,, as well as1,1had a great impact on the transplanting success rate of seedlings. A combination of optimal mechanism parameter was obtained through analysis of variance:=0.128 N/m,1=0.49 m/s,2=0.74 m/s,1=6 J, and2=15 J. In this case, the better performance can be achieved for the sparse transplanting operating component with multiple end effectors. The transplantation efficiency was 3 956 plants/h, and the transplantation success rate reached 96.7%. This mechanism can meet the actual production requirements of high-efficiency sparse transplanting.

agriculture machinery; design; test; greenhouse; transplants; plug seedling; multiple end effectors; hydroponic leafy vegetables

童俊华，孟青新，辜松，等. 温室水培叶菜高速稀植机构设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(1)：1-9.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.001 http://www.tcsae.org

Tong Junhua, Meng Qingxin, Gu Song, et al. Design and experiment of high-speed sparse transplanting mechanism for hydroponics pot seedlings in greenhouses[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 1-9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.001 http://www.tcsae.org

2020-09-14

2020-11-05

国家重点研发计划（2017YFD0701504）；广东省重点领域研发计划项目（2019B020222004）；浙江省重点研发项目（2018C02046）

童俊华，博士，副教授，主要从事农业装备智能化技术方面的研究。Email：jhtong@zstu.edu.cn

武传宇，教授，博士生导师，主要从事智能农业装备与机器人技术研究。Email：cywu@zstu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.001

S147.2

A

1002-6819(2021)-01-0001-09