蔬菜移栽机曲柄摇杆-导轨组合式取投苗装置研究

袁 挺 张 宇 尹金亮 汪 瀚 张志芹 谭豫之

(中国农业大学工学院， 北京 100083)

0 引言

随着现代农业的发展，辣椒等经济型作物占我国蔬菜的种植比重逐渐增加，成为农民增收的重要途径。蔬菜钵苗育苗产业发展迅速，但钵苗移栽仍以人工及半自动移栽为主，劳动强度高、作业效率低、机械化程度不高，不利于规范化管理，不能满足现代蔬菜产业发展的需求[1]。半自动移栽机缺少取投苗装置，不能实现钵苗的全自动移栽作业，所以蔬菜钵苗全自动移栽机的研究关键在于取投苗装置[2]。

发达国家研制的取投苗装置较为成熟。欧美研制机型偏大型化及电气液化，日韩研制机型偏小型化及纯机械化[3-4]。意大利Ferrari公司设计了一种顶夹结合式取苗装置，电气液结合驱动，取苗效率高，伤苗率低，作业规模大，但引进国内后出现堵苗现象，且只适用于硬质泡沫苗盘[5]。日本井关农机株式会社研制了一种两针机械手回转取苗装置，纯机械结构，利用内部行星齿轮运动及半齿轮的间歇停顿特性与外部轨槽滑道复合形成特定取苗轨迹，结构紧凑，性能稳定，但机构复杂，轨槽滑道易磨损[6-7]。国内对取投苗装置的研究取得了长足的进展[8]，提出了顶出式、迎苗夹取(主茎或基质)式、顶出夹取式及气力式[9]等取苗方式[10]。刘念聪等[11]提出了全自动单摆式蔬菜钵苗取喂苗系统，该装置机构紧凑，对苗适应性好，取苗成功率高。谢守勇等[12]提出了一种斜插夹钵式取苗装置，该装置结构简单，动作连贯，但主动杆转速不易过高。倪有亮等[13]设计了纵/横向移盘机构、顶夹式取苗机构等，完成钵苗的隔穴顶出和夹取，但该机构取苗中使送盘装置平移需要较大动力。王蒙蒙等[14]提出了一种曲柄摇杆式取苗机构，对苗盘的适应性强，伤苗率低，但需将苗顶出后再夹取。俞高红团队[15-17]提出一种回转式蔬菜钵苗取苗机构，该机构复合了一个或两个以上相同的取苗机构，利用不完全共轭变性椭圆齿轮，配合齿轮箱其他零件，可实现一种特殊的非匀速间歇运动，实现高速取苗，但部分零件结构复杂。现有取投苗装置存在结构复杂、机构间协作性要求高等问题。

本文结合以上分析，提出一种结构简单、取投苗动作连贯、动力要求小及取投苗轨迹简单的全自动曲柄摇杆-导轨组合式取投苗装置。以取投苗位置为参数要求，通过理论研究和仿真分析，进行取投苗装置设计和参数优化，结合样机试验和相关分析，以期获得一种结构合理、取投苗性能优稳快、使用方便的全自动取投苗装置，为蔬菜钵苗移栽机的全自动化提供技术支撑。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

曲柄摇杆-导轨组合式取投苗装置安装在自制的试验平台上，如图1所示。试验平台主要由分苗装置、导苗装置、送盘装置、取投苗装置与机架等部分组成。穴苗盘倾斜放置到送盘装置上，取投苗装置与送盘装置配合完成取苗作业，与导苗装置及分苗装置协调完成投苗作业。取投苗装置主要由曲柄摇杆-导轨机构、取苗横向移位机构及6个取苗爪等组成，具体结构如图2所示。取苗爪结构如图3所示。

图1 试验平台结构图Fig.1 Structure diagram of test platform1.分苗装置 2.导苗装置 3.苗盘 4.送盘装置 5.取投苗装置 6.机架

图2 取投苗装置结构简图Fig.2 Diagram of seedling taking and dropping device1.从动摇杆转动轴 2.从动摇杆 3.机架 4.T型轴承座 5.T型轴 6.直线导轨滑块 7.直线导轨轨道 8.导轨限位块 9.上连接U型槽 10.横移连接角铝 11.横移气缸固定角铝 12.横移气缸 13.横移圆轨道 14.成排取苗机械爪 15.直线轴承 16.取苗机械爪横向移位机构固定角铝 17.直线导轨轨道内铰链 18.从动摇杆外铰链 19.同步带传动 20.取苗步进电机 21.动力输入轴 22.动力输入轴轴承座 23.主动曲柄 24.连杆

图3 取苗爪结构简图Fig.3 Diagram of mechanical claw for seedling collection1.取苗针 2.苗针架 3.气缸 4.安装U型槽 5.固定铰链板 6.苗针固定块 7.挡板

1.2 工作过程及工作原理

取投苗试验平台的作业流程如图4所示。送盘装置依次将每行穴盘苗送至取苗位。取苗爪在初始位置是张开状态。取苗步进电机通过主动曲柄带动从动摇杆连续前后往复摆动。取苗爪的轨迹是由直线导轨轨道在从动摇杆摆动拉动下的直线运动和直线导轨轨道随导轨滑块以T型轴轴心为圆心的圆周转动复合而成，如图5所示，曲柄摇杆-导轨机构即可同时带动成排6个取苗爪完成运动至取苗点、插入基质、取出钵苗、运送钵苗及运动至投苗点等一系列连贯动作，不需添加辅助机构。取苗时，从动摇杆向后摆动，当取苗爪的末端与苗盘上表面即将接触时，取苗气缸回缩，取苗爪开始收紧逐渐抓入钵苗基质约30 mm深，完成整排钵苗的半排间隔抓苗[2,18]；在主动曲柄的连续带动下，从动摇杆向前摆动至前极限位置，将钵苗拔出穴盘送至导苗装置正上方，取苗气缸伸出带动苗针架推苗、完成投苗。随后横移气缸回缩带动取苗爪向右平移一个穴盘位完成整排取投苗。分苗装置转动，依次将钵苗落入栽植机构完成栽植。

图4 取投苗试验平台作业流程图Fig.4 Operation flow chart of test platform for seedling taking and feeding

图5 取投苗工作原理图Fig.5 Working principle diagram of seedling taking and feeding

图6 取苗机械爪取投苗工作过程示意图Fig.6 Schematics of working process of seedling picking and dropping by claw of seedling picking machine

图6所示为取苗爪取苗与投苗工作过程示意图，图中黑色实心箭头表示取苗爪整体运动情况，黑色空心箭头表示取苗气缸的运动情况。

2 关键部件设计

2.1 送盘装置倾斜角确定

图7所示是用实验法对穴盘苗的重心位置进行确定[19]。测出穴盘苗的重力P和距离L。 因为整盘穴盘苗的播种、生长环境和生长时间相同，且经过挑苗，可以认为整盘穴盘苗均匀分布，则重心O在对称轴线上，需要测定重心O距离地面的高度h。

图7 重心确定受力分析图Fig.7 Force analysis diagram for center of gravity determination

设定穴苗盘右支撑点到电子秤水平面垂直距离H=50 mm。由于所使用穴盘为72穴标准穴盘，所以L与穴苗盘重心到右支撑点对齐距离s为定值。根据辣椒苗高度与试验基质含水率的不同，可得出不同情况下的支撑力F与P值。因为此时穴苗盘是平衡的，使用结构静力学理论，计算得出h取值范围为30.15～69.25 mm。

在倾斜的送盘装置上放置苗盘时，操作要求是将苗盘的最下面的穴盘格卡在仿形杆上，其受力分析如图8所示，穴苗盘随着送盘装置倾斜角β增大只产生绕着支撑点A的转动而不产生滑动。

图8 苗盘放置示意图Fig.8 Schematic of seedling tray placement

如图8所示,h=lOQ，lTQ和lRT已知，lRT垂直lOQ于T，由三角形相关定理计算可得α=31.25°，若要保证苗盘不绕点R旋转倾覆，则OR不能与水平面垂直，则β<58.75°。为防止钵苗脱落，需β<75.3°[1]。综上，β取50°。

2.2 取投苗装置结构设计

若仅采用曲柄摇杆机构进行取投苗时，则需要顶苗机构的辅助[14]。当取苗末端在取苗点垂直穴盘且近似直线运动夹取钵苗时具有较好的取苗效果；当钵苗处于竖直状态时具有较好的投苗效果[20-21]。根据上述取苗轨迹的设计要求，提出曲柄摇杆-导轨组合式取投苗装置，主要由摇杆-导轨部件及曲柄摇杆部件等组成。

2.2.1摇杆-导轨部件结构设计

如图9所示，取投苗时，DE带动FEG进行运动。取苗时，为了减小取苗末端对钵苗基质的损伤，此时点E的速度必须垂直于穴苗盘表面，且不能有其它方向的分量，故此时FE与DE垂直，即α2=90°。从钵苗的运动及分苗装置的布置尺寸考虑，选取DE的摆角为90°，即φ=90°。

图9 摇杆-导轨部件结构简图Fig.9 Structural diagram of rocker slide rail components

在直角梯形FE1DE2中有

(1)

式中e——上摇杆长度，mm

f1、f2——导轨有效作业长度，mm

α1——投苗位摇杆和滑轨夹角，(°)

α0——滑轨完成一次取投苗摆动角，(°)

基于送盘装置的安装位置及EG1的长度确定上摇杆的长度e，分析如下：取苗时，作取苗位置穴盘底部中心K到固定机架JL的垂线KL垂直于点L，作铰链点E1到机架JL的垂线E1N垂直于点N。作NI垂直E1J于点I。如图10所示。

图10 取苗位置中上摇杆长度分析图Fig.10 Length analysis diagram of middle and upper rocker at seedling taking position

运用数学三角函数理论对图10进行分析得

(2)

式中i——取苗位上的穴盘钵穴底部中心到穴盘架顶点M的直线距离，mm

j——取苗位上的穴盘钵穴底部中心到机架的垂直距离，mm

k——E1J长度，mm

m——铰链点E1到取苗位上的穴盘钵穴底部中心的距离，mm

计算可得195.2 mm≤e≤303.7 mm。考虑到结构的紧凑性，选择e=210 mm。将e代入式(1)中，即可求得导轨取苗有效作业长度f1=334 mm，导轨投苗有效作业长度f2=274 mm。此时确定了摇杆的固定点D和滑轨中滑块的安装位置F。

2.2.2曲柄摇杆部件结构设计

为了使上摇杆的摇动角达到90°，并且保证摆动的连续性及控制的简便性，选择曲柄摇杆机构作为动力机构(图11)。

图11 曲柄摇杆部件结构简图Fig.11 Structural diagram of crank rocker components

摇杆CD和上摇杆DE为刚性连接，则可以确定摇杆CD的摆角为ψ=90°；为了缩短末端夹苗距离，减少对基质的冲击损伤，故采用无急回特性曲柄摇杆机构[22]，速度比系数K=1，最小传动角为γmin=44°。

在无急回特性曲柄摇杆机构中[2]，极位夹角等于0°。有

(3)

最小传动角为

(4)

式中a——主动曲柄AB长度，mm

b——连杆BC长度，mm

c——从动摇杆CD长度，mm

d——两固定点A、D之间距离，mm

考虑到机器安装的尺寸布局，设定c=165 mm，将γmin=44°、ψ=90°代入式(3)、(4)，得到a=116.7 mm，b=625.8 mm，d=636.5 mm。机架与地面平行。

2.3 取投苗装置运动学分析

在取投苗的取苗行程时，为了保证抓取成功率与减少钵苗基质损伤，要求在取苗点的速度接近0；在接近投苗点时，为了保证钵苗投苗的稳定性，水平加速度需接近0；在投苗位置，为了保证钵苗竖直落入分苗杯，水平速度和加速度均需接近0。对取投苗装置进行运动分析，如图12所示。

图12 取投苗装置运动分析Fig.12 Motion analysis of seedling taking and feeding device

由图12可得曲柄摇杆机构矢量方程为

lDA+lAB=lDC+lCB

(5)

在x轴和y轴上的投影为

(6)

式中δ1——主动曲柄AB位置角，(°)

δ2——连杆BC位置角，(°)

δ3——从动摇杆CD位置角，(°)

由式(6)求出滑轨方位角δ3为

(7)

其中

(8)

式(6)对时间求导得

(9)

式中ω1——主动曲柄角速度，rad/s

ω2——连杆角速度，rad/s

ω3——从动摇杆角速度，rad/s

由式(9)求得摇杆角速度ω3和角加速度a3为

(10)

(11)

对于摇杆-导轨机构的矢量方程为

lDE+lEF=lDF

(12)

在x轴和y轴上的投影方程为

(13)

式中δ5——上摇杆DE位置角，(°)

δ6——导轨EF位置角，(°)

xF——旋转点F横坐标

yF——旋转点F纵坐标

fi——导轨上点E、F之间距离

由式(13)求出导轨的位置角δ6及fi为

(14)

(15)

其中

δ5=π-δ3

(16)

式(14)对时间求导得导轨的角速度为

(17)

其中

ω5=ω3

(18)

式中ω5——上摇杆角速度，rad/s

ω6——导轨角速度，rad/s

式(17)对时间求导得导轨的角加速度为

(19)

由图12得到取投苗末端点G的坐标为

(20)

式中g——铰链点E到取投苗末端终点G的长度，mm

则取投苗末端终点G的速度和加速度为

(21)

(22)

其中

a5=a3

(23)

2.4 取投苗装置运动学仿真分析

为了验证取投苗装置是否符合取投苗运动要求，将取投苗模型导入ADAMS中进行虚拟仿真，对模型各个部件进行质量赋予、重力设置及各个连接点约束设定，设置起始点为投苗位置，设置主动曲柄的转速为15 r/min，即取苗末端4 s完成一次取投苗行程(在2 s处进行取苗)，此时整机取投苗速度为90株/min，得到图13所示的取投苗末端速度、加速度曲线。

图13 取投苗末端运动学仿真速度与加速度曲线Fig.13 Velocity and acceleration curves of kinematic simulation at end of seedling feeding

如图13所示，取苗速度在取苗点为0，有利于取苗成功；在投苗位置附近，水平加速度较小，有利于增大钵苗运输的稳定性[23]；在投苗点处，末端水平速度较小且水平加速度较小，有利于钵苗竖直投苗精度，提高投苗成功率；在取苗处的切向加速度为0，但其他各个加速度较大，这是由曲柄摇杆机构本身的运动特性引起的[14]，会对基质产生一定的损伤，需要在试验中对损伤程度进行探究。

3 取投苗轨迹验证

在取投苗装置的设计中，试验取投苗轨迹是否跟仿真设计轨迹一致，影响到整个装置的工作性能和作业质量[24]。将取投苗装置三维模型导入ADAMS中虚拟仿真，选用末端取苗针尖点进行标记追踪，设置整体取投苗速度为90株/min，得到图14所示的取投苗末端运动轨迹。

图14 取投苗仿真轨迹Fig.14 Simulation track of seedling taking and throwing

搭建取投苗装置样机，设定整体取投苗速度90株/min，驱动步进电机转速15 r/min。使用Phantom v 9.1高速摄像机进行运动视频录制，设置采样频率为100 f/s，采用补光灯(JINBEI EF-200型)进行补光。在Phantom配套PCC 3.6软件对图像进行分析，获得取投苗末端的实际运动轨迹如图15所示，可以看出实际运动轨迹基本可以复现仿真轨迹，验证了取投苗装置设计的正确性和可行性。

图15 取投苗高速摄像机拍摄轨迹Fig.15 Shooting track of seedling taking and throwing high-speed camera

4 取投苗试验

4.1 试验条件

为了进一步测试样机平台的实际取投苗性能，如图16所示，于2021年9—12月在学院地下室进行实际作业试验。试验对象选用辣椒苗，壮苗(长势良好、高度均匀且钵体充实完整的钵苗)率为100%，苗盘规格为6×12的72穴标准穴盘，基质为泥炭、珍珠岩、蛭石，体积比为3∶1∶1。

图16 样机及取投苗试验Fig.16 Seedling taking and feeding test

4.2 试验因素及指标

根据旱地栽植机械行业标准(JB/T 10291—2013)中相关技术要求进行试验方案设计，自动移栽机的移栽效率大于等于90株/min，属于高速移栽。根据机器实际情况，试验中取投苗速度分别设置为90、120、150株/min，均为整机单行移栽频率。在辣椒苗的取投苗过程中，如果苗龄过大、苗株过高、叶展过宽，会产生枝叶缠绕、挂苗等现象[25-26]，影响取投苗成功率；而植株较小又不符合实际栽植要求，经过实地调查，110～160 mm辣椒苗适于实际种植，故试验辣椒苗高分别设定为110、130、160 mm，对应的苗龄为33、40、48 d。钵苗含水率影响基质之间的粘结力、钵体的力学特性、钵体与苗盘之间的粘附力等[27]，经过多次预试验，发现若基质含水率过高(大于70%)，基质粘结力不足，取苗成功率过低；基质含水率过低(小于20%)，钵苗易发生脱水，种植存活率较低[27]，故试验基质含水率分别设定为40%、50%、60%。

以取投苗速度、苗株高度和基质含水率为影响因素，以取苗成功率S1、伤苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4为考察指标，进行三因素三水平正交试验。表1为因素水平表。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

取苗成功率S1为

(24)

伤苗率S2为

(25)

投苗成功率S3为

(26)

取栽成功率S4为

(27)

式中N1——钵苗完整的(定性认为取出后基质块保持原有形状且茎叶无可见损伤的钵苗为完整钵苗，根据观察实时取苗现场及观察取苗摄像得出)从穴盘中取出来的数量，株

N2——从分苗装置落下的钵苗产生茎叶破损、折断及基质散坨损失超20%的数量，株

N3——将钵苗完整投入分苗装置的数量，株

N4——从分苗装置落下的合格钵苗数量，株

N——试验钵苗壮苗总数，株

4.3 试验方法

正交试验方案如表2所示。按照表中数据依次改变装置的取投苗速度、苗株高度和基质含水率。每组试验144株(2盘)，10组试验，9组正交试验，1组优选验证试验。每组试验均完成取苗、投苗等流程，每组试验均进行摄像。每组试验结束后根据摄像及现场试验结果记录统计试验数据，并进行方

表2 取投苗正交试验方案和结果Tab.2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking

差分析和极差分析，确定影响因素的主次顺序，选出最佳因素参数组合，优选后进行试验验证。

4.4 试验结果与分析

由表2得知，3种取投苗速度平均取栽成功率分别为87.96%、82.18%、75.93%；3种苗株高度平均取栽成功率分别为86.81%、83.80%、75.46%；3种基质含水率平均取栽成功率分别为79.17%、83.10%、83.80%。对试验结果用SPSS进行极差及方差分析，如表3、4所示。对于取苗成功率，取投苗速度影响最大，苗株高度次之，基质含水率最小且不显著；对于伤苗率，三者影响均不显著；对于投苗成功率，取投苗速度影响较显著，苗株高度影响较显著，基质含水率影响不显著。综上得到最佳因素参数组合为A1B1C2，即取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm、基质含水率50%。

表3 极差分析Tab.3 Range analysis

为验证正交试验结果的合理性，进行优选验证试验。优选验证试验结果显示：取苗成功数为137株，伤苗数为2株，投苗成功数为134株，即：取苗成功率为95.14%，伤苗率为1.39%，投苗成功率为93.05%，取栽成功率为91.67%，优选验证试验

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

的总体成功率高于正交试验，试验效果达到了预期。

取投苗速度是影响取投苗显著的因素。观察发现，取苗时，运动速度过快导致末端夹取钵苗时间过短夹紧程度不够；投苗时，运动速度过快导致钵苗下落时苗叶卡在苗夹中带偏的概率增大。苗株高度对取苗、投苗成功率的影响较显著，原因在于苗株较大时叶展较大，产生了两种挂苗现象：在取苗中，叶展较大钵苗茎叶之间产生缠绕，间隔取苗时将左右上下临近穴孔的钵苗带出。在投苗时茎叶卡到取苗末端缝隙里，无法投下，甚至影响下次取苗。试验中的伤苗率均低于6%，说明取苗点产生的加速度不足以对基质产生较大损伤。

5 结论

(1)设计了一种全自动曲柄摇杆-导轨组合式蔬菜钵苗取投苗装置，对取投苗过程进行了运动学理论分析和仿真分析，获取了取投苗运动仿真曲线和试验轨迹曲线，验证了设计的可行性和科学性。

(2)以取投苗速度、苗株高度和基质含水率为影响因素，以取苗成功率S1、伤苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4为考察指标，进行了三因素三水平正交试验。以最佳的参数组合：取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm和基质含水率50%进行了优选参数验证试验，试验结果为取苗成功率95.14%、伤苗率1.39%、投苗成功率93.05%、取栽成功率91.67%，试验效果良好。