一种插秧用辅助装置的设计

陈玉华，张广川

（1.江苏电子信息职业学院 智能制造学院，江苏 淮安 223003；2.江苏电子信息职业学院党政办，江苏 淮安 223003）

1 背景

水稻是世界上栽培面积和总产量仅次于小麦的重要作物，也是我国最重要的粮食作物，全国60%的人口以稻米为主食。随着我国城市化发展，用作工业原料和饲料的专用稻产量也将逐步上升。根据农业农村部《“十四五”全国种植业发展规划》，2020年全国水稻播种面积3 006.67×104hm2、产量2 118.5×108kg。“十四五”期间，我国将以农机农艺和信息化融合为重点，加大配套技术和使用高效农机装备研发和应用，推进各环节机具装备的组装协同，提升水稻机插等薄弱环节的机械化水平。

插秧机是将稻苗植入稻田中的一种农业机械。进行种植时，首先以机械爪从苗床中取出数株稻苗植入田中的泥土，为了保持苗床与地面的角度为直角，机械爪的前端移动时必须采取椭圆形的动作曲线。动作是靠着旋转式或变形齿轮的行星机构来完成，前进的引擎同时可以带动这些动作机械。插秧机在泥土上行进必须有止滑的车轮及浮行设计。插苗若是成片，则是从特定的秧苗箱中取出稻苗，再以机械方式种植。即便拥有插秧机这种高效率的机械投入，依然会因多种因素的影响，导致秧苗倾斜。倾斜可使得作物的产量和质量降低，增加收获的难度，倾斜的秧苗在后期的成长中由于光照不充分，根系不牢固等，使得其感染其他病症的概率将会大大提升。因此，设计一种能够对秧苗田内倾斜的秧苗进行及时扶正，助其正常生长的插秧用辅助装置有着很重要的实际意义。

2 插秧用辅助装置的设计机构及原理

针对现有技术的不足，提出了一种插秧用辅助装置的技术方案，该设计能够通过调节秧苗周围土壤的疏密松紧程度来完成对秧苗根部附近土壤的扰动，从而在减少对秧苗根系的直接接触和损伤的情况下自动扶正秧苗。其构成结构及具体实施原理如下。

2.1 插秧用辅助装置主要构成结构

设计的插秧用辅助装置包括平台1，平台1的远地侧上设有若干个卡键2，本装置可通过卡键2将装置固定在插秧机或者移动工具上。平台1的近地侧上沿平台1长度方向依次设有检测组3和拨正组4，见图1。

图1 主体结构示意图（俯视）Fig.1 The schematic diagram of main structure(top view)

检测组3设置了一个摄像装置5（光传感器），还在摄像装置5的周向设置了四个蘸土杆6，每个蘸土杆6沿长度方向标有刻度，能够限制住平台1的大致高度。4个蘸土杆6各自的底部陷入的深度稍有不同，再通过摄像装置5的拍摄，能够较为精确的计算出当前检测组3所检测的区域的秧苗和土壤间的相对位置关系，得出较为精确的秧苗倾斜程度，见图2。

图2 主体结构示意图（仰视）Fig.2 The schematic diagram of main structure(bottom view)

拨正组4包括一吊臂7，吊臂7本身不旋转，吊臂7的底部套设一转盘8，转盘8上设置有若干个（该设计为3个）扰土器9，相邻的两个扰土器9在转盘8表面上所形成的夹角为120°。

每个扰土器9包括两种功能杆，分别为松土杆10和紧土杆11，功能杆为空心管，见图3。松土杆10的空心管内腔通过泵机12连通至第一仓室13（里面存放水），紧土杆11的空心管内腔通过泵机12连通至第二仓室14（里面存放砂土），功能杆为伸缩结构，见图4。各功能杆和吊臂7之间的摩擦忽略不计。图1和图2中的拨正组4的各功能杆均处于收缩状态；图3中与地面接触的功能杆的底部已部分插入泥土中。

图3 拨正工作示意图Fig.3 The schematic diagram of straightening

图4 使用流程Fig.4 The usage process

图4 平台内部部分结构示意图Fig.4 The structure diagram of internal part of platform

松土杆10和紧土杆11由于需要跟随转盘8的旋转发生角度偏移，所以松土杆10和紧土杆11连接到泵机12的管路中增加了弹性伸缩软管15。扰土器9每次工作完成后会回归初始状态下的位置，则可避免弹性伸缩软管15的过分拉伸或者缠绕等。扰土器9的底部弯曲且指向轴心。每个功能杆的内腔的口径沿功能杆的出料方向逐渐扩大，在功能杆对秧苗根部区域输出水或者其余物料时能够减缓冲击力。

2.2 插秧用辅助装置实施过程

在检测组3完成检测后，对倾斜程度较为明显的秧苗由拨正组4进行拨正。摄像装置5经过对该区域的图像采集后，传输到处理器，计算出大致的拨正所需工作量，当平台1继续移动后，拨正组4将会位于原先检测出的倾斜的秧苗上方。在不需要拨正秧苗时，扰土器9的6根功能杆均处于收缩状态，即功能杆的底部不接触水田，此时盖板16需要封闭。当秧苗倾斜时，秧苗朝哪个方向倾斜，转盘8在采集图像后的处理器控制器控制下发生转动，确保俯视情况下的秧苗所在直线与其中一个扰土器9所在直线重合，直线两侧的两个扰土器9此时将收缩状态的紧土功能杆下放，另一扰土器9将收缩状态的松土功能杆下放，在下放的3个功能杆下放到泥土中，进入到秧苗根部区域时，盖板16打开，功能杆能够开始进行物料输送，即紧土杆11向秧苗根部区域输入砂土，松土杆10向秧苗根部区域输入水，见图5。输送完成后，将盖板16封闭，盖板16在输料的最终阶段关闭，应尽早关闭，防止田里的泥土或水体封闭在功能杆内，影响之后的田里作业。

图5 盖板示意图Fig.5 The schematic diagram of cover plate

在秧苗根部的松紧情况发生变化的情况下，植物的倾斜角度会逐渐缩小，根据实际情况，每个扰土器9不一定均参与拨正，扰土器9的数量越多，角度的拨正虽然精度会提高，但是过多扰土器9对土壤造成的扰动，会造成秧苗根部区域的泥土过于松散，所以在诸多因素的考虑下，扰土器9的数量需要控制在3～6根即可。扰土器9设置是为了让倾斜的秧苗能够朝着相反区域进行移动，扰土器9的数量和排布，将会对相反区域的范围进行限定，防止二次倾斜（即由原先的一侧倾斜，经过拨正，但各扰土器角度未控制好，致使秧苗仅改变了倾斜的方向）。当秧苗的倾斜程度过大时或者秧苗完全倒伏在泥土中时，拨正组4可选择不下放功能杆，或者下放松土功能杆，将秧苗的根部区域彻底变松，平台1上还可加设回收组（回收组应包括抓取装置和回填装置，该设计未体现），对该无法拨正的秧苗进行秧苗的回收和重填操作。

3 插秧用辅助装置的特点

插秧用辅助装置设计具有以下有益特点：①本设计通过扰土器上的两种功能杆来调节秧苗周围土壤的疏密松紧程度来完成对秧苗根部附近土壤的扰动，减少对秧苗根系的直接接触和损伤，扶正秧苗，助其正常生长；②不同的泵机将第一仓室和第二仓室内的物料传输到功能杆内，除了对泥土的扰动外，还能用于清理功能杆上或功能杆内的泥土；③扰土器的底部不论弯曲还是笔直，均是直接作用秧苗根系的附近区域，这种间接式的拨正，对相对脆弱的秧苗起到了保护作用；④功能杆的内腔功能杆的出料方向逐渐扩大，功能杆输送出的物料无论是用于松土还是用于紧土，输送到秧苗根部区域的那股压力都会相对缓和，减少了对秧苗根部的冲击；⑤检测组设有光传感器和蘸土杆，能够相对准确地计算出当前地面的坑洼程度和秧苗的倾斜角度，以及为拨正组中的吊臂需要下降的高度提供数据基础。

本设计方案解决了机插秧苗倾斜造成的水稻质量、产量方面潜在的危害，减小秧苗扶正的劳动量，有利于进一步提升水稻机插机械化水平。