蔬菜自动移栽机对置秧盘交替自动取投苗机构研究

陈 斌 胡广发 刘 文 孙松林 孙超然 肖名涛

(1.湖南农业大学机电工程学院，长沙 410428；2.永州职业技术学院，永州 425100)

0 引言

目前穴盘苗的蔬菜移栽机械以半自动为主，机械主要完成栽植作业，取苗投苗需要由人工完成，受人工取投苗速度限制，移栽效率较低，无法满足蔬菜产业快速发展的需求，全自动移栽机已成为主要发展方向。穴盘苗取苗装置是全自动移栽机的关键部件，其取苗效率、取苗效果直接影响移栽机的栽植效率和栽植效果。

针对不同秧盘、秧苗以及栽植农艺要求的特点，国内外学者提出了不同的取苗方式，并在取苗方法的基础上开发了多种取苗装置或者末端。目前主流的取苗方式包括插入茎秆夹持式[1-3]、钵体夹取式[4-6]、钵体顶出式[7-9]、顶出-夹取结合式[10-11]、气力式[12-13]等。由于秧苗钵体的抗拉强度远低于抗压强度[14-16]，茎秆夹持式和钵体夹取式在取苗过程中对钵体施加拉力，易对秧苗钵体造成损伤，破坏秧苗根系，导致钵体破裂。钵体顶出式取苗方式是对秧苗钵体施加压力，取苗过程中秧苗损伤程度较低，但由于秧苗与秧盘穴壁之间的粘附力各不相同，因此存在秧苗顶出过程中压缩程度不同、顶出后落苗轨迹不一致、落苗点不可控等问题。

本文基于顶出-夹取结合式取苗方式，开展对置秧盘交替取投苗策略分析，以可弯曲秧盘及用其培育的辣椒钵苗为作业对象，设计一种曲柄摇杆附加直线气缸的对置秧盘交替自动取投苗机构，该机构与送盘、投苗、栽植等机构组成的供苗装置装载于大型移栽机上，配合旋耕装置、起垄装置、开沟装置等，可实现多行自动移栽，相较于传统多行移栽机用工量少。针对该自动取投苗机构进行机构运动学建模，仿真分析关键参数对气动苗爪运动轨迹的影响，得到符合作业要求的参数值；开展多栽植频率下的取投苗性能试验，以验证该取投苗方案的可行性。

1 对置秧盘交替取投苗策略与要求

1.1 取投苗策略分析

取投苗机构是供苗装置中的核心部件，作业时完成秧苗从秧盘到栽植装置的转移工作，直接影响移栽作业效率和作业效果。利用柔性秧盘的可弯曲特性，设计一种对称布置的秧盘布局，如图1a所示，秧盘从两侧进入后，在水平阶段末端进行取苗，进入弯曲阶段后进给方向发生改变，最后从进盘口下方退出，有效减小秧盘输送机构体积。

图1 取苗、投苗、落苗原理图

基于此对置秧盘布局，提出一种交替取投苗方法。在对置秧盘中间设置落苗机构，取投苗机构一侧苗夹在取苗位置时，另一侧苗夹则位于投苗位置，其理想轨迹如图1所示，苗夹在取苗位置对秧苗进行夹持后，沿竖直方向将秧苗拔出，然后水平运动至投苗位置，松开苗夹，秧苗沿竖直方向落入分批落苗装置中，落苗机构可存放取投苗装置整行投下的秧苗，并将其按等时间间隔分批次落入下方栽植装置中(图1b)，由栽植装置完成定植，也可与开沟装置配合使用，将秧苗直接落入下方植苗沟槽中。

1.2 取投苗机构结构原理

1.2.1交替自动取投苗机构

在实际运行过程中，为减少运行过程中速度方向急变造成的冲击，物体的运动轨迹一般由平滑曲线组成，综合考虑往复运动和平面旋转运动，提出一种由曲柄摇杆机构和直线气缸共同驱动的交替自动取投苗机构，如图2所示。

图2 交替取投苗机构简化模型

该机构由曲柄摇杆组件OABCD、平行杆组件CDD′C′、平面旋转组件EFF′组成。在平面旋转组件EFF′中，FF′两端分别安装苗夹，FF′可在气缸HI的驱动下绕旋转圆心E的转动进而实现对夹持秧苗的竖向拔起。在曲柄摇杆组件OABC中，摇杆CD通过连杆AB与曲柄OA相连，通过其连续旋转进行往复摆动，平行杆组件CDD′C′中CD与C′D′平行，DD′处于水平状态，可随摇杆CD进行左右摆动，且一直处于水平状态。平面旋转组件EFF′通过旋转圆心E与DD′连接，DD′的往复摆动可带动FF′两端苗夹夹持秧苗从取苗位置运动至投苗位置。

1.2.2推盘机构与苗夹横向位移原理

取投苗过程中，秧盘需配合取投苗机构进行步进式移动，保证取苗位置秧苗供给。考虑到秧盘移动时刻以及利用平行杆组件CDD′C′中CD和C′D′的摆动，设计一套双摇杆组件CKLM，杆件MN通过连杆KL与摇杆CK相连，可随其进行往复摆动，N处安装有推盘钩，通过往复摆动推动秧盘步进式进给。

为避免因叶片交错造成秧苗挂在接苗筒隔断上，需在投苗前进行苗夹间的横向位移，破坏叶片交错，同时增大接苗筒横截面积，让秧苗有更大下落空间。苗夹横向位移过程如图3所示，苗夹在取苗位置整排取出秧苗后运动至投苗位置，此过程中苗夹在横向位移气缸的驱动下发生横向位移，其间隔距离增加，并通过苗夹之间的柔性连接控制最终间隔距离，使其对齐接苗筒中心位置。

图3 苗夹横向位移过程示意图

1.3 运动轨迹要求

考虑机械的连续运转，以及秧苗位置、速度的变化，以气动苗夹夹持点为观察对象，拔苗、运苗以及投苗过程中各机构配合运行所形成的运动轨迹需满足如下要求：①拔苗阶段轨迹：夹持点轨迹近似竖直，水平方向上的位置变化越小，对秧苗茎秆的弯折越小，竖直方向上的高度变化不小于秧盘穴深度。②运苗阶段轨迹：各位置的秧苗从取苗点到达投苗点的移动距离不同，中间小两侧大，同排秧苗应在运苗阶段完成位置偏移，偏移时长越长，偏移速度越慢，偏移过程中对秧苗的晃动越小。③投苗阶段轨迹：由于一侧投苗时另一侧在进行取苗，因此两者轨迹呈中心点对称关系，在气动苗夹松开时刻，秧苗应整体呈竖直状态，其瞬时速度方向及其中心轴线与分批投苗机构中心线重合时最理想。

2 运动学与力学分析

2.1 交替取投苗机构简化模型参数

机构作业过程中苗夹的运动轨迹是三维曲线，其中拔苗和运苗过程是顺利完成取投苗的关键，从竖直平面分析秧苗夹持点的运动，为优化机构参数以及零部件选型提供参考。根据图2所示交替取投苗机构模型，以曲柄OA中O为原点建立坐标系。F和F′为前后两侧苗夹夹持点；杆件HI为拔苗驱动气缸，计算过程中其长度为变量。确定机构运动状态所需变量符号及含意见表1。

表1 机构运动相关参数

2.2 作业过程关键点位移方程

2.2.1后侧秧苗夹持点F竖直平面位移方程

根据图2以及气动苗夹运动原理，简化后得到如图4所示苗夹驱动机构原理图。

图4 苗夹驱动机构原理图

以曲柄摇杆机构OABC和四杆机构HEFI建立封闭矢量方程

lOA+lAB=lOC+lCB

(1)

lHE+lEF=lHI+lIF

(2)

将矢量方程(1)转换为解析形式，得到动点A、B的位移方程

(3)

(4)

对点B位移方程(4)进行移项、平方后，消除α2，得到

2lBC[(xC-xA)cosα3+(yC-yA)sinα3]=0

(5)

连接点A、C，设AC与x轴夹角为β1，则有

(6)

综合方程(4)、(6)，根据余弦定理可得

(7)

因为α3-β1为△ABC的内角，因此有

0<α3-β1<π

(8)

求解β1、α3-β1、α3后，通过式(4)即可求解α2。求得α3后，根据点D、E、G、H之间的位置关系，可依次求得其位移方程

(9)

将矢量方程(2)转换为解析形式，可得

(10)

其中

将方程(10)中已知量简化后移项、平方再相加，消去α7，得到

2lEF[(xE-xI)cosα6+(yE-yI)sinα6]=0

(11)

连接E、I，设连线EI与x轴夹角为β2，则

(12)

综合方程(10)、(12)，根据余弦定理可得

cos(β2-α6)=

(13)

因为β2-α6为△EFI的内角，因此有

0<β2-α6<π

(14)

求解β2、β2-α6、α6后，通过式(10)求解得到α7。

2.2.2后侧推盘驱动点N位移方程

根据图2以及推盘摇杆运动原理，简化后得到如图5所示推盘摇杆驱动机构原理图，该机构可看作是由CKLM组成的一套双摇杆机构，建立矢量方程

图5 推盘摇杆驱动机构原理图

lCK+lKL=lCM+lML

(15)

CKLM双摇杆机构中，主动摇杆CK为曲柄摇杆机构OABC的摇杆BC一部分，因此可得点K位移方程

(16)

将矢量方程(15)转换为解析形式，求解点L位移方程

(17)

将方程(17)进行移项、平方后，消除α9，得到

2lKL[(xK-xM)cosα8+(yK-yM)sinα8]=0

(18)

连接点K、M，设KM与x轴夹角为β3，则有

(19)

综合方程(17)、(19)，根据余弦定理可得

(20)

因为α8-β3为△KML的内角，因此有

0<α8-β3<π

(21)

求解β3、α8-β3、α8后，通过式(17)即可求解α9。由于推盘驱动点N在杆ML延长线上，因此可得点N位移方程

(22)

2.3 拔苗过程力学模型与顶苗机构参数优化

图6a所示为拔苗过程示意图，苗夹在到达取苗位置后通气，夹持秧苗茎秆后在拔苗驱动气缸的作用下向上移动完成拔苗。秧苗被夹持时其茎秆、钵体分别受到苗夹作用力和苗盘的反作用力，取P、P′为研究点，分析取苗过程中秧苗受力关系，如图6b所示。

图6 拔苗过程原理图

分析点P、P′，苗夹对秧苗茎秆分别有夹持力F1和提升力F2、苗夹与秧苗茎秆的摩擦力f2；秧盘对钵体分别有正压力FN、秧盘与钵体粘附力Ni[14，17]、秧盘与钵体之间的摩擦力f1；秧苗还受本身重力GM。为了将秧苗拔起，并保持稳定状态，气动苗夹对秧苗的提升力F2要满足

π(R+r)h(f1cosθ+Nisinθ+

GM-FNsinθ-f2)≤F2

(23)

式中R——秧苗钵体上端截面半径，mm

r——秧苗钵体下端截面半径，mm

h——秧苗钵体高度，mm

θ——秧苗钵体侧边角，(°)

秧苗抗脱拉能力反映秧苗夹取的难易程度，将秧苗竖直方向的合力拟定为抗脱拉力Fq，即

Fq≈π(R+r)h[FN(μ1cosθ-sinθ)+

Nisinθ+GM-μ2[F1]]

(24)

式中μ1——秧盘穴壁与秧苗间摩擦因数

μ2——秧苗茎秆与苗夹间摩擦因数

[F1]——秧苗径向抗压许用力，N

为保证秧苗顺利脱出，苗夹对秧苗提升力F2要满足

Fq≤F2

(25)

为减少取苗过程中取苗驱动气缸负荷，在拔苗驱动气缸作业前设置有顶苗工序，由气缸驱动顶苗杆从秧盘穴底部进入秧盘穴，接触到钵体后继续向上，直至钵体与秧盘穴脱离。顶苗过程中，顶出距离、顶苗杆直径以及顶出速度等对顶出效果有较大影响[18-19]。参考文献[19]中进行的钵体顶出特性试验，在顶苗杆直径8 mm、顶苗气缸驱动气压 0.6 MPa、节流阀开度100%的情况下进行顶出距离优化试验。试验结果表明，当顶苗杆顶出距离为 7 mm 时，95%的秧苗钵体能脱离秧盘穴，顶苗过程用时约0.8 s。

3 苗夹运动轨迹优化与结构设计

苗夹在竖直方向上的运动是其绕拔苗旋转中心轴旋转及其随曲柄摇杆机构往复摆动的复合运动，其运动轨迹受拔苗气缸作用时刻和作用时长以及曲柄摇杆机构中各杆件长度、安装和连接位置影响。根据上文分析结果对部分参数进行取值，通过仿真软件分析各因素对秧苗夹持点运动轨迹的影响，确定优选参数。对关键部件进行结构设计和虚拟装配，得到自动供苗装置。

3.1 取苗驱动气缸选型与部分参数设计分析

分析秧盘弯折半径以及考虑分批落苗装置安装空间需求，两侧取苗点距离dQ取420 mm，则单侧取苗点与投苗点之间距离dQT为210 mm。育苗选用的亚美柯D220P型秧盘穴深dX为35 mm，考虑拔苗过程中机具震动以及夹持点打滑对夹持点竖直方向实际提升高度的影响，要求设计提升高度dT需大于 35 mm，设拔苗过程中杆EF与x轴方向最大夹角为α6max，将以上约束条件整理为

(26)

计算后对结果进行取整，当lEF=107 mm、α6max=11°时可满足要求，此时提升高度dT=40.8 mm。

受交替取投苗机构运行过程中各杆件位置变化的限制，拔苗驱动气缸的运行空间较小，应满足结构紧凑要求。同时应选用带有缓冲功能的气缸作为拔苗驱动气缸，减少气缸到达极限位置时的冲击。星辰气动CDJ2D系列迷你气缸采用气缓冲，符合要求。具体选用CDJ2D10-20-B型气缸，缸径10 mm，行程20 mm，使用压力范围0.06～0.7 MPa，活塞速度0.05～0.75 m/s，收缩状态长度lHImin=107.5 mm，伸出状态长度lHImax=127.5 mm。

初选lDG=173.4 mm，lGH=60 mm，根据苗夹拔苗过程中初始和终止位置，图解法得到lEJ=48.2 mm，lIJ=40 mm。基于实际电机安装情况，初选点C位置为(-234.6 mm,-142.2 mm)，根据2.2节进行计算取整，取lOA=51.5 mm，lAB=234.5 mm，lBC=151 mm，lCD=309 mm，lDE=210 mm，该条件下的交替取投苗机构满足关键点位置要求。

3.2 夹持点运动轨迹影响因素分析

3.2.1运动学仿真模型

对装置虚拟装配后进行运动学仿真，添加驱动马达和驱动函数，得到运动学仿真模型[20]。在模型中改变气缸伸出时刻、气缸伸出速度、取投苗摇杆长度以及驱动曲柄转速，记录秧苗夹持点运动轨迹，将轨迹坐标导入绘图软件进行分析，得到不同因素条件下的运动轨迹叠加图，分析各因素对秧苗夹持点运动轨迹的影响方式。

3.2.2关键因素影响分析

以后侧秧苗夹持点为观察对象，定义以下参数为基准参数：机构取苗速度为100株/(min·行)，对应曲柄转速10 r/min，驱动气缸伸出速度20 mm/s，伸出时刻为驱动摇杆旋转至右极限位置前0.5 s，1 s完成拔苗驱动，取投苗摇杆长度309 mm。此参数下的夹持点运动轨迹如图7所示，该轨迹可分为接近段ab、拔苗段bc、转运段cd以及投苗段da，其中接近段ab和转运段cd为苗夹随曲柄摇杆机构进行的摆动，拔苗段bc和投苗段da为苗夹绕轴转动与曲柄摇杆摆动的复合运动。拔苗段bc在x轴上的投影长度变化即为拔苗过程中苗夹对秧苗茎秆的横向位移，位移越大则对秧苗茎秆的拉扯作用越明显，导致秧苗在拔取过程中发生晃动，易损坏秧苗茎秆；在y轴上的投影长度变化即为拔苗始末位置高度变化，即理论拔苗高度。

图7 基准参数下夹持点运动轨迹及分段区间

图8a为基准参数下，拔苗驱动气缸伸出时刻分别为驱动摇杆旋转至右极限位置前0.25、0.50、0.75 s时的秧苗夹持点运动轨迹。由于拔苗气缸完全伸出时长为1 s，当伸出时刻为驱动摇杆旋转至右极限位置前0.50 s时，拔苗段a、b两点的横坐标重合，夹持点在x轴方向上的累计位移为0 mm，当伸出时刻为前0.25 s时累计位移为负，伸出时刻为前0.75 s时累计位移为正。由此可得出结论：在其他参数一定的情况下，若拔苗驱动气缸伸出时长为t1，当拔苗驱动气缸伸出时刻为驱动摇杆旋转至右极限位置前0.5t1时，拔苗阶段秧苗茎秆横向累计位移为0 mm，将此时刻称为横向位移对称时刻。

图8 关键参数对秧苗夹持点运动轨迹的影响

当拔苗驱动气缸伸出速度vQ分别为13.33、20.00、26.67 mm/s时，对应气缸伸出时长分别为1.50、1.00、0.75 s，根据上文结论，仿真过程中应将拔苗驱动气缸伸出时刻分别改为前0.750、0.500、0.375 s，其他参数为基准值。运动轨迹仿真结果如图8b所示。由图可知，拔苗气缸伸出速度越快，夹持点横向位移距离越短，拔苗过程中秧苗茎秆的横向拉扯程度越小，但秧苗在纵向上脱离秧盘穴的速度也越快，易导致夹持点打滑和秧苗钵体破碎。因此，在保证夹持点稳定和秧苗钵体完整的情况下，拔苗驱动气缸伸出速度越快越好。

图8c为基准参数下，取投苗摇杆长度lCD分别为289、309、329 mm时的秧苗夹持点运动轨迹。从图中可以看出，随着取投苗摇杆长度的增加，夹持点运动轨迹高度增加，且接近段ab和转运段cd的长度增长，但拔苗段bc和投苗段da无明显变化。由此可得出结论，取投苗摇杆长度主要影响夹持点运动轨迹高度位置，其次影响取苗点和投苗点之间距离，在实际取苗过程中可根据秧苗和分批落苗装置之间的位置关系调节取投苗摇杆长度，使得夹持点运动轨迹符合实际要求。

图8d为基准状态下驱动曲柄转速nD分别为10、12、15 r/min时的秧苗夹持点运动轨迹。由图可知，驱动曲柄转速越快，夹持点在拔苗段的横向位移越大，对应秧苗茎秆横向拉扯越明显。因此可得出结论，驱动曲柄转速对夹持点运动轨迹的影响主要在于拔苗段横向位移，在实际取苗过程中虽然转速越快取苗效率越高，但应同步提高取苗气缸伸出速度，以抵消由转速增加带来的夹持点拔苗段横向位移的增加，同时在调节过程中由于拔苗速度和转运速度的加快，应综合考虑夹持点茎秆以及秧苗钵体的抗拉扯能力。

3.3 优选结果

综合上述秧苗夹持点运动轨迹分析过程及结论，在满足交替取投苗机构运动轨迹要求前提下选定参数：根据交替取投苗速度要求，选定驱动曲柄转速10 r/min，对应取投苗速度100株/(min·行)；根据供苗装置整机安装实际布局限制，选定取投苗摇杆长度309 mm，此时摇杆固定端与秧盘输送装置平齐，便于布置；根据取苗速率和拔苗过程中夹持点的横向位移，设定驱动气缸伸出速度25 mm/s，0.8 s内完成拔苗；根据上文分析结果中的横向位移对称时刻，将伸出时刻设定为驱动摇杆旋转至右极限位置前0.4 s。该参数组合下夹持点运动轨迹如图9所示。

图9 优选参数下夹持点运动轨迹及气缸执行时刻

测得秧苗茎秆在拔苗段的最大横向位移为 9.6 mm，累计横向位移为0 mm，理论提升高度为 44 mm。在各气缸动作时刻方面，将苗夹通气夹持时刻设定在b，断气松夹时刻设定在e，该位置下瞬时速度方向接近竖直；苗夹横向位移气缸在夹苗状态下的伸出通气时刻设定在f，到达g位置时完成横向扩张位移，空载状态下的收缩通气时刻设定在h，到达i位置时完成横向收拢移动，以达到1.3节所提出的交替取投苗机构运动轨迹要求。

3.4 结构设计

自动供苗装置如图10所示，其主要由两侧秧盘输送机构、交替自动取投苗机构、分批落苗机构以及安装机架等组成。两侧秧苗输送机构负责秧盘供给，限定秧盘沿既定滑槽路线移动，按预设移栽机前进方向分为前侧和后侧，其中后侧安装有电机等驱动装置。分批落苗机构位于装置正中间位置，接住交替取投苗机构投放的整排秧苗后，以相同时间间隔将其落入下方植苗沟槽或栽植装置中，具体原理可参考图1b。

图10 自动供苗装置结构示意图

交替自动取投苗机构参照图1进行设计。气动苗夹总成是该装置的关键部件，需要在作业过程中进行秧苗夹取与投放、横向位移破坏秧苗交错，同时其通过拔苗旋转中心轴安装在水平连杆上，可通过拔苗气缸的伸缩实现转动拔苗。为提高秧苗夹持稳定性，减少夹持过程中苗夹对秧苗茎秆的损伤[21]，基于EPSMC-MINI-E型气动机械手对其进行设计，如图11所示。该总成气动机械手通过辅助夹持块对秧苗茎秆进行夹持，辅助夹持块上粘贴有柔性夹持材料，用于增加与秧苗茎秆之间的摩擦力，减少夹持损伤。机械手通过安装板安装在直线导轨滑块上，且整排气动苗夹之间通过棉线互相连接，可在横向位移气缸的牵引下沿直线导轨移动。

图11 气动苗夹总成结构示意图

4 样机取投苗性能试验

4.1 样机研制与育苗

样机如图12所示，外形尺寸(长×宽×高，不含空气压缩机和电器控制元件安装板)989 mm×429 mm×450 mm，使用24 V直流电源驱动电机、空气压缩机以及气动控制系统工作。

图12 自动供苗装置样机

气动元件驱动系统如图13所示，图中AS为气源，RV为减压阀，EV为电磁阀，TV为节流阀，LMJ为前侧苗夹，LD为前侧顶苗气缸，LH为前侧横向位移气缸，RMJ为后侧苗夹，RD为后侧顶苗气缸，RH为后侧横向位移气缸，BM为拔苗驱动气缸。气源输出的高压空气由气动调压阀调控后输送至各处气动元件。气动苗夹均由两位三通阀控制，苗夹夹持力大小由气动减压阀调节气压控制。气缸均由二位五通电磁阀控制，运行速度通过节流阀进行调节，调节后气缸运行平稳，行程末端无冲击现象。

图13 气动元件连接图

试验用兴蔬215辣椒秧苗在湖南农业大学周边大棚进行培育，育苗时间2022年6月5日至7月20日，苗龄45 d。育苗基质采用袋装营养土，主要成分为椰糠、泥炭、珍珠岩。随机取40株秧苗进行物料学特性试验，测得秧苗平均高度(不包含钵体)104.3 mm，平均最大叶展幅度82.8 mm，平均质量9.3 g。

4.2 试验方案与评价指标

参考JB/T 10291—2013《旱地栽植机械》，高速移栽机栽植频率大于或等于90株/(min·行)，结合实际栽植需求，分别选取70、80、90、100、110、120株/(min·行)为目标栽植频率T，分组进行取投苗性能试验，单次试验从两边各取1行秧苗，共计20株，每组进行3次。通过调整电机转速来改变取投苗速率，转速测量仪器为TA8146A型非接触式光电转速计，最低测量转速2.5 r/min，分辨率0.1 r/min。试验过程如图14所示。

图14 交替取投苗机构取投苗试验

试验选取取苗成功率Y1、投苗成功率Y2、总体成功率Y3为取投苗性能评价指标。取苗成功率用于衡量机构取苗性能，投苗成功率用于衡量机构对已成功夹取秧苗的投苗作业性能，总体成功率则用于衡量机构取投苗作业性能。取苗、投苗分开计算的目的是后期判断栽植频率对各作业阶段的影响。

Y1=n2/n1×100%

(27)

Y2=n3/n2×100%

(28)

Y3=n3/n1×100%

(29)

式中n1——单组试验用钵苗总数，株

n2——取苗成功株数，株

n3——投苗成功株数，株

4.3 试验结果与分析

取投苗性能试验结果如表2所示。

表2 取投苗试验结果

试验结果表明：

(1)在T≤100株/(min·行)情况下取苗效果稳定，基质损失较小，失败的主要原因是秧苗茎秆偏离秧盘穴中心位置较大，脱离苗爪捕捉范围。T>100株/(min·行)时取苗成功率开始下降，失败的主要原因是受机构急回特性影响机架变形，苗夹与取苗位置发生偏移。

(2)在T≤110株/(min·行)情况下投苗效果稳定，失败的主要原因是秧苗下落过程中叶片被苗夹卡住。T>110株/(min·行)时投苗成功率开始下降，该阶段投苗失败的主要原因是取苗过程中夹持效果较差，移动过程中秧苗提前掉落。

(3)T≤100株/(min·行)情况下总体成功率大于85%，处于可靠工作状态，T>100株/(min·行)后总体成功率明显下降，该取投苗方案不再可靠。

5 结论

(1)基于顶出-夹取结合式取苗方式，设计了一种基于可弯曲秧盘的交替取投苗机构，分析了工作原理，建立了关键点运动学模型和取苗过程力学模型。

(2)对样机进行了设计和虚拟装配，分析了机构结构参数和作业参数对夹持点运动轨迹的影响，确定了关键参数取值：驱动曲柄转速10 r/min，取投苗摇杆长度为309 mm，拔苗驱动气缸运行速度 25 mm/s，0.8 s完成拔苗，伸出时刻为提前0.4 s。该参数组合下秧苗夹持点在拔苗段最大横向位移为9.6 mm，累计横向位移为0 mm，理论提升高度为 44 mm，满足取投苗作业理论要求。

(3)设计了气动系统并研制了样机。开展了多取苗频率下的取投苗性能试验，试验结果表明，该取投苗机构在取苗效率100株/(min·行)时可达到取苗成功率93%，投苗成功率95%，总体成功率88%，验证了方案可行性。