劣质钵苗气吸式剔除装置参数优化及试验验证

王小琴 ，俞高红 ,3，刘霓红 ，童俊华 ,3※，商凯源

（1. 浙江理工大学机械工程学院，杭州 310018；2. 广东省现代农业装备研究所，广州 510630；3. 浙江省种植装备技术重点实验室，杭州 310018）

0 引言

温室穴盘育苗可以提高幼苗成活率、增加农产品种植收益[1-3]。中国约有60%的温室大棚蔬菜采用穴盘育苗方式[4-6]。然而，在育苗时经常会发现有5%～20 %的穴孔存在未发芽、漏播和幼苗发育不良的情况[7-9]。为保证穴盘苗出厂时幼苗穴孔健康状况的一致性，避免后期机械化移栽到大田或移植到培养皿时出现空栽、漏栽、栽不活的现象，需要对劣苗穴孔进行剔除并及时补充健康钵苗。

当前国内温室劣质钵苗的剔除作业主要依靠人工作业，存在劳动强度大、效率低的问题。也有部分研究采用钢针抓取的方式将劣质钵苗剔除，然后补充健康幼苗，其主要思路为：先利用相机获取穴盘图像，对图像进行预处理得到二值化前景与背景图像，再利用幼苗面积与指定阈值作对比判断得出幼苗健康状况，同时获取不健康幼苗所在坐标，最后利用四指或其他数量钢针对该穴孔基质块进行剔除，并从供苗穴盘中抓取健康幼苗对该穴孔进行及时补充[10-13]。

国内外学者针对劣质钵苗基质剔除工作的开展以机械式夹爪设计剔除为主。TONG 等[14-16]基于机器视觉方法，通过计算各穴孔内叶片面积来实现对钵苗健康信息的判别与定位，并利用双气缸驱动的插入夹取式末端执行器进行劣质钵苗的剔除和健康钵苗的补充。XIAO 等[17-20]通过图像搜索出叶片位置区域，然后连接最远点和中心找到叶片方向，为基质机械式抓取剔除末端的位姿调整提供依据。黎波等[21-24]针对苗叶遮挡导致幼苗损伤等因素提出一种基于射流气管吹叶剔补苗方法，利用气流扰动方式将健康苗叶向两侧吹动，扩大末端执行器作业空间，在射流气管射流孔数为8，射流孔直径1.2 mm 条件下，射流气管压力为0.28 MPa 时，初始叶片遮挡率59.4%的红掌幼苗剔补成功率可达 92%。西北农林科技大学崔永杰等[25]针对缺苗穴孔内钵体松散易碎导致基质剔净率低的问题，设计了一种气吸式基质剔除装置，基于负压吸附的方式完成缺苗穴孔基质剔除任务。并利用DEMCFD 耦合仿真方法对比分析了9 种气吸端口结构对基质剔除性能的影响，在气压0.5 MPa、基质含水率50%～55%、气吸时间3 s、有硅胶垫时为最佳参数组合，可实现90%以上基质剔除，整机作业效率57 s/盘。

PEI 等[26]采用机器视觉来定位劣苗坐标，并将末端执行器设计成柔性机构进行相关剔补试验。LI 等[27]综合考虑苗龄和苗叶生长趋势对穴盘苗进行分类，提高了劣质钵苗判别精度，为剔补末端的精准定位奠定了基础。YANG 等[28]基于无学习和无模型的三维点云进行健康判别，并在此基础上进行剔补苗作业，极大地提高了作业效率。XIN 等[29]提出一种基于ResNet18 的叶菜幼苗健康判别方法，通过迁移学习的方式获得幼苗健康状况并进行相关剔补作业。荷兰 Visser 公司研发出基于双末端执行器的剔补苗移栽装备，一个机械手末端负责剔除劣势钵苗，另一个机械手负责及时补苗。荷兰 Flier Systems 公司研发出一款小型剔苗机，逐行通过气力方式将穴盘中不合格基质连同劣苗一起吹出，最后，在整个穴盘外侧套一个遮罩进行吸附，这种方式虽然在一定程度上也实现了对劣苗基质的去除，但难免会对其他健康幼苗造成一定影响。

以上装备在应用到实际生产中常存在以下问题：1）侧重于机械夹爪直插式去除基质，依靠刚性末端插入劣质钵苗来实现基质瞬间夹紧剔除，这种形式极易造成基质松散遗落现象；2）虽有部分机械尝试使用气吸式剔除劣质钵苗，但大都依靠设计者经验确定相关试验装备，对基质剔除性能与吸管结构尺寸等物理参数之间的量化关系研究较少，导致剔除作业机理不清，所研制的剔除装备难以达到理想剔净效果。

为此，本研究基于机器视觉等定位技术在已知劣质钵苗穴孔位置坐标前提下，针对相关基质块的去除设计了一种气吸式剔除装置。因基质块具有由颗粒黏附，碰撞作用下松散易碎的特点，研究采用负压吸附的方式实现基质剔除。为了提高基质剔净率，增强负压吸附去除劣质钵苗的可靠性，在单因素试验初步筛选前提下进行四因素三水平响应面分析，分析吸管末端形状、吸管端口尺寸、吸管末端离穴孔上端口距离和吸管长度4 个因素对基质剔净率的影响，以期为负压吸附式末端执行器的设计和后续劣质钵苗剔补移栽装备的研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验所选钵苗为醉蝶花，种植于外围尺寸为 540 mm ×280 mm 的200 孔穴盘内，劣质钵苗主视图如图1 所示，育苗基质采用加拿大“Fafard”牌育苗基质，主要成分为泥炭、蛭石和园艺用珍珠岩，按照配比（体积比 6:3:1）混合；本文试验的穴盘苗在杭州市萧苗农业有限公司进行温室育种，定时定量浇水，尽量保证各穴孔苗坨含水率相同且不低于 60%。在第25 天幼苗长出 3～4 片叶时整盘搬回实验室测试，整盘出苗率为92%，健康率为86%（除去2 片叶及以下幼苗以及未发芽、漏播等穴孔之外，剩余幼苗均视为健康苗）。

图1 劣质钵苗穴孔Fig.1 Poor quality bowl seedling hole

试验设备采用永康市卫尚居商贸有限公司生产的小型商用负压发生机构提供所需吸力，功率2 000 W，最大负压22 kPa，容量为35 L，含无级调速功能；在该平台上加装移位升降滑台，可实现X方向280 mm、Z方向45 mm 行程调节；吸管末端采用3D 打印机一次成型，端口固定于型材架中心距离穴盘正上方160 mm 处，滑台固定板采用悬臂方式安装，如图2 所示。穴盘下端放有电子称量天平，量程10 kg，测量误差0.1 g。

图2 气吸式基质剔除试验平台Fig.2 Air suction matrix removal test platform

1.2 基质负压式剔除原理

当前基质负压吸附式剔除的研究尚处于探索阶段，相关可借鉴的成果较少，因此暂时以现有负压发生机构为基础，研究利用高压气流剔除黏性基质的可行性及相关参数。

基质吸附的基本原理是：利用电机通电后高速运转，使基质收集腔内部形成局部真空状态，当内部气压远低于外界气压时，在气压差作用下，缺苗穴孔内基质在负压剪切力和拖曳力的作用下破碎吸起，最后，通过过滤装置将基质留在收集腔内，净化后的空气则重新排放到室外，如图3 所示。

图3 基质吸附装置结构示意Fig.3 Structure diagram of matrix adsorption device

1.3 基质负压式剔除装备设计

基质负压式剔除末端的形状、尺寸、末端离基质表面垂直距离以及吸管长度等因素的示意图如图4 所示，这些因素的变化将会引起吸管气流的流速、吸附压力、气流流量的变化，进而影响基质剔净效率。

图4 不同末端形状及尺寸示意图Fig.4 Schematic diagram of different end shapes and sizes

1.3.1 气吸端口形状

吸管在对准穴孔进行黏性基质吸附时，吸管形状（下称“管型”）的不同将影响负压的流动状态及负压大小。圆孔设计将有利于颗粒基质在负压作用下沿管壁四周向内移动，基质块受力均匀；扁孔设计更容易将流体负压聚拢；方孔设计采用仿穴孔形式，将基质充分包络，增大了负压能力；三种端口设计形式各有优劣，需要单独测试，在同等情况下寻找最佳末端设计形式，从而降低吸附功率。

1.3.2 气吸端口尺寸

吸管端口尺寸（下称“管径”）的不同将影响管内气体流量和真空压力的大小，进而影响基质的抽吸与输送。受基质颗粒间黏附性影响，在吸附时基质颗粒会以团聚的形式出现，软管直径过小会造成吸管堵塞。因此，其设计应满足

由实际测量可知，l1为10 mm，l2为23 mm，l3为30 mm，根据穴孔上端口尺寸限制及加上加工工艺影响，以及减少试验误差，将三种吸管另一端设计为同一种型号，即外径d1、d2、d3均为24 mm，厚度1 mm，与软管内径过盈配合以避免气流损失。基于空间限制，为避免吸管端口直径过大在吸附时对相邻幼苗造成影响，吸管另一端尺寸应介于相邻两穴孔最大空间之内，即：

由实际测量可知，为保证吸孔末端可以最大程度包络基质块实现劣质钵苗的高效剔除，取D1、D2、D3最大为30 mm，壁厚1 mm；在此基础上，与尺寸等差减小的数组末端进行对比试验，得出较优端口尺寸。

1.3.3 吸管末端离穴孔上端口距离

吸管末端距离穴孔上侧的距离（下称“管距”）大小将直接影响吸管末端所成负压状态对基质的吸附效率。当距离为0 时，吸管末端与劣质钵苗穴孔中心之间为点对点贴合吸附形式，此时，形成局部真空环境，基质吸力此时达到最大，但是，在吸附基质完成，吸管移动到下一待吸附穴孔过程中，极易因贴合过度而造成苗盘整体移动的现象发生（下称“带盘现象”），为其余穴孔的定位以及精准吸附造成困难。因此，需要确定合适的距离，以保证高剔净率的同时不会发生带盘现象。

1.3.4 吸管长度

负压发生机构软管长度（下称“管长”）的变化也会造成负压大小的改变。吸附软管过短，会造成机构设计时因安装的局限性而导致一些设计需求无法满足；而软管过长时也会造成负压损失，在管道内运动的气流需要克服与管道之间的摩擦力，进而造成因出口负压不够部分基质无法吸附或吸到一半后停留在软管中现象。为此，需要在满足设计需求前提下找到最佳吸管长度。

2 试验与分析

2.1 单因素试验设计

通过多次试验测试发现，在同等负压前提下，管型和管径的改变，会导致吸管对基质的包络程度变化，进而影响负压大小；管距主要通过改变吸力损失状态进而改变对基质的吸附程度；管长则主要通过改变基质及负压气体在管内壁碰撞摩擦的大小进而影响基质的吸附率；这些因素都是造成基质剔除不同程度改变的重要因素，需要单独分析。

利用称量法统计剔除前后基质剔净率T(%)。试验中为防止带基质及健康苗的软穴盘初始状态因满载过重而导致电子天平各点受力不均，采用加装托板的方式减少测量误差。

式中T为黏性基质剔除前后剔净率，%；m1为剔除前穴盘和托板及基质总质量，g；m2为剔除后穴盘及托板及基质总质量，g；m3为基质全部剔除后空穴盘质量，g；m4为穴盘托板质量，g。

由于在基质充分吸附剔除前提下管型的变化设计有限，故而不对其进行优选；基于设计及实际需求，初步筛选管型为圆管（易于加工）、管径（10、18、26 和32 mm）、管距（0、4、8 和12 mm）和管长（1 000、2 000、3 000和4 000 mm）为初选值进行单因素试验。先选取管型为圆管、管距为8 mm、吸管长度为2 000 mm，比较4 种不同管径对基质剔净率的影响；维持管型为圆管及优选后的管径，选取管长为3 000 mm，比较4 种管距对基质剔净率的影响；维持管型为圆管及优选后的管径和管距，比较4 种不同吸管长度对基质剔净率的影响。

2.2 多因素响应面分析试验设计

单因素试验中已经对管径、管距、管长及进行了初步筛选，未得到相关参数最优组合，需要对上述3 个因素初选值及管型进行响应面分析试验。以200 孔育苗穴孔为例，针对单因素优选结果上下等值范围设计响应面分析试验。统计并分析得出基质剔净率最高条件下相关参数组合。

3 试验结果与分析

3.1 单因素试验结果

单因素试验结果统计如图5 所示。由图5a 可知管径为10 mm 时对基质的吸附效果显著下降，其余三种管径对整体吸附效果差异性较小，但仍然可以发现当管径为32 mm 时会因为管径过大而导致初始吸附阶段将侧叶吸入管壁，进而导致基质剔除率降低。管径为18 mm 时会因为管口对基质包络性不如26 mm 而导致吸附效果略有下降。因此，初步筛选管径26 mm 为较优值。

图5 单因素试验结果Fig.5 Single factor test results

由图5b 可知管距的选择对于基质剔除效果有重要影响，管距越小基质剔除效果越好，当管距为 0 时的点对点贴合吸附可以将基质快速干净剔除，但是此时带盘现象非常严重，当管距为12 mm 时由于距离太远导致过多吸力向空气中弥散进而导致基质剔除效率急剧下降。因此，在排除 0 和12 mm 后，优选4～8 mm 中间值6 mm作为优选值进行下一步试验。

由图5c 可知管长的变化对基质剔除效率整体影响不大，在1 000 mm 和2 000 mm 之间差异不明显，2 000到3 000 mm 时基质剔除效率会有轻微下降，因此，优选2 000 mm 为临界值进行深入研究。

3.2 多因素响应面试验结果与分析

以管型、管径、管距、管长4 个影响因素为自变量，依据单因素试验所得变量初选值为基础，基质吸附率为评价指标，进行响应面分析试验，各因素水平编码如表1所示。

表1 试验因素水平Table 1 Test factor level mm

通过多次试验得出相关响应面试验结果如表2 所示。

表2 响应面试验结果Table 2 Response surface test results

由表2 数据样本，通过Design-Expert13.0 软件分析得到基质剔净率T的二次多项式回归模型为

由表3 可知模型失拟项的P＞0.05，说明模型失拟性不显著，本回归模型拟合度较高。由表3 中P值的大小可知对基质剔净率影响的显著性排序首先为管型和管距，其次为管径，最后为管长，除管长外其余三个因素对于基质剔净率的影响均极为显著。模型决定系数与校正决定系数分别为：0.994 2 和0.988 4，二者均接近于1，变异系数与精密度分别为：1.0%和 49.442 7，说明该基质剔净率回归模型的拟合具有较高可靠性。

表3 方差分析Table 3 Analysis of variance

使用响应面分析软件得到各因素交互作用下对基质剔净率的影响，结果如图6 所示。由表3 中基质剔净率有效回归模型中的P＜0.05，表明该回归模型中管径和管长的交互作用显著；由 图6 可以看出当固定管长为1 000 mm 时，基质剔净率随管径的增大而先增大后减小，增大与减小趋势相似；当固定管长为3 000 mm 时，基质剔净率随管径的增大呈先增大后减小，增大趋势略弱于减小趋势。当固定管径为23 mm 时，基质剔净率随管长的增加整体变化不大；当固定管径为29 mm 时，基质剔净率随管长的增大而呈下降趋势。这表明管长与管径交互作用会对基质的剔净率有一定影响，虽然由表3 可知管型、管径、管距对基质剔净率的影响为极显著，管长的变化对基质剔净率不显著，但是也不可忽略管长变化所造成的影响。

图6 交互响应曲面Fig.6 Interactive response surface

3.3 优化参数试验验证

由Design-Expert13.0 软件分析得出，当基质剔净率最高为期望值时，最佳参数组合为：方管、管径25.50 mm、管距2.61 mm 以及管长为1 281.89 mm，此时基质剔净率为95.89% 。为了满足实际设计需求，将参数取整，则优化后的最终参数组合为：方管、管径26 mm、管距3 mm和管长1000 mm 。在负压为22 kPa 下，将单因素试验筛选所得管径26 mm、管距6 mm、管长2 000 mm，以及管型为圆管作为优化前参数，对比分析优化前后基质剔净率，结果如下表4 所示。可以看出优化后的试验效果相较优化前有了整体提高，优化后的基质剔净率平均保持在95%左右，优化效果平均提高2.94%。

表4 优化参数验证试验Table 4 Optimization parameter validation experiment

4 结论

本研究针对温室劣质钵苗的干净去除设计出一种气吸式剔除装置。由响应面分析试验可知，一定负压下，对基质剔净率影响的显著性排序首先为管型和管距，其次为管径，最后为管长，除管长外其余三个因素对于基质剔净率的影响均极为显著。最佳设计参数组合为：方管、管径26 mm、管距3 mm 及管长1 000 mm；此组合下，负压22 kPa 时，基质剔净率可达95%，相比优化前整体剔净率平均提高2.94%。