移栽作业是设施农业育苗后期必不可少的环节, 随着工厂化穴盘育苗技术的推广, 传统的手工移栽作业已无法满足生产的需求, 迫切需要发展设施内的自动化机械移栽技术^[1-3].1987年, Kutz等^[1]设计了一种用于稀植移栽的机器人.此后, 有关温室自动化移栽设备的研究不断深入, 逐步摆脱对工业机器人的依赖, 拥有了独立的机电系统, 自动化程度也越来越高^[4-6].近年来, 由于生产需要, 国内学者陆续开始研发穴盘苗自动化移栽设备^[7], 主要集中在视觉检测系统的搭建^[8-9], 控制系统的开发^[10]以及末端执行器的设计^[11].末端执行器的设计一直是机械移栽设备的关键.钵苗通常脆弱易损, 而末端执行器是直接作用于钵苗的部件, 因此移栽系统的效率很大程度上取决于末端执行器的优劣.

目前已经存在许多有效的末端执行器^[12-16].这些末端执行器一般根据指针形状、指针数量以及驱动设备的不同进行分类.根据末端执行器指针取苗时的动作分类, 现有的末端执行器大体可以分为夹取式^[14]和插拔式^[15].夹取式末端执行器的指针是裸露的.取苗时, 指针在插入育苗基质之后向中间夹紧钵苗；释放钵苗时, 指针向周围松开, 钵苗靠自重分离.插拔式末端执行器带有针管, 指针缩在针管内.取苗时, 当针管下端接触钵苗基质上表面时, 指针以固定的角度伸出插入基质中；释放钵苗时, 指针缩回针管内, 通过指针与针管之间的相对运动将钵苗推出, 实现分离.夹取式末端执行器凭借夹紧动作, 可以牢牢抓住钵苗, 在取苗和持苗阶段的性能表现较好.在钵苗释放过程中, 由于基质湿黏和根系缠绕等原因, 钵苗可能会粘连在指针上, 无法靠自身重力成功脱离末端执行器.插拔式末端执行器凭借指针与针管之间的相对运动, 可以有效地释放钵苗, 但是在取苗和持苗阶段的表现不理想.可见, 夹取式和插拔式这两类末端执行器的优缺点是互补的.由于各类末端执行器自身的缺陷以及育苗农艺的不规范, 目前移栽机械的移栽成功率大多低于90%, 很难保证基质块的完整性, 而且基质的损失较多^[17].

为了解决上述问题, 童俊华等^[18]结合夹取式和插拔式末端执行器的优点, 设计了一种双气缸驱动的插入夹取式末端执行器.采用2个气缸分别控制插入和夹取动作分段执行, 对中等以上长势的钵苗移栽成功率达到100%.但由于2个气缸分时分段执行动作, 该末端执行器的作业速率有所下降.

为提高插拔夹取式末端执行器的作业速率, 本文设计一种单气缸驱动的插拔夹取式末端执行器^[19], 在气缸的一个推程内连续完成插入和夹取2个动作.基于Visual Basic平台优化末端执行器的关键尺寸参数, 并通过ADAMS2012进行运动学仿真, 验证尺寸参数.通过三因素三水平的全试验测试样机的有效性及其在不同育苗基质条件下的适应性.

基于结构简单、价格低廉、适应性广和伤苗率低等末端执行器的设计理念, 所设计的单气缸驱动的插拔夹取式末端执行器如图 1所示.4个对称倾斜的指针由一个双动作气缸驱动, 在对应的针管内滑动.指针插入基质的深度和指针的倾斜角度可以根据穴孔的尺寸调节.通过第二、第三螺母可以调节上十字板与螺纹推杆的相对位置, 从而调整指针的插入深度.通过旋转第一螺母, 可以改变中十字板和下十字板之间的相对距离, 带动转动件绕下十字板上的安装孔中心旋转, 调节指针的倾斜角度.

图 1

1-上安装板；2-安装支架；3-滑套；4-滑块；5-滑轨；6-上十字板；7-销轴；8-下安装板；9-螺栓；10-弹簧；11-第一螺母；12-下十字板；13-中十字板；14-短销；15-转动件；16-针管；17-苗针；18-螺纹推杆；19-第二螺母；20-第三螺母；21-气缸 图 1 穴盘苗自动移栽机末端执行器结构示意图 Fig. 1 Structure of end-effector on automatic plug seedling transplanter

所设计的单气缸驱动的插拔夹取式末端执行器的工作原理如下：移栽作业开始, 末端执行器整体向下运动, 指针的针头缩在针管内, 当针管下端接触钵苗基质的上表面, 控制系统发出电信号, 打开气路开关, 气缸杆向下推出, 带动上十字板向下, 苗针插入育苗基质.当螺纹推杆下端碰撞到螺栓头之后, 推动螺栓以及螺栓头下方的中十字板继续向下运动, 销钉沿转动件上的滑槽向下运动, 从而推动转动件绕下十字板上的安装孔中心向外旋转, 苗针在继续向下插入基质的同时, 下部向内夹紧钵苗；接着末端执行器整体上升, 提升钵苗到一定高度并进行转移；到达指定位置上方后, 末端执行器下降并将钵苗释放到穴孔中；释放钵苗时, 反向的气路接通, 气缸杆缩回, 带动上十字板向上运动, 苗针开始缩回针管内, 中十字板以及螺栓由于弹簧力作用也开始向上运动, 销钉沿转动件上的滑槽向上运动, 从而推动转动件绕下十字板上的安装孔中心向内旋转, 苗针在缩回针管内的同时, 下部向外松开钵苗；由于苗针和针管之间的相对运动, 钵苗被推入穴孔内, 不会发生粘连.在气缸的一个推程内, 末端执行器实现插入和夹紧2个动作, 在不增加作业时间的前提下, 很好地综合了插入式和夹取式末端执行器的特征.

为确定末端执行器的关键结构尺寸参数, 需要结合实际作业要求对其指针尖点的运动轨迹进行分析.钵苗的根系对育苗基质有固结作用, 会在一定程度上增加基质块的强度.基质块下部的根系通常比上部的发达, 因而基质块下部的强度也比上部的强度大^[20].末端执行器从下部夹紧钵苗可以降低基质块破裂的可能性, 减小对钵苗的损伤.末端执行器的指针之间夹持更多的育苗基质同样可以有效防止提升过程中基质块的破裂.因此, 一个好的末端执行器指针尖点运动轨迹应该尽量沿着穴孔的内壁插入育苗基质, 在基质下部开始向内夹紧钵苗.夹紧程度取决于基质块的物理性质, 一般不宜过大或者过小.夹紧程度过大会破坏基质块的完整；过小则达不到夹紧的目的, 无法提高取苗和转移过程中的稳定性.在不破坏基质块的前提下, 夹紧程度越大越好.为了防止指针刺穿穴孔内壁或者底部, 尖点轨迹与穴孔内壁和底部需要保持一定安全距离.

综上所述, 较优的指针尖点轨迹应满足如下要求：1) 尽量沿穴孔内壁插入育苗基质；2) 在基质下部开始向内夹紧；3) 夹紧程度适中；4) 与穴孔内壁和底部保持一定安全距离.

如图 1所示的末端执行器在结构上对称, 4个指针在运动学上完全一致, 取如图 2所示的对角线方向上的2个指针进行指针尖点的运动轨迹分析.其中, α₁(α₂)为初始插入角度, 点P₁(P₂)、M₁(M₂)、N₁(N₂)均为滑块铰接, 即可沿轴滑动, 也可以转动.图 2中点划线边框代表穴孔(对角线方向上), 虚线部分为气缸杆HO向下推行过程中点Q₁和Q₂的运动轨迹(点Q₁和Q₂的的轨迹中心对称, 以点Q₁为例进行说明).以点O为原点建立直角坐标系, 由几何关系可得

图 2

图 2 对角线方向上2个指针的机构简图 Fig. 2 Kinematic sketch of two needles in diagonaldirection

根据式(1) 和(2), 得出针尖点Q₁的表达式：

根据如图 2所示的机构运动简图可知, 影响点Q₁轨迹的参数主要有6个, 即BM₁、CN₁、P₁Q₁、OA、AB和BC的长度.一旦末端执行器加工完成, 前3个(BM₁、CN₁、P₁Q₁)就无法改变, 后3个参数(OA、AB和BC)通过螺母在一定范围内可调, 以适应不同规格的穴盘.

BM₁、CN₁、P₁Q₁、OA、AB和BC这6个尺寸的优化是一个强耦合、模糊的非线性问题, 人工计算优化难度较大^[21].为此, 基于Visual Basic平台开发一款人机交互式末端执行器的关键尺寸参数综合优化软件, 程序界面如图 3所示.根据国内常用穴盘规格和移栽作业平台的空间布局, 确定各个参数的大致范围区间, BM₁(5 mm, 50 mm), CN₁(5 mm, 50 mm), P₁Q₁(100 mm, 500 mm), OA(10 mm, 450 mm), AB(10 mm, 40 mm), BC(10 mm, 450 mm).修改界面对话框中相应参数的值, 指针尖点的运动轨迹会随之改变.由于尖点运动轨迹的优劣没有定量的评判标准, 根据上述4条要求, 可借助专家经验进行评价, 并记录较优尖点轨迹对应的尺寸参数.

图 3

图 3 可视化VB参数优化程序界面 Fig. 3 Interface of VB visualization Program

国内常用的2种育苗穴盘为72(12×6) 孔和128(16×8) 孔, 不同厂家生产的这2种穴盘的穴孔在尺寸和形状上存在微小差异.本研究所采用的穴盘都由台州隆基塑业有限公司提供.Q72(12×6) 穴盘中穴孔的实际尺寸参数如下：e=26.87 mm, f=14.14 mm, h₄= 44.00 mm.Q128(16×8) 穴盘中穴孔的实际尺寸参数如下：e=20.51 mm, f=9.90 mm, h₄= 42.00 mm.其中, e为穴孔上平面对角线长度的一半, f为穴孔底平面对角线长度的一半, h₄为穴孔的高度.

根据Q72(12×6) 穴盘来进行末端执行器尺寸参数优化, 反复修改相关参数的值, 根据1.2节所述的4点要求进行评价, 得到一条较优的指针尖点轨迹, 其对应的结构尺寸参数如下：BM₁=26.00 mm, CN₁=24.00 mm, P₁Q₁=204.00 mm, OA=30.00 mm, AB=30.00 mm, BC=30.00 mm.固定该组6个参数中的前3个零部件结构尺寸, 重新选择Q128(16×8) 穴盘对该组参数的后3个可调安装尺寸重新进行优化.同样地, 依据第1.2节所述的4点要求, 对后3个参数值进行多次专家比对, 再次得到一条较优的指针尖点轨迹, 其对应的结构尺寸参数如下：BM₁=26.00 mm, CN₁=24.00 mm, P₁Q₁=204.00 mm, OA=30.00 mm, AB=36.00 mm, BC=24.00 mm.

根据这2组参数, 为使末端执行器能很好地适应不同厂家生产的72(12×6) 孔和128(16×8) 孔穴盘, 可调节参数范围必须包含上述2组参数, 且有一定的调节余量, 因此设置末端执行器的3个可调节参数OA、AB、BC的范围分别为28.00~32.00 mm、28.00~38.00和22.00~32.00 mm.

根据第1.3节得到的关键尺寸参数值及末端执行器的实际结构, 计算对应零部件的尺寸, 其余尺寸本着结构紧凑, 足够强度的原则, 采用加工制造中的常用尺寸.在UG 7.5中建立三维模型, 将模型导入ADAMS2012中, 添加运动副约束进行运动学分析, 记录尖点的运动轨迹, 结果如图 4(a)所示.运动仿真得到的末端执行器指针尖点轨迹与VB程序中得到的轨迹一致, 验证了三维模型的结构尺寸.根据三维模型的结构尺寸, 加工末端执行器样机, 如图 4(b)所示.

图 4

图 4 末端执行器运动学仿真分析及样机 Fig. 4 Kinematics simulation and photo of end-effector

基质体积配比、育苗基质含水率和单孔内的基质量(密度)是影响钵苗基质块强度的3个主要育苗农艺因素^[22].目前, 国内穴盘育苗不够规范, 对这些因素缺乏统一的规范和标准.为了验证末端执行器的有效性及其在不同育苗基质条件下的广泛适应性, 对上述3个因素进行三水平的组合试验, 各因素和水平见表 1.表中, V为基质体积配比, w为育苗基质含水率, m为单孔内的基质量.配置3种不同体积比的育苗基质, 其中泥炭、蛭石、珍珠岩的比例分别为6:3:1^[11], 6:2:2^[23]和7:2:1^[24], 均为常用的育苗基质配比.将1个穴盘等分为3块区域, 通过控制浇水(各区域最后一次浇透水的时间分别为试验当天, 试验前2 d, 试验前前4 d)得到3个梯度的育苗基质相对含水率, 试验后通过烘干法测算得到实际含水率平均值分别为82.48%、80.26%和78.52%.分别将504、612和720 g基质均匀地撒在穴盘内并压实, 得到每个梯度的穴孔平均基质量为7.0、8.5和10.00 g.各条件下育苗基质的水势(＞-10 kPa)^[25]和孔隙度(＞85%)^[26]均符合育苗的园艺要求.

表 1

表 1 试验中育苗农艺参数及其水平 Table 1 Seedling agronomic factors and levels in experiment 因素 V w/% m/g 水平一 6:3:1 78 7.0 水平二 6:2:2 80 8.5 水平三 7:2:1 82 10.0

表 1 试验中育苗农艺参数及其水平 Table 1 Seedling agronomic factors and levels in experiment

育苗穴盘采用Q72(12×6) 穴盘, 含有72个穴孔, 外围尺寸为540 mm×280 mm.采用中研十九金胚黄瓜种子, 每个穴孔中播1粒种子.2016年3月4日下午, 对播种后的穴盘浸水, 在浙江大学紫金港校区农业试验站的玻璃温室中进行培育, 每天上午浇水浇透(穴盘底部圆孔滴水)直至最后一次浇水.试验共准备了9盘苗, 穴盘编号、基质配比、基质量及对应的发芽率见表 2.表中, R为穴盘内种子的发芽率.

表 2

表 2 各穴盘中的基质配比、基质量及发芽率统计 Table 2 Volume proportion, substrate mass and germination rate of each tray 穴盘编号 V m/g R/% 1 6:3:1 7.0 98.6 2 6:3:1 8.5 94.4 3 6:3:1 10.0 94.4 4 6:2:2 7.0 91.7 5 6:2:2 8.5 98.6 6 6:2:2 10.0 93.1 7 7:2:1 7.0 93.1 8 7:2:1 8.5 98.6 9 7:2:1 10.0 95.8

表 2 各穴盘中的基质配比、基质量及发芽率统计 Table 2 Volume proportion, substrate mass and germination rate of each tray

育苗后14 d, 在浙江大学生物生产机器人实验室的移栽试验平台(见图 5)上对末端执行器的移栽效果进行测试.试验中的一些基本参数设置如下, 气缸(SMC CQ2A20-40DM)压力为0.8 MPa；指针直径为2 mm, 初始入土角度为4°, 入土深度为40 mm, 插入前针尖相距36 mm, 夹紧后针尖相距16 mm；末端执行器提升速度为0.1 m/s, 转移速度为1.0 m/s, 平均移栽一株苗的时间为2.8 s.

图 5

图 5 安装有末端执行器的移栽作业平台 Fig. 5 Transplanting platform with designed end-effector

移栽成功是指取苗、转移、放苗任一环节不发生脱落, 钵苗成功转移到生长穴盘；否则为移栽失败.钵苗在成功转移到生长穴盘的过程中, 若基质块出现松动、开裂、脱落等现象, 则认为该次移栽对基质块造成损伤.基质块损伤通常会在一定程度上损害钵苗的根系, 移栽后需要一定的缓苗期, 影响钵苗的正常生长.结合基质块的损伤率与移栽成功率对移栽效果进行评价, 定义如下：

式中：r_s为移栽成功率, S为移栽成功的钵苗总数, N为移栽的钵苗总数, r_h为基质块的损伤率, M为出现基质块损伤的钵苗数.

各试验条件下均随机取10株幼苗进行移栽, 结果统计见表 3和4.表 3中的移栽结果表明, 取苗、转移和放苗各环节均未出现失败现象, 本文设计的末端执行器对总共270株苗的总移栽成功率达到100%.在试验过程中, 各环节均未出现大量基质松动、开裂、脱落现象, 只有取苗过程中, 部分钵苗基质出现底部松动、下部开裂或边缘少量脱落的现象, 总的基质块损伤率虽高达17%, 但基质块的损伤程度均不大(一般少于20%).末端执行器对各种基质状况的广泛适应性得到了证实.对比3个梯度的含水率, 可以发现当含水率为78%左右时, 各个穴盘中基质块的损伤均有所下降, 因为含水率过高会导致基质软化, 不利于基质块的固结.对比3种基质配比可知, 6:3:1配比下的基质块损伤率明显低于其他2种配比下的基质块损伤率.这是由于蛭石含量的适当提升可以促进根系生长^[27], 而根系发达有助于提高基质块的强度.对比3个梯度的基质量可知, 8.5 g左右的平均单孔基质量下的基质块损伤率最低, 10.0 g左右的平均单孔基质量下的基质块损伤率远远高于其他2个梯度.因为基质密度过高, 在相同的夹紧量下基质块更容易受破裂.综上可知, 提高基质中蛭石的比例, 适中的基质密度以及较低的含水率, 可以提高基质块的强度, 更适合于机械移栽作业.

表 3

表 3 三因素三水平下的末端执行器的移栽效果对比 Table 3 Transplanting performance contrast of end-effector under three factors and three levels 因素 水平 N S M rs/% rh /% 82 90 90 19 100 21 w/% 80 90 90 16 100 18 78 90 90 11 100 12 6:3:1 90 90 8 100 9 V 6:2:2 90 90 19 100 21 7:2:1 90 90 19 100 21 7.0 90 90 9 100 10 m/g 8.5 90 90 6 100 7 10.0 90 90 31 100 34 总计 270 270 46 100 17

表 3 三因素三水平下的末端执行器的移栽效果对比 Table 3 Transplanting performance contrast of end-effector under three factors and three levels

如表 4所示为对总共27种因素水平组合下基质块损伤情况的详细统计, 其中8种因素水平组合下, 基质块的损伤率为0, 另有8种因素水平组合下基质块的损伤率为10%.末端执行器在保证钵苗基质块的完整性方面具有较大的突破.

表 4

表 4 基质块损伤情况的详细统计 Table 4 Detailed statistics of matrix damage 穴盘编号 w=82% w=80% w=78% M rh/% M rh/% M rh/% 1 1 10 1 10 1 10 2 0 0 0 0 0 0 3 1 10 3 30 1 10 4 2 20 2 20 2 20 5 3 30 1 10 0 0 6 5 50 2 20 2 20 7 0 0 0 0 0 0 8 1 10 1 10 0 0 9 6 60 6 60 5 50 总计 19 21 16 18 11 12

表 4 基质块损伤情况的详细统计 Table 4 Detailed statistics of matrix damage

(1) 本文设计了一种单气缸驱动的插拔夹取式末端执行器, 综合常规插拔式和夹取式末端执行器的优点, 在气缸的一个推程内连续完成末端执行器插入并夹紧育苗基质.

(2) 所设计的VB参数优化程序, 可以根据指针尖点的运动轨迹, 对末端执行器的关键结构尺寸进行确定.

(3) 基于VB平台得到的结构尺寸参数, 设计的单气缸插拔夹取式末端执行器对各种基质条件下的黄瓜苗都具有较好的移栽效果, 整体的移栽成功率达到100%, 基质块的平均损伤率为17%, 损伤程度均较小, 其中8种因素水平组合下, 基质块的损伤率为0.该末端执行器在保证钵苗基质块的完整性方面具有较大的突破.

(4) 育苗基质中蛭石含量的适量增加(6:3:1) 可以增强基质块的强度, 从而降低基质块的损伤率.适当降低相对含水率(78%), 保证适中的单孔基质量(8.5 g), 也可以降低基质块的损伤率.