基于离散单元分析与物场分析的盆花移栽手爪优化

高国华，马 帅



基于离散单元分析与物场分析的盆花移栽手爪优化

高国华，马 帅

（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京 100124）

该文针对盆花移栽作业过程中出现的移栽手爪提取基质不完整的现象，基于离散单元分析方法，利用EDEM（enhanceddiscrete element method）软件建立起机构（移栽手爪）、作用对象（带有根系的盆花基质）、作用条件（花盆）间的离散元仿真模型，对手爪钢针的插入和提离过程进行离散元仿真分析，确定基质断层为提取基质不完整的原因，并通过对基质提离过程进行受力分析发现，导致基质发生断层现象的根本原因是基质提离总阻力大于基质内部所能提供的最大凝聚力。鉴于如上分析，利用物场分析方法提出在原有系统中添加揉盆机构的解决方案，通过对揉盆机构工作过程进行离散元仿真分析发现，在揉盆机构的作用下基质与花盆之间产生了缝隙，使花盆对基质由于粘附作用产生的摩擦阻力降低，减小了基质提离总阻力，证明在工作过程中揉盆机构可以通过减小基质提离总阻力来解决基质断层问题。分别对添加揉盆机构前后的样机进行3组100盆的花苗移栽试验，移栽手爪完整提取基质成功率从84.67%提升到97.67%。该研究将EDEM离散单元分析与物场分析方法结合应用在机构优化设计过程，可以为盆间自动化移栽领域的设备研制与开发提供参考。

农业机械；移栽；优化；移栽手爪；盆花；离散单元分析；物场分析

0 引 言

随着人们生活水平的不断提高，中国花卉产业发展迅速。统计显示，2011年全国花卉种植面积相比2010年增长11.6%[1]。截止2014年年底，花卉生产面积已达1.27×106hm2，销售额1 279.45亿元，出口创汇6.2亿美元。在诸多花卉品种中，盆载花卉以其观赏性高、极易成活的特点深受人们喜爱，市场总量逐年增加，仅2012年盆栽花卉销售额就已达267.72 亿元。而盆栽红掌作为中国温室花卉种植的一个重要组成部分，销量稳居世界第一[2-3]。但在红掌盆栽种植过程中，为节约空间及保证着花率，令植株大小与花盆比例相称而便于出售，需将花苗从小花盆移栽至大花盆中[4-6]。这一移栽过程较为复杂，目前多为人工操作，成本高、效率低。因此，亟待研发一套盆花移栽设备实现花苗由小花盆移栽至大花盆的自动化移栽作业。

对于花卉移栽领域的自动化设备，国内外已进行诸多相关研究。如荷兰VISSER公司的PC-21型移栽机装备8个移栽手爪，移栽效率可达到12 000～30 000株/h[7-9]。但国外设备多针对穴盘间移栽的移栽形式而设计，不符合红掌花卉种植过程中的盆间移栽作业模式[10-15]。为填补这一领域的空白，北京工业大学通过对红掌花苗由小花盆移栽至大花盆的自动化作业过程进行研究，完成了一套盆花移栽自动化生产线的设计，已经实现利用移栽手爪将花苗从小花盆移栽至大花盆的自动化移栽作业[16]。但在应用过程中发现，移栽手爪从小花盆中将花苗连同基质提离的工序中，出现了移栽手爪无法完整提取基质的现象，影响了后续被移栽花苗的生长与销售。

通过对失败现象分析可知，与传统机构设计中操作对象可视为刚性体不同，移栽手爪的作用对象盆花基质属于离散状。虽然在花盆的束缚下基质可形成固定形状，但在移栽手爪作业的过程中，由于花盆和手爪钢针的双重作用，盆花基质原有的稳定形态很容易遭到破坏。借助传统的机构运动学、动力学分析很难获得真实的机构、盆花与基质间的作用关系，无法从根本上解决问题。因此，本文尝试借助EDEM（enhanced discrete element method）软件对移栽手爪提取基质的过程进行离散单元仿真分析，并结合TRIZ物场分析方法提出可行的解决方案，解决移栽手爪提取基质不完整的问题。

1 盆花移栽系统介绍及问题描述

1.1 盆花移栽系统介绍

盆栽红掌最初生长在直径110 mm、高90 mm的小花盆中，待花苗长大后，再将其移栽至直径170 mm、高150 mm的大花盆中培育。为实现移栽过程的机械化操作，课题组研发了一套自动化盆花移栽系统，如图1所示，移栽系统主要由机架、盆花移栽手爪、小花盆、小盆传送带、大花盆、大盆传送带组成。在系统运行过程中，小盆传送带与大盆传送带将待移栽的小花盆花苗及大花盆输送至移栽工位，驱动移栽手爪至待移栽花苗上方，当移栽手爪将花苗插取后，驱动其提升至大花盆高度，并传送至大花盆上方将花苗插入花盆，然后返回初始位置而完成1次移栽作业循环。在此之前，大花盆已填好基质并拥有了和小花盆尺寸一样的空穴。

1.2 盆花移栽手爪问题描述

在红掌花苗盆间移栽作业中，最关键的是移栽手爪能否很好地将花苗连同基质从小花盆中完整取出，其不仅要求手爪能够连同基质将花苗提离，而且要保证提离出的基质完整。课题组前期对盆花移栽手爪的花苗提离成功率已进行过深入研究，如图2所示，通过优化升降气缸气压、钢针插入斜度和钢针插入点到中心距离这3个手爪关键参数，得到手爪成功提离花苗的最优工作参数组合，花苗提离成功率较高[16]。

在应用过程中发现，优化后的移栽手爪虽然能实现花苗连同基质的成功提离并保证被提离花苗的完整性，但却无法保证被提离基质的完整性，出现提离后基质残缺的现象，如图3所示，导致移栽完成后大花盆中的基质内部出现空穴。一旦按照种植要求对移栽至大花盆中的花苗浇水，基质便会沉降而弥补内部的空穴，致使花苗出现倾斜，影响盆花的出售。因此，需要对移栽手爪进行优化改进，解决移栽手爪提取基质不完整的问题。

2 移栽手爪基质提取的EDEM仿真分析

在盆花基质被提离的过程中，基质断层、塌陷、滑落等破坏现象都可能会导致基质提离不完整问题的出现。由于测试作业中无法对基质提离过程进行观察，本文需借助EDEM软件对钢针提离基质的过程进行离散元仿真分析，分析导致问题出现的原因。

2.1 基质颗粒模型的建立

在离散元仿真分析中，基质颗粒模型的建立对仿真结果的准确性十分关键。综合考虑基质的离散颗粒状态、颗粒的大小差异性与计算机仿真运算能力，本文选用直径为0.2～0.5 mm的球体颗粒建模。仿真过程中，随机生成不同直径大小的颗粒并将之分布在花盆模型中。由于属于腐殖土类型的盆花基质颗粒之间存在一定黏性，本文选择黏结力弹塑性模型（elasto-plastic contact model，ECM）作为土基质的颗粒接触模型，使基质颗粒模型更加接近实际情况。该接触模型是爱丁堡大学为解决黏性颗粒的接触问题而提出的，它利用非线性滞后弹簧模型来解释颗粒间的弹塑性变形以及塑性压缩变形带来的黏结力[17-18]。为保证仿真结果准确，需在仿真前对ECM模型参数进行标定，令基质从一定高度自由下落至地面并观察其散碎状态，通过调整EDEM中ECM模型参数，确定仿真分析中基质散碎状态与试验结果相同时的ECM参数取值，并以此参数取值时的ECM模型进行仿真试验。

2.2 机构边界模型的建立

为保证机构仿真模型的真实性，本文利用Solidworks2013软件对钢针、花盆进行分别建模，并按照装配关系组合成装配体，以STP文件格式导入EDEM软件，得到边界模型。并以花盆作为颗粒生成容器，花盆上口作为基准建立虚拟平面，通过EDEM中的颗粒工厂（Factory）进行基质颗粒的生成。

2.3 模型变量参数的设定

若要通过离散元仿真对基质颗粒之间、颗粒与花盆、颗粒与机构之间的作用过程进行研究，需设计环刀密度测量试验、基质直剪试验、基质三轴试验等对基质的部分参数进行测定，并在测定试验中使用带有完整根系的基质，以保证参数测定结果的准确[19]。根据组件材料查找文献得到橡胶、聚乙烯（polyethylene，PE）等常规材料的部分参数取值[20]，完成确定全局变量参数的设置，见表1。

表1 全局变量参数设置

2.4 移栽手爪提取基质的离散元仿真

按照表1参数设定，在花盆正上方建立与盆口大小相等的虚拟平面作为颗粒生成面，建立BOX颗粒工厂，设定颗粒生成总量为30 000个，生成速度5 000个/s。颗粒生成完成后，参考前期移栽手爪参数的优化结果，设定钢针插入及提取速度为120 mm/s，钢针插入斜度28°，插入点到中心的距离38.12 mm。

通过对移栽手爪提取基质过程进行离散元仿真分析，发现只出现了基质断层现象，最初猜想的的基质塌陷、滑落现象没有出现。因此，可以将导致被提取基质的不完整的根本原因确定为基质发生了断层。如图4所示，在钢针从花盆提离基质的过程中，一部分基质随钢针的运动而被提离花盆，另一部分断层的基质仍然残留在花盆中。

鉴于仿真分析结果，对钢针提取基质过程的受力状态进行分析，如图5所示。由式（1）可知，当总拔取力F大于总阻力F时，基质可以被提离而出。但若总阻力F大于基质内部所能提供最大凝聚力Fmax，基质就会发生破坏，出现仿真结果中的基质断层现象，导致提取基质的不完整。

式中F1为左侧拔取力，N；F2为右侧拔取力，N；F3、F4为花盆侧面对基质的摩擦力，N；F5为花盆底面对基质的黏附力，N；F1、F2为钢针对基质的支持力，N；为钢针插入斜度，(°)；为花盆侧壁倾角，(°)；F为总拔取力，N；F为总阻力，N；Fmax为基质所能提供的最大凝聚力，N；为基质重力，N；为钢针静摩擦系数。

注：为基质重力，N；F1为左侧拔取力，N；F2为右侧拔取力，N；F3、F4为花盆侧面对基质的摩擦力，N；F5为花盆底面对基质的粘附力，N；F1、F2为钢针对基质的支持力，N；为钢针插入斜度，(°)；为花盆侧壁倾角，(°)。

Note:is matrix gravity，N;F1is left pull force，N;F2is right pull force，N;F3andF4are friction forces of flower pot to soil matrix, N;F5is cohesive force of flower pot bottom to soil matrix, N;F1andF2aresupport forces of flower pot to soil matrix, N;is the angle of the steel needle insert in, (°);is flower pot side wall inclination, (°).

图5 移栽手爪提取基质过程受力分析图

Fig.5 Force analysis diagrams during soil matrix extracted by transplanting manipulator

3 移栽手爪提取基质不完整的问题解决

通过离散单元和受力分析，可以从现象和本质上确定导致基质提取不完整问题出现的根本原因。基于分析结果，将在下文利用物场分析方法对机构进行进一步优化来解决问题。

3.1 基于离散元分析与“物-场分析”的问题解决思路

发明问题的解决理论（theory of inventive problem solving，TRIZ）作为一种创新设计理论和方法，已经成为产品开发过程中解决技术难题的有效工具[21-23]。物场分析作为TRIZ理论中一项非常重要的组成部分，可以通过建立能量在功能元素间传递的模型，即物场模型，辅助创建具有相应功能的技术系统，实现对技术系统的改进与优化。不仅大大加快人们解决问题的进程，而且能得到创新性的解决方案，提高问题解决效率[24-27]。

图6为本文基于参数优化、离散单元分析和物场分析对问题进行解决的流程。考虑到移栽手爪的作用对象基质为离散状，利用EDEM软件建立移栽系统的EDEM仿真模型[28]，参考参数优化的结果对仿真参数进行设定，对手爪提取基质过程进行离散元仿真分析，最终确定造成问题出现的根本原因。

通过对仿真结果进行解释分析，确定问题系统所包含的范围，明确系统所含组件。分析组件间的相互作用关系，建立问题系统的功能模型，找到问题发生的关键点并建立对应的物场模型将其图形化表示。基于问题物场模型的类型查找相对应的标准解，建立解决问题的物场模型，并仔细分析系统资源将解决问题的物场模型转化为具体的解决方案。

通过EDEM仿真软件再次分析并验证解决方案的合理性与可行性。若方案的分析结果满足要求，则制作样机进行试验验证，最终解决问题。若方案不能满足要求，则再对系统进行物场分析，尝试采用其他标准解对问题进行解决。

3.2 基于物场分析的手爪提取基质问题解决

3.2.1 系统组件分析

基质断层发生在移栽手爪与基质、小花盆相互作用的过程中，因此本文将存在关联的移栽手爪、小盆花、小盆传送带作为问题系统来进行研究。如图7所示，问题系统主要由气缸、机架、钢丝绳、手臂、钢针、聚拢板、花苗、小盆传送带、基质、限位板、小花盆组件组成，其中基质为作用对象。

1.气缸 2.机架 3.钢丝绳 4.手臂 5.钢针 6.聚拢板 7.花苗 8.小花盆传送带 9.基质 10.小花盆 11.限位板1.Cylinder 2.Frame 3.Steel wire rope 4.Arm 5.Steel needle 6.Gathering plate 7.Flower 8.Conveyor belt for small pot 9.Soil matrix 10.Small pot 11.Blocking plate

实际工作过程中，在限位板的限制作用下，生长着花苗的小花盆被小盆传送带运送到移栽手爪下方，两侧的手臂向心移动朝花苗方向收拢。导向轮安装于手臂上部，聚拢板安装于手臂下部，钢丝绳一端固定在横梁上，另一端穿过导向轮固定在聚拢板上部，在横向抱抓过程中拉动聚拢板沿手臂下部进行滑动，完成聚拢花叶动作。气缸安装在手臂内部并在末端分别固定2根钢针，当完成花苗抱抓后，两侧的气缸推出4根钢针插入花苗基质中，实现对花苗的固定，最终手爪将花苗连同基质提离小花盆。

按照对移栽作业系统的描述，问题系统中共包含11个组件。

3.2.2 功能模型与物场模型的建立

根据组件间的相互作用关系，建立移栽系统的功能模型[29]，如图8a所示。基于功能模型发现，各个组件之间共存在16个相互作用，导致移栽手爪提取基质不完整问题的根本原因是花盆对基质进行盛放作用的同时产生了粘附的有害作用，即有用与有害作用并存。因此，本文针对花盆对基质产生的作用关系建立物场模型，如图8b所示。其中，物场模型的物质分别为花盆和基质，作用的场为机械场，表达的含义为花盆通过机械场对基质的产生的粘附作用是有害的。

3.2.3 查找对应标准解与物场模型的方案转化

对于2个组件有用与有害作用关系并存的情况，依据TRIZ理论中标准解应用原则，应在第一类标准解中进行查找。本文选定第一类标准解中的第12个标准解对问题进行解决。所选标准解的内容为：在一个系统中，有用与有害作用同时存在时，且S1及S2必须处于接触状态，则增加场F2使之抵消场F1的影响[30-31]。因此，本文拟通过添加机械场F2来抵消机械场F1的粘附作用，并通过引入物质S3来对机械场F2进行施加。为避免从系统外引入资源而对当前系统进行较大的改动，通过对系统中已有资源的仔细分析与研究，决定利用限位板和小花盆传送带这2个系统中原有的资源完成物场模型向解决方案的转化。将变形的限位板作为新物质S3引入，利用小盆传送带的传送运动来完成新机械场F2的施加，相应的解决问题物场模型如图8c所示。

基于解决问题物场模型，本文在原有移栽系统的基础上提出添加揉盆机构的解决方案。如图9所示，揉盆机构在原有机构上进行改动，将限位板的部分外型改为弧形并对称放置。其工作原理是：小盆传送带运送小盆花的过程中，在传送带原有隔板对花盆的限制下，当小盆花在对称放置的弧形限位板中间经过时，限位板会对花盆产生一定程度的挤压，使最初与小花盆紧紧粘附的基质与花盆之间产生缝隙的同时，在一定程度上增加了基质的紧实度，最终解决基质提取不完整的问题。在此方案中，新机械场是弧形限位板对花盆的挤压揉搓，新物质是变形后的限位板。

4 揉盆机构仿真分析与试验验证

4.1 基于EDEM的揉盆机构仿真分析

为验证揉盆机构解决方案是否合理可行，本文利用EDEM离散元分析软件对揉盆机构进行仿真分析。

4.1.1 仿真模型建立

在揉盆机构离散元仿真分析中，按照表1对模型变量参数进行设定。通过SolidWorks2013软件对揉盆机构进行建模装配，将其导入到EDEM软件作为机构边界模型。花盆经揉盆机构挤压的实际效果如图10所示，图10a中的虚线和实线分别表示花盆受挤压前后的边沿形状。由于EDEM软件中只能仿真机构与颗粒之间的作用，无法体现机构与机构之间的作用效果，因此无法得到当花盆受到弧形限位板挤压后而达到图10的效果。因此，本文需将揉盆机构中弧形限位板的外形设计成被挤压后变形花盆的形状，使仿真结果更加准确。

4.1.2 揉盆机构作业仿真

基于上述仿真模型，对揉盆机构中弧形限位板挤压花盆的过程进行仿真分析。依据传送带实际运行情况，在对揉盆机构进行仿真分析的过程中，弧形限位板保持静止，盛装基质颗粒的小花盆以0.3 m/s的速度从相对放置的弧形限位板中间经过，其中两弧形限位板凸面之间的距离为90 mm，小于小花盆中部的直径105 mm。

仿真结果如图11所示，经过弧形限位板的挤压作用，基质与花盆侧面之间出现一定量缝隙。根据上述对钢针提取基质过程的受力分析，可以确定由于基质与花盆侧面的分离，原本基质与花盆接触产生的摩擦力F3与F4会大大减小，避免了基质提取总阻力F大于基质内部所能提供最大凝聚力Fmax情况的出现，使基质断层现象不会发生，从根本上解决基质提取不完整的问题。

4.2 揉盆机构样机试验

基于仿真分析结果对揉盆机构合理性的肯定，分别对改进前后的移栽手爪系统进行花苗移栽试验。试验中，分别选取300盆小盆花作为试验样本，每100盆为1组进行移栽试验。在每次移栽后，对完成移栽的小花盆及残余基质一起进行质量称量。单个小花盆质量为20 g，因此设定当移栽后小花盆与残余基质质量之和大于30 g，即基质残留量超过10 g（体积约12 cm3）时，由于基质缺失较多，对移栽完成的大花盆进行浇水后花苗倾斜角度较大，判定此次移栽失败，试验结果如表2所示。

表2 基质提取后花盆及残留质量试验结果统计表

由试验数据统计可知，添加揉盆机构后，移栽手爪完整提取基质的成功率从84.67%提升到97.67%，完全能够满足实际工作要求，揉盆机构的解决方案效果理想。

5 结 论

本文利用离散单元仿真分析和物场分析方法，对盆花移栽手爪提取基质不完整问题进行分析和解决，完成了对盆花移栽系统的优化。

1）参考前期移栽手爪参数优化结果，利用EDEM（enhanced discrete element method）软件对移栽手爪提取基质过程进行仿真分析，确定手爪提取基质不完整问题产生的根本原因是基质提离总阻力F大于基质内部所能提供的最大凝聚力Fmax而引发的基质断层。

2）基于离散单元分析结果，应用物场分析方法对盆花移栽手爪取土不完整的问题进行解决，将问题聚焦到花盆对基质产生了粘附的有害作用上，并以此为关键点建立物场模型与查找标准解，得到添加揉盆机构的解决方案。

3）借助EDEM软件对揉盆机构进行仿真分析验证，从仿真层面证明了解决方案的合理性与有效性。并通过设计移栽试验，对基质提离效果进行了统计与分析，基质完整提取成功率从84.67%提升到97.67%，从试验层面验证了方案的可行性。

添加揉盆机构后的盆花移栽系统可以保证较高的花苗提取成功率和基质完整性，基本可以满足实际应用。但本文采用的优化手段为仿真和试验，若想进一步提高系统性能，需要对机构与盆花基质作用过程的土力学作用机理开展进一步的研究。

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Improvement of transplanting manipulator for potted flower based on discrete element analysis and Su-field analysis

Gao Guohua, Ma Shuai

(,,100124,)

In the process of planting, people need to transplant the seedling from small pot to big pot to get more growth space. This work will not only spend much time, but also increase the cost of planting. Our research group has finished a design of the transplanting machine to realize the automatic transplanting of. However, during the usage of the machine, we found that the transplanting manipulator cannot take out the soil matrix completely from the small pot sometimes. Once the incomplete soil matrix is watered after the transplanting, the seedling will tilt. It will lead to the difficulty of sale. So taking out the soil matrix completely from the small pot will be one of the most critical technical problems in the transplanting mechanical system for potted anthurium. Operation objects can be regarded as rigid body in the traditional mechanism design, however, the potted soil matrix, as the operation object of transplanting manipulator, belongs to the discrete body, although the potted matrix can be condensed as a certain shape under the limitation of the pot. In the process of sinking the needle into the soil matrix and taking it out, it is hard to keep the original stable shape and take out the matrix completely due to the lack of the cohesion of matrix itself and the adhesion effect between the pot and matrix. This condition will lead to the failure of transplanting. Based on the discrete element analysis method, this paper established discrete element simulation model among mechanism (transplanting manipulator), action object (matrix with rootstock), and action condition (pots) by EDEM (enhanced discrete element method) software to analyze the whole process of transplanting. In the simulation, we found that when the transplanting manipulator takes out the soil matrix, a fault happens inside the soil matrix. After the analysis for this simulation phenomenon, we knew that when the total resistance force is greater than the maximum cohesive force that soil matrix can offer, the matrix will be broken and become the incomplete matrix. According to the above analysis, we started to use the Su-Field analysis method to solve this problem. By using the component analysis and functional model, the transplanting mechanical system was known more, and we focused the key point on the harmful adhesion effect between small pot and soil matrix. With the help of Su-Field model and standard solution, we fully analyzed the resources of the mechanical system and translated the Su-Field model into the solution of pot pressing mechanism finally. And for this solution, we also done the discrete element simulation by EDEM and found that the pot pressing mechanism can make a crack and reduce the friction between the soil matrix and pot. With the reduction of friction in this way, the total resistance force cannot be greater than the maximum cohesive force that soil matrix can offer most of the time. It will effectively avoid the appearance of incomplete soil matrix. So the solution of pot pressing mechanism is reasonable and feasible. On the basis of the solution, we done the optimization for the original transplanting mechanical system. The transplanting experiment of 3 groups of pots (100 pots each group) was carried out respectively for the transplanting manipulator before and after the optimization. We found that the success rate of taking out soil matrix completely is improved from 84.67% to 97.67%. In this study, the discrete element analysis and Su-Field analysis method in TRIZ (theory of inventive problem solving) are combined to apply to the mechanism optimization design process, which can provide reference for the research and development of automated transplanting equipment about potted plant.

agricultural machinery; transplants; optimization; transplanting manipulator; potted flower; discrete element analysis; Su-Field analysis

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.005

S223.9

A

1002-6819(2017)-06-0035-08

2016-08-21

2016-09-26

国家自然科学基金（51675011）—盆花移栽机筑模成穴机构多因素作用优化设计方法研究；创新方法工作专项（2016IM030400）—乳品安全全链条质量控制的创新方法研究与应用示范

高国华，男，河北大城人，博士，教授，主要研究方向为机械设计及理论。北京 北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，100124。Email：ggh6768@126.com