瓜类嫁接机上苗定位夹持装置的设计

杨 安，童俊华，泮金辉，邵立东，郭伟刚，杨蒙爱

(1.杭州职业技术学院 友嘉机电学院，杭州 310018；2.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018)



瓜类嫁接机上苗定位夹持装置的设计

杨 安1，童俊华2，泮金辉2，邵立东1，郭伟刚1，杨蒙爱2

(1.杭州职业技术学院 友嘉机电学院，杭州 310018；2.浙江理工大学 机械与自动控制学院，杭州 310018)

设计了一种新型嫁接机上苗定位夹持装置，可实现嫁接苗的定位、断根和夹取功能。新型上苗定位装置由滑块摇杆收拢机构和夹取断根机构两个部分构成，针对幼苗定位连杆末端需形成包络轨迹将嫁接苗包住的农艺要求，进行机构的数学建模和仿真优化，得到了最佳的结构参数。以“拿铁砧”葫芦苗为对象取苗进行试验，其定位夹持的成功率达93%以上，符合自动嫁接需求。

嫁接机；上苗；定位；仿真；优化

0 引言

设施农业是用具有特定性能和结构的设施改变小气候来进行农业生产的一种生产方式。作为世界最大的设施农业国之一，嫁接种植在我国具有广泛的应用。嫁接种植可以有效克服连作病害。例如，大棚新建时的黄瓜枯萎率约为12%，而第2年连作发病率会高达50%[1]。嫁接种植能有效降低连种黄瓜等作物的枯萎病发病率，同时能改善果蔬的品质和产量，提高作物的耐寒和耐旱特性。日本55.7%和韩国70.2%的大棚黄瓜及日本、韩国所有的大棚甜瓜和西瓜都是通过嫁接栽培的[2-8]。幼苗嫁接过程中，由于胚苗脆弱，嫁接工作需要工作者有较多的经验。由于嫁接标准的不统一，砧穂成活率极其低下，且嫁接农时短，需要大量人力在短时间内完成大量幼苗的嫁接工作。上述原因导致人工嫁接的效率低，实施效益不高。而自动嫁接机可以有效地解决嫁接工作中的效率问题，减少嫁接工作对人工的依赖，有效地提高生产效率和农业经济效益，是加快农业自动化的重要组成部分。

上苗定位夹持装置是自动嫁接机中最重要的组成部分，是嫁接苗获取、传递及准备嫁接工作能准确进行的基础。结构合理功能齐全的定位夹持装置是嫁接过程自动化的关键部分。近年来，有众多国内外学者开展了自动嫁接机上苗定位夹持装置的研究。东北农业大学的刘宝伟等设计了一种电磁驱动的自动嫁接机砧木夹持机构，该机构的夹口采用模块化设计，可嫁接多种品种的砧木，有效提高了嫁接机的使用率[9-10]。我国台湾国立宜兰大学的邱奕志等设计了一种有效克服传统气动夹持机构由于管线布置而影响机构旋转的瓜苗嫁接夹持机构[11]。华南农业大学的刘元强等设计了可实现5株幼苗同时嫁接的砧木苗夹持机构[12]。浙江大学、浙江机电职业技术学院和温州科技职业学院共同设计制作了一种斜插式蔬菜嫁接机的砧木夹持机构，该机构可矫正砧木苗的弯曲，并增加了夹持力调节机构，有效减小了嫁接过程中砧木苗的损伤[13-14]。

一般而言，嫁接机上苗定位夹持装置在取苗过程主要存在夹不准和夹伤的问题。首先，由于幼苗生长的随机性，部分幼苗弯曲生长，偏离理想生长的垂直空间，导致定位夹持装置在夹取幼苗过程中夹不准，进而影响后续动作；其次，如果装置的夹持力过大，会造成夹取过程中幼苗的损伤，从而影响幼苗嫁接的成活率。本文提出一种新型瓜类自动嫁接机的定位夹持装置以解决上述提到的技术问题，该装置能对幼苗进行定位和断根操作并自动完成夹取操作，将幼苗抓取至砧木台和穗木台，实现幼苗的嫁接。

1 装置设计

1.1 机构组成

根据瓜类幼苗的生长特性，参照功能-行为-结构的设计过程，设计了一种上苗定位夹持装置，其三维立体示意图如图1所示。该装置在实现基本夹持功能的同时，增加了断根和定位幼苗等功能。上苗定位夹持装置主要包括滑块摇杆收拢机构(实现幼苗定位功能)和夹取断根机构(实现幼苗获取和断根功能)。

滑块摇杆收拢机构包括顶板、双杆气缸、T形支撑板、定位杆及运动杆。顶板底面固定双杆气缸，气缸的顶杆沿顶板向前伸出。T形支撑板在顶板下方水平前伸(与顶板平行布置)，双杆气缸的顶杆前端固定在竖直段安装板上；T形支撑板前端两侧分别设有一组运动杆组件，对称布置，运动杆组件由定位杆和运动杆组成；定位杆的一端与运动杆铰接，另一端与T形支撑板的水平段安装板相铰接；两运动杆的另一端与顶板的U型开口两侧铰接。定位杆由下、中、上3部分组成，下部向嫁接苗呈钩状水平伸出，中部铰接定位杆上部与支撑板，上部同时铰接运动杆和支撑板。当T形支撑板沿水平前后运动，带动两侧定位杆的上部运动时，两侧定位杆的下部将交叉合拢或张开。

1.顶板 2.双杆气缸 3.Y形气缸 4.手爪 5.挡板 6.T形支撑板 7.定位杆 8.运动杆 9.嫁接苗 10.刀刃图1 上苗定位夹持装置三维立体示意图

夹取断根机构包括Y形气缸、手爪、挡板和刀刃。Y形气缸固定于T形支撑板的下部；手爪固定在Y形气缸的夹臂上，手爪还有联动上侧手指和联动下侧手指，夹取手爪下侧的联动手指的前端(位于联动手指内侧)均相向而对地固定有两把切刀；挡板的一端固定在夹取手爪的一个联动手指的下侧，另一端水平伸出并横跨下侧的夹取手爪的另一个联动手指。

1.2 工作原理

上苗定位夹持装置的工作顺序和工作原理：Y形气缸工作时手爪封闭，而非工作时手抓张开；双杆气缸工作时气缸伸出，而非工作时气缸缩回。

1)双杆气缸工作，而Y形气缸不工作。双杆气缸的气缸伸出，推动T形支撑板向前移动，带动定位杆、运动杆摆动和Y形气缸向前运动。定位杆的下部运动呈一个包络轨迹，与弧形挡板同时作用，约束嫁接苗在指定的范围内。

2)双杆气缸工作，Y形气缸也工作。Y形气缸工作时，两侧的手爪封闭，带动前端的刀刃闭合并剪断幼苗。在上述过程中，幼苗直径小于手爪的闭合间隙，不会挤伤嫁接苗。此外，切刀将嫁接苗约束在竖直方向移动。

3)双杆气缸不工作，而Y形气缸工作。Y形气缸工作实现嫁接苗的夹取，而双杆气缸不工作，气缸使推杆缩回，完成嫁接苗的输送。

2 装置分析与优化

本节将针对上苗定位夹持装置的结构及尺寸进行优化设计。根据滑块摇杆收拢机构的工作原理，定位杆的末端运动形成的包络轨迹需要将幼苗包围住。图2所示为滑块摇杆收拢机构的运动简图。

1.顶板 6.T形支撑板 7-1.定位杆的上段 7-2.定位杆的下段 8.运动杆 9.嫁接苗图2 滑块摇杆收拢机构的运动简图

根据图2，滑块摇杆收拢机构运动模型图如图3所示。

图3 滑块摇杆收拢机构运动模型图

图3中：O点、A点、B点、C点和D点分别为顶板与运动杆杆的铰接点，运动杆与定位杆的铰接点，T形支撑板与定位杆的铰接点，定位杆的下端点和嫁接苗位置点。以O点为原点，建立XOY笛卡尔坐标系。l为双杆气缸的行程，L为O点到B点的水平距离，H为O点到B点的垂直距离，L1为运动杆长度，L2和L3分别为定位杆上部和下部长度。

2.1 机构的数学建模

根据滑块摇杆收拢机构的数学运动模型图，并定义A、B、C和D点坐标为(XA, YA)，(XB, YB)，(XC, YC)和(XD, YD)，A、B和C点的初始坐标为(XA0, YA0)，(XB0, YB0)和(XC0, YC0)。A、B和C点的行程末端坐标为(XA1, YA1)，(XB1, YB1)和(XC1, YC1)，A、B和C点的矢量速度是(VXA, VYA)，(VXB, VYB)和(VXC, VYC)。θ为定位杆上部与下部的夹角，θ1和θ2分别为OA和AB与X轴的夹角，θE是定位杆下部与X轴的夹角，ω1和ω2分别为OA和AB的角速度。可得到滑块摇杆收拢机构的位置方程、速度方程，即式(1)～式(18)。

1)位置方程。

A点的位置方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

B点的位置方程为

(5)

(6)

(7)

(8)

C点的位置方程为

(9)

对θE有

(10)

对L2有

(11)

对L3有

(12)

对θ有

(13)

2)速度方程。

将上述位置方程对时间求导，可推出各点的速度方程如下:

A点的速度方程为

(14)

B点的速度方程为

(15)

其中，V为B点沿Y轴方向运动速度，即气缸运动速度。

C点的速度方程为

(16)

摇杆OA的角速度为

(17)

连杆AB的角速度为

ω2=

(18)

2.2 机构的结构优化与仿真

滑块摇杆收拢机构的夹持装置伸出时，手爪将嫁接苗收拢，而夹持装置缩回时，定位杆下部不能与已收拢的嫁接苗碰撞，防止伤害幼苗。因此，定位杆下部应该在夹持装置伸出、缩回后保持相同的位置和角度。为了使定位杆的下部(即BC段)能在双杆气缸工作前、后状态的角度相同，则在双杆气缸工作的前、后状态，运动杆OA应该关于Y轴对称，即定位连杆上部AB在双杆气缸工作的前、后状态下保持相同的姿态。本文采用MatLab软件的优化算法，对机构参数H、L和L1进行迭代优化求解。为使定位连杆接触到幼苗时对幼苗的损害最低，优化求解的目标设置为：C点末端的速度Vc最小。机构参数优化流程图如图4所示。

图4 机构参数优化流程图

根据杆长条件和包络条件，a的初始值设置为100mm。

按以上流程优化后得到滑块摇杆收拢机构结构尺寸优化解为：H= -9.5mm，L=14.5mm，L1=20.5mm，L2=14.5mm，L3=35mm，θ=118.9°。将结构尺寸优化后的结果输入MatLab运动学仿真程序，利用Timer函数进行滑块摇杆收拢机构的动画仿真。图5所示为结构尺寸优化后的滑块摇杆收拢机构在MatLab动画仿真中若干位置的截图。由图5可知：BC杆运动可以实现对D点的一个包络作用，完全满足功能要求。

本文将上述结构尺寸优化后的滑块摇杆收拢机构利用特征造型软件Pro/ENGINEER进行实体建模，并进行虚拟装配、干涉检测和虚拟样机仿真。在“机构”模块中，将Y形气缸的旋转闭合速度和双杆气缸推杆的直线速度分别设置为120(°)/s和100mm/s，进行机构的运动学分析，考虑到Y形气缸的行程为15°、双杆气缸的行程为40mm，根据上述设置的速度可得到Y形气缸和双杆气缸的运行时间分别为0.125 s和0.4 s。因此，本文设置0～0.4s时段内双杆气缸推出；0.4～0.525s时段内Y形气缸闭合。

图6所示为滑块摇杆收拢机构虚拟样机的运动状态图，两条细线代表定位杆末端的运动轨迹。由图6运动轨迹可知：该轨迹与图5中的模拟分析曲线重合。此外，连杆的运动可以将图6(a)所示阴影区域内的幼苗约束在图6(d)所示的区域内。这也在理论上说明了本文所设计的上苗定位夹持装置能够准确定位嫁接苗。

图5 结构尺寸优化后的滑块摇杆收拢机构在动画仿真中若干位置的截图

图6 滑块摇杆收拢机构虚拟样机的运动状态图

3 装置实现与测试

上苗定位夹持装置的实物照片如图7所示。采用雷赛DMC1308运动控制卡作为控制器，利用Visual C++软件编写控制程序。选用浙江省农科院提供的砧木 “拿比砧”葫芦样苗作为嫁接苗。砧木幼苗的长轴和短轴采用游标卡尺测量，幼苗苗茎长轴平均长度(3.74±0.304)mm，幼苗苗茎短轴长度(3.09±0.325)mm。

图7 上苗定位夹持装置的实物照片

为测试本文设计上苗定位夹持装置的功能，本文开展了取苗实验其目的主要有以下3点：①测试上苗定位夹持装置能否顺畅运动，无死点；②验证装置在运动过程中是否形成如仿真的包络轨迹；③评判装置在取苗过程中是否损伤嫁接苗。实验包含嫁接苗的定位、断根和夹取3部分，采用分步实验法进行测试。嫁接苗定位实验：将装有幼苗的穴盘置于夹持装置工作区域内，双杆气缸带动定位机构工作，定位幼苗，记录穴盘中成功定位的嫁接苗数量。嫁接苗断根实验：在保证定位成功的基础上，Y形气缸收拢，带动切刀切断苗根，记录成功切断苗根的数量。嫁接苗夹取实验：夹取成功断根的嫁接苗，记录成功取回幼苗的数量。

经实验测试，上苗定位夹持装置运行过程平稳流畅，无运动死点。本文统计了所研制上苗定位夹持装置的定位、断根、取苗和整体实验的样本数量及其成功率。定位实验的样本数量为150个，成功率为96.7%；断根实验的样本数量为145个，成功率为97.9%；夹取实验的样本数量为142个，成功率为98.5%；全流程整体的成功率达到了93.3%，符合当前嫁接作业的成功率要求。实验不成功的原因如下：①在定位试验时，少数嫁接苗处于定位杆包络区域之外，导致定位不成功；②在断根试验时，少数幼苗存在连丝情况，导致夹取不成功；③在夹取实验时，少数幼苗存在小幅弯曲，双杆气缸缩回时幼苗脱落。

4 结论

设计了一种新型瓜类嫁接机上苗装置，并介绍了其机构组成与工作原理。上苗定位夹持装置主要包括滑块摇杆收拢机构和夹取断根机构两个部分。针对滑块摇杆收拢机构进行了数学建模、结构工艺参数优化和虚拟样机验证，得到机构各项参数(H，L，L1，L2，L3，θ)的最佳参数为(-9.5mm，14.5mm，20.5mm，14.5mm，35mm，118.9°)。最后，制造出了新型瓜类嫁接机上苗装置，并对该装置开展了取苗实验，实验包括对嫁接苗的定位、断根、夹取3部分功能的实验。在取苗实验时，整体的成功率达到了93.3%，表明该装置符合当前嫁接作业的要求。

[1] 张铁中, 徐丽明. 大有前途的蔬菜嫁接机器机器人[J].机器人技术与应用, 2001(2):14-15.

[2] 陈杭,张玫.韩国、日本蔬菜嫁接技术的应用[J].蔬菜, 1999(3):87-92.

[3] 于贤昌,王立江.蔬菜嫁接的研究与应用[J].山东农业大学学报,1998,29(2):249-256.

[4] 华斌,别之龙.西瓜甜瓜嫁接育苗进展[J].上海交通大学学报,2008, 26(5):363-368.

[5] 陈亚雪,陈前程,罗燕华,等.闽南地区黄瓜嫁接栽培的必要性和发展要求[J].福建热作科技, 2010, 35(4):58-60.

[6] 郑群,宋维慧.国内外蔬菜嫁接技术研究进展(上)[J].长江蔬菜, 2000(8):1-4.

[7] 郑群,宋维慧.国内外蔬菜嫁接技术研究进展(下)[J].长江蔬菜, 2000(9):1-5.

[8] 张新, 秦志刚, 菲力申,等.嫁接在植物育种中的应用研究进展[J].安徽农业科学, 2008, 36(15):6289-6291.

[9] 刘宝伟,辜松. 2JC_500型自动嫁接机接穗夹持与切削机构[J]. 农机化研究, 2008(2):119-120.

[10] 姜凯,辜松,刘立意. 2JC_500型自动嫁接机砧木夹持机构[J].农机化研究, 2008(2):116-118.

[11] Y C Chiu,S Chen, Y C Chang. Development of a Circular Grafting Robotic System for Watermelon Seedlings[J].Applied Engineering in Agriculture, 2010, 26(6):1077-1084.

[12] 刘元强,刘凯,辜松.瓜科全自动嫁接机砧木苗夹持切削机构的设计与试验[J]. 农机化研究, 2011,33(3):88-91.

[13] 楼建忠,李建平,朱盘安,等.斜插式蔬菜嫁接机穗木气吸吸头优化设计[J].农业工程学报, 2013, 44(2):63-68.

[14] 楼建忠,李建平,朱盘安,等.斜插式蔬菜嫁接机砧木夹持机构研制与试验[J].农业工程学报, 2013, 29(7):30-35.

Design of Seedling Taking Positioning and Clamping Device for Melon Grafting Machine

Yang An1, Tong Junhua2, Pan Jinhui2, Shao Lidong1, Guo Weigang1, Yang Mengai2

(1.Fair Friend Institute of Electromechanics, Hangzhou Vocational and Technical College , Hangzhou 310018,China; 2.Faculty of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

A novelseedling taking positioning and clamping device was designed in this paper, and it can local seedling, cut seedling, clamp seedling. The structure and working principle for the designed novel device was introduced first. Then, the seedlingpositioning mechanism was modeled by mathematics, and the mechanism parameters were optimized by computer simulation method. Finally, "NABIZHEN" gourd seedlings were chosen as experimental samples, and seedlings taking positioning and clamping experiments were carried out.The overall successful ratio for the designed seedling taking positioning and clamping device was larger than 93%, which meets the requirement of grafting machines.

grafting machine; taking seedling; positioning seedling; simulation; optimization

2016-05-30

浙江省自然科学基金项目 (LQ16E050006);杭州市农业科技攻关项目(20140432B15)

杨 安(1973-),女，江西上饶人，硕士研究生，(E-mail) 54ya@163.com。

S233.74；S606.9

A

1003-188X(2017)06-0129-06