穴盘移栽指铲式末端执行器苗钵基质抓取仿真与试验

童俊华 石虎峰 武传宇 丁煜华 赵 雄 王荣扬

(1.浙江理工大学机械与自动控制学院， 杭州 310018； 2.浙江省种植装备技术重点实验室， 杭州 310018)

0 引言

工厂化穴盘育苗的成苗率为80%～95%，穴盘内存在未发芽和漏播的孔穴，为避免后续机械化批量移栽出现空栽、漏栽等现象，需剔除劣质苗钵、再补进健康的新苗。末端执行器的结构特性直接影响钵苗的提取效果，20世纪80年代，KUTZ等[1]率先进行温室钵苗移栽机的研究，许多国内外学者对此加以研究，末端移栽机械手成为研究的重点[2-4]，提出了顶出式[5]、插入式[6-8]、顶出夹取式[9]、气力式[10]等取苗机构方案。

苗钵基质属于离散状单元，末端执行器在作业过程中会破坏苗钵原有的稳定形态而导致钵苗基质残留。因此，在穴盘苗移栽作业中提高对劣质苗钵穴孔内基质的剔净率，对该穴孔内补栽的穴盘苗成活率具有重大意义。移栽取苗末端执行器的机构参数和钵苗基质的物理特性都会影响基质抓取的效果，国内外众多学者对该问题进行了研究。RYU等[11]对其设计的末端执行器进行钵苗提取实验，发现该末端执行器在室内静态取苗的成功率可达90%，但在土壤含水率较低或较高时提取成功率不高。SAITO等[12]对苗钵的紧实程度、含水率和根系发达程度进行分析，发现通过调整影响苗钵强度的因素可改善蔬菜苗钵的提取效果，提高钵苗基质的剔净率。高国华等[13-15]设计斜入式穴盘苗移栽手，并对其工作参数进行优化及试验验证，在最佳参数组合条件下，移栽周期为4 s时的成功率可达98%。又针对盆花移栽过程中出现的基质断层现象，结合EDEM软件和离散单元分析方法分析盆花移栽过程中出现的基质断层现象，发现根本原因在于基质提离总阻力大于基质内部所能提供的最大凝聚力，并通过增加揉盆机构、减小基质提离总阻力解决基质断层的问题，改善了剔净效果。童俊华等[16]对末端执行器的抓取指针夹持苗坨的参数进行参数优化实验。以指针对苗坨的夹紧力为优化目标，取指针夹持角度、夹持指针数、苗坨含水率、钵苗长势和苗坨基质配比5个影响因素进行单因素分析实验，得到各影响因素对夹紧力单独影响的较优项，为指针式末端执行器设计和提出适合机械移栽的钵苗农艺提供参考。韩绿化等[17]设计了一种两指四针钳夹式夹钵取苗末端执行器，进行取苗效能的正交试验，分析发现苗钵含水率水平显著影响根土破坏程度，在含水率为55%～60%时，所设计的取苗末端执行器对苗钵根土破坏程度最小，有效提高了对苗钵基质的剔净率。

为解决末端执行器抓取苗钵后穴孔的基质残留问题，本文设计一款指铲式末端执行器，结合EDEM软件对劣质钵苗的提取进行仿真分析，确定影响提取效果的因素。设计一种力学测试平台，利用组合测盘测量在不同基质配比和含水率的组合条件下的穴盘间粘附力和基质间内聚力，确定适合劣质苗钵剔除的基质配比和含水率条件，减少提取劣质苗钵后基质残留。通过指铲式末端执行器劣苗基质提取试验验证优化效果，以期为末端执行器的设计和钵苗培育农艺提供参考。

1 指铲式末端执行器设计

1.1 穴盘劣苗苗钵的物理特性

作业对象为杭州市萧山区雷东村农场培育的一串红幼苗，培育周期为4周，培育温度为28.5℃，种植于外围尺寸为540 mm×280 mm的128孔穴盘内。其中劣苗苗钵的标准物理尺寸如图1所示，测得苗钵高H1为45 mm，底边宽L为10 mm，上边宽C1为25 mm。育苗基质由泥炭、蛭石和珍珠岩组成，相对含水率在50%～72%之间。劣质苗钵的根系不发达，基质松散易碎。

图1 穴盘中的劣苗苗钵Fig.1 Inferior seedling in plug tray

1.2 指铲式末端执行器工作原理

针式移栽机械手是目前最常见的末端执行器，具有驱动简单、体积小的优点，但提取苗钵时，由于与苗钵接触面积小易破坏苗钵的完整性，影响苗钵基质的剔净率，造成基质残留过多的现象。为改善对劣苗基质的剔净效果，给补进的健康苗提供空间，设计了一种包裹式作业的指铲式末端执行器，结构如图2所示。

图2 执行器结构示意图Fig.2 Structure schematic of end effector1.固定平板 2.活动平板 3.活动滑块 4.铲片 5.双作用气缸 6.可固定滑块 7.方形槽块 8.十字块 9.挡块

该指铲式末端执行器主要由固定平板、活动平板、活动滑块、铲片、双作用气缸、可固定滑块、方形槽块、十字块和挡块组成。驱动源为SDA25型双作用气缸，设计行程50 mm。气缸杆穿过固定平板与下方的十字块固连，气缸底座固接于活动平板，而铲片上端与活动平板上的活动滑块通过顶丝固连，通过气缸的伸缩带动指铲式末端执行器的铲片上下移动，实现对苗钵的抓取和释放。铲片与可固定滑块构成滑动副，调节可固定滑块的倾角及与活动滑块的相对位置可改变铲片的插入角度和插入点位置。针对128孔穴盘的尺寸规格，铲片插入角度调节至与内壁倾角相同，插入点贴近穴孔口边缘，此时，铲片与竖直方向的夹角为10°，插入点间距为25 mm。铲片选用长度为280 mm、宽度为10 mm、厚度为1 mm的65Mn弹簧钢制作，在受一定弯曲力作用下仍可恢复原状，避免铲片弯折变形，铲片插入苗钵深为45 mm。铲片末端为等腰梯形，对应穴孔侧壁形状，梯形上边宽为10 mm，下底宽为5 mm，梯形高度为15 mm。4个铲片沿穴孔内壁插入，对钵苗基质形成包裹状态。铲片上端挡块在铲片释放钵苗回收时可清除铲面附着的基质，避免粘连影响二次作业。

剔苗作业时，指铲式末端执行器由二维移栽平台带动至目标穴孔上方(图3b)，竖直丝杠机构带动指铲式末端执行器下降至苗钵上表面5 mm处(图3c)，指铲式末端执行器的气缸动作带动铲片插入穴孔苗钵(图3d)，竖直丝杠组件再带动指铲式末端执行器整体上升，完成基质提取动作(图3e),最后气缸动作带动铲片缩回完成苗钵的投放动作(图3f)。

图3 末端执行器剔苗动作示意图Fig.3 Schematics of action of end-effector to remove bad seedling

1.3 铲片插入苗钵受力分析

被抓取苗钵的受力分析如图4所示。4个均布的铲片沿穴孔侧壁插入，实现对苗钵形成包裹式抓取，且穴孔侧壁与苗钵基质由于铲片的存在被隔离开来，因此穴孔侧壁对苗钵基质不存在粘附作用力。由于4个均布的铲片受力相同，为简化分析，仅分析两个对称的铲片对苗钵的作用力。

图4 苗钵受力分析图Fig.4 Stress analysis diagram of seedling1.铲形指 2.苗钵

根据苗钵受力分析图，由受力平衡原理列出公式

(1)

FZ

(2)

式中Ff——铲片对苗钵的摩擦力，N

FN——铲片对苗钵的支持力，N

G——苗钵自身重力，N

Fj——苗钵底部与穴盘之间的粘附力，N

θ——铲片与垂直线的夹角，(°)

FT——总拔取力，N

μ——铲片对基质的静摩擦因数

FZ——总阻力，N

Fαmax——基质内部所具有的最大内聚力，N

总阻力FZ是苗钵自身重力G和苗钵底部与穴盘的粘附力Fj的合力，作用力方向竖直向下；总拔取力FT为4个铲片对苗钵的摩擦力Ff及支持力FN在竖直方向上的分力之和，作用方向竖直往上。由公式(2)可知，苗钵被完整提取出穴孔的条件是总拔取力FT大于总阻力FZ。但是，如果总阻力FZ大于基质内部所具有的最大内聚力Fαmax时，苗钵基质就会在提取过程中出现断层、塌陷、滑落等破坏现象，影响穴盘苗的移栽效果。

2 苗钵剔除仿真分析

机械手提取穴孔内基质的情况无法直接观测，本文借助EDEM 软件对指铲式末端执行器提取基质的过程进行离散元仿真，以定性分析基质间内聚力的变化对末端执行器抓取基质的影响。

2.1 颗粒接触模型

颗粒离散元方法是一种建立在基本的牛顿第二运动定律上的数值方法，颗粒离散元的模拟方法可较方便测得难以实测的离散物质颗粒运动规律和数据，能更好的解决实际问题。对于温室穴盘苗生长基质而言，其构成成分为泥炭、蛭石、珍珠岩和水分，颗粒间、颗粒和水间相互作用的情况复杂，颗粒之间存在粘结，选用Hertz-Mindlin with Bonding模型，该模型为Hertz-Mindlin颗粒模型下的粘结模型，可用于模拟小颗粒粘结成大块物料时破碎、断裂等离散对象问题。这种模型可以阻止颗粒切向和法向之间的运动，当达到最大切法向应力后，这种结合就会被破坏，产生破裂等。颗粒间粘结力微观示意图如图5所示。

图5 颗粒间粘结力微观示意图Fig.5 Microscopic diagram of cohesive force between particles

基质颗粒若在某一时刻tα后产生粘连,基质颗粒间会产生法向和切向粘结力和力矩，法向和切向粘结力分别表示为Fn、Ft，法向和切向力矩分别表示为Tn和Tt，表达公式为

(3)

(4)

(5)

式中A——粘连部分横截面面积，m2

RB——粘结半径，m

J——截面极惯性矩，m4

Kn——颗粒接触法向刚度，N/m

Kt——颗粒接触切向刚度，N/m

t——时间步长，s

vn——颗粒法向速度分量，m/s

vt——颗粒切向速度分量，m/s

ωn——颗粒法向角速度分量，rad/s

ωt——颗粒切向角速度分量，rad/s

当外部对离散颗粒作用力超过内部应力临界值，颗粒之间会产生破裂。临界值为

(6)

式中σmax——颗粒接触最大正应力，Pa

τmax——颗粒接触最大切应力，Pa

2.2 参数选取

穴盘基质颗粒物质间存在复杂、多向的力链网络，它们相互交错，非均匀的布置在颗粒物质内，很难依靠现有技术手段对其进行准确的参数标定。而穴盘基质力学形态近似于土壤，选用土壤参数对其标定。查阅文献[18-19]确定其泊松比、剪切模量、弹性恢复系数、摩擦因数、接触法向和切向刚度。同时根据EDEM的Hertz-Mindlin with Bonding 模型的需要，设置临界法向应力和临界切向应力。设置参数如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Data of simulation parameters

2.3 EDEM离散元仿真

用SolidWorks软件对指铲式末端执行器和穴孔进行建模装配，铲片沿穴孔边缘并与竖直方向呈10°插入苗钵。将其保存为STP文件导入EDEM软件，得到边界模型。在EDEM软件中，以穴孔作为颗粒生成容器，穴孔上端面作为基准虚拟平面。设置颗粒半径为1 mm，粘结半径为1.5 mm，可适颗粒数量为11 000个。施加真实平面适当压迫颗粒，使颗粒之间达到粘结半径后产生粘结，模拟基质在穴孔中的自然沉降。穴孔内基质的颗粒模拟生成情况如图6所示。

图6 穴孔内基质模拟颗粒生成图Fig.6 Simulation of particles formation in cell

在EDEM软件中添加铲片的运动方向，以模拟指铲式末端执行器对穴孔内基质的作用。铲片沿着穴孔内壁往下插入基质，实现对基质的包裹式抓取；提升时，铲片与基质苗钵无相对运动，由上端的丝杠组件带动铲片和被抓基质竖直向上运动。故设置铲片进出的运动方向如图7所示。设置铲片的行程为40 mm。

图7 铲片提取基质示意图Fig.7 Schematics of extraction matrix by flake shovel

利用EDEM仿真软件定性分析不同作用力条件下的基质提取效果，逐步增加临界法向应力和切向应力来增加颗粒间作用力的临界值，仿真效果如图8所示。

对比仿真效果，发现随着颗粒间作用力的增加，苗钵在指铲式末端执行器的作用下不易产生断裂、塌陷的情况，基质的提取效果随之改善。

仿真结果表明，指铲式末端执行器对基质实现包裹抓取后，增大基质间的内聚力可减少穴孔内基质残留。因此可进一步研究增大基质间的内聚力和减小基质与穴孔间粘附力的机理方法，从而提高末端执行器对穴孔基质的剔净率。

3 基质内聚力和粘附力测量及分析

在末端执行器抓取苗钵过程中，基质与穴盘的粘附力、基质间的内聚力受到基质含水率和基质配比的影响，本文在EDEM仿真基础上进一步通过组合测盘试验分析不同含水率和基质配比下这两个力的变化情况，得出最佳含水率和基质配比值，为劣苗基质的剔除作业提供指导。

3.1 测力平台搭建

试验平台的搭建以上海松顿机械设备有限公司的LDW-1型微机控制电子万能材料试验机为基础，该试验机搭载500 N力程的HBM力传感器，精度等级0.01%，灵敏度为3 mV/V。传感器下方加装自行设计的组合测盘，试验平台的整体结构如图9a所示。

图9 组合测盘试验平台Fig.9 Test platform with combined test plates1.HBM力传感器 2.组合测盘 3.基质

试验过程中，万能材料试验机带动组合测盘自下而上压缩基质，加载速度为5 mm/min，压紧状态的保持时间为1 h，压紧时用薄膜封闭基质，防止水分散失。

根据土壤应力变化曲线，测盘下表面压迫基质时，测盘中心较外圈对基质的压迫力要小得多，因此测盘内圈较外圈不容易粘附基质[20]，为精准测得粘附力，设计了一种组合测盘，测盘主要由内盘和外盘组成，两部分可相互配合成为一体，其结构如图9b所示。测量粘附力时，在测盘下表面粘贴与穴盘材料相同的PVC塑料，由于测盘中心的基质难以被粘起，故仅提起未粘连基质的内盘可近似测得内盘下表面上的总粘附力。测量内聚力时，提升整个测盘，被粘贴的基质与下端基质被拉断脱离，即测得整个测盘下表面上的基质间总内聚力。

3.2 测力平台工作原理

在加装组合盘测力平台后，通过试验机所带软件SongDun将力程传感器的输出值调零，消除组合盘测力平台自重的影响。在组合测盘压迫基质和提升的过程中，软件SongDun可实时输出力程传感器的感应曲线及力值数据。组合盘测力平台的工作过程如图10所示。

图10 测力平台工作原理图Fig.10 Working principle diagram of force measuring platform

万能拉压试验机在组合测盘对基质的压紧力达到50 N时停止，1 h后万能拉压试验机带动组合测盘提升。若不存在基质间的内聚力或基质与穴盘材料间的粘附力作用，测力平台的输出曲线会直接回归到平衡状态下的零值，而正是由于内聚力和粘附力的作用，组合测盘在提升过程中，输出的传感器感应曲线先有一个向下的阶跃再恢复至零值，阶跃极值设为Fε，是用于计算基质粘附力和内聚力的主要测量值。传感器的理论感应曲线如图11所示。

图11 传感器输出曲线Fig.11 Sensor output curve

测量基质与穴盘的粘附力时，输出曲线的阶跃极值Fε1可近似作为内盘面上的基质与穴盘间的总粘附力。测量基质间内聚力时，输出曲线的阶跃极值Fε2即为整个测盘下表面上的基质间内聚力。考虑到作用面积的差异，可比较单位面积上的内聚力和粘附力，即比较粘附压强和内聚压强。基质与穴盘的粘附压强p1与测量值Fε1的关系以及基质间内聚压强p2与测量值Fε2的关系式为

A1p1=Fε1

(7)

A2p2=Fε2

(8)

式中A1——内盘下表面面积，m2

A2——组合测盘下表面总面积，m2

4 试验结果与分析

测力试验是通过组合盘测力平台测量基质在不同条件下的基质间内聚力以及基质与穴盘间粘附力的变化情况，找出基质间最大内聚力Fαmax大于基质与穴盘粘附力Fj的条件，用于指导指铲式末端执行器的穴盘劣苗提取作业，改善对苗钵的提取效果。

4.1 试验变量设置

影响基质粘附力和内聚力的重要因素是基质配比和含水率，选取两者作为变量进行试验研究。根据调研结果选取3种常见的基质配比，育苗基质按泥炭∶蛭石∶珍珠岩的体积配比分别为6∶3∶1、6∶2∶2和7∶2∶1。而在选定基质含水率水平时，需考虑到自然状态下基质本身所含的水分，一般裸土土壤的含水率在3%～30%[21]，以此作为参考，精确测量基质在自然状态下的含水率。在室温为20℃，相对湿度为65%的条件下，利用称重法测量自然状态下基质本身的含水率。为防止高温使基质内的草木灰碳化，利用干燥箱以80℃干燥基质20 h并称量干燥前后基质的质量[22]，计算得到自然条件下基质本身的绝对含水率约为9%。通过称量基质补水前后的质量来计算基质中的相对含水率，相对含水率的计算式为

(9)

式中η——相对含水率，%

Ms——加水后基质的总质量，g

mj——自然状态下基质的质量，g

试验过程中，通过计算得到达到对应相对含水率水平所需的水分后再对基质进行定量补水测试。由于穴盘底部有漏水孔，且劣质苗钵内没有幼苗或幼苗根系不发达，难以保持水分，根据实际测试发现在农场温室环境下，劣质钵苗在浇透后所能达到的相对含水率上限为72%，静置2 d后，相对含水率将降到50%左右。温室农场的浇水频率为1～2 d/次，劣质钵苗的相对含水率保持在50%～70%。因此在后续试验中，在基质的相对含水率范围内设置5组相对含水率，分别是50%、55%、60%、65%和70%。

取每组基质的总质量为20 g，将3组基质配比和5组相对含水率进行组合，组成双因素组合，如表2所示。在试验中，每组组合均采用3次样本试验，若发现异常数据，分析原因并重新试验，取所测数据平均值为该组合最终试验结果。累计45个样本量，每个样本均进行基质间内聚力及基质与穴盘材料间粘附力的测量试验，共进行90次试验。

表2 试验变量组合样本编号Tab.2 Sample number of combination of test variables

4.2 测量结果及分析

将传感器输出曲线根据式(7)、(8)进行换算处理，得到基质与穴盘的粘附压强p1和基质间的内聚压强p2的变化曲线。以相对含水率为50%时不同基质配比条件下的粘附压强和内聚压强变化曲线为例。如图12所示，曲线往下的阶跃值即为所要求得的粘附压强和内聚压强。

图12 粘附压强和内聚压强测量曲线Fig.12 Measurement curves of adhesion pressure and cohesion pressure

根据各曲线的阶跃值可计算在不同相对含水率和基质配比组合条件下的基质与穴盘粘附压强和基质间内聚压强。为减少试验误差和偶然性造成的影响，将每个因素组合下测得的3个数据取平均，计算后得到的平均值分别如表3和表4所示。

为更直观地比较在各变量组合条件下的粘附压强和内聚压强，找到内聚压强大于粘附压强(p2>p1)的条件。根据表3和表4的数据绘制两者的曲线对比图，如图13所示。

从图13中可以发现，粘附压强p1和内聚压强p2的变化曲线具备一定的线性规律，同一基质配比的情况下，粘附压强随着含水率的增加而增加，而内聚压强随着含水率的增加先增加后趋于稳定。内聚压强p2明显大于粘附压强p1的组合条件有4组，分别是含水率达到55%且基质配比为7∶2∶1和含水率为60%下的所有3组基质配比条件，其中基质配比为6∶3∶1时，这两个压强的差值达到最大，配比为7∶2∶1时次之，配比为6∶2∶2时最小。

表3 粘附压强试验结果Tab.3 Experimental results of adhesion pressure Pa

表4 内聚压强试验结果Tab.4 Experimental results of cohesion pressure Pa

图13 粘附压强和内聚压强曲线对比Fig.13 Comparison diagram of curves of adhesive pressure and cohesive pressure

4.3 压强差值的显著性分析

对内聚压强与粘附压强的差值(p2-p1)的显著性影响进行分析，并分辨影响因素间是否存在交互作用。计算相同条件下的内聚压强与粘附压强的差值，再对同一条件下的3组压强差值进行可重复双因素方差分析，给定检验水平α=0.05，得到F值、F临界值F0.05和P值，分析结果如表5所示。

表5 两因素对压强差值的方差分析Tab.5 Variance analysis of pressure difference between two factors

在可重复双因素方差分析中，若F大于对应的F0.05，说明两组数据对比出了差异。再结合P值，若P<0.01，表示差异极显著；若0.010.05，表示两组数据无差异，此时F值也必然小于对应的F0.05。通过方差分析表，发现相对含水率的P值小于0.01，而基质配比和交互作用的P值均大于0.05，故相对含水率对内聚压强和粘附压强间差值的影响极显著，而基质配比对压强差值没有显著性影响，且两影响因素之间没有交互作用。

综上，在指铲式末端执行器对温室穴盘劣苗提取作业中，含水率是重要的可控影响因素，结合图13的分析得到理论最佳作业相对含水率为60%。而由于基质配比对压强差值的影响不显著，故基质配比仍可选用较为常用的6∶3∶1进行试验。

4.4 劣苗基质提取试验

劣苗基质提取试验是为了验证上述分析得到的理论最佳移栽作业条件(相对含水率为60%，基质配比为6∶3∶1)。相比于存在根系的苗钵，末端执行器在作业时更易于破坏未生长出根系的苗钵基质，从而造成更多的基质残留，因此劣苗基质提取试验是对无苗孔穴进行基质提取。将草木灰、蛭石、珍珠岩按6∶3∶1配比进行混合，均匀分为5组并利用SF-550型天平称量，按相对含水率为50%、55%、60%、65%、70%比例加入纯净水充分搅拌，搅拌完毕后的基质填充入128孔穴盘的穴孔中，再次称量并做好标记，将穴盘密封防止水分散失。为模拟温室中的基质在穴盘中的沉降，将这5组装有基质的穴盘放在室温为25℃的条件下静置7 d，每天对穴盘称量并补水，试验前，再次称量并补充水分。劣苗基质提取试验的环境温度为25℃，相对湿度为49%。

在各相对含水率条件下利用指铲式末端执行器对标准穴盘中的20个穴孔内的基质进行单独提取作业，劣苗提取试验如图14所示。

图14 劣苗(无苗基质)提取试验Fig.14 Experiment of extracting inferior seedlings

称量指铲式末端执行器每次作业提取的基质质量和穴孔内剩余基质质量，计算剔净率，剔净率公式为

(10)

式中T——穴孔内基质剔净率，%

mT——单次提取出的基质质量，g

MA——穴孔内基质的总质量，g

为便于比较指铲式末端执行器在不同含水率条件下的实际提取效果，将不同相对含水率条件下的20个穴孔基质的剔净率曲线绘制在同一幅图中，如图15所示。

图15 不同含水率下20孔内基质剔净率曲线Fig.15 Curves of removal rate of matrix in 20 cells at different moisture contents

对各相对含水率条件下20孔内基质的剔净率取平均值和标准差，结果如表6所示。

表6 不同含水率下20孔内基质平均剔净率和标准差Tab.6 Mean removal rate and standard deviation of matrix in 20 cells at different moisture contents

结合图15和表6数据可知，在基质相对含水率50%～70%的范围内选定的5组水平测试，指铲式末端执行器对劣苗基质的平均剔净率先升高后降低，在相对含水率为60%时达到最大值，对20个穴孔内基质的剔净率在63.6%～78.8%之间浮动，平均剔净率达到70.8%。在相对含水率55%和65%下劣苗基质的平均剔净率分别为63.8%和54.7%，在相对含水率50%和70%下，平均剔净率达到62.3%和51.3%，每次所得数据标准差极小，数据无异常。

通过劣苗基质提取试验可以发现，在相同基质配比条件下，基质相对含水率为60%时，指铲式末端执行器对基质的剔净率明显高于其他含水率条件，平均剔净率达70.8%，而在其它含水率条件下，平均剔净率均有所下降。

5 结论

(1)设计了一种可对穴盘苗进行包裹式抓取的指铲式末端执行器，能有效提取劣苗苗钵。

(2)利用EDEM软件仿真分析了指铲式末端执行器对苗钵的抓取过程，定性分析得出，基质间内聚力增加有利于基质提取的效果。

(3)借助组合测盘测力平台，在不同含水率和基质配比条件下测试基质与穴盘的粘附压强和基质间内聚压强变化，得出指铲式末端执行器理论最佳的作业条件为相对含水率为60%、基质配比6∶3∶1。劣苗基质提取试验表明，在该作业条件下，基质平均剔净率为70.8%，优于其他作业条件，可为末端执行器的劣苗剔除作业提供参考。