夹护式西瓜钵苗移栽机构设计与试验

2020-04-24许春林解江涛王宇杰李恩全

东北农业大学学报 2020年2期

许春林，解江涛，王宇杰，李恩全，辛亮

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

西瓜为重要经济作物，国内西瓜种植多依靠人工移栽西瓜钵苗。为减轻农民劳动强度、降低人工成本、提高栽植质量效率，机械化移栽是旱地移栽必然趋势。

国外移栽机械大多以电控自动化为主或以半自动栽植结合自动取苗，结构复杂、成本高，不适合我国种植农艺要求和耕地现状[1]。国内鸭嘴类半自动栽植需人工喂苗，栽植质量较高，但难以保证栽植效率[2]；机械取苗多基于土钵和作物特性设计末端执行器，取出率高[3]。现有末端执行器取苗方式主要分为夹取茎秆式和夹取土钵式[4]，前者通过夹片夹紧钵苗茎秆，将钵苗强制由穴盘拔出，适用于茎秆粗壮、耐压作物。夹取土钵式通过取钵针探入并夹紧土钵，将钵苗从穴盘中取出，避免损伤作物茎秆和根系。袁挺等采用振动土钵和气吹取出组合取苗方式，避免损伤秧苗，克服定位困难和取苗成功率低问题，但需与之配套栽植设备，尚未广泛使用[3]。

韩长杰等[5]、潘桂根等[6]基于PLC 设计蔬菜瓜果末端执行器。冯青春等提出柔性花卉末端执行器，减少对土钵和根系损伤，栽植效率低，不适于大田地块作业[7]。韩绿化等采用四针式取苗末端执行器完全包裹钵苗，提升取苗稳定性，提高取出质量，但对土钵损伤较大且结构复杂[8]。冯天翔等提出先聚叶后抓茎花卉末端执行器，提高输送质量，但基质损失较大[9]。为减少基质损伤和提高取苗质量，周梅芳等通过添加辅助装置提高取苗质量和栽植质量，但辅助装置对作物幼苗子叶造成损伤[10]。西瓜幼苗茎秆脆嫩，不适合夹片强制夹取方式，由于西瓜钵苗株冠较大且茎秆较为纤细，西瓜株形不规整，机械栽植过程中西瓜幼苗所受惯性力和风阻力较大，常规取钵机构在西瓜钵苗栽植过程中，存在脱落和松动现象，但现有辅助装置在取钵过程对子叶造成损伤，影响后期生长。因此需设计一种适合西瓜钵苗大株冠特点，避免取苗末端执行器对作物子叶造成损伤。为解决以上问题，实现西瓜钵苗高效高质移栽，本文设计一种夹护式西瓜钵苗移栽机，由末端执行器协同非圆齿轮行星轮系完成钵苗取出、输送和栽植动作，末端执行器由取钵机构和护苗机构两部分组成，在取钵机构夹取土钵过程中护苗机构同时搂紧西瓜秧苗茎秆，保护秧苗茎秆和株冠子叶，达到无损、高质和高效移栽目的。

1 移栽机构工作原理和轨迹分析

1.1 设计要求

根据西瓜钵苗形态和西瓜移栽农艺要求，结合课题组提出系列探入式取钵轨迹[11]，利用该轨迹直线-曲线段取苗轨迹，保证取钵片顺利取出秧苗，避免取秧片对土壤造成搅动及对作物根系二次损伤。在常规探入式取钵末端执行器添加一套护苗（辅助）装置，二者相对固定，借助非圆齿轮不等速转动，驱动护苗装置沿作物茎秆方向向下运动，探入并搂紧秧苗，避免辅助装置因与作物子叶接触造成损伤，提高秧苗在输送过程中稳定性，保证取苗和栽植质量，形成取钵轨迹和护苗轨迹如图1所示。通过限定取钵机构和护苗机构位移行程，利用护苗机构和取钵机构共用一套位移行程，既保证护苗机构和取钵机构动作精准度，又降低机构设计难度。

1.2 工作原理

夹护式西瓜钵苗移栽机构总体包括传动机构和末端执行器两部分，如图2a 所示，末端执行器传动如图2b 所示，末端执行器结构如图2c 所示。传动部分由壳体和3个相互啮合非圆齿轮组成；末端执行器由壳体、护苗夹片、取钵片、取钵齿轮、取钵齿条组成。动力经非圆齿轮行星轮系传动至凸轮，拨叉在凸轮和弹簧作用下推动取钵齿条（弹簧座和齿条）往复运动，取钵齿条经齿轮带动取钵片在取钵壳体内往复运动，实现对土钵夹取和释放，取钵齿条带动推秧杆往复探出和收回，带动护苗夹片张开和闭合，实现对钵苗茎秆保护和释放。

末端执行器工作原理如图2d 所示，图中红色为护苗机构推秧杆，黑色为取钵机构取钵齿条，其中A、C 为取钵齿条触手，B 为推秧杆触手。取钵齿条在凸轮、拨叉和取钵弹簧作用下探出，取钵齿条A端与推秧杆B端接触，取钵齿条推动推秧杆从护苗壳体探出，推秧杆探出并利用自身形状强制撑开护苗夹片，推出秧苗，取钵齿条经取钵齿轮带动取钵片回收，释放秧苗，完成秧苗栽植；取钵齿条在凸轮、拨叉和取钵弹簧作用下回收，取钵齿条C端与推秧杆B端接触，随后取钵齿条带动推秧杆同步回收，护苗夹片回复原状并搂紧秧苗，同时取钵齿条带动取钵片从取钵壳体探出扎入土钵，实现待取钵苗的取出和保护，实现秧苗护苗栽植。

2 移栽机构运动学模型建立

2.1 行星轮系理论模型建立

以经过变换封闭旋轮线蜗线为非圆齿轮节曲线，其中r（θ）为节曲线向径，θ为节曲线向径极角。建立坐标系如图3所示，以行星架转动中心O为坐标原点，水平方向为X 轴，竖直方向为Y 轴。令α0为行星架初始安装角，角速度为ω，本文以逆时针转动为正，顺时针转动为负。太阳轮节曲线极径为r1（φ），若相互啮合两齿轮中心距为d，根据齿轮啮合基本原理，中间轮节曲线极径为r2（φ）=d-r1（φ），行星轮节曲线极径为r3（φ）=d-r2（φ）。

则行星架相对转角φ：

行星架绝对转角φh（φ）分别：

太阳轮相对于行星架转角φ1'（φ）：

太阳轮绝对转角φ1（φ）分别：

中间轮相对于行星架转角φ2'（φ）：

中间轮绝对转角φ2（φ）：

建模时为增加机构可调性，便于优化出图1所示轨迹，引作星架拐角α1。行星轮相对于行星架转角：

行星架拐角引起行星轮初始安装角：

行星轮绝对转角：

行星架转动中心坐标：

中间轮转动中心坐标：

行星轮转动中心坐标：

取钵机构端点c、d、e坐标分别：

式中，ε1为秧苗开始栽植时刻（rad）；ε2为秧苗栽植结束时刻（rad）；ε3为取秧开始时刻（rad）；ε4为取秧结束时刻（rad）；S为取钵片探出长度（mm）。

式中，S1为第1 段栽植臂bc 长度（mm）；S3为第2 段栽植臂cd 长度（mm）；S4为取钵臂ce 长度（mm）；α3为栽植臂初始安装角（rad）；α4为第2 段栽植臂与第1 段栽植臂拐角（rad）；护苗机构端点f、g 坐标分别为：

式中，S2表示第1段护苗臂cf长度（mm）；S5表示第2段护苗臂fg长度（mm）。

2.2 护苗夹片理论模型建立

以推秧杆轴线为Y轴，建立坐标系，如图4所示。红色为初始位置，黑色为结束位置。为简化分析，将推秧杆和护苗夹片简化为线条，护苗夹片忽略应力形变，简化为等长线段。推秧杆探出，护苗夹片与推秧杆始终接触于一点c，护苗夹片支点a、拐点b、接触点c组成三角形，护苗夹片cd 段与cb 段夹角不变，通过余弦公式，由推秧秆运动规律推出护苗夹片运动规律。

护苗夹片拐点c点坐标：

护苗夹片尖点d点坐标：

式中，lab为第一段护苗夹片长度（mm）；lbc为第三段护苗夹片长度（mm）；δ为护苗夹片ab 段与ac段夹角（rad）；β为护苗夹片ac段与水平正轴线夹角（rad）；γ为护苗夹片bc 段与水平负轴线夹角（rad）；μ为护苗夹片bc段与cd段夹角（rad）。

3 参数优化与仿真

3.1 优化软件及优化数据

根据前文移栽机构运动学模型建立理论模型，应用Visual Basic 6.0开发移栽机构辅助优化设计软件，该软件可实现人机交互且操作简单，大幅度减少优化时间。优化设计软件界面如图5 所示，由菜单栏、图形显示区域、参数输入区域和目标参数区域组成，通过软件可实时显示移栽机构运动状态和部分关键数据。

为实现移栽机构取钵护苗、输送钵苗和栽植运动轨迹且满足移栽臂姿态要求，优化移栽机构参数。结合西瓜钵苗移栽作业农艺要求和西瓜钵苗形态，移栽机构目标数字化，设定移栽机构优化目标[12-14]如下：①轨迹高度大于220 mm；②秧苗直立度小于20°；③夹苗点高度40～80 mm；④夹秧片高度12～40 mm；⑤取钵过程取钵片摆角小于13°；⑥齿轮模数大于2.2 mm；⑦护苗夹片与秧箱无干涉；⑧取钵片与秧箱无干涉；⑨栽植过程碰倒秧苗；10 齿轮箱壳体距地面高度大于25 mm；11 护苗夹片开度30～50 mm；12 取钵片探出长度30～35 mm。

根据优化软件所得优化数据为：取钵机构壳体距地面高度h为34.23 mm，取钵机构第一段S1长度为117 mm，第二段S3长度为86.5 mm，取钵齿条探出长度为35 mm；护苗机构第一段长度S2为150 mm，第二段长度S5为53.8 mm，护苗夹片搂苗高度为45.83 mm，推秧杆行程为18 mm，且护苗夹片张开距离为50 mm；取钵阶段为267°～275°，栽植阶段为92°～132°，栽植秧苗直立度（秧苗与竖直方向夹角）为10.32°，取钵阶段栽植臂摆角为9.87°。

根据优化软件优化数据和所优化轨迹，在整个作业周期内，非圆齿轮行星轮系在267°时驱动取钵机构取钵片与西瓜幼苗土钵接触，与此同时，护苗夹片以最大角度张开并与西瓜幼苗茎秆接触，随后取钵齿条驱动取钵片探入土钵，在275°时结束取钵动作，护苗夹片在267°～275°沿秧苗茎秆方向斜向下探入并搂紧秧苗，护苗夹片在275°时闭合（收紧），完成搂（护）苗动作，取钵机构和护苗同步完成秧苗土钵夹取、茎秆搂紧和保护；取钵机构和护苗机构（夹护式末端执行器）在行星轮系带动下输送秧苗至栽植位置，由取钵齿条在92°～137°（下一栽植周期）驱动取钵片回收，取钵齿条在112°开始推动推秧杆，推秧杆撑开护苗夹片，取钵机构和护苗机构在132°完成秧苗栽植，并为下一周期取钵护秧作准备。为简化取钵机构和护苗机构设计难度，提高取钵机构和护苗机构配合动作精准度，采用凸轮拨叉机构驱动取钵和护苗机构。

3.2 齿条与推秧秆设计

由移栽动作确定：齿条在取钵过程先于推秧杆回收，结束收缩运动，在推钵栽植阶段齿条限于推秧杆探出，结束探出动作。在推钵栽植阶段，齿条在A点（93°）先于推秧杆a点（112°）运动，齿条带动取钵片回收，推秧杆由齿条驱动，顶开护苗夹片，在B和b点（132°）完成推苗栽植动作；在取钵搂苗阶段，取秧片入土和护苗夹片与秧苗接触为同一时刻，齿条驱动取钵片在C点（267°）点入土，护苗夹片在c点（270°）点收缩，开始搂紧秧苗，取钵片和护苗夹片在G 点和H 点（275°），结束取钵护苗动作，推秧秆和齿条位移关系如图6所示。

3.3 护苗机构设计

本文选取早佳麒麟1号西瓜种子，选取适龄钵苗120株（苗期30 d）作钵苗形态数据统计，统计结果为：西瓜钵苗第一片子叶距土钵表面高度L1平均为85 mm，平均苗高L2为160 mm，第一片子叶高度L3平均为30 mm，第一片子叶宽度L4平均为60 mm，钵苗茎秆直径D 平均为6 mm，如图7 所示，该数据为后续护苗夹片结构设计提供依据。

为保证护苗夹片作业效果，实现开不碰苗和闭不漏苗，需控制护苗夹片张开距离（张开开度）K1和闭合距离K2，如图8所示，蓝色实线为护苗夹片张开状态，黑色虚线为护苗夹片闭合状态，红色为待取钵苗，黑色为未取钵苗，蓝色为已取出钵苗。护苗夹片在张开时要防止护苗夹片K1过大推倒黑色钵苗，实现开不碰苗，以免影响移栽机构栽植性能；护苗夹片在与秧苗接触时K1要防止开度不足，推倒红色待取钵苗，影响移栽机构取苗性能；护苗夹片在闭合时，既要避免护苗夹片K2过小对秧苗茎秆造成挤压，又要防止护苗夹片K2过大使得秧苗茎秆从护苗夹片间脱落，实现闭不漏苗，以保证护苗机构性能。护苗夹片在取钵片开始探出时与秧苗茎秆接触，并保证护苗夹片以最大开口张开，防止护苗夹片对待取红色秧苗造成影响，避免破坏秧苗茎秆，降低取出质量，影响后期生长。

4 轨迹验证与性能试验

4.1 高速摄影轨迹验证试验

优化得到移栽机构设计参数，开展机构结构设计、建模和装配，并利用ADAMS 2014中对装配体添加相应束，作虚拟运动仿真，得到虚拟运动轨迹见图9。为验证物理样机运动轨迹和理论轨迹一致性，利用高速摄影技术得到物理样机轨迹，并与理论轨迹、仿真轨迹对比验证。物理样机采用3D 打印技术完成加工并装配，在试验台作空载运行试验（30 r·min-1），通过Phantom v5.1高速摄像机采集移栽机构信息，将视频导入Adobe AE 处理，得到样机轨迹，如图9c所示。

可见，仿真轨迹形状及取苗、推苗等关键位置与前文理论轨迹基本一致，证明移栽机构理论和设计合理性。理论轨迹与实际轨迹上各点坐标之间略有差别，分析原因是：物理样机加工过程中存在误差；实际作业过程中机器存在振动；零部件采用PLA 打印，零件刚度和强度不足；受限于视频处理软件精度，物理样机采样点区域选取过大。分析两轨迹存在误差在允许范围内，不影响移栽机构实际作业效果。

4.2 取苗栽植性能试验

为验证探入式钵苗移栽机构实用性能，作移栽机构移栽性能试验，在东北农业大学工程学院农业机械化实验中心，采用课题组研制旱田土槽试验台开展试验，试验装置见图10。参照JB/T 1029-2001《旱地移栽机械》[15]，土壤平面平整，无明显障碍物，土壤含水率为16.8%，模拟田间土壤状况，试验前需在土槽内事先开好所需穴坑。试验育秧基质选用通用营养土，早佳麒麟1号西瓜种子，结合课题组研发秧箱，本试验选用软质72 穴秧盘育苗，秧盘上穴口尺寸为38 mm ×38 mm，下穴口尺寸为19 mm×19 mm，穴口深度为40 mm。将移栽机构安装在试验台架上，对常规（不带护苗装置）移栽机构和夹护式移栽机构作对比性能验证试验，常规组和夹护组分别选取120 株，共240 株，每组对比试验重复3 次，考虑到3D 打印移栽机构零件强度，试验过程设定工作转速为35 r·min-1。栽植后以秧苗直立度（秧苗与地面水平夹角）介于45°和75°为栽植合格，大于70°为栽植优良。以钵苗是否顺利从钵盘内取出评价移栽机构取苗性能，钵苗是否顺利栽植进入穴坑评价移栽机构栽植性能，以秧苗栽植后秧苗直立度评价移栽机构栽植性能。性能对比试验结果如表1所示。

表1 试验结果统计Table 1 Statistical of test results

由表1 可知，以上试验数据均符合栽植要求，夹护式移栽机构较普通移栽机构取苗成功率提高5%，栽植成功率提高7.5%，栽植合格率提高7.5%，栽植优良率提高15%，两种移栽机构移栽性能均满足栽植要求，且护苗机构明显提高移栽机构栽植性能，验证夹护式移栽机构原理合理性与机构设计可行性。

经分析，造成秧苗未从穴盘中成功取出主要原因包括：秧苗盘根状况不佳，导致秧针夹取土钵过程中基质破碎；部分秧苗在生长过程中产生连根现象，秧针夹取土钵过程中阻力过大未能将秧苗取出。造成秧苗未能成功栽植到土槽中主要原因是：部分秧苗茎秆纤细，输送过程中秧苗脱落；以PLA为原材料制作的，护苗夹片刚度不足。造成秧苗合格率过低主要原因是：土槽所开穴口深度不够或穴口过大，在栽植过程中未及时覆土、镇压部分秧苗茎秆纤细，护苗片未搂紧秧苗。