温室并联移栽机器人设计与试验

2020-10-19周昕,蔡静

农机化研究 2020年4期

周昕,蔡静

(江苏大学农业装备工程学院,江苏镇江 212013)

0 引言

我国温室穴盘苗移栽作业主要靠人工作业,劳动强度大,效率低[1-3],无法满足规模化生产需求,而机械化移栽具有降低人工成本及提高移栽作业效率的优点[4-5]。发达国家早就开始对钵苗机械化移栽进行研究,国外半自动移栽机已经发展成熟但价格昂贵[6-10]。由于我国育苗工艺、栽培方式及田间作业模式等与发达国家存在差异,国外的温室移栽机不能满足我国温室穴盘苗移栽作业需求。

我国移栽机大多采用三坐标龙门结构,结构简单、运动轨迹单一,容易形成累积误差。并联机构与现有机构对比,具有刚度大、精度高、累积误差小及控制性能良好等特点,在包装、分拣、康复医疗等领域获得了成功应用[11-14],为并联机器人在温室移栽作业方面的研究和应用提供了参考。

本研究设计了一款并联移栽机器人,并结合两条输送系统将穴盘自动输送至移栽作业区域,完成移栽作业后再将穴盘输送至下个作业工序,提高了移栽效率。

1 整机设计方案

1.1 设计需求

目前,市场上应用于温室穴盘苗移栽作业的移栽机器人大多是龙门式结构,体积庞大、价格昂贵且移栽效率较低,行业内迫切需要一款能够具有柔性作业能力、体积较小、惯性较小、刚度大的移栽机器人。并联机器人具备这样的特性,能够满足温室穴盘苗移栽或者补栽作业的需求。现代化设施农业中,工厂规模化育苗品种主要涉及的是花卉、黄瓜、辣椒等,移栽任务是把培育好的苗从高密度穴盘移栽到低密度穴盘(甚至是钵盘)中去,根据移栽任务可以得出并联移栽机的设计需求。移栽流程如图1所示。

图1 移栽流程Fig.1 Transplanting flow

1.2 移栽需求

黄瓜苗育苗采用的128孔穴盘,穴孔的基本尺寸为30mm×30mm×46mm;移栽目标穴盘是72孔,穴孔的基本尺寸是40mm×40mm×46mm。设计的并联机器人末端执行机构在取苗和移栽作业时需要完成两个动作,完成空间3个方向的平移运动,同时可以进行柔性移栽作业移动。因此,在设计时并联机构的动平台的方位特征集为

(1)

其中,t为移动单元;r为转动单元。

2 主要部件设计

2.1 并联机器人设计

本文设计的并联移栽机器人(见图2)根据移栽对象(即40日龄黄瓜穴盘苗)的移栽轨迹需求,高度方向的移栽距离需要大于此时的穴盘苗高度12cm,为安全取苗,设定移栽轨迹高度为1 300mm;根据穴盘规格,移栽时宽度方向跨度最大的距离为4 800mm,对角移栽最大距离6 000mm;考虑到输送装置的间隔距离,并联机器人的移栽工作空间为6 000mm×4 800mm×1 300mm。根据移栽轨迹需求,并联机器人由3条支链组成,第1支链用符号可以表示为-R-R-S-,第2支链表示为-HSOC{-R∥R-P4R-S-}-;第3支链和第2支链相同。符号含义分别为:R是转动副,HSOC是混合支链,S是球副。

图2 并联机器人Fig.2 Parallel robot

2.2 输送装置设计

本次移栽需要从128孔穴盘移栽到72孔穴盘,为了实现自动化作业,设计了相应的配套输送装置,配合并联移栽机器人进行穴盘运输移动。为此,设计配合两条输送带:一条用于将128孔穴盘黄瓜苗输送至并联机器人的移栽区域,待移栽作业完成后将空置的穴盘再输送至收集处;另外一条输送带用于将72孔空穴盘输送至移栽并联机器人移栽作业位置,待移栽作业任务完成后,再将移栽后的穴盘输送至下一步工序位置。

图3所示的穴盘推杆定位安装在链条上,电机带动链轮转动,安装在链轮上的链条随之转动,从而推动穴盘推杆运动到指定移栽作业位置。

图3 输送装置Fig.3 Convey device

2.3 整体结构设计

温室并联移栽机器人由框架结构、并联机器人及输送装置三大部件组成,如图4所示。一条输送装置通过链传动将培育好的128孔穴盘苗输送至并联移栽机器人作业区域,且通过安装在链条上的穴盘挡板间隔开每个穴盘;另一条输送装置将72孔空穴盘输送至并联移栽机器被移栽的作业区域等待移栽作业;整体的框架结构用于安装并联机器人的静平台,确定移栽作业区域。

整个温室并联移栽机器人与输送装置集成后,输送装置通过驱动电机驱动链轮转动,带动链条运转;电机转动一定的圈数后,穴盘挡板推动穴盘移动一定的距离,到达指定移栽作业区域后停止输送装置的驱动电机等待移栽作业。移栽机器人的驱动电机布置在静平台上,驱动并联移栽机器人的驱动电机,通过PLC控制末端取苗爪的移栽作业。

3 试验

3.1 育苗试验

试验选择黄瓜苗作为移栽对象,品种为天津科润农业科技股份有限公司黄瓜研究所研制的津优1号。育苗时,首先准备好育苗基质,体积配比按照草炭、蛭石、珍珠岩为3:1:1,加水搅拌均匀至湿度30%左右,要求基质不能成团;再将基质装入128孔的穴盘,装入时稍微用力,使得基质充满穴孔,并抹平多余基质;将数个空穴盘叠起来,放在已抹平基质的穴盘上方并对齐,用力均匀向下压,压出的深度8～10mm(所有深度要一致,以便出苗整齐);最后,将准备好的黄瓜种子平放在穴盘孔中,每个穴放1颗,覆盖1层10～15mm厚基质,并抹平多余基质;将播种好的穴盘放入水盆里浸水,直至浸透。黄瓜育苗穴盘如图5所示。

图5 黄瓜育苗穴盘(压盘)Fig.5 Cucumber seedling tray (pressure tray)

在距离黄瓜下种育苗3周后,苗株整体高度约为10cm,略有差异;待到育苗第4～6周,苗株整体高度约为12cm。农艺研究表明:此时苗株主要是提升自身的盘根性,株高变化不大,是最佳移栽时机。对于本次研究的黄瓜苗,将以128孔穴盘作为初始育苗穴盘(见图6),待苗株生长到6周时,将黄瓜苗移栽到72孔穴盘。黄瓜苗基情况如表1所示。

表1 移栽作业时黄瓜苗基本情况表Table 1 Basic table of cucumber Seedlings during planting

图6 移栽黄瓜穴盘苗Fig.6 Transplant seedlings of cucumber seedlings

3.2 移栽试验

样机包含机械部分和控制部分,如图7所示。其中,机械部分主要是框架结构、并联机器人、输送装置,控制部分主要是电气控制及其系统。设定本次移栽试验时并联机器人取苗后的上升高度为130cm,从128孔穴盘以不同加速度移栽至72孔穴盘中。

图7 并联移栽机器人系统样机Fig.7 Prototype of parallel transplanting robot system

移栽试验开始时,通过初步移栽调试试验发现:若钵苗的含水率较低,移栽机器人的取苗爪在移栽作业时钵苗容易破裂,导致移栽过程中钵苗掉落甚至破裂,影响移栽合格率。因此,移栽时将黄瓜穴盘苗重新检查含水率,每个穴盘孔中的黄瓜苗株的含水率大约在60%～70%时再进行下面的移栽重复试验。

以取苗移栽阶段时的不同移栽加速度进行对比试验,根据试验结果分析在不同移栽加速度条件下移栽成功率,并进行对比分析。试验阶段移栽加速度设定为5、10、15、20、25、30mm/s2,且设定并联机器人在移栽作业完成后返回的加速度为30mm/s2。设定移栽过程中没有出现钵苗破碎、钵苗掉落、苗株断损且成功移栽至72孔穴盘中为移栽成功,移栽试验结果如表2所示。