穴盘苗吹叶补苗机构设计与试验

黎 波，辜 松，谢忠坚，初 麒，姜德龙

（1. 华南农业大学工程学院，广州 510642；2. 江西农业大学工学院，南昌 330045；3. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；4. 广州实凯机电科技有限公司，广州 510642）

0 引 言

穴盘育苗技术广泛应用于蔬菜及花卉生产[1-3]，为保证穴盘苗的品质，育苗过程中需控制穴盘苗的长势均一性。针对穴盘苗中的不合格苗，目前主要利用机器视觉技术对穴盘苗俯视图图像进行判别，确定不合格苗穴位置[4-7]，然后采用气力或机械手剔除不合格苗[8-10]，再利用补苗机械手对剔苗后的空穴补苗。荷兰Visser公司[8]、TTA公司[9]及Flier公司[10]均开发出针对穴盘苗的补苗装备产品。童俊华等[11]基于贪心算法对温室穴盘苗由高密度移向低密度的移植路径进行优化；周梅芳等[12]针对花卉穴盘苗设计了一种取苗和植苗的一体式自动移植机构；寻真福[13]采用光敏传感器对穴盘苗的缺苗信息进行检测，设计了一种穴盘苗检测与补苗装置。以上研究都是针对穴盘苗移苗及补苗技术的初步探索。金鑫[14]通过机器视觉对穴盘苗茎秆进行判别，判断穴盘穴孔是否有苗；梁喜凤等[15]针对子叶期蔬菜穴盘苗研制了一种包裹式补苗末端执行器；丁煜华[16]基于机器视觉技术，设计了一款针对穴盘苗的剔补试验样机。以上研究均针对不存在叶片遮挡的苗龄较小的穴盘苗。

然而，一些处于移植期的花卉及蔬菜穴盘苗的叶片较大，叶片之间相互遮挡，这种状态下，通过穴盘苗的俯视图像难以判别叶片遮挡下的穴盘苗长势。目前针对叶片相互遮挡的穴盘苗，大都采用人工剔苗再人工补苗，作业效率低，劳动成本高[17-18]，迫切需要开发针对穴盘苗叶片遮挡待补空穴的自动化补苗生产装备[19]。

针对穴盘苗叶片遮挡的情况，荷兰Visser公司的Select-O-Mat型高速分选机[8]，TTA公司的MaxSorter分选机[9]以及Flier公司的分级生产线[10]，先将穴盘中的所有穴盘苗取出，然后利用机器视觉技术基于侧视图图像评判每株苗的长势，以解决穴盘苗叶片遮挡情况下无法通过俯视图像判别穴盘苗长势的问题。然而，生产中穴盘苗成苗不合格率一般不足20%[20]，如果利用穴盘苗分级设备对穴盘中所有穴苗进行分选，工作量大，设备复杂、成本高。对于穴盘苗成苗仅需使用合格苗替换不合格苗即可，无需将穴盘苗全部取出。针对叶片遮挡穴盘苗的长势识别，作者所在团队在暗室条件下用带有光纤光束的微型摄像机获取种苗叶片下方茎秆的图像进行判别[21]，识别不合格穴苗，获取不合格苗位置。在此基础上，本文针对叶片遮挡穴盘苗的空穴机械补苗作业时补苗机械手补苗时造成穴盘苗叶片损伤的问题，提出一种基于高压气流的吹叶补苗方法，设计一种吹叶机构协助补苗机械手移植补苗，并以红掌、白掌、芥蓝、菜心、白菜和生菜6种具有不同叶片遮挡程度的穴盘苗为对象，进行吹叶补苗性能试验。

1 材料与方法

1.1 试验材料

研究选取6种栽培量较大的红掌和白掌2种花卉穴盘苗，芥蓝、菜心、白玫瑰白菜和精品意大利生菜4种蔬菜穴盘苗。其中2种花卉穴盘苗苗龄为组培苗定植于穴盘后3个月，4种叶菜穴盘苗苗龄为播种后16 d[22-23]，均使用72穴（6×12）PVC穴盘培育，穴盘外形尺寸为280 mm×540 mm。6种穴盘苗的侧面投影图如图1所示。

为考察所用穴盘苗的几何参数，选取6种穴盘苗各60株，使用Canon 500D型数字相机，拍摄各单株穴盘苗侧面投影图（图1），然后通过Image J图像处理软件，测取各单株穴盘苗的株高、冠幅（见表1）。穴盘待补空穴的初始叶片遮挡率（记为初始叶片遮挡率）为穴盘待补空穴被相邻穴盘苗叶片遮挡的面积与穴孔面积的比值，反映相邻穴盘苗叶片对待补空穴的遮挡程度。使用Canon 500D型数字相机，针对各类穴盘苗，分别拍摄60幅叶片遮挡下的待补空穴俯视图图像，然后通过Image J图像处理软件，测取并计算出初始叶片遮挡率，结果见表1。为考察穴盘苗茎秆的弯曲特性，截取各类穴盘苗茎秆长10 mm的茎段，使用ARK-10M4-20型力学测试平台和IMADA-DS2-2N型测力计测试该茎秆的弯曲力，测力计精度为 0.001 N，测量范围为0～2 N。如图2所示，测量时茎秆一端固定，另一端通过提升挂钩在距离茎秆固定点5 mm处对茎秆进行提拉，提升速度设为5 mm/min，提拉力的最大值为苗的弯曲力，每种穴盘苗随机选10株截取10个茎段进行测量，结果取平均值。

如表1所示，红掌穴盘苗茎秆的弯曲力明显大于其他品种，另外，蔬菜穴盘苗中芥蓝的弯曲力也较大。通过比较图1中6种穴盘苗的叶片方向，可以看出红掌穴盘苗的叶片方向几乎是水平的，而其他穴盘苗的叶片方向都是倾斜的。另外，由于栽培时间的不同，2种花卉穴盘苗的初始遮挡程度较为严重，其待补空穴的初始叶片遮挡率是其他4种叶菜类穴盘苗的2倍左右。

表1 试验用穴盘苗的特征参数Table 1 Characteristic of plug seedlings for experiments

1.2 工作原理

1.2.1 补苗机工作原理

如图3所示，穴盘苗补苗机主要由穴盘苗供给装置和补苗装置组成。穴盘苗供给装置包括合格穴盘输送机构和待补苗穴盘输送机构，作用是为补苗装置提供合格苗和待补苗穴盘。补苗装置主要包括吹叶机构、补苗机械手和补苗机械手移动机构，作用是通过补苗机械手将合格苗补入待补空穴中。

作业时，先人工分选出1整盘合格穴盘苗，与已剔除不合格苗的待补苗穴盘分别由输送带输送至补苗机械手正下方，然后补苗机械手拾起1行6株合格苗，通过补苗机械手移动机构输送至待补苗穴盘正上方；吹叶机构安装于待补穴盘苗输送机构补苗位置正下方，由6组伺服电动缸驱动的射流气管组成，射流气管通过待补苗穴盘输送机构上的孔穿过穴盘底端渗水孔，与上方补苗机械手的位置一一对应，在获取由不合格苗剔除装置中视觉识别单元给出的待补苗空穴位置坐标后[18]，相应位置的射流气管由伺服电动缸驱动向上运动，利用高压气流将遮挡待补空穴周边的穴盘苗叶片吹开，相应位置的补苗机械手将合格苗植于待补空穴中；然后待补穴盘沿输送机构运动方向步进至下一行待补苗空穴位置与正上方的补苗机械手对齐，补苗机械手在移动机构的带动下调整补苗位置继续补苗，直至6株合格苗全部用完。重复上述步骤，直至所有空穴被合格苗补齐。

1.2.2 吹叶机构作业原理

吹叶机构包括6组射流气管，射流气管的数量与穴盘短边方向上穴孔的数量相等，为6个。如图4所示，射流气管由穴盘底端渗水孔向上伸出（图4a）。当射流气管顶端到达穴盘的上表面后，高压气流由射流气管下端进入，射流气管上端顶部出口被封住，在顶端同一水平面上，等角度间距开有多个圆孔，高压气流由圆孔射出，然后射流气管继续上升（图4b）；最终在高压气流的作用下，待补空穴周围的穴盘苗叶片被吹开（图4c）；然后射流气管与补苗机械手同步下移，补苗机械手在无遮挡条件下将合格苗植入待补空穴中，完成补苗作业。

2 吹叶机构设计

射流气管选用不锈钢钢管，由于72穴穴盘底端渗水孔直径为7 mm，考虑到对位误差，钢管内径确定为5 mm，壁厚为0.5 mm。射流孔布置在射流气管的顶端，如图5所示。射流气管由伺服电动缸驱动上下运动，由于穴盘穴孔深度为43 mm，考虑到穴盘苗最大株高（表1，为105.9 mm），射流气管伸出穴盘上表面高度H取为107 mm，伺服电动缸行程选为150 mm，型号为MRB32-L1-S150。

为考察射流气管出气口气流速度分布情况和确定射流管射流孔开孔数量，利用Fluent 15.0软件对射流气管产生的射流流场进行模拟。考虑到叶片对穴盘待补空穴的遮挡来自不同方向，射流气管的射流孔布置在同一水平断面上，沿圆周均布。开孔数越多，射流的辐射面越大，但开孔数在结构尺寸上受孔径的影响，而射流孔直径小于1 mm会造成局部阻力过大[24-25]，综合考虑以上因素，选取射流孔数量分别为6、7、8个进行模拟。此外，考虑到射流速度与射流气管内的气流速度主要受射流气管截面面积与所有射流孔面积之和的比值C（式（1））的影响，因此，对C值为1、2、3的工况进行模拟。射流孔直径d按式（2）计算，当C分别为3、2、1时，6个射流孔情况下的射流孔直径d分别为1.2、1.4和2.0 mm，7个射流孔情况下的射流孔直径分别为1.1、1.3和1.9 mm，8个射流孔情况下的射流孔直径分别为1.0、1.2和1.8 mm。

式中At为射流气管截面面积，mm²；Aj为所有射流孔面积之和，mm²；D为射流气管内径，mm；N为射流孔数量。

首先利用Solidworks 2010软件建立上述工况的三维模型，并利用Gambit软件分别对三维模型进行网格划分。采用标准k-ε湍流模型，近壁面的流动模拟采用标准壁面函数[26-28]。射流气管底端为气流入口，射流孔为自由流动出口。环境条件[29-30]为空气密度（ρ）1.29 kg/m3，环境压力（P）1.01×105Pa，环境温度（T）298 K，动态黏度（μ）1.78×105kg/(m·s)，仿真结果如图6所示。

由图6可以看出，当射流孔数为6时，在C=3条件下，气流辐射面积仅为所辐射圆周面积的1/3左右，在C=1时，增加到1/2左右；当射流孔数为7时，在C=1条件下，增加到2/3左右；而当射流孔数增加到8时，在C=1条件下，气流已完全覆盖整个圆周。因此，为获得理想的气流辐射作用，射流孔数确定为8，C值通过性能试验确定。

为了分析射流气管喷出的射流对替补苗基质块的影响，依据仿真结果，在射流孔数为8的条件下，针对不同C值时射流垂直截面上的气流速度分布进行模拟（结果如图7）。由图7可知，3个C值条件下的射流上边缘均存在死角，可容下补苗机械手夹持的基质块，射流作用区域与基质块有一定距离，当射流气管和基质块同时向下移动时，补苗机械手在吹叶机构射流的辅助下进行补苗作业，射流不会与穴盘苗基质块接触而影响作业效果。

3 吹叶补苗试验

3.1 材料与方法

为考察穴盘苗叶片遮挡条件下射流吹叶补苗的作业效果，针对图1中的6种穴盘苗分别进行吹叶补苗试验。试验使用1个单元模块的吹叶机构和1个补苗机械手进行，补苗机械手挂接于VP-6242E/GM型机械臂上，机械手最大负荷2 kg，射流气管固定于MRB32-L1-S150型伺服电动缸上。气路连接示意图如图8所示，试验装置如图9所示。

补苗作业性能试验主要考察穴盘待补空穴上方的遮挡叶片能否被吹开，阻碍补苗的遮挡叶片是否会补入待补空穴的基质块压住或损伤。为此，目标函数确定为吹叶后叶片遮挡率（Rcb）和穴盘苗补苗成功率（Rf）。吹叶后叶片遮挡率为射流气管到达叶顶端时（此时吹叶效果最佳），待补空穴被相邻穴盘苗叶片遮挡的面积与穴孔面积的比值，测定方法与1.1节相同。穴盘苗补苗成功率为穴盘苗完全进入待补空穴后，待补空穴相邻穴盘苗叶片没有发生损伤的补苗数量与总补苗数量的比值。

射流气管压力影响气流吹叶效果，通过预试验发现，最小射流孔为1.0 mm条件下，射流气管压力至少要大于0.1 MPa，6种试验用穴盘苗茎叶才开始出现由穴孔中心向四周吹开的趋势；当射流气管压力大于0.31 MPa时，生菜和白菜的穴盘苗茎叶开始出现损伤，其他品种穴盘苗茎叶摆动幅度较大且不稳定，因此确定射流气管压力为0.1～0.31 MPa，间隔0.03 MPa，共8个水平。另外，C值也对吹叶效果有影响，其水平值的选取与1.3节一致，取为1、2和3，试验因素水平如表2所示。

表2 吹叶补苗试验因素水平表Table 2 Factors and levels of experiments on blowing leaves and replanting seedlings

首先，机械臂驱动补苗机械手拾取待补合格苗，然后移动到被相邻穴盘苗遮挡的待补空穴上方，伺服电动缸驱动射流气管从穴盘底端渗水孔穿过待补空穴，射流随射流气管到达叶顶部；随后，补苗机械手夹持基质块与射流气管同步向下移动，穴盘苗基质块底端与射流气管上端保持5 mm间距；最后，射流气管移开，补苗机械手将合格苗补入待补空穴中。参考现有补苗机作业速度[8-10]，补苗机械手和射流气管移动速度均为0.6 m/s。

随机选取满足要求（待补穴孔四周都有合格的穴盘苗）的30个穴孔位置，先将该位置的穴盘苗和基质块剔除，按表2进行全因素试验。

3.2 结果与分析

试验结果如图10所示，由图10可知，随着射流气管压力的增加，2种花卉穴盘苗的补苗成功率存在明显的波峰，两者成功率的最大值与最小值差值分别为80%和16.7%，与白掌相比红掌的波峰更加显著。4种叶菜穴盘苗的补苗成功率随着射流气管压力的增大而小幅增大，个别品种也有波峰出现（比如芥蓝补苗成功率的最大值与最小值差值为26.7%），但是趋势并不明显。进一步观察图10中各类穴盘苗的补苗成功率，均有90%以上的工况，红掌在射流气管压力为0.28 MPa时（图10a）补苗成功率达到92%，白掌在压力范围为0.19～0.25 MPa（图10b）时补苗成功率达到94%，芥蓝在压力范围为0.22～0.31 MPa（图10c）的补苗成功率最高，其他3种蔬菜穴盘苗在压力范围为0.16～0.31 MPa（图10d～10f）的补苗成功率最高。根据以上结果可以得出，花卉穴盘苗补苗成功率大于90%时对应的射流气管压力范围比叶菜穴盘苗要窄，即花卉穴盘苗的遮挡叶片比叶菜的更难以吹动。

吹叶后叶片遮挡率实时反映叶片遮挡情况，是影响补苗作业的重要因素，如图10所示，补苗成功率与吹叶后叶片遮挡率基本成反比。另外，各类穴盘苗的初始叶片遮挡率也对补苗成功率产生影响。根据表1可知，花卉穴盘苗的初始叶片遮挡率为56%～60%，待补空穴的初始叶片遮挡较为浓密，即使用较大压力射流去吹开遮挡叶片，仍有部分叶片会趋向恢复到原有位置，无法达到一个较为稳定、较小的瞬时吹叶后叶片遮挡率，因此，随着射流气管压力的增大，花卉穴盘苗的补苗成功率先上升，后下降；叶菜穴盘苗的初始叶片遮挡率为29%～36%，初始叶片遮挡不是很严重，随着射流气管压力的增大，叶菜穴盘苗的补苗成功率均呈缓慢上升趋势。根据对试验过程的观察，花卉穴盘苗的初始叶片遮挡率高，叶片遮挡面积大，严重阻挡了射流气管喷出的气流，随着射流气管压力的增加，射流克服叶片遮挡的能力增强，直至补苗成功率达到最大值，而当射流气管压力进一步增大，在较大初始叶片遮挡率与加强射流的耦合作用下，强气流穿过叶片层形成随机涡流，同时也会产生气流振动，导致瞬时吹叶后叶片遮挡率以及补苗成功率不稳定，甚至下降，这个趋势可由图10中红掌与白掌的补苗成功率和吹叶后叶片遮挡率变化得到验证，即在0.25 MPa射流气管压力以上的高压区，二者补苗成功率和吹叶后叶片遮挡率的标准差均比其他工况高许多（红掌和白掌为10%左右，其他品种穴盘苗仅为5%左右），这说明在此条件下补苗成功率和吹后叶片遮挡率非常不稳定。与花卉穴盘苗相比，叶菜穴盘苗的补苗成功率与吹叶后叶片遮挡率的标准差都较小，因此，叶菜穴盘苗的补苗成功率总体平稳（图10）。根据图10的补苗成功率都随着C值的增大先增大后减小，C值为2，射流孔直径为1.2 mm时作业性能更好。

红掌和芥蓝穴盘苗的茎秆弯曲力分别在花卉和叶菜中最大（表1），在射流气管压力低于0.19 MPa时，与其他4种穴盘苗相比，补苗成功率低于90%。综合考虑穴盘苗茎秆弯曲力和穴盘苗初始叶片遮挡率（表1），在最小射流气管压力0.1 MPa条件下，红掌的补苗成功率最小，仅为16.7%，其他穴盘苗的补苗成功率在70%～80%之间，差异不大。此外，在各穴盘苗达到最大补苗成功率时，红掌穴盘苗所需的射流气管压力值最大，为0.28 MPa，而其他穴盘苗均不超过0.22 MPa（图10）。

红掌穴盘苗的补苗成功率存在峰值（图10a），达到最大补苗成功率时的射流气管压力最大为0.28 MPa，这不仅是因为红掌茎秆弯曲力和初始叶片遮挡率较高，其叶片与水平面的倾角较小也是原因之一。如图1所示，大部分穴盘苗的叶片向上，与水平面夹角约45°，而红掌穴盘苗的叶片与水平面接近平行，甚至向下倾斜。图11为在吹叶机构射流作用下，红掌和白掌穴盘苗叶片的受力情况。白掌叶片向上倾斜，由于射流气管喷出的射流方向基本是水平的，比较这2种穴盘苗，可以发现白掌叶片有一定迎风面积，而红掌叶片迎风面积很小，因此，红掌叶片获得的旋转力矩不大。另外，与其他叶片向上倾斜的穴盘苗相比，红掌的茎秆弯曲力最大，这也进一步导致红掌叶片是最难吹动的。

4 结 论

1）针对机械补苗作业中存在穴盘苗叶片遮挡待补空穴的问题，设计内径5 mm的射流气管，该射流气管顶端封闭，靠近顶端的水平截面均布开设8个直径1.2 mm的射流孔。射流气管由穴盘底端渗水孔向上移动，与夹持合格苗的补苗机械手配合填补空穴，可实现针对72穴盘培育的红掌、白掌、芥蓝、菜心、白菜和生菜6种具有不同程度叶片遮挡的穴盘苗进行补苗作业。

2）补苗作业时，补苗成功率与各条件下吹叶后叶片遮挡率成反比。穴盘苗的初始叶片遮挡率，叶片倾角对补苗成功率影响较大。对于初始叶片遮挡率较大的红掌和白掌穴盘苗，随着射流气管压力的增加，二者补苗成功率均出现波峰，当射流气管压力大于0.25 MPa时，补苗成功率波动较大，吹叶效果不稳定。

3）针对不同程度叶片遮挡的穴盘苗进行吹叶补苗试验，在射流气管射流孔数为8，射流孔直径1.2 mm条件下，射流气管压力为0.28 MPa时，红掌穴盘苗的补苗成功率可达92%；射流气管压力为0.22 MPa时，白掌穴盘苗的补苗成功率可达94%；射流气管压力为0.22～0.31 MPa时，芥蓝穴盘苗的补苗成功率均可达90%；射流气管压力为0.16～0.31 MPa时，菜心、白菜和生菜穴盘苗的补苗成功率均可达90%。