多肉植物自动移栽机末端执行器设计与试验*

叶海平

（漳州职业技术学院智能制造学院，福建 漳州 363000）

0 引言

多肉植物是花卉的一大核心品种，由于其叶子和整体造型奇特，深受广大花卉爱好者的喜爱。多肉植物主要依靠方形穴盘育苗的种植方式，需要根据幼苗的不同成长阶段，完成疏植移栽。福建漳州作为多肉植物的种植一大基地，主要采用人工完成疏植移栽作业，存在成本高、效率低的问题。因此，根据移栽技术原理，研究多肉植物自动移栽机，实现多肉植物疏植移栽向自动化、智能化发展是必然趋势。多肉植物自动移栽机的结构包括运载系统和末端执行器。需根据移栽对象的移栽技术要求完成末端执行器的开发设计，末端执行器作为自动移栽机的关键技术，其工作性能直接关系到自动移栽机的工作效率[1-3]。

国外发达国家农业机械化的进程较快，自动移栽机末端执行器的研究起步较早，研究领域较广。韩长杰等设计了一种辣椒穴盘苗自动移栽机，整机主要由全自动取投苗系统与栽植机构组成，采用整排取苗再分苗投苗的方式，实现128（16 列×8 行）穴盘苗的自动取苗、投苗。朱兴亮等设计了一种茄果类钵苗自动移栽机，实现自动移栽机自动取放苗、移苗及分苗、移栽功能。李红阳等设计了一种基于PLC 控制的烟草移栽机，该机构可以完成烟草的取苗、送苗、栽植和回程一系列动作，自动化程度高，灵活性强，结构简单。国内外对自动移栽机末端执行器进行了广泛研究，主要对象为果蔬和树木，研究成果均能较好地完成移栽任务，有效提高了移栽作业的自动化水平。对于多肉植物的自动移栽机研究较少，由于多肉植物的生长环境和钵苗基质与其他果蔬、树木具有一定的差异性，无法用果蔬和树木的末端执行器来实现多肉植物移栽作业[3-6]，为实现多肉植物移栽完全自动化，笔者设计了一种多肉植物末端执行器，通过螺纹传动实现疏密灵活调整，实现不同钵苗的移栽作业。根据多肉植物的移栽技术要求，完成末端执行器的整体结构设计，通过计算和仿真确定末端执行器的材质、尺寸和相关参数，最后试制出末端执行器，将它搭载在车载系统，对多肉植物进行移栽试验，验证其合理性，为多肉植物自动移栽技术提供了有力支撑。

1 总体结构与工作原理

1.1 取苗末端总体结构

多肉植物自动移栽机末端执行器作为移栽过程中的重要部件，主要由间距调节气缸、连杆、滑块、取苗气缸和取苗器构成，株距可调式取苗末端执行器结构图如图1 所示。由于多肉植物自动移栽机末端执行器在工作过程中的负载较小，而且气压传动过程中无污染、气源充足、工作环境适应性好，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射、振动等恶劣工作环境工作时，安全可靠性高、气动动作迅速、反应快、调节方便，且具有气动元件结构简单、成本低且寿命长等优点，所以本系统选择气动传动系统。依靠间距调节气缸活塞的上下运动，完成4 个取苗器的间隙调整，利用取苗气缸活塞的上下运动，完成取苗和放苗工作动作[7-8]。

图1 株距可调式取苗末端执行器结构图

1.2 取苗工作原理

多肉植物自动移栽机末端执行器的工作原理：通过间距调节气缸活塞下移，调整取苗器的间距移动至与来源穴盘的间距相等，多肉植物自动移栽机将末端执行器移动至目标穴盘，间距调节气缸活塞下移，调整取苗器的间距移动至与目标穴盘的间距相等。末端执行器通过取苗气缸的伸出，将取苗针斜插进入钵体，穴盘苗在取苗末端执行器的带动下被取出，间距调节气缸活塞将穴盘苗间距调整至与目标穴盘间距相等，取苗气缸带动取苗针回缩，直至取苗针完全脱离钵体，完成疏植移栽过程[9-10]。

1.3 取苗器的结构设计

取苗手指主要用于移栽作业时对穴盘苗钵进行抓取，由于取苗器的取苗对象为多肉植物，质量较轻，气压传动具有结构简单、无污染、动作迅速等优点[11-13]，故选取气压传动作为动力源实现移栽作业，其中气缸选用行程35 mm的复动型铝合金笔形气缸。

取苗针作为取苗手指的关键部件，玉露多肉植物的培养基质蓬松，质量较轻，在满足工作要求的情况下，为简化取苗针结构，选用2 根扁针直插式的取苗针对苗钵进行抓取作业。取苗针在作业过程中，取苗针的插入位置均位于苗钵同侧，利用其入土倾角及取苗针斜插倾角，通过竖直方向的作用力提取幼苗，取苗器结构示意图如图2 所示。该取苗手指既能在取苗时减少对苗钵的损伤，同时又能够增加针体与苗钵的接触面积，从而提高取苗稳定性。选取厚度为2 mm 的铝合金板制作取苗针，适用于多种规格的穴盘苗钵。

图2 取苗器结构示意图

取苗针夹角β 值的设置：为更好完成取苗作业，取苗针一般都要与竖直平面具有一定的夹角，夹角越大，取苗针越倾斜，在作业过程中拔取力就越大，但是夹角太大，不利于取苗针插入和拔出作业；夹角越小，取苗针越竖直，便于插入和拔出，但承载力低，易碰触穴孔壁。通过理论分析和试验论证，边长6.5 mm 的穴苗盘穴孔高度为30 mm，重量13 g 左右，夹角值最佳值为9.2°；边长10 mm 的穴苗盘穴孔高度为38 mm，重量15 g左右，夹角值最佳值选取9.8°；边长15 mm 的穴苗盘穴孔高度为42 mm，重量17 g 左右，夹角值最佳值选取10.6°。为保障取苗针能顺利完成移栽作业，取苗针的夹角值选取10.6°。

2 移栽试验

从漳州市高新区九湖多肉植物种植基地随机选取苗龄60 d 的玉露幼苗，育苗基质为有机活性基质，有机质质量分数为38%，总孔隙度60%～90%，人工对试验对象样品进行测量，展宽范围为5.25 mm～6.65 mm，玉露颈宽为3.15 mm～4.56 mm，玉露苗高为4.12 mm～5.56 mm，总质量为13.56 g～16.89 g，钵体湿质量为14.89 g～19.68 g，含水率为45.23%～60.52%。移栽机设备选用山东青州的寿光市菲阳商贸有限公司生产的全自动穴盘苗移栽机，搭载上面设计的多肉植物末端执行器，末端执行器工作现场如图3所示。

图3 末端执行器工作现场

利用多肉植物末端执行器的自动移栽机分别完成方形边长6.5 mm、10 mm和15 mm三种规格穴盘的移栽试验，完成6.5 mm～10 mm、6.5 mm～15 mm、10 mm～15mm 三种穴盘苗的移栽作业。每种作业方式选取100 株品种为玉露的多肉植物进行试验，每个试验重复三次取平均值。移栽数据统计表如表1所示。

表1 移栽数据统计表

3 结论

针对多肉植物的移栽自动化程度低、效率低的问题，设计了一种基于气压传动的株距可调式取苗末端执行器。通过活塞上下移动带动连杆和滑块移动，实现取苗手指气缸的间隙调节，使取苗手指在倾斜刺入苗钵时，能够减少取苗针对幼苗叶片的损伤。搭建穴盘幼苗疏植移栽试验平台，进行正交试验，进行了不同疏植株距要求的验证试验，试验结果表明，移栽成功率为94%以上，移栽成活率为90.56%以上，有效提高了多肉植物移栽的效率。