穴盤苗仿生取喂機械手的設(shè)計與試驗_胡顯威.pdf

新疆農(nóng)機化 2025年第2期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2025 02 003 中圖分類號 S223 9 文獻標(biāo)識碼 A 0 引言 世界蔬菜產(chǎn)量約六成來自中國 1 目前我國蔬 菜栽種多以人手工從苗盤取苗 通過半自動移栽裝 備完成膜上栽種 該模式勞動成本投入大 為降低 勞動成本 并提高栽種質(zhì)量 全自動移栽機成為蔬菜 栽種行業(yè)的研究關(guān)鍵 而作為全自動移栽機核心部 件的取喂苗機構(gòu)是實現(xiàn)全自動化的前提 根據(jù)不同地域蔬菜種植農(nóng)藝要求 國內(nèi)針對取 喂苗機構(gòu)做了大量研究 取苗機構(gòu)分為頂出式 2 4 插 取式 5 8 夾莖式 9 11 頂出插取式 12 13 及氣吹式 14 15 等 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一種插入頂出的取苗裝置 16 該裝置利用氣缸驅(qū)動頂針穿過苗盤底部排水孔的形 式 將整排穴盤苗頂出 取苗效率高 但若穴盤苗根 系欠發(fā)達 則存在頂針破壞基質(zhì)的風(fēng)險 江蘇大學(xué)研 制了一種頂出夾取組合式的取苗裝置 17 該裝置在 穴盤托板后安裝頂苗機構(gòu)實現(xiàn)穴盤苗從苗盤頂出 文章編號 1007 7782 2025 02 0012 05 穴盤苗仿生取喂機械手的設(shè)計與試驗 胡顯威 1 蔣蓓 1 辛宏偉 1 陳宏 1 王立新 1 韓長杰 2 1 新疆職業(yè)大學(xué) 新疆烏魯木齊 830013 2 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830052 摘 要 針對移栽取苗機構(gòu)取苗成功率低 傷苗率高及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題 本文設(shè)計了一種仿人手持苗方式的機械手 闡述了該裝置結(jié)構(gòu)組成及作業(yè)原理 以苗齡60天的辣椒苗為研究對象開展力學(xué)特性試驗 獲取機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計基 礎(chǔ)參數(shù) 結(jié)合穴盤苗力學(xué)特性及栽植農(nóng)藝要求 確定機械手末端參數(shù)L 1 L 2 L 3 和 分別為15 mm 65 mm 15 mm 150 和120 通過對機械手進行靜力學(xué)分析 分析出取苗的最小提升力和復(fù)位彈簧彈力分別為3 34 N和6 5 N 以此為復(fù)位彈簧選型提供依據(jù) 通過軟件仿真和田間試驗表明 當(dāng)取苗頻率以40 60 90和120株 min作業(yè)時 取 苗成功率依次為97 6 96 8 95 4 和93 8 傷苗率最高為3 1 滿足取喂苗要求 研究結(jié)果能夠驗證機械手取 苗的可行性 為自動化移栽裝備的研究提供參考 關(guān)鍵詞 取苗裝置 力學(xué)特性 機械手 試驗 Designandexperimentofabiomimetictakingandfeeding manipulatorforplugseedlings Hu Xianwei 1 Jiang Bei 1 Xin Hongwei 1 Wang Lixin 1 Chen Hong 1 Han Changjie 2 1 Xinjiang Vocational University Urumqi 830013 Xinjiang China 2 College of Mechanical and Electrical Engineering Xinjiang Agricultural University Urumqi 830052 Xinjiang China Abstract Aiming at the problems of low success rate of seedling taking high rate of seedling injury and complicated structure of transplanting and seedling taking organizations this paper designed a kind of imitation human handheld seedling way of manipulator and described the structure and operation principle of the device The mechanical characteristic test was carried out with 60 day old chili pepper seedlings as the research object to obtain the basic parameters for the design of the manipulator structure Combined with the mechanical characteristics of the hole plate seedlings and the requirements of planting agronomy the end parameters L 1 L 2 L 3 and of the manipulator were determined to be 15 mm 65 mm 15 mm 150 and 120 respectively The statics analysis of the manipulator showed that the minimum lifting force and the reset spring force were 3 34 N and 6 5 N respectively which provides the basis for the selection of the reset spring The software simulation and field experiments of the manipulator showed that the success rate of taking seedlings were 97 6 96 8 95 4 and 93 8 respectively when the seedling picking frequency were operated at 40 60 90 and 120 plants min The highest rate of injuring seedlings was 3 1 which met the requirements of taking and feeding seedlings and verified the correctness of the research method and the feasibility of the manipulator Key words Seedling taking device Mechanical properties Manipulator Experiment 修回日期 2024 12 26 基金項目 基于數(shù)智時代的裝備制造類高職專業(yè)課程教育 教學(xué)模式研究 KTSZ2024102 基于 Logistic 回歸模型的 崗 課賽證 融通培養(yǎng)實踐研究 JXHYZX2024031 教室 機房 車間 循回教學(xué)模式的研究與探索 以 數(shù)控銑削加工 課程 為例 XJZD21KYY013 開發(fā)研究 12 新疆農(nóng)機化2025年第2期 后以取苗爪插入基質(zhì)完成取苗 該裝置取苗穩(wěn)定 但 因取苗爪直接插入基質(zhì) 若基質(zhì)含水量較高 會存在 喂苗時脫離機械爪的現(xiàn)象 北京市農(nóng)林科學(xué)院研制 了一種夾莖式自動取苗裝置 18 該裝置利用氣動機 械爪夾持苗稈的形式進行取苗 取苗效果較好 但取 苗工位較少 工作效率較低 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)袁挺等提 出利用振動消除基質(zhì)與苗盤的粘附力 后利用氣吹 取苗的裝置 19 取苗作業(yè)穩(wěn)定可靠 但該裝置不適用 于展寬較大的穴盤苗 由上述研究可知 直接作用基質(zhì)取苗的機構(gòu)取 決于基質(zhì)松緊程度和盤根情況 影響取苗成功的因 素較多 本文提出一種仿生機械手 仿照人工夾取苗 稈的方式開展取喂苗技術(shù)試驗研究 能夠在保證不 損傷基質(zhì)和苗稈的基礎(chǔ)上將穴盤苗取出 1 穴盤苗力學(xué)特性測定 本文以苗齡60天的辣椒穴盤苗為試驗對象 利 用材料萬能試驗機對苗稈進行擠壓試驗 構(gòu)建莖稈 變形量與擠壓力間的線性關(guān)系 獲取苗稈被夾持而 不損傷的合適夾緊力 每株苗稈徑各不相同 為同時 滿足每株穴盤苗的夾取條件 在128穴苗盤中隨機 取30株完成擠壓試驗 選取30組試驗中夾持力最 大的一組為參考對象 如圖1 圖1 力學(xué)特性測定 由試驗結(jié)果知 莖稈變形量在0 5 1 mm間為 屈服階段 屈服階段擠壓力在20 23 N 此時穴盤苗 在機械損傷最小的基礎(chǔ)上能夠保證穴盤苗的夾持 當(dāng)莖稈變形量大于1 mm時 此時擠壓力大于苗稈 所能承受的強度極限 發(fā)生破裂 在設(shè)計取喂苗機械 手時 為避免機械手夾破苗稈 夾持力最大必需控制 在23 N內(nèi) 故取苗機械手夾持力F C 23 N 2 取喂苗機械手的設(shè)計 2 1 機械手的結(jié)構(gòu)組成及工作原理 取喂苗機械手組件主要由導(dǎo)向軸承 固定座 導(dǎo) 桿 滑塊 復(fù)位彈簧 限位軸承和取苗末端組成 圖 2 機械手作業(yè)主要分為準(zhǔn)備 夾持 提苗 喂苗四個 階段 準(zhǔn)備階段時 滑塊靜止于導(dǎo)桿底部 復(fù)位彈簧 和限位軸承共同將取苗末端限制在張開狀態(tài) 等待 夾持苗稈 夾持階段時 滑塊沿導(dǎo)桿向上運動 取苗 末端因自身形狀特征 在復(fù)位彈簧和限位軸承共同 作用下 將苗稈夾持 提苗階段 滑塊繼續(xù)沿導(dǎo)桿上 移至頂端 穴盤苗被機械手取出苗盤進行轉(zhuǎn)移 投苗 階段 滑塊沿導(dǎo)桿向下運動 直至取苗末端在復(fù)位彈 簧和限位軸承共同作用下張開 完成喂苗 圖2 取喂苗機械手結(jié)構(gòu)及工作原理 1 穴盤苗 2 取苗末端 3 限位軸承 4 復(fù)位彈簧 5 滑塊 6 導(dǎo)桿 7 固定座 8 導(dǎo)向軸承 注 a 準(zhǔn)備階段 b 夾持階段 c d 提苗階段 e f 喂苗階段 2 2 取苗末端的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 取苗末端為機械手的執(zhí)行元件 其材料特性直 接決定穴盤苗取喂成功與否 本文優(yōu)選65Mn鋼材 作為取苗末端制作材料 因其強度高 彈性強 易切 削 能實現(xiàn)苗稈的柔性夾取 可避免苗稈破損 其結(jié) 構(gòu)簡圖如圖3 本文主要針對128穴苗盤參數(shù) 單穴32 mm 32 mm 45 mm 以單次8株夾取為目的設(shè)計取苗 末端尺寸 考慮到穴盤苗需完全取出苗盤 且取出高度 圖3 取苗末端結(jié)構(gòu)簡圖 注 取苗末端第一端夾角 取苗末端第二端夾角 h 取苗末端閉合后距離 mm L 1 取苗末端第二端邊長 mm L 2 取苗末端豎直方向邊長 mm L 3 取苗末端第一端邊長 mm H 取苗末端閉合后固定端距離 mm 30 25 20 15 10 5 0 0 5 1 0 1 5 莖稈變形量 mm 擠 壓力 N 8 7 6 5 4 3 2 1 a b c d e f A B C D S h H L 2 L 3 L 1 開發(fā)研究 13 新疆農(nóng)機化 2025年第2期 不宜大于2倍穴深 故確定取苗末端如下約束條件 32 S 64 h H 32 45 L 2 9 0 1 通過式 1 確定取苗末端參數(shù) S H 和 L 2 分別 為40 mm 26 mm和65 mm 育苗無法保證每株穴盤苗均在穴孔正中間 為 避免相鄰機械手的取苗末端相互影響 參數(shù)h應(yīng)盡 可能大于苗稈直徑且小于穴孔尺寸 本文取h 20 mm 取苗末端的張開和閉合通過其形狀控制 為防 止取苗末端橫向尺寸過大 故引入 和 角 滿足 90 180 90 180 本文取 150 120 取苗末端尺寸參數(shù)滿足如下關(guān)系 L 1 S H 2cos 2 2 L 3 S h 2cos 2 3 綜合式 1 式 3 確定取苗末端各參數(shù)分別是 L 1 15 mm L 2 65 mm L 3 15 mm 150 120 2 3 取苗末端受力分析 根據(jù)取苗機械手的取喂苗過程 分別對取苗末 端的張開和閉合動作進行靜力學(xué)分析 獲得取苗所 需要的最小起拔力 從而為復(fù)位彈簧的選型提供參 考 如圖4 a 機械手閉合受力示意圖 b 機械手張開受力示意圖 圖4 取苗末端動作姿態(tài) 1 滑座2 復(fù)位彈簧3 導(dǎo)桿4 取苗末端5 導(dǎo)向軸承6 穴盤苗 注 G 苗重 g F S 復(fù)位彈簧彈力 N F C 苗稈反作用力 N F N 導(dǎo)向軸承擠壓力 N F fr 苗稈與取苗末端摩擦力 N F ft 苗與穴 盤的粘附力 N F p 外部提升力 N F S 導(dǎo)向軸承和取苗末端的 反作用力 N 當(dāng)機械手夾取穴盤苗時 若要保證穴盤苗被成 功取出 苗稈與取苗末端摩擦力應(yīng)滿足 F fr F ft G 2 4 其中F fr S 此時整個機械手處于力矩平衡狀 態(tài) 其受力如下 Fx F S F C F N 0 5 F Y F P 2F fr F ft G 0 6 F S L AB F N L AD F C L AE 0 7 當(dāng)機械手張開喂苗時 其受力分析如下 F S L AB F N L AB 0 8 F f N F N 9 F P F r 0 10 式 5 式 10 中 基質(zhì)與穴孔粘度系數(shù) S 基 質(zhì)與穴孔接觸面積 cm 2 L AB L AD L AE 各點有效長 度 mm N 摩擦系數(shù) 利用CAD軟件測量功能知各點有效長度L AB 22 mm L AD 98 3 mm L AE 120 mm 已知F C 23 N G 0 3 N S 34 2 cm 2 0 04 N cm 2 通過式 5 式 10 得穴盤苗取出的最小力F P 3 34 N 復(fù)位彈簧 所產(chǎn)生的彈力F S 6 5 N時 穴盤苗可被成功取出 2 4 復(fù)位彈簧選型 取苗機械手夾持苗稈的力由復(fù)位彈簧提供 為 保證機械手取喂具備足夠的剛度和韌性 本文選用 C 級碳素鋼材料的簧絲 其切變模量G為80 000 MPa max 為20 mm 故 n Gd 4 max 8FD 3 2 T 0 4 B 11 D 2 C d D D 2 d K 0 615 C 4C 1 4C 4 d 1 6 F S KC T 姨 姨 12 t d max n 13 取彈簧絲徑1 mm 根據(jù)手冊知 B 1 800 MPa C 10 0 29 mm 聯(lián)立式 11 式 13 算出復(fù) 位彈簧參數(shù)d為0 5 mm 中徑D為6 mm 有效圈數(shù) n為15圈 節(jié)距t為2 13 mm 3 取苗機械手仿真試驗 將設(shè)計的機械手導(dǎo)入ADAMS軟件進行取苗仿 真模擬 觀察其與苗稈夾持力的變化狀態(tài) 從而驗證 機械手結(jié)構(gòu)參數(shù)的可行性 圖5 1 3 4 5 6 G F ft F fr F C F N D B C A F S F P 2 F C E F S F P F N F f 開發(fā)研究 14 新疆農(nóng)機化2025年第2期 機械手夾持力和時間關(guān)系曲線顯示 在0 6 s 時 機械手閉合并開始接觸苗稈 夾持力由零逐漸 增大至23 25 N左右 然后趨于平緩 繼續(xù)出現(xiàn)下 降趨勢 該仿真試驗說明取苗機械手的夾持力與力 學(xué)特性試驗所得夾持力均在23 N左右 滿足取苗 條件 4 田間試驗 本文將設(shè)計后的取喂苗機械手搭載栽植系統(tǒng)進 行取喂苗效果試驗 試驗對象為128穴盤的辣椒苗 試驗情況如圖6 圖6 田間試驗 試驗設(shè)置 40 60 90 及 120 株 min 的栽植速 度 測試機械手在不同栽植速度下取喂苗動作的穩(wěn) 定性 引入取苗成功率 喂苗成功率 總成功率及傷 苗率等評價指標(biāo) 驗證取喂苗機械手的作業(yè)性能 表 1為試驗統(tǒng)計結(jié)果 S R N E N 14 S D N F N E 15 S S R S D 16 S H N H N 17 式 14 式 17 中 S R 取苗成功率 S D 喂苗 成功率 S 總成功率 S H 傷苗率 N 苗總數(shù) N E 苗取出數(shù) N F 喂苗成功數(shù) N H 傷 苗數(shù) 傷苗僅統(tǒng)計苗稈破碎和折斷的情況 試驗結(jié)果顯示該機械手取喂苗成功率可達 97 6 傷苗率低至1 6 通過田間試驗表明該取苗 機械手能夠完成穴盤苗取喂的基本動作 但當(dāng)匹配 高速度栽植 其取喂苗的性能有所下降 5 結(jié)論 1 取喂苗機構(gòu)作業(yè)時 因大多取苗機構(gòu)以指 針斜插入穴盤基質(zhì)的形式進行取苗 出現(xiàn)基質(zhì)破損 現(xiàn)象 且當(dāng)基質(zhì)含水量較高時 取喂苗成功率將降 低 本文通過對適栽苗齡的辣椒苗進行苗稈擠壓物 料特性試驗 得到其處在屈服階段的擠壓力在20 23 N左右 為確保每株苗在不損傷的前提下均能被 完全夾持 取最大擠壓力為23 N 試驗結(jié)果為取喂 苗機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù) 2 針對128穴苗盤規(guī)格 基于機械手的作業(yè) 姿態(tài) 對取喂苗機械手的尺寸參數(shù)進行設(shè)計 確定了 取苗末端各尺寸參數(shù)分別是 L 1 15 mm L 2 65 f 株 min 40 60 90 120 N 株 128 128 128 128 表1 不同頻率下機械手的取喂苗試驗統(tǒng)計 N E 株 126 126 125 124 S R 98 4 98 4 97 7 96 9 N F 株 125 124 122 120 S D 99 2 98 4 97 6 96 8 S 97 6 96 8 95 4 93 8 N H 株 3 2 4 2 S H 2 3 1 6 3 1 1 6 圖5 穴盤苗仿真模擬夾取 30 25 20 15 10 5 0 0 0 5 1 0 1 5 時間 s 夾 持力 N 開發(fā)研究 15 新疆農(nóng)機化 2025年第2期 mm L 3 15 mm 150 120 以所得參數(shù)構(gòu) 建取喂苗機械手 并對取苗和喂苗兩個姿態(tài)進行靜 力學(xué)分析 獲得穴盤苗被取出穴盤的最小提升力及 復(fù)位彈簧彈力分別為F P 3 34 N F S 6 5 N 以復(fù) 位彈簧彈力對彈簧選型 確定復(fù)位彈簧絲徑 d 為 0 5 mm 中徑D為6 mm 有效圈數(shù)n為15圈 節(jié)距 t為2 13 mm 3 利用 Adams 軟件構(gòu)建取苗機械手取喂苗 的仿真試驗 試驗結(jié)果說明機械手末端與苗稈間的 夾持力在23 25 N左右 忽略仿真參數(shù)與實際試驗 參數(shù)的誤差 仿真試驗夾持力取23N 與物料特性試 驗所得夾持力相同 表明本文設(shè)計的取喂苗機械手 滿足預(yù)期夾持要求 4 本文設(shè)置 40 60 90 和 120 株 min 的栽植 頻率進行田間試驗 驗證取喂苗機械手的作業(yè)效 果 通過試驗分析得出 取喂苗成功率最高和最低 分別為97 6 和93 8 傷苗率最高為3 1 結(jié)果 表明該機械手能夠完成穴盤苗取喂的基本動作 符 合預(yù)期仿人手工持稈取喂苗的要求 參考文獻 1 秦貴 蔬菜移栽機械化需求分析及前景展望 J 農(nóng)機科技推廣 2013 4 43 44 2 童俊華 石虎峰 武傳宇 等 穴盤移栽指鏟式末端執(zhí)行器苗缽 基質(zhì)抓取仿真與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2019 50 8 107 116 3 劉大慶頂出 夾取組合式蔬菜缽苗移栽機構(gòu)的研究 D 杭州 浙江理工大學(xué) 2015 4 余建國 張建強 陳軍 等 2ZZ 2型全自動蔬菜移栽機優(yōu)化設(shè) 計與試驗 J 農(nóng)機化研究 2022 44 11 77 82 5 周梅芳 徐建軍 童俊華 等 花卉穴盤苗取栽一體式自動移栽 機構(gòu)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2018 34 20 44 51 6 趙斌棟 王吉奎 任玲 等 伸縮片式番茄移栽機取苗器設(shè)計 J 農(nóng)機化研究 2022 44 4 80 85 200 7 胡建平 潘杰 陳凡 等 基于EDEM RecurDyn的指夾式取苗 爪仿真優(yōu)化與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2022 53 5 75 85 301 8 陳建能 張曉威 劉林敏 等 夾莖式非圓齒輪玉米缽苗移栽機 構(gòu)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 1 11 9 胡建平 常航 楊麗紅 等 自動移栽機整排取苗間隔投苗控制 系統(tǒng)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 49 6 78 84 10 韓長杰 肖立強 徐陽 等 辣椒穴盤苗自動移栽機設(shè)計與試 驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2021 37 13 20 29 11 孫正 薛龍 何梁 等 辣椒穴盤苗自動取投苗裝置設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2023 44 7 48 54 12 韓長杰 周亭 尤佳 等 蔬菜穴盤苗弧形展開式自動取投苗裝 置設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2023 39 8 54 64 13 尹大慶 王佳照 周脈樂 等 探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2019 50 10 64 71 14 郭警偉 黃勇 戴遠征 等 氣吹式落苗裝置有序排苗性能的試 驗研究 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 2014 35 2 136 138 15 包春江 李寶筏 包文育 等 水稻缽苗空氣整根氣吸式有序移 栽機的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2003 6 130 134 16 文永雙 張俊雄 張宇 等 蔬菜穴盤苗插入頂出式取苗裝置研 制 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2020 36 22 96 104 17 胡建平 劉育彤 劉偉 等 蔬菜自動移栽機頂夾拔組合式取苗 裝置試驗研究 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2022 53 S1 110 117 184 18 王秀 劉蒙滋 翟長遠 等 蔬菜移栽夾莖式取苗裝置設(shè)計與試 驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2023 54 9 122 132 19 袁挺 王棟 文永雙 等 蔬菜移栽機氣吹振動復(fù)合式取苗機構(gòu) 設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2019 50 10 80 87 開發(fā)研究 5 結(jié)論 基于多輪田間試驗驗證 本研究設(shè)計的分體式 免耕播種機破茬裝置在性能指標(biāo)和作業(yè)效果方面均 達到了設(shè)計要求 相較于傳統(tǒng)機型 該破茬裝置在作 業(yè)效率 防纏繞能力及適用性方面均有顯著提升 田 間試驗表明平均破茬率 93 11 平均清秸率 93 41 作業(yè)效率提升20 30 機具通過性顯著 提升 作業(yè)性能穩(wěn)定 能耗低 具有較好的實用價值 和推廣前景 參考文獻 1 何進 李洪文 陳海濤 等 保護性耕作技術(shù)與機具研究 進展 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 49 4 1 19 2 范旭輝 賈洪雷 張偉漢 等 免耕播種機仿形爪式防堵清 茬機構(gòu)參數(shù)分析 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2011 42 10 56 60 3 趙佳樂 賈洪雷 郭明卓 等 免耕播種機有支撐滾切式 防堵裝置設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2014 30 10 18 28 4 張旭東 安鶴峰 于文一 等 介紹一種新型驅(qū)動破茬式 免耕播種機 J 中國農(nóng)機裝備 2023 7 27 32 5 林靜 呂洲翼 李宏哲 等 壟作免耕播種機被動式防纏 繞破茬清壟裝置設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2023 54 6 19 27 37 6 彭立新 羅紅旗 劉澤豪 等 免耕播種機破茬圓盤刀設(shè) 計與建模 J 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 2022 9 56 57 60 7 李寶筏 農(nóng)業(yè)機械學(xué) M 北京 中國農(nóng)業(yè)出版社 2003 上接第7頁 16