null null null null 年 null 月 農 業 機 械 學 報 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 植物工廠巖棉塊種苗移植機移植部件設計與試驗 童俊華 null null 劉 珂 null 劉霓紅 null 孫 良 null null 王小琴 null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnull 浙江理工大學機械工程學院 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省種植裝備技術重點實驗室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 廣東省現代農業裝備研究所 廣州 nullnullnullnullnullnull nullnull 農業農村部東南丘陵山地農業裝備重點實驗室 杭州 nullnullnullnullnullnull 摘要 目前植物工廠巖棉塊種苗移植裝備自動化程度低 作業時大多依賴于人工 勞動強度大 效率低 基于植物 工廠水培葉菜種苗移植現狀設計了一種二級變間距的高速移植部件 并配備有一種撥指式定植杯分離輔助機構 對移植手取苗過程中巖棉塊種苗進行受力分析 為移植手設計提供依據 開展撥指式定植杯分離輔助機構落杯試 驗 為后續植苗至栽培槽孔的定植杯中奠定基礎 搭建移植機構試驗平臺 以取苗深度 巖棉塊含水率 移植部件 橫移速度 移植手升降速度 移植手夾苗間距為試驗因素進行五因素三水平正交試驗 通過方差分析各因素對移植 成功率的影響 試驗結果表明 當取苗深度為 nullnull nullnull 巖棉塊含水率為 nullnullnull 移植部件橫移速度為 nullnull null nullnullnull 移植手 升降速度為 nullnull nullnull nullnullnull 移植手夾苗間距為 nullnull nullnull 時 機構移植成功率為 nullnullnull nullnull 移植速度為 nullnullnullnull 株 nullnull 能夠滿足高 速 高效 穩定的植物工廠巖棉塊葉菜種苗移植機械化作業的技術需求 關鍵詞 移植機 巖棉塊種苗 移植手 植物工廠 中圖分類號 nullnullnullnullnull null 文獻標識碼 null 文章編號 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金項目 國家重點研發計劃項目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 作者簡介 童俊華 nullnullnullnullnull 男 教授 博士 主要從事設施農業裝備機電一體化技術研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull 通信作者 孫良 nullnullnullnullnull 男 教授 博士 主要從事農機機構分析與綜合研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull Design and Test of ock Wool Block Seedling Transplantation Mechanism in Plant Factory nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null null nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull null null nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null School of Mechanical Engineering Zhejiang Sci Tech University Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Zhejiang Provincial Key Laboratory of Transplanting Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Guangdong Institute of Modern Agricultural Equipment Guangzhou nullnullnullnullnullnull China null Key Laboratory of Agricultural Equipment for Southeastern Hilly and Mountainous Areas Ministry of Agriculture and ural Affairs Hangzhou nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 0 引言 植物工廠是一種集約化的農業種植方式 可以 人為地控制各種蔬菜最佳的生長環境 不受場地制 約 采用循環營養液供給系統 提高了肥料利用率 能夠全年穩定種植 是公認的設施農業最高發展階 段 植物工廠的發展水平也成為衡量一個國家農業 技術水平的重要標志 null 但目前我國植物工廠機 械化程度不高 移植機器多為半自動移植機 栽植作 業仍然依賴人工完成 勞動強度大 植物工廠栽植機 械化程度不高 尤其缺乏針對巖棉塊種苗的全自動 移植機構 null nullnull 嚴重影響了植物工廠的作業效率和 作業成本 因此開展具有高速 高效 穩定的巖棉塊 種苗全自動移植機的研發勢在必行 null 國外種苗移植機器研究較早 一些研發成熟的 產品主要是通過末端執行器搭配成熟的工業機器人 進行移植作業 null nullnullnullnull 等 null nullnull 設計了一種滑針式 取苗末端執行器 搭配機械臂進行取苗作業 取苗成 功率達到 nullnullnull nullnull 最高移植速度為 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 整體 效 率 不 高 荷 蘭 nullnullnull nullnullnullnullnull 公 司 nullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 研發的固定道式基質塊苗移栽機 法國 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 公司研發的 nullnullnullnullnull 型氣動式基質 塊苗移栽機 意大利 nullnullnullnullnullnullnull 公司的全自動種苗移栽 機以及 nullnullnullnullnullnullnull 公司研究生產的種苗移栽機較為成 熟 nullnull 研發的移栽機主要通過輸送帶 氣動夾爪以 及氣動推桿進行相互配合 達到高速取苗 null 送苗 null 分苗的功能 自動化程度較高 但這幾類產品整體動 力大 價格高昂 并不適合我國農藝 近年來 隨著 人工成本的提高以及科學技術的快速發展 我國研 究人員也致力于研發適合我國農藝以及種植模式的 移植裝備 在一定程度上實現了機械化 移植機搭配 末端執行器也從單末端向多末端演化 但主要目標 苗株以穴盤苗為主 nullnull nullnullnull 韓綠化等 nullnull nullnullnull 設計了一 種適用于 nullnullnullnullnullnull 孔穴盤苗的輕簡型溫室穴盤苗自 動移栽機 該移栽機搭配設計一種兩指四針鉗夾式 取苗末端執行器進行取放苗作業 移栽作業時對于 nullnullnullnullnullnull 孔取苗移栽速度分別為 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 和 nullnullnull nullnull 株 nullnullnullnull 平均取苗成功率為 nullnullnull nullnull 但所設計 移栽機搭配單個末端執行器 整體移栽效率不高 黎 波等 nullnull nullnullnull 設計了兩種移植機械手 一種為鏟式移植 機械手 一種為伸縮針式移植機械手 作業對象為椰 糠基質 通過分析 最終確定當移植手處于伸縮針入 土角 nullnullnull 針直徑 nullnull null nullnull 伸縮針入土間距 nullnull nullnull 條 件下時 移植成功率可達到 nullnullnullnull 但作業對象局限 于椰糠基質 整體移植速度不高 胡建平等 nullnull 針對 穴盤苗的栽植 設計了自走式移栽機行星輪轉臂式 栽植機構 該機構每組栽植單體可以實現蔬菜的雙 行移栽 可以適應 null 種不同株距的移栽作業 蔬菜苗 栽植率為 nullnullnull 但機器振動較大 影響了整體栽植 穩定性 侯加林等 nullnull 設計了一種基于 nullnullnull null nullnullnullnull 的辣椒缽苗移栽機 取苗方式為夾莖式 最佳條件下 取苗成功率可達 nullnullnull nullnullnull 但該移栽機適用于根莖 粗壯的缽苗 移栽對象有一定的局限性 崔志超 等 nullnull 針對甘藍基質塊苗設計了一種雙排鏈式栽植 裝置 通過配合種苗移栽機試驗 得 出 倒 伏 率 nullnull nullnullnull 傷苗率 nullnull nullnullnull 但整體速度較低 無法實現 高速作業 孟青新 nullnull 設計了一種適合小空間作業的 可以進行二次夾緊的爪片式機械手 在機器搭配 nullnull 個機械手進行共同移植作業情況下 移植成功率達 nullnullnull nullnullnull 移植速度為 null nullnullnull 株 nullnull 一個作業循環需 nullnullnull nullnull null 機械手需要搭配彈性帶進行變間距作業 無法實現自動變間距來適應不同作業對象育苗盤以 及栽培板 俞高紅等 nullnull 設計了一種適用于小青菜的 非圓齒輪傳動多行取苗機構 通過運動學分析以及 自主開發的反求設計軟件 確定最佳取苗軌跡 試驗 得出取苗機構取苗成功率為 nullnullnull 左右 周海麗 等 nullnull 通過分析受力以及移植手剛柔耦合仿真設計 了一種溫室穴盤缽苗成排取苗移植手部件 該移植 部件通過 nullnull 爪移植手搭配移栽機進行取放苗試驗 最佳條件下取放苗成功率為 nullnullnull nullnull 一個作業循環 需 nullnull nullnull null 綜上 國內學者研發的移植裝備 在一定 程度上實現了自動移植功能 但研究移植機的作業 對象多以穴盤苗為主 缺乏針對植物工廠巖棉塊種 苗相配套的移植機設計與試驗的研究 本文針對植物工廠巖棉塊種苗高速移植機的作 業需求 設計一種用于植物工廠水培葉菜種苗的二 級變間距高速移植部件 并配備有一種撥指式定植 杯分離輔助機構 開展多因素試驗確定移植最佳參 數 搭建試驗樣機 以驗證整機作業性能 1 全自動移植機整機結構與工作流程 1 1 結構組成 全自動移植機的高速移植部件需要將成熟的巖 棉塊種苗從泡沫育苗盤中取出 分栽至栽培槽孔的 定植杯中進行后續培育 定植杯分離輔助機構需要 將定植杯從堆疊狀態分離開來 并且精準放入栽培 槽孔中 設計的全自動移植機整體結構如圖 null 所 示 整機主要由機架 栽培槽承載板 定植杯分離輔 助機構 移植部件驅動模組 移植手 泡沫育苗盤承 載板 泡沫育苗盤安裝定位板等組成 1 2 工作流程 全自動巖棉塊種苗移植機移植作業主要包含 nullnullnull第 null 期 童俊華 等 植物工廠巖棉塊種苗移植機移植部件設計與試驗 圖 null 移植機整機結構圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull 栽培槽 nullnull 定植杯分離輔助機構 nullnull 移植部件驅動模組 nullnull 高 速移植部件 nullnull 泡沫育苗盤承載板 nullnull 泡沫育苗盤 nullnull 泡沫育 苗盤安裝定位板 null定植杯分離輔助機構將定植杯分離開并精準投入 栽培槽孔中 以配合高速移植部件進行植苗作業 null高速移植部件處于合攏狀態將巖棉塊種苗從泡沫 育苗盤中取出 null高速移植部件移植手變間距分開 到達栽培槽孔的定植杯正上方進行植苗 作業流程 圖如圖 null 所示 圖 null 作業流程圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 高速移植部件 nullnull 泡沫育苗盤承載板 nullnull 泡沫育苗盤 nullnull 栽 培槽承載機構 nullnull 定植杯分離輔助機構 nullnull 栽培槽 nullnull 植苗位 置 定植杯 將空栽培槽放置在栽培槽承載板上 將栽培槽 前移至落杯位置處 定植杯分離輔助機構開始進行 分離動作 分杯完成且將定植杯投入栽培槽孔中 后 將裝有定植杯的栽培槽放置到植苗位置等待植 苗作業 供苗泡沫育苗盤放置在取苗區域 隨后高 速移植部件開始工作 滑臺氣缸下行到最佳取苗深 度 移植手抓取巖棉塊種苗 而后滑臺氣缸上升 滑 臺氣缸上升至最高位后 驅動模組帶動高速移植部 件到達植苗位置 同時移植手通過驅動電機 齒輪齒 條副相互配合進行變間距分開 到達植苗區域栽培 槽孔中定植杯的正上方 將巖棉塊種苗精準植入栽 培槽孔中的定植杯中后 高速移植部件在直線模組 驅動下回歸取苗位置 移植手合攏至取苗間距 隨 后將栽培槽向前移一排栽培槽孔的距離 等待下一 次植苗作業 如此循環往復實現泡沫育苗盤成排取 苗以及栽培槽變間距并行植苗作業 2 關鍵部件設計 2 1 巖棉塊種苗物理特性 試驗對象選用廣良白云基地所育生菜種苗 栽 種在 nullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnull 的 nullnullnull 孔 nullnull nullnullnull 泡沫育苗 盤內 穴孔為圓柱形 直徑 nullnullnull null nullnull 深度 nullnull nullnull 栽 培載體為巖棉塊 將育苗盤放置在配置好的營養液 中進行育苗 培育周期為 null nullnullnull null 此時葉菜種苗根 系發達 巖棉塊包絡性強且苗與苗之間葉片干擾較 少 泡沫育苗盤以及苗株如圖 null 所示 圖 null 泡沫育苗盤及苗株 nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 2 2 高速移植部件設計 高速移植部件由 null 個移植手 移植部件驅動單 元 移植部件固定板 移植部件橫移導軌 齒條 機架 等組成 具體結構見圖 null 高速移植部件整體橫移 工作區長為 null nullnullnull nullnull 移植手變間距工作范圍為 null nullnullnullnull nullnull 圖 null 高速移植部件結構圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull 栽培槽 nullnull 移植手 nullnull 移植部件驅動單元 nullnull 移植部件固定 板 nullnull 移植部件橫移導軌 nullnull 齒條 nullnull 泡沫育苗盤 高速移植部件作業時首先進行變間距來對應 null 個取苗位置 如圖 null 所示 同時還需要配合移植手變 間距來實現取苗 植苗作業 初始時高速移植部件 在直線模組驅動下到達取苗位置 null 此時 null 個移植 手合攏到達圖 null 紅色穴孔正上方 取苗后 直線模組 驅動高速移植部件到達植苗位置 同時移植手在步 進電機 齒輪齒條相互配合下進行變間距分離到達 植苗位置栽培槽中定植杯的正上方 第 null 次植苗結 束后 直線模組驅動移植部件移動至取苗位置 null 與 此同時移植手合攏到達取苗位置 null 綠色穴孔正上 方 隨后重復上述取苗 植苗步驟 第 null 次植苗結束 nullnullnull 農 業 機 械 學 報 null null null null 年 后 直線模組驅動移植部件到達取苗位置 null 移植手 合攏到達取苗位置 null 藍色穴孔正上方 隨后進行取 苗 植苗步驟 直到第 null 次植苗結束后 泡沫育苗盤 第一排苗株被取完 泡沫育苗盤前進一個育苗孔中 心間距距離 到達取苗位置區域 移植部件也在直線 模組驅動下再次到達取苗位置 null 移植手復位合攏 至取苗位置 null 為下一次取苗做好準備 在高速移植 部件二級變間距配合下循環往復完成取苗 植苗 作業 圖 null 取苗位置示意圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull 2 3 移植手結構設計 齒輪齒條傳動一方面可以完成較高精度直線運 動 另一方面可以由獨立的驅動元進行驅動 完成預 設變間距動作 基于以上齒輪齒條優點本文設計了 一種驅動單元與齒輪齒條相結合的移植手 具體結 構如圖 null 所示 移植手在取苗和植苗時如定位尺寸 偏差過大會出現取苗失敗 取苗爪片扎穿泡沫育苗 盤 送苗過程中掉苗 植苗失敗等情況出現 目標要 求移植手定位精度達到 null null nullnull 反 向 誤 差 nullnullnull null nullnull 因此還需考慮機構定位精度 本文僅需 考慮單向定位精度 和反向差值 nullnull 通過三菱 nullnullnull 進行驅動控制 保證運行過程中的平穩性 安裝時保 圖 null 移植手結構圖 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 步進電機 nullnull 移植手背板 nullnull 整體固定板 nullnull 導軌 nullnull 滑塊 nullnull 齒輪 nullnull 齒條 證機構的平行度 精準度 來確保取苗 植苗時的精 確性 根據目標要求選擇 null 級齒輪精度 齒條精度 null 級 齒 輪 模 數 為 n