蔬菜穴盤(pán)苗缽體力學(xué)分析與移栽機(jī)器人設(shè)計(jì)研究.pdf

1、我國(guó)穴盤(pán)苗移栽處于人工取苗半自動(dòng)栽苗水平，研發(fā)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能精良并適于當(dāng)?shù)赜缟a(chǎn)的取苗裝置是實(shí)現(xiàn)穴盤(pán)苗全自動(dòng)移栽的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)法設(shè)計(jì)出能夠?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用的自動(dòng)移栽機(jī)，主要原因是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中取苗爪與缽體互作規(guī)律不清，穴盤(pán)苗的生物力學(xué)特性數(shù)據(jù)短缺，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與育苗工藝不相結(jié)合，嚴(yán)重制約著自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展。針對(duì)這些制約因素，本研究主要完成以下工作:
　　(1)研究了穴盤(pán)苗脫盤(pán)力學(xué)規(guī)律和缽體抗壓力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)穴盤(pán)苗脫盤(pán)過(guò)程是缽?fù)僚c

2、幼苗根系相互牽動(dòng)擺脫孔穴粘附的過(guò)程，對(duì)穴盤(pán)苗的夾取作用主要用于克服缽體與穴孔之間建立的粘附力，當(dāng)使用128穴盤(pán)育苗移栽時(shí)，沿垂直穴孔方向取出穴盤(pán)苗的夾取力約為1.94N。缽體的抗壓力與變形呈非線性變化規(guī)律，抗壓力隨著壓縮變形的增大先緩慢增大再顯著增大。在平板壓縮過(guò)程中，缽體無(wú)明顯的屈服破壞點(diǎn)，其壓縮破壞特征是從缽體盤(pán)根稀疏的區(qū)域開(kāi)始，逐漸擴(kuò)大破碎度。在彈塑性方面，隨著壓縮變形的增大，滯后損失Ep、抗壓峰值力Fmax均增大，彈性度rc減小

3、，并且穴盤(pán)苗缽體壓縮加載變形越大，其塑變能力越強(qiáng)，具有一定的可塑性，可以使用夾取針夾持缽體而不破壞其整體性。利用Burgers模型能有效表征穴盤(pán)苗缽體的壓縮蠕變特性，利用二單元Maxwell模型能有效描述穴盤(pán)苗缽體的力松弛特性，獲得了對(duì)應(yīng)的粘彈性參數(shù)，并分析了壓縮加載蠕變和力松弛規(guī)律。對(duì)于穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽而言，其流變學(xué)特性影響微弱，可以不加考慮。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試方法對(duì)比分析了多種穴盤(pán)苗的力學(xué)特性，研究發(fā)現(xiàn)不同蔬菜穴盤(pán)苗處理間的脫盤(pán)力無(wú)顯著性差

4、異，不同穴盤(pán)苗缽體的抗壓力與變形關(guān)系均遵從非線性曲線，都沒(méi)有明顯的線彈性。
　　(2)基于對(duì)穴盤(pán)苗脫盤(pán)力、夾取針插入缽體拉拔的摩阻特性以及缽體抗壓力分析，建立了穴盤(pán)苗的脫盤(pán)力FL、缽體抗壓力F、壓縮加載的面積AY與夾取針的插入角度α、夾持變形角△α、夾持缽體的面積AJ、缽體夾持變形量x之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。利用建立的夾取參數(shù)設(shè)計(jì)關(guān)系，結(jié)合穴盤(pán)苗力學(xué)特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)完善了一種適應(yīng)穴盤(pán)苗力學(xué)特性的自動(dòng)取苗末端執(zhí)行器。試制物理樣機(jī)，進(jìn)行了自

5、動(dòng)取苗夾持力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，夾持力測(cè)試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)無(wú)顯著性差別，從而檢驗(yàn)了理論設(shè)計(jì)的可靠性。
　　(3)利用正交試驗(yàn)法研究了不同制缽參數(shù)對(duì)苗缽抗破碎性的影響，優(yōu)選出適合機(jī)械化移栽的番茄穴盤(pán)苗制缽工藝條件。當(dāng)育苗基質(zhì)配比按草炭∶珍珠巖∶蛭石為2∶0∶1配制，填充量為28.6ml（1.3倍穴孔容量），含水率為65％±2時(shí)，所生產(chǎn)的番茄穴盤(pán)苗缽體結(jié)構(gòu)性最好。利用多目標(biāo)優(yōu)化方法綜合評(píng)價(jià)出不同基質(zhì)生產(chǎn)黃瓜穴盤(pán)苗的幼苗生長(zhǎng)質(zhì)量和缽體

6、力學(xué)質(zhì)量等級(jí)特性，當(dāng)草炭∶水苔∶珍珠巖∶蛭石混合基質(zhì)的體積比為2∶1∶1∶1時(shí)，黃瓜穴盤(pán)育苗在幼苗生長(zhǎng)、缽體力學(xué)特性、生產(chǎn)成本等多方面表現(xiàn)最優(yōu)。
　　(4)研究了缽體的彈性模量等工程特性，建立了穴盤(pán)苗缽體夾取剛?cè)狁詈嫌邢拊Ｐ?。與實(shí)際加載測(cè)試對(duì)比，驗(yàn)證了模型的正確性。通過(guò)單片針和兩片針模擬計(jì)算，在同樣的夾持作用下，對(duì)于結(jié)構(gòu)特性一致的穴盤(pán)苗缽體，單片針夾持作用缽體產(chǎn)生的最大VonMises應(yīng)力是兩片針夾持作用缽體的1.31～1.70

7、倍，表明單片針夾持作用要求較高的育苗工藝條件，多針夾持作用有利于苗缽成功夾取。進(jìn)一步模擬兩片針不同夾持角度、力度和深度對(duì)缽體材料結(jié)構(gòu)特性影響，結(jié)果表明夾取針以沿著穴孔壁方向深入插進(jìn)缽體保持2～3N的夾持力度能有效夾持缽體來(lái)實(shí)現(xiàn)低應(yīng)力應(yīng)變?nèi)∶纭?br>　　(5)設(shè)計(jì)了一種新型溫室用兩指四針鉗夾式夾缽取苗自動(dòng)移栽機(jī)器人，利用直線模組驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器往復(fù)于來(lái)源盤(pán)和目標(biāo)盤(pán)，利用無(wú)桿氣缸單元驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器下放和上升進(jìn)行取苗、栽苗操作，對(duì)穴盤(pán)苗的夾取

8、操作采用氣動(dòng)兩指四針鉗夾式夾缽取苗方法，通過(guò)兩根機(jī)械手指伸出四根夾取針插入苗缽再合攏夾緊苗缽取苗，通過(guò)兩根機(jī)械手指放松苗缽再回縮夾取針脫離苗缽?fù)睹?，并提出了一種穴盤(pán)平直輸送幼苗撓彎夾取的方法，工作原理是先將待移栽的穴盤(pán)苗幼苗植株撓彎，再夾取，可有效減少傷苗、帶苗等現(xiàn)象。
　　(6)針對(duì)所開(kāi)發(fā)的溫室穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)器人，對(duì)取苗機(jī)械臂往復(fù)移位控制采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)來(lái)源盤(pán)/目標(biāo)盤(pán)輸送采用激光光電開(kāi)關(guān)檢查到位信息的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控

9、制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)氣動(dòng)回路控制采用以到位傳感器的檢測(cè)信號(hào)為觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)下一執(zhí)行氣缸動(dòng)作的多路開(kāi)關(guān)狀態(tài)檢測(cè)與控制結(jié)構(gòu)。同時(shí)對(duì)控制系統(tǒng)硬件和軟件進(jìn)行了合理規(guī)劃，并進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化與配置。
　　(7)試制樣機(jī)，進(jìn)行穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗移位性能試驗(yàn)研究。對(duì)取苗移位進(jìn)行檢測(cè)，從移栽時(shí)間上看，對(duì)于128穴盤(pán)，每移栽8株苗，平均運(yùn)行時(shí)間為23.579s，則移栽效率達(dá)到為20.36株/分鐘，對(duì)于72穴盤(pán)，每移栽6株苗，平均運(yùn)行時(shí)間為21.065s，則移栽效率

10、為17.09株/分鐘，針對(duì)所用兩種穴盤(pán)的規(guī)格尺寸，128、72穴盤(pán)自動(dòng)取苗移位的平均值分別為32.1086mm、42.5866mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.5026、0.4047，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示128/72穴盤(pán)實(shí)測(cè)取苗移位間隔與設(shè)計(jì)穴孔間隔無(wú)顯著差別。對(duì)取苗力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試，取苗成功所需平均夾持力約為3.32N，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.009，取苗成功與取苗失敗的平均夾持力相差1.54N。研究發(fā)現(xiàn)在提升末端執(zhí)行器拔苗脫盤(pán)過(guò)程中，隨著末端執(zhí)行器上提移位，

11、夾取針夾持苗缽掙脫穴盤(pán)孔穴粘附有3次夾持力松弛，表明穴盤(pán)苗缽體脫盤(pán)過(guò)程是一個(gè)逐步松脫粘附的過(guò)程，并且在理論設(shè)計(jì)夾持力的基礎(chǔ)上提高30％工程安全因數(shù)，可以有效達(dá)到取苗力要求。以取苗成功率為考核指標(biāo)，設(shè)計(jì)多因素正交試驗(yàn)，對(duì)影響取苗效果的園藝和機(jī)械因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明苗缽含水率對(duì)取苗成功率有高度顯著影響(p＜0.01)，夾取角度有顯著影響(0.01＜p＜0.05)，而其它所考慮的試驗(yàn)因素沒(méi)有顯著影響(p＞＞0.05)。進(jìn)行溫室穴盤(pán)苗移栽生產(chǎn)