蔬菜穴盤苗缽體力學分析與移栽機器人設(shè)計研究.pdf

1、我國穴盤苗移栽處于人工取苗半自動栽苗水平，研發(fā)結(jié)構(gòu)簡單、功能精良并適于當?shù)赜缟a(chǎn)的取苗裝置是實現(xiàn)穴盤苗全自動移栽的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)尚無法設(shè)計出能夠?qū)嶋H生產(chǎn)應(yīng)用的自動移栽機，主要原因是機構(gòu)設(shè)計中取苗爪與缽體互作規(guī)律不清，穴盤苗的生物力學特性數(shù)據(jù)短缺，機構(gòu)設(shè)計與育苗工藝不相結(jié)合，嚴重制約著自動移栽機的發(fā)展。針對這些制約因素，本研究主要完成以下工作:
　　(1)研究了穴盤苗脫盤力學規(guī)律和缽體抗壓力學行為。研究發(fā)現(xiàn)穴盤苗脫盤過程是缽土與

2、幼苗根系相互牽動擺脫孔穴粘附的過程，對穴盤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，當使用128穴盤育苗移栽時，沿垂直穴孔方向取出穴盤苗的夾取力約為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。在平板壓縮過程中，缽體無明顯的屈服破壞點，其壓縮破壞特征是從缽體盤根稀疏的區(qū)域開始，逐漸擴大破碎度。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、，并且穴盤苗缽體壓縮加載變形越大，其塑變能力越強，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苗缽體的力松弛特性，獲得了對應(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。對于穴盤苗自動移栽而言，其流變學特性影響微弱，可以不加考慮。通過試驗測試方法對比分析了多種穴盤苗的力學特性，研究發(fā)現(xiàn)不同蔬菜穴盤苗處理間的脫盤力無顯著性差

4、異，不同穴盤苗缽體的抗壓力與變形關(guān)系均遵從非線性曲線，都沒有明顯的線彈性。
　　(2)基于對穴盤苗脫盤力、夾取針插入缽體拉拔的摩阻特性以及缽體抗壓力分析，建立了穴盤苗的脫盤力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)學關(guān)系。利用建立的夾取參數(shù)設(shè)計關(guān)系，結(jié)合穴盤苗力學特性試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計完善了一種適應(yīng)穴盤苗力學特性的自動取苗末端執(zhí)行器。試制物理樣機，進行了自

5、動取苗夾持力測試。測試結(jié)果表明，夾持力測試數(shù)據(jù)與理論計算數(shù)據(jù)無顯著性差別，從而檢驗了理論設(shè)計的可靠性。
　　(3)利用正交試驗法研究了不同制缽參數(shù)對苗缽抗破碎性的影響，優(yōu)選出適合機械化移栽的番茄穴盤苗制缽工藝條件。當育苗基質(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，所生產(chǎn)的番茄穴盤苗缽體結(jié)構(gòu)性最好。利用多目標優(yōu)化方法綜合評價出不同基質(zhì)生產(chǎn)黃瓜穴盤苗的幼苗生長質(zhì)量和缽體

6、力學質(zhì)量等級特性，當草炭∶水苔∶珍珠巖∶蛭石混合基質(zhì)的體積比為2∶1∶1∶1時，黃瓜穴盤育苗在幼苗生長、缽體力學特性、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，建立了穴盤苗缽體夾取剛?cè)狁詈嫌邢拊Ｐ汀Ｅc實際加載測試對比，驗證了模型的正確性。通過單片針和兩片針模擬計算，在同樣的夾持作用下，對于結(jié)構(gòu)特性一致的穴盤苗缽體，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。進一步模擬兩片針不同夾持角度、力度和深度對缽體材料結(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缽體保持2～3N的夾持力度能有效夾持缽體來實現(xiàn)低應(yīng)力應(yīng)變?nèi)∶纭?br>　　(5)設(shè)計了一種新型溫室用兩指四針鉗夾式夾缽取苗自動移栽機器人，利用直線模組驅(qū)動末端執(zhí)行器往復于來源盤和目標盤，利用無桿氣缸單元驅(qū)動末端執(zhí)行器下放和上升進行取苗、栽苗操作，對穴盤苗的夾取

8、操作采用氣動兩指四針鉗夾式夾缽取苗方法，通過兩根機械手指伸出四根夾取針插入苗缽再合攏夾緊苗缽取苗，通過兩根機械手指放松苗缽再回縮夾取針脫離苗缽投苗，并提出了一種穴盤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)針對所開發(fā)的溫室穴盤苗自動移栽機器人，對取苗機械臂往復移位控制采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，對來源盤/目標盤輸送采用激光光電開關(guān)檢查到位信息的步進電機閉環(huán)控

9、制系統(tǒng)，對系統(tǒng)氣動回路控制采用以到位傳感器的檢測信號為觸發(fā)信號啟動下一執(zhí)行氣缸動作的多路開關(guān)狀態(tài)檢測與控制結(jié)構(gòu)。同時對控制系統(tǒng)硬件和軟件進行了合理規(guī)劃，并進行系統(tǒng)的優(yōu)化與配置。
　　(7)試制樣機，進行穴盤苗自動取苗移位性能試驗研究。對取苗移位進行檢測，從移栽時間上看，對于128穴盤，每移栽8株苗，平均運行時間為23.579s，則移栽效率達到為20.36株/分鐘，對于72穴盤，每移栽6株苗，平均運行時間為21.065s，則移栽效率

10、為17.09株/分鐘，針對所用兩種穴盤的規(guī)格尺寸，128、72穴盤自動取苗移位的平均值分別為32.1086mm、42.5866mm，標準差分別為0.5026、0.4047，統(tǒng)計分析結(jié)果顯示128/72穴盤實測取苗移位間隔與設(shè)計穴孔間隔無顯著差別。對取苗力學特性進行測試，取苗成功所需平均夾持力約為3.32N，標準偏差為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)行器拔苗脫盤過程中，隨著末端執(zhí)行器上提移位，

11、夾取針夾持苗缽掙脫穴盤孔穴粘附有3次夾持力松弛，表明穴盤苗缽體脫盤過程是一個逐步松脫粘附的過程，并且在理論設(shè)計夾持力的基礎(chǔ)上提高30％工程安全因數(shù)，可以有效達到取苗力要求。以取苗成功率為考核指標，設(shè)計多因素正交試驗，對影響取苗效果的園藝和機械因素進行分析，結(jié)果表明苗缽含水率對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因素沒有顯著影響(p＞＞0.05)。進行溫室穴盤苗移栽生產(chǎn)