穴盘苗叶菜移栽机械装置的研究.docx

穴盘苗叶菜移栽机械装置的研究崔海洋 赵志伟 潘玲玲 张侠机械设计制造及其自动化11(3)班1 前言随着世界人口日益增加，粮食和经济作物等农产品的需求量日渐增加，世界各国对农业生产的发展都给予了极大的重视和关注。中国是世界上的农业大国，农业机械化是我国农业现代化的重要组成部分，我国在基本实现了耕作和收获作业的机械化后，种植机械化正在成为农业机械化的一个重点领域。穴盘育苗移栽技术是从20 世纪70 年代在欧美等农业发达国家率先发展起来的。穴盘苗自动移栽是一种适合工厂穴盘苗生产的育苗移栽方式，与常规育苗移栽方式相比，成本可降低25% 40%，具有出苗率高，出苗整齐，缓苗快，病虫害少，机械化程度高，省工，省时，节约能源、种子和育苗场地，便于大规模管理，保护和改善农业生态环境等各种优点。该技术代表了育苗移栽技术的发展方向，受到了种植业者的欢迎。由于人工移栽劳动强度大、需要劳动力多、效率低，难以实现大面积、大规模移栽，而生产规模比较小、经济效益低下，不利于穴盘苗移栽技术的推广应用。移栽机械化程度低下，严重影响了农业经济作物的发展。因此，大力发展育苗移栽技术，实现机械化移栽势在必行1。2 穴盘苗叶菜移栽机械研究现状2.1国外研究现状近20年,国外对移栽机的研究已进入自动化阶段。韩国的KyeongUKKim等提出了一种适合蔬菜移植的拾取装置。这套装置包括一个路径产生器、拾取针和针驱动器。路径产生器是一个5杆机构,由固定滑槽、驱动连杆、连接杆和一个滑杆组成;Kut等1987年研究了基于Puma560机器人的移苗机器。移苗机器人的末端执行部件是一个平行夹类型的手爪。他们研究的目的是测试机器移苗的作业周期,研究一种针对单棵苗进行抓取和栽植的末端执行部件,另外还用计算机模拟的方法对移苗机器人的应用性能进行评估。移苗机器人末端执行手爪是在Unimation 510型气动平行爪的基础上进行改进设计的,包括增加开度调节螺母,在每个手爪的内侧固定一个轻质的镀锌板作为“手指”,其抓取只有张开与合拢2种状态,张开与合拢位置的距离是20mm,2个夹片长3mm。当夹取植株时,每个夹片偏转3mm,对基质施加大约为4N的力,以保证能够夹持住基体而又不伤害作物。在苗盘相邻的情况下,在3.3min内能完成36个苗的移植,存活率可达96%(图1);Kc.Ting(丁冠中)等1990年研究了一种带有传感器的滑动针(SNS)作为带手爪的移苗机器人,它是基于SCARA机器人机理的。SNS的基本部件是2根在套中运动、倾斜安装的滑针,安装和调节滑针位置的支撑框架和一个电容型接近传感 器等组成。每根针都由一个双动空气气缸驱动，针的角度和位置可根据穴盘和秧苗的不同而进行调节，电容式近程传感器可调节感应距离,保证夹持器夹住而不伤害秧苗。在移栽过程中,针缩进,接近穴孔后,针开始伸展,穿人基质中。幼苗从育苗盘移植到苗盘时,单苗移栽时间为2.603.25s。试验结果表明,随着穴盘苗状况不同,移苗成功率为50%95%。Ryu等人2000年设计了一种由气动系统驱动的夹取装置。该装置末端器由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成。其末端执行件由步进电机带动旋转,并根据植株的方位确定针状夹取指的位置,避免抓取时对植株叶片的伤害。气缸可以推动夹取指插入苗盘的基质中,然后通过气动卡盘的开关来实现对秧苗的抓取、保持和释放。但在土壤湿度较低时,这种末端执行件就会显现出它的局限性,为了克服这个局限性,Ryu等人又进行了改进,两个手指成15角,每个手指各装有一个气缸,增强了灵活性和可靠性。另外,Choi等人2002年开发了一种新的用于蔬菜移栽的末端执行器,由轨迹发生器、夹取指针和指针驱动器等组成,用23天的蔬菜苗做试验,该装置移栽效率30株/min,移栽成功率97%3。 图1 SNS移苗机器人2.2 国内研究现状国内的穴盘育苗技术研究时间还不是很长，穴盘苗自动移栽机的研究还刚刚起步，相比国外成熟的技术体系还存在很大的差距。穴盘苗移栽机械分为田间露地移栽机械、温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘秧苗植入花盆的自动移栽机械手。常见的田间露地移栽机机型主要包括: 钳夹式移栽机、链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、吊杯式移栽机、导苗管式移栽机、输送带式移栽机和空气整根营养钵育苗移栽机。这些机型均应用于钵苗移栽，对于穴盘苗移栽均需要手工取苗、投苗，机械化程度低。目前，国内对穴盘苗自动移栽机的研究主要集中在对温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘苗植入花盆的自动移栽机械手的研究，还未涉足到适合大田作业的、不需手工取苗投苗的穴盘苗全自动移栽机械的研究，仅有少数农业科研院校对穴盘苗移栽机进行了探索性的研究。1996 年，吉林工业大学范云翔等研制出一种空气整根气吸式秧苗全自动移栽机。该机采用吸力较大的气缸投苗机构，投苗过程中穴盘苗与运动部件不直接接触，伤苗率相对比较低。其移行机构由步进电机驱动，位置精度较高，由单片机来控制，整机可靠性较强。但该设备只适用于水稻秧苗，若用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，则易使其茎秆秤断。2003 年，中国台湾吕英石等人研制了可调整式花卉穴盘苗假植机构。假植爪动作的流程: 当假植爪位于原点时之状态为假植爪整体上升、夹取爪打开、并且位于穴盘上方; 当要夹取穴盘苗时则假植爪整体往下降至定点后夹取，动作完成后，假植爪往上升移动至生长盘位置上方，假植爪下降将穴盘苗植入生长盘中，然后爪打开并同时上升，再借着气压缸回到原点，如此完成单一循环的假植作业。气压式可调整花卉秧苗移栽如图2所示。2005 年，中国农大孙刚对生菜自动移栽机进行了初步探索，设计了一种龙门式的移苗装置。其用气爪作为执行部件，采用运行C /OS嵌入式操作系统的16 位微控制器作为核心的控制系统。该自动移苗机能按照编程的路径和方式可以完成规定的移栽，但是还不能克服幼苗的柔韧性等问题，气爪抓取的精确率和成功率需要进一步的提高。因为只是初步探索，所以在移苗手爪、移苗机构的设计和机构的稳定性等方面还需要完善。同时，中国农业大学强丽慧的浮板蔬菜生产自动移苗装置是移苗机构中直接与苗接触的部分。由它来具体执行拔苗、栽苗作业。移苗装置由移苗气缸、移苗针、可调角度连接件和移苗针固定架等组成。拔苗时，移苗气缸伸出，移苗针以30扎入基质中。之后，机械臂缩回，并向栽苗位置移动。在此过程中，移苗装置起到搬运苗的作用。栽苗时，移苗气缸缩回，移苗针随之缩回，苗栽入孔穴中。由于取苗机构是实现全自动移栽的重要部件之一，主要功能是驱动取苗机构的移栽机械手按照一定的路径从穴盘中取出穴苗，并夹带穴苗至栽植器接苗口处投苗。其作为取苗和投苗的直接设备，是区分全自动移栽和半自动移栽的关键。因此，一部分高校对穴盘秧苗移栽机的取苗机构这一关键部件进行了专门研究。此外，还有部分人专门针对穴盘苗移栽机的控制系统进行了研究，做出了一定程度的改进和优化。2007 年，沈阳农业大学田素博等人设计了一种基于PLC 的穴盘苗移栽机械手控制系统。其中，穴盘苗移栽机械手的工作过程: “定位抓取定位投放”，能实现穴苗单线往复移栽。其由气力驱动系统、夹持机构、控制系统及秧和花盆输送装置4 个工作机构协同配合实现这一系列连续动作。其控制系统由PLC、行程开关等组成。结果表明，该控制系统的设计合理，性能可靠。基于PLC 的穴盘苗移栽机机械手示意图如图3所示。2009 年，刘凯等人研究了PLC 在穴盘苗移栽机器人控制系统中的应用。所涉及到的穴盘苗移栽机器人由输送带、视觉相机、三维运动平台和机械手组成。研究中，通过2 台PLC 的合理组合和程序的设计，实现了多电机控制系统的架构，为移栽机器人各机构平稳、有序运行提供了软件基础。该控制系统整体布局合理、稳定性好、程序设计方法简单易行，提高了控制系统的柔性和可靠性，较好地兼顾了精度和成本。目前，国内所研制的温室内穴盘苗自动移栽机总体上存在着: 柔性和可靠性差; 定位精度不高，控制性能不稳定，智能化程度较低; 作业效率不高，稳定性差等问题。因此，对于田间露地穴盘苗全自动移栽，除了要解决以上温室内穴盘苗自动移栽机所存在的一些问题之外，还要考虑大面积作业环境的复杂多变性，在兼顾效率和成本的前提条件下，去完善整个移栽系统的作业可靠性和稳定性。此外，大面积作业穴盘苗全自动移栽机相对于温室内的穴盘苗自动移栽机，除了要完成取苗以及放苗的移栽作业过程以外，还需完成栽植作业要求。因此，如何借鉴并优化现有的各种应用于钵苗移栽的田间露地移栽机的栽植部件，实现大田秧苗全自动移栽机取放投的全程作业要求，也是需要考虑的关键问题之一1。图2 气压式可调整花卉秧苗移栽机图3 基于PLC 的穴盘苗移栽机机械手示意图2.3 我国穴盘苗移栽存在问题及发展前景从以上国内外研究状况可以看出,自动移栽机国外广泛应用,国内研究进展缓慢。我国的工厂化农业发展已初具规模,但是总体水平偏低,设施、设备与技术管理不配套,难以形成较大规模的商品工厂化生产。移栽设备不配套,传统人工移栽作业影响了农业整体健康发展,影响了经济效益的进一步提高。(1)移栽作业速度普遍很低,满足不了农艺要求,可靠性比较差。移栽机在移栽稳定性、速度和成功率方面没有统一的标准。(2)穴盘苗移栽多是基于大田移栽或花草种苗移栽(种苗盘到营养钵)的,针对浮板种植的穴盘与穴盘间的穴盘苗自动移栽技术研究还不成熟,尤其是研究多停留在初始阶段。(3)一些蔬菜、花卉公司或育苗基地从国外引进了性能先进的穴盘苗移栽机,但在实际应用中存在价格高、操作复杂及适应性差等问题。我国温室生产面积居世界第一,穴盘苗自动移栽机的研制和推广具有广阔的需求空间和应用前景,借鉴国内在农机研究开发方面的经验和教训,在研制开发穴盘苗自动移栽机上,应特别注意以下几个问题。第一,制定自动移栽机的国家标准,从政策层面导向、鼓励自动移栽机的开发、研制和推广。穴盘育苗技术作为工厂化农业育苗技术,可为我国蔬菜、花卉产业的发展发挥巨大作用,应尽快开发出适合我国农业现状的自动移栽机,使农民从繁重的体力劳动中解放出来,这是农业可持续发展的必由之路。第二,穴盘苗移栽是一项综合性技术,要将农业技术和农机技术相结合,要综合考虑育苗、移栽和收获环节的联系来开发,可以考虑针对不同育苗方式、不同穴盘种类或不同基质类型开发不同的末端执行器,形成多用系列化产品。第三,要根据实际情况,开发适合我国温室生产需要的自动移栽机,要让农民买得起,用得起。不断提高穴盘苗自动移栽机的技术含量,研制操作简便、技术容易掌握、灵活机动和价格合适的国产化机型。可以制定相关的农机补贴政策,鼓励农民购买使用自动移栽机具3。2.4 展望随着我国城镇化的大力发展，我国农业从业人口将不断减少，农业生产对机械化的需求将会不断增大。由于我国对农业装备技术发展的需求和国家对农业发展的大力推动，我国农业机械的发展前景将会更加美好，随着国内农机研究的不断深入，我国自主研制的农业机械会越来越适应我国农业生产发展的需要，农业生产能力及效率将得到显著提高2。3穴盘苗叶菜移栽机械研究意义从我国农业发展的状况和我国特殊的国情考虑，实现移栽作业机械化已成为我国蔬菜种植业迫切需要解决的问题。蔬菜育苗移栽机械化是推广普及蔬菜育苗移栽技术，提高蔬菜产量和季节性供应蔬菜，以及提高蔬菜经济作物经济效益和社会效益的必要途径。通过提高种植技术的机械化水平，达到进一步完善与移栽机械相配套的育苗设施及相应的配套技术，使育苗和移栽有机的结合，就可以降低种