（机械设计及理论专业论文）贴接法自动蔬菜嫁接机器人的设计与试验研究.pdf

摘要 随着人们生活水平和品味的不断提高，对蔬菜水果品质的要求也日益增高。蔬菜嫁 接技术是克服作物连作障碍，提高抗病性的有效方法，而自动蔬菜嫁接机器人则是替代人 工嫁接的有效途径。以西瓜为例，2 0 1 0 年全国产量近6 6 0 0 万吨，自动化嫁接以3 倍于 人工的速度计算即可为西瓜嫁接环节省去6 0 以上的劳动力。 本文针对国内外研究现状及市场需求，提出嫁接机器人的功能要求，分析行为动作， 围绕定位、夹持、搬运、切削、输送、振动排序和顶夹七大行为设计蔬菜嫁接机器人并 进行样机试验研究。主要工作概括如下： 对现有嫁接方法进行比较选取适合机械化操作的贴接作为嫁接方法。测量了5 0 0 株 砧木( 葫芦) 和接穗( 西瓜) 的植株高度，苗茎直径，子叶展开角度；测试了砧木 和接穗的力学性能，为之后的机械结构设计提供理论依据。 围绕定位、夹持、搬运、切削、输送、振动排序和顶出七大行为进行样机机械结构 设计。振动排序机构设计过程中，对夹子在振动工作面的滑移进行理论推导，选取 振动角为2 5 。；利用a n s y s 软件对振动送夹装置进行模态分析与谐响应分析。送 夹速度测试实验验证了分析的正确性。夹持器的设计以前述嫁接苗特性为依据进行 简单力学分析，计算出适合夹持的弹簧刚度系数。 采用三菱f x l n 4 0 m t 控制整机，系统设计采用g x d e v e l o p e r 软件及s f c 语言编程， 完成初始化、单步、回原点和自动四段程序。 对贴接法自动蔬菜嫁接机器人进行了相关试验研究，包括局部性能试验和连续嫁接 实验。局部性能试验保证各功能分块能够可靠运行以及完成整机的调试。连续嫁接 实验借助s p s s 软件，分析了样机成功率与嫁接苗各几何因素之间的关系。实验表 明，嫁接机器人的嫁接速度为1 2 株r a i n ，平均成功率为9 2 ，即该系统嫁接能力 可以达到7 2 0 株时。实验同时给出了一组最适宜嫁接的嫁接苗参数：砧木直径为 2 5 4 0 m m ，接穗直径为1 5 3 0 m m ；砧木和接穗的苗茎挺直；砧木子叶展开角度接 近1 8 0 0 。 关键词：嫁接机器人；振动送夹：可编程控制器；试验研究 a b s t r a c t a sp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ss p e e d i l yi m p r o v i n g ，d e m a n d sf o rh i g hq u a l i t yo ff r u i t sa n d v e g e t a b l e sa r ei n c r e a s i n gd a yb yd a y g r a f t i n gi s t h em o s te f f e c t i v ew a yt oo v e r c o m e c o n t i n u o u sp l a n td i s e a s e sa n dl o w - t e m p e r a t u r eb a r r i e r s a u t o m a t i cg r a f t i n gr o b o ti n s t e a do f m a n u a lg r a f t i n gi sa ne f f i c i e n tc h o i c e w a t e r m e l o n ，f o re x a m p l e ，t h en a t i o n a lp r o d u c t i o n n e a r l y6 6m i l l i o nt o n si n2 0 10 a u t o m a t i cg r a f t i n gc a ns a v e6 0 l a b o rf o r c ei nt h ep r o c e s so f g r a f t i n g 、i n lt h es p e e da st h r e et i m e sa sm a n u a lg r a f t i n g t i l i sa u t o m a t i c g r a f t i n gr o b o t sf u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sw e r eg i v e no nt h eb a s i so f c o m p a r i s o nb e t w e e nd o m e s t i ca n da b r o a dr e s e a r c h t h e ns e v e nm a i na c t i o n sw e r ep m p o s e d u n d e rt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，w h i c hc o n s t r u c t e dt h em a i ns t r u c t u r eo fg r a f t i n gr o b o t i n a d d i t i o nt h ea u t h o rf i n i s h e de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h i sp r o t o t y p er o b o t m a i nw o r ko ft h i s p a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： c o m p a r e dt oe x i s t i n gg r a f t i n g m e t h o d ss e l e c t e dt h e e a s y - m e c h a n i z e do p e r a t i o n , c u t p a s t e d ，a sg r a f t i n gm e t h o d m e a s u r e ds e e d l i n gh e i g h t ，d i a m e t e r s ，c o t y l e d o na n g l eo f 5 0 0r o o t s t o c ka n ds c i o ns e e d l i n g s r e s e a r c h e do nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s e e d l i n g s a b o v es t u d yp r o v i d et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rn e x tm e c h a n i c a ld e s i g n m e c h a n i c a l d e s i g nm a i n l y f o c u s e do n p o s i t i o n i n g ，c h i p p i n g ，m o v i n g ，c u t t i n g ， t r a n s p o r t a t i o n ，v i b r a t i n ga n ds o r t i n g ，c h i pp u s h i n ga c t i o n s t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o no fc l i p m o v e m e n to nt h ev i b r a t i n gf a c ew a sd o n eb e f o r em o d a la n dh a r m o n i o u sr e s p o n s e a n a l y s i sb ys o f t w a r ea n s y s 12 0 ，v i b r a t i o na n g l ew a ss e l e c t e db y2 5o c l i ps p e e dt e s t v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so fa b o v e a n a l y s i s g r i p p e rd e s i g n w a sb a s e do nt h e a f o r e m e n t i o n e dc h a r a c t e r i s t i c so fs e e d l i n g sa n ds t i f f n e s so fg r i p p e rs p r i n g st h a tw e r e c a l c u l a t e d m i t s u b i s h if x i n - 4 0 m tw a ss e l e c t e dt oc o n t r o lp r o t o t y p em a c h i n e c o n t r o ls y s t e m p r o g r a mw a sw r i t t e nb ys f cl a n g u a g ew i t l lg x - d e v e l o p e r t h ew h o l ep r o g r a mc o n s i s t s o ff o u rs u b r o u t i n e s ：i n i t i a l i z a t i o n ，s i n g l es t e p ，b a c kt ot h eo r i g i na n da u t o m a t i c t h e p a p e rh a sf i n i s h e de x p e r i m e n t a lt e s t i n gf o rt h i sa u t o m a t i cg r a f t i n gr o b o ti n c l u d i n g ： p a r t f u n c t i o nt e s ta n dc o n t i n u o u sg r a f t i n ge x p e r i m e n t s p a r t - f u n c t i o nt e s te n s u r e dt h e w h o l es y s t e mw o r kr e l i a b l e t h ec o n t i n u o u se x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ea n a l y z e db ys p s s ， s o f t w a r er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ea v e r a g eg r a f t i n gs u c c e s sr a t ei s9 2 a n dt h es y s t e mh a s a w o r k i n gc a p a b i l i t yo f7 2 0s e e d l i n g sp e rh o u r t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s og i v eu sas e t o fp r o p e r s e e d l i n gp a r a m e t e r s t h a ta r es u i t a b l ef o r g r a f t i n g ：r o o t s t o c k d i a m e t e r 2 5 - 4 0 ( m m ) ；s c i o nd i a m e t e r1 5 - 3 0 ( m m ) ；r o o t s t o c ks t e ma n ds c i o ns t e ms t r a i g h t ；a n g l e o fr o o t s t o c kc o t y l e d o n sc l o s et o18 0 。 k e y w o r d s ：g r a f t i n gr o b o t ，v i b r a t i o nt r a n s m i s s i o n ，p l c ，e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 蔬菜嫁接技术 嫁接是植株人工营养繁殖的一种有效方法，是将一种植株的芽接到另一植株的根系 上，前者可以借助后者良好的根系，强大的水分和营养吸收能力和抗病能力迅速成长发 育，成为一株独立的植株f 。其中前者的芽称为接穗，后者的茎和根系称为砧木。 经研究表明【2 】，嫁接技术的作用包括： ( 1 ) 提高植株抗土传病害的能力 瓜类枯萎病、青枯病、萎蔫病等是致死病害，对瓜类生长十分不利，一旦发病，可 导致严重减产 3 1 。在栽培过程中可以通过选用不同品种的砧木，有效抵抗土传病害，接 穗利用砧木品种的根部优势阻止土传病害入侵作物根部，从而降低发病几率。根据统计， 8 9 6 1 0 0 土传病害可以通过嫁接技术来克服【4 ，5 1 。 ( 2 ) 克服连作障碍 作物连作会产生土壤环境恶化，同时土壤病虫害种类、数量急剧增多，最终导致蔬 菜生长缓慢，产量减少，品质下降等问题。 例如黄瓜栽培过程中过多的氮肥造成的土壤硝酸盐大量积累，黄瓜根系可以分泌有 机酸类物质，该类物质累积也会酸化土壤，影响生长发育。出于多数蔬菜砧木根系抗病、 耐盐能力较强的特点，嫁接蔬菜可缓解连作障碍。 ( 3 ) 增强抗逆性 果蔬类不同砧木的耐旱、耐湿、耐热及耐寒性的差别很大，可以根据具体的栽培情 况和要求选用相应的砧木。例如，低温伸展性好的黑籽南瓜适合与瓜类砧木冬季栽培， m a s u d a 等【6 ，7 1 的研究表明，黄瓜以其为砧木嫁接后。在低温环境下根系吸收能力比常温 下增加更为明显。 ( 4 ) 提高产量 嫁接后的成苗不仅根系发达，而且根系的吸收能力也明显强于原本根苗1 9 ，1 0 】：同时， 嫁接成苗地面以上部分的良好生长状况也为根系生长提供了足够的光合作用产物。试验 表明，嫁接后的西瓜产量比直生西瓜可提高5 0 以上【1 1 】；另外，浙江温岭地区的农户自 发创新，不仅采用西瓜嫁接苗，而且2 月中旬定植，1 1 月才开始拉藤，该操作使西瓜的 生长期大幅延长4 个月，增加了产量f 1 2 】。 ( 5 ) 对品质的影响 浙江理工大学硕士学位论文 果菜类嫁接的砧木通常采用葫芦、瓤瓜、南瓜、野生茄子及野生西红柿，其根系发 达，生长快，嫁接成活率高，且对嫁接对象的品质有很好的促进作用。克服西瓜酸味、 倒瓤，黄瓜苦味等缺剧引。 除了以上优点外，嫁接技术还具有节约肥料、提高土地利用率及增加内源生长物质 的供给1 1 3 】等优势。 正是由于蔬菜嫁接的以上特点，手工嫁接栽培技术在农业生产发达的荷兰、法国等 欧洲国家和韩国、日本等亚洲国家早己应用。这几年，在我国也开始广泛应用蔬菜嫁接 技术，如北京地区、华东地区等地蔬菜产区嫁接植物增长明显，并获得了很好的经济效 益【1 4 l ，为我国进一步推广嫁接技术做了铺垫。 1 2 主要嫁接方法 到目前为止，果蔬类的嫁接方法已经有很多，如插接嫁接法、靠接嫁接法、劈接嫁 接法、轴接嫁接法、套管式嫁接法、p l u g - l n 嫁接法等嫁接方法【1 5 - 2 0 1 。生产上应根据蔬菜 种类、结合各地区特点的栽培形式、砧木和接穗生长特点、嫁接操作效率综合选择2 1 。 机械操作主要采用如下方法： 【橘法 斜插“ 图1 i 插接法 已 茄科嫁接瓜科嫁接 图1 2 贴接法图1 3 套管嫁接法图1 4 针式嫁接法 浙江理工大学硕士学位论文 1 3 嫁接机器人研究的必要性 日本早在1 9 2 5 便开展了蔬菜嫁接栽培的研究，韩国和欧美各国也于8 0 年代开始普 及嫁接栽培技术1 2 l 】。西瓜、黄瓜和茄子等作物的嫁接需求最为旺盛，在日本嫁接栽培率 已分别达到1 0 0 、9 0 、9 6 ，每年嫁接的需求量超过1 0 亿棵，韩国几乎所有的西瓜 都靠嫁接栽培。 我国北方大部地区包括辽宁、山东等率先形成了多处大规模的设施蔬菜生产基地。 近年来南方地区发展增快，温室大棚等设施发展迅猛，尤其是瓜菜嫁接技术迅速发展， 种植黄瓜、西瓜、甜瓜等已初具规模2 2 1 。 嫁接技术在世界上农业发达的国家已经被普遍使用。每年有大规模的蔬菜苗等待嫁 接，这就迫切需要实现嫁接苗的自动化生产和提供商品化的嫁接苗供应。 但现在蔬菜嫁接方式除了日本和韩国外，其他国家仍然以人工嫁接为主。这种嫁接 方式劳动强度大、生产效率低。据实地调查，以熟练嫁接工人为例，在正常劳动强度下， 以靠接法嫁接的速度为1 2 0 棵4 , 时1 2 3 】。另外一个特点是嫁接时令性很强，超过3 5 天嫁 接期的幼苗一般都不再适合嫁接，这就要求在短时间内处理完大量的嫁接苗【2 4 1 。这些因 素综合作用严重影响了嫁接技术的进一步推广，阻碍了农业大规模生产。 嫁接机器人技术是采用现代设计方法，应用自动化控制理念，集合机械、光电、计 算机、工业控制、生物技术于一体的集成自动化设备。就可以在极短的时间内，帮助工 人完成大量高精度且高重复度的任务。机械化的嫁接作业可以减少植株水分流失，防止 切i ：1 病菌感染，从而提高植株成功率和果实品质，这是嫁接技术的未来方向【2 5 1 。 1 4 国内外研究现状及分析 自动蔬菜嫁接设备的研究主要集中于中国、日本和韩国。日本最早开展蔬菜嫁接机 的研发，之后韩国也相继开发了自己的嫁接机【2 6 1 。中国开始研究嫁接机的起步较晚，现 已有一些设备研制成功。 1 4 1 国外研究现状 世界上研制蔬菜嫁接机器人最早的国家是日本，随后韩国也开始了研究。1 9 8 6 年， “日本生研会( b r a i n ) ”相继研制推出了三台蔬菜嫁接样机。日本农业机械化研究所随后 又联合农机生产厂商共同合作开发自动蔬菜嫁接机，当时该机的效率可达7 0 0 8 0 0 棵 小时，成功率达9 0 ，并开始用于实际生产。该嫁接机机构相对简单，主要由供苗机构、 夹持搬运机构、切断机构、接合机构、嫁接苗输出机构和运动控制部分组成【2 7 1 。 浙江理t 大学硕士学位论文 随着研究的深入，9 0 年代日本研究机构又相继研制推出了几台相对实用的蔬菜嫁接 机 2 8 - 3 1 1 。 井关g r 8 0 0 型嫁接机是最具代表性的机型，如图1 5 所示。该机为闩本生研协会的 研究成果，随后转让给井关农机厂生产，1 9 9 3 年1 0 月井关农机将该机型推向市场。g r 8 0 0 采用人工砧木和接穗单株缝隙托架供苗，驱动力采用气动，嫁接成功率可达9 0 ，嫁接 速度为8 0 0 株时。由于该机价格较贵，嫁接苗选取条件比较高并未大面积普及，2 0 1 0 年3 月井关农机退出了最新的全自动瓜类嫁接机器人g r 8 0 0 u ，性能有所提高，但价格 仍然很高。 同本洋马a g l 0 0 0 型全自动嫁接机，如图1 6 所示，由洋马公司与生研机构1 9 9 3 年开始合作研制。1 9 9 4 年末，a g l 0 0 0 型全自动嫁接机开始推向市场，由于价格、体积、 操作等问题市场表现惨淡。该机采用贴接嫁接法，以穴盘为单位整盘输送嫁接苗，接合 的砧木和接穗使用通用嫁接夹固定，成功率达到9 5 以上，该机适合于茄科嫁接作业， 生产率为1 0 0 0 株时。 图1 5 井关g r s 0 0 型图1 6 洋马a g l 0 0 0 型 k g m o l 2 8 型全自动嫁接机，如图1 7 所示。经过3 年研究r 本t g r 研究所于1 9 9 3 年，开发出针对大规模育苗生产系统的全自动嫁接机k g m o l 2 8 型嫁接机，1 9 9 5 年， 推出适合瓜类嫁接作业的嫁接机。该嫁接机采用整个穴盘移动的方式搬运砧木和接穗 苗，工作时砧木和接穗夹板一次性夹持整行砧木和接穗，随后进行整列切削和整列对接， 最后采用喷涂生物粘接剂和固化荆1 秒左右实现接合。该机采用平接法，嫁接速度和成 功率分别为1 0 0 0 株时和9 5 。 h 本洋马t 6 0 0 自动嫁接机，如图1 8 。由于此前嫁接机市场的平淡，洋马公司降低 大型嫁接机的造价于2 0 0 3 年推出了体积较小、操作相对方便的t 6 0 0 型半自动瓜类嫁接 机。该机采用v 型平接法，只需要1 人操作，操作人员需分别将砧木和接穗以单株形式 浙江理工大学硕士学位论文 放到托苗架上，机器自动完成砧木和接穗的切削、对接和上固定套管流程。该机生产率 较低为6 0 0 株时，9 8 的成功率的指标需要依靠工人的技术水平。 aj 点本f ：f ：切蔑置 圈1 7 k g m 0 1 2 8 型 飞 -。 b 全自动簿接机 图1 8 洋马t 6 0 0 型 2 0 世纪9 0 年代初，韩国学习日本开始研究嫁接机，开发出价格低廉的小型半自动 式嫁接机，使用靠接法，依靠凸轮传递动力，完成夹持、切削和对插等动作，改机实用 性较差不能推广至实地大规模应用。韩国i d e a l s y s t e m 公司的针式全自动嫁接机是具有创 新性的产品，该机采用防回转五角形陶瓷针来接合，穴盘整盘供苗，嫁接速度可达1 2 0 0 株，j 、时，适合茄科作物，如图1 9 所示。 图1 9 针式全自动嫁接机 在欧洲，如意大利、法国、荷兰等农业发达国家，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，但是 相关的机器人的研制至今还非常少。 1 4 2 国内研究现状 国内嫁接机器人技术的研究起步较晚，1 9 9 3 年中国农业大学张铁中教授第一次展开 蔬菜机械嫁接的研究，1 9 9 6 插接法蔬菜嫁接装置问世，该装置由三部分组成能完成砧木 和接穗的输送、砧木生长点的切除、接穗的切削和打孔等动作。但是插孔偏斜，切除引 起端部偏斜，砧木打孔不闭合，接穗未能准确搬运等问题使该机效率大大降低。 经过5 年的改进，1 9 9 8 年张铁中及其团队成功研制出了2 j s z 6 0 0 型蔬菜自动嫁接 机如图1 1 0 该机实现了取苗、切削、接合和固定的自动操作，选用单子叶切除法，嫁接 速度为6 0 0 株时，成功率为9 5 ，可进行瓜类苗的自动化嫁接【3 2 1 。 气 浙江理：【大学硕士学位论文 东北农业大学工程学院的辜松教授为了解决中国蔬菜嫁接育苗作业中存在的人工 嫁接速度低、嫁接苗成活率不高等问题，设计了一台半自动的机械嫁接装置2 j c 3 5 0 型， 如图1 1 1 。该机采用了直插法，该机器的生产能力较低，嫁接成功率为9 0 以上。对幼 苗质量的高要求是其最明显的缺点1 3 3 ，目前辜松教授及其团队仍在不断改进和研制新 型嫁接机，并致力于将产品推向市场。 图1 1 12 j c - 3 5 0 型图1 1 2 套管嫁接机 陈世铭、邱奕志教授等共同合作在台南区农业改良场开发了套管式番茄种苗嫁接机 如图1 1 2 。整机收拢后体积较小，两侧附有旋转式放茁架，整机全展开，工作占地面的 较人，该机平均嫁接速率为3 1 0 株时，成功率大约9 2 【3 , 1 3 6 1 。 我国的浙江省近几年开始致力于研制符合地区农业需求的嫁接设备，研究主要依托 高校和农业科学研究院进行，至今以研制出两台样机如下图，分别以直插法和斜插法实 施嫁接，试验结果表明样机能够基本完成嫁接作业，但仍然需要进一步改进嫁接方法和 嫁接效率【3 7 。甜。 圈1 1 3 直插法样机圈1 1 4 斜插法样机 1 5 国内外嫁接设备相关技术专利情况 中国农业大学张铁中教授申请的发明专利( 公开号c n 0 3 1 2 4 2 2 0 0 ) - 营养钵苗自动 检测定位装置，主要实现自动检测钵苗子叶的展开方向和生长点高度；华南农业大学马稚 昱、辜松申请的发明专利( 公开号c n l 0 1 1 7 1 8 5 2 2 a ) ：一种植物生长的非接触式无损检 测装黄及其检测方法，可在一定时间间隔内对多株个体进行连续检测。上述专利均已授 6 浙江理工大学硕士学位论文 权，采用机器视觉检测获得嫁接苗位置信息和子叶生长方向信息，便于自动夹持上苗操 作。 日本井关农机2 0 0 8 年获授权一项专利( u s7 4 3 0 9 7 1b 2 ) ：嫁接苗生产装置，是一 种自动上苗的机械装置，该机构实现了砧木和接穗的自动上苗。张铁中教授的实用新型 专利( 专利号z l 2 0 0 6 2 0 1 1 2 8 5 8 8 ) ：一种自动嫁接机供苗装置。辜松教授2 0 0 8 年申请的 发明专利( 公开号c n l 0 1 3 5 2 1 3 1 ) 全自动瓜科果蔬嫁接装置，实现了自动上苗。上述专 利采用完全机械式自动上苗，没有考虑嫁接苗个体差异，容易导致嫁接失败。 1 6 对现今蔬菜嫁接设备的几点分析 综合各文献和资料，嫁接设备的研究从开始至今已超过二十年，相关产品也已经问 世，但是还存在一些缺陷和问题： ( 1 ) 世界上研究嫁接机器人的国家还较少，主要为日本和韩国，中国起步较晚， 到现在也有一些相关的成果。从普及蔬菜嫁接机器人的目标看，还有很大的研究价值 和空间。 ( 2 ) 当前对嫁接机的研究主要停留在样机试制阶段，商业化的产品较少且主要集 中在日本，其产品体型大，价格高且只是少量应用。 ( 3 ) 现有全自动嫁接机器人对嫁接苗的培育要求非常高，且嫁接品种单一。自动 供苗装置不够灵活，适应性差且无法完成嫁接苗的挑选。 ( 4 ) 国内嫁接机器人研究较为分散，缺乏可供参考的设计标准和相关嫁接数据和 参数。 7 浙江理工大学硕士学位论文 第二章嫁接对象选择及相关特性研究 2 1 嫁接对象的选择 随着人们生活水平和品味的不断提高，对蔬菜水果品质的要求也日益增高，但是作 物连作障碍，病虫害等因素制约了蔬果的产量和质量，因此嫁接技术应运而生，目前采 用嫁接栽培的蔬果主要有：黄瓜、西瓜、甜瓜、西红柿、茄子和辣椒等。嫁接砧木的选 择根据因所要防止的病害不同而异，具体如下表2 1 。 表2 1 蔬果嫁接苗配对分析 本研究以我国手工嫁接比较频繁的西瓜作为试验对象，进行分析。 西瓜是非常好的消暑果品在我国北方和南方都十分受欢迎。我国的西瓜生产面积多 年位居世界第一，2 0 1 0 年全国西瓜产量接近6 6 0 0 万吨【3 9 】。图2 1 为我国2 0 0 6 - 2 0 1 0 年西瓜的产量。 西瓜种植时病害较多，尤其是同一土地连作将会导致西瓜大量减产，嫁接是西瓜栽 培时防治种种问题的最有效措施。另外选择适宜的砧木苗( 如葫芦苗) 也是提高嫁接苗 防病能力的重要途径。据大量研究与实地操作经验，葫芦作为西瓜嫁接的砧木具有良好 的亲和力和较高的成活率。 注：图表统计数据摘自农业部编中国农业统计资料( 2 0 0 6 2 0 1 0 ) 图2 1 历年全国西瓜产量( 单位：万吨) 8 浙江理工大学硕士学位论文 综上所述，本文选取西瓜、葫芦作为研究对象，进行几何尺寸测量和力学性能的测 试为嫁接机器人的设计提供理论依据。 2 2 嫁接方法的选择 嫁接方法较多，有些嫁接操作比较复杂不适宜机械操作，凶此，选择既适合机械操 作又能保证嫁接成功率和嫁接质量的方法是研制嫁接机器人的基础。一般的嫁接方法中 贴接法和插接法比较适合机械嫁接且应用较为广。泛。 由于葫芦中间存在髓腔( 如图2 2 所示) ，且非常明显，如果采用插接法来嫁接，非 常容易错误的将西瓜苗茎插入葫芦的髓腔，导致植株缺少营养，成活率大大降低。贴接 法嫁接时由于切除的是一个斜面，面积较大，接合后能够很快愈合，对于瓜类尤其是苗 茎带有髓腔的植株而言，贴接法与插接法相比具有明显的优势。西瓜嫁接可选择贴接法 中的单子叶切除法，因为其动作简单，嫁接可靠，成活率较高，本文即采用此方法。 图2 2 葫芦霞腔不惫图 2 3 嫁接苗的培育 砧木苗培养方法： 播种时间：1 月底2 月初； 育苗大棚：5 m 3 0 m ，南北走向为宜； 育苗营养土：田泥或菜园土且未种过瓜类，加入适量腐熟土杂肥、磷肥； 葫芦种子：杀菌消毒浸种2 3 天催芽( 2 5 3 0 ，湿度8 5 ) 出牙播种。 本文采用西瓜的贴接嫁接法，接穗种子则在砧木出苗5 7 天后按同样方法进行催芽 播种，当砧木苗株高度在5 0 8 0 m m ，短轴径在2 5 3 o m m 范围；而且接穗西瓜苗高度在 4 0 5 0 r a m ，胚轴直径1 5 2 o m m 范围内即可进行嫁接。 9 浙江理上人学硕：t 学位论文 2 4 嫁接苗的几何外形研究 嫁接苗的生长因季节的温度适度变化而不同，且同种苗在生长期变化较大。本次研 究的嫁接苗为：京欣一号西瓜苗和浙蒲二号葫芦苗，培育时问为1 5 天，砧木苗浙蒲二 号比京欣一号早种5 天，环境温度2 5 3 0 摄氏度。 为了使嫁接机器入的设计有理可依，稳定可靠，在机器设计之前需要对嫁接苗的各 个几何特征参数进行测定如图2 3 ，其中包括砧木生长点到根系的高度l ，砧木茎部靠 近生长点的直径o ( d i 为长轴，d 。短轴) ，砧木子叶展角0 ，接穗生长点到根系的高度l ， 接穗茎部的直径d ( d l 为长轴，d ：为短轴) 等信息，见表2 2 。 表2 2 样本参数 对表数据进行统计可得： 图2 3 西瓜苗、葫芦苗 一厶 砧木株高的平均植：= l = 7 0 8 9 r a m 疗 l o 浙江理工大学硕士学位论文 一口 茎部靠近生长点的茎粗d 平均值：d l = l = 3 8 2 m m 刀 一口 茎部靠近生长点的茎粗d 。平均值：d 。= 上l = 3 2 5 m m 万 一 接穗株高的平均植：，= 旦一= 4 5 4 1 m m 一z 接穗茎粗d l 平均值：奶= 型一= 2 5 8 m m 聍 一珥 接穗茎粗d s 平均值：d 。= 旦一= 1 9 8 r a m 挖 砧木子叶的展开角( 0 ) 为随机变量，统计时为方便数据处理可以将其归类，这里 分成1 8 0 0 、1 2 0 0 、9 0 0 和6 0 0 四档，且测量统计发现大部分子叶展角可归为1 2 0 0 档。西瓜 和葫芦苗的直径形状如图2 4 ，对每株苗的长短轴进行计算，得到短轴与长轴的比值， p = d d d i 或p = ：d s d l ，其中p 为椭圆率，由此发现西瓜和葫芦植株的椭圆率非常一致且接近 一个值如图2 5 和2 6 ，因此将测试数据的椭圆率加权平均即得到葫芦和西瓜的椭圆率p 分别为0 8 5 和o 7 6 。 a ) 葫芦苗茎截面b ) 西瓜苗茎截面 图2 4 嫁接苗茎截面几何图 浙江理工大学硕士学位论文 2 5 葫芦茁茎椭圆率采样 。 l1e-i。 2 6 西瓜苗茎椭圆率采样 2 5 嫁接苗的力学特性研究 2 5 1 压缩特性测试 本文设计的嫁接机器人需要对嫁接苗进行夹持，嫁接苗非常细小，且大小不统一， 若设计的夹持器夹持力太大容易造成嫁接苗的夹伤，太小又夹不住嫁接苗，因此，对苗 茎的j 矗力极限承受能力和剪切极限承受能力的测定必不可少。 作者采用微机控制w d w - 5 型电子式万能试验机对上述力学性能进行测试，如图2 7 所示。该机可自动求取最大试验力值、断裂力值、屈服强度、上下屈服强度、抗拉强度、 抗压强度、断裂延伸率等实验数据，简化了测试方法。 图2 7w d w - 5 型电子式万能试验机 图2 8 压缩特性检测示意图 实验所用的砧木和接穗均委托浙江省农业科学院蔬菜所进行培行，分别浙蒲2 号， 1 2 浙江理工大学硕士学位论文 京欣l 号各5 0 0 株。宋玉秋等人先期已经对植株的压缩特性进行过研究【4 0 】，结论为当植 株幼苗的压缩量在2 0 内时，对幼苗的生长状况没有直接影响，本文采用该数据以被测 幼苗苗茎的直径的2 0 作为极限压缩量，压缩速度分别为1 5 、2 0 和2 5 m m m i n ，压缩方 向为苗的长轴，压缩面积计为：压杆直径( 6 m m ) 长轴( d 1 ) ，见图2 8 。 实验前首先对万能试验机进行设置【4 1 1 ，设置值为极限压缩量即苗茎的2 0 。然后把 整理好的嫁接苗轻放在试验台上，移动将探针使探头轻轻压在嫁接苗的茎上以刚好接触 为宜。启动试验机后，机器以设定的速度对茎部进行压缩直到与设定的压缩量相等时机 器自动停止，分别以1 5 、2 0 和2 5 m m m i n 三种不同的速度对若干苗进行试验。 图2 9 和图2 1 0 所示分别为砧木和接穗在压缩速度为1 5 、2 0 和2 5 m m m i n 下的特 性曲线。由图可知，在设定的形变下，速度越大苗的压力也越大。为了保持较高的安全 性，本文取速度为1 5 m m m i n 时值即接穗为1 1 1 n ，砧木为1 3 2 n 作为夹持器的最大夹 持力。 l8 l6 1 4 - 2 1 o 0 8 ，k 缩载街，n m 6 0 4 n 2 矗s 1 2 j i o n 7 5 0 ， j k 缩找# 坩 o 2 5 n o 0 0n io 2 0 30 40 50 60 7 麒缩惭移h u m 图2 9 砧木压缩特性曲线 - 0 0 500 00 0 50 1 0o l50 2 002 50 3 003 50 4 0 i i ，缩位移n m l 图2 1 0 接稽压缩特性曲线 浙江理工大学硕士学位论文 2 5 2 剪切特性测试 在嫁接过程中，接穗和砧木在夹持的同时会受到剪切力，因此剪切强度也做为被测 对象进行研究为后续的开发设计提供依据。剪切特性测试速度设置为5 0 0 m m m i n ，剪切 面积为截面积，这里忽略了苗茎的髓腔而把苗茎截面当成椭圆面计算。 图2 1 1 和图2 1 2 分别显示了葫芦和西瓜在剪切特性实验下长轴和短轴的剪切力随 时间变化的曲线。 由图2 1 l ，葫芦苗沿短轴和长轴方向剪切时的最大剪切力分别为0 1 9 8 n 和0 2 0 7 n 。 可以计算得n - 葫芦沿短轴剪切时的剪切强度为7 1 k p a ，沿长轴剪切时的剪切强度为 7 4 k p a 。 o 2 2 0 2 0 o 1 8 剪切力，n n 1 8 n 1 4 n 1 2 n 1 0 0 0 0 2 0 40 6 时问，s 图2 1 1 葫芦剪切特性参数曲线 o 0 9 o - o b n a 7 剪切力，n o o 0 5 0 0 4 图2 1 2 西瓜剪切特性参数曲线 1 4 浙江理工大学硕士学位论文 由图2 1 2 可以看出，西瓜苗沿短轴和长轴方向剪切时的最大剪切力分别为0 0 8 5 n 和0 0 9 1 n 。可以计算得到：西瓜沿短轴剪切时的剪切强度为0 0 3 2 k p a ，沿长轴剪切时 的剪切强度为0 0 3 4 k p a 。 2 6 本章小结 本文以西瓜苗和葫芦苗为研究对象，以操作简单适合机械化作业为原则，选择贴接 嫁接法。对5 0 0 株苗的几何参数测定和分析计算，得到砧木和接穗的茎部平均直径为 3 5 8 m m 和2 2 8 m m ，砧木和接穗的植株平均高度值分别为7 0 8 8 m m 和4 5 4 1 r a m 。 本章重点测试了嫁接苗的力学性能，参考前人对幼苗压缩量极限值为苗茎2 0 的研 究结果，测得的葫芦和西瓜所能承受的最大压力分别为1 3 2 n 和1 1 l n ，最大剪切力分 别为0 2 0 7 n 和0 0 9 i n 。这些实验数据为机构设计提供了参考。 1 5 浙江理工大学硕士学位论文 第三章蔬菜嫁接机器人机械结构设计 蔬菜嫁接机器人是机械与电子有机接合的产物，它是以功能要求为出发点，以机构 设计为归宿的机电一体化系统。因此可采用机电一体化系统方案设计来规划和统筹整 机。 机电一体化系统设计的研究还处于初始发展阶段，主要集中在欧美和日本1 4 。机电 一体化系统可以划分为：( 1 ) 广义执行机构子系统机电一体化系统的主功能，即运 动及动力传递和转换功能由此子系统完成。( 2 ) 检测传感子系统机电一体化系统中 用以检测机械参数和工作过程有关参数的传感器、运算放大电路等。( 3 ) 信息处理及控 制子系统机电一体化系统中将传感检测子系统取得的信息加以处理、运算，从而发 出控制广义执行机构子系统的信号。图3 1 为机电一体化子系统的组成和关联。 图3 1 机电一体化子系统的组成和关联 3 1 蔬菜自动嫁接机器人总体方案设计 根据机电一体化系统设计的要求，将嫁接机器人参照手工嫁接的步骤提出功能模块， 由于嫁接需要同时进行两株苗的处理，因此首先应该有砧木处理模块和接穗处理模块， 此外，机器嫁接的嫁接夹整理需添加自动送夹模块，最后是嫁接成功后，成苗的输送即 输送模块。 图3 2 嫁接机器人整体布局示意局图 得到四个功能模块后，按照功能彳亍为结构的设计流程，将各个功能模块进 行行为细分可以分为定位、夹持、搬运、切削、输送、振动排序和夹子项出七类行为。 1 6 浙江理工大学硕十学位论文 根据以上功能和行为完成整个嫁接机器人的布局如图3 2 。嫁接机器人总体布局完成之 后需要根据七大行为进行结构的设计。嫁接机器人的总体结构如图3 3 所示。 嫁接机器人工作过程如下：砧木央持、切削、输送机构完成砧木苗的夹取动作，并 将砧木苗第一片真叶着生处切断，切成与水平面约成6 0 0 左右的斜面，切l 】长约5 l o m m ； 接穗夹持、切削、传输机构完成穗木苗的夹取动作，并将接穗在子叶着生处下方5 1 5 m m 处切成与水平面约成6 0 0 斜面。然后砧木和接穗传输臂将砧木和接穗在砧、接穗接合位 置处进行嫁接，同时振动送夹装置将嫁接夹自动排序传送到嫁接夹顶出机构，并实现嫁 接夹的自动进给；进夹机构完成夹子的张开和闭合动作，并将夹子送到指定嫁接位置，将 砧、穗木苗的接合部位贴合在一起。嫁接流程如图3 4 ，嫁接机的工作流程大致可以分 为四个部分：嫁接夹供给、砧木处理、接穗处理和嫁接茵结合。 1 嫁接夹振动盘2 砧术夹持定位机构3 砧术旋转输送机构4 砧木切削机构 5 ，夹子顶出机构6 。嫁接苗输送带7 穗木切削机构8 穗术夹持定位机构9 穗木旋转输送机构 图3 3 嫁接机器人的总体结构图 图3 4 嫁接机器人的t 作流程图 1 7 浙江理工大学硕士学位论文 3 2 振动送夹装置设计与分析 嫁接夹输送装置的目的包括嫁接夹的输送和排序，目前在自动化行业内该工作主要 由比较成熟的振动送料装置来完成。振动送料装置按送料的方式不同可以分为圆盘式送 料装置和直线送料装置。 嫁接夹振动输送装置是自动嫁接机器人的重要工作部件，本课题采用圆盘式与直线 送料装置组合的方式进行嫁接夹的输送，如图3 5 所示。由于振动送料的基础通用件可 以购买，嫁接夹输送装置的设计主要部分是嫁接夹的姿态归一及排序的设计。 1 1 底座2 支承板弹簧3 振动台4 激振器 图3 5 振动送料装置 为了使嫁接前嫁接夹有一个统一的姿态以便于嫁接夹的控制，在振动送夹的同时必 须进行夹子的定向。较广意义上的定向不仅是对零件调整方位，而且包括消除零件重叠、 排列零件顺序、调整及保持零件姿态、分离零件以确定的位置进入带装配位置的全过程。 散乱的夹子实现定向排列，常用两种专门的机构：选向机构与定向机构。 选向机构的工作原理是按照己知要求设计机构，使得该机构可以把符合要求的工件 留下把不符合的重新回流筛选，从而保证料道上工件稳定的供给。这种方法因使用简单 而被广泛应用。剔除方法主要可分为斜面剔除法、挡板剔除法、缺口剔除法、拱桥剔除 法等【4 2 1 。但是选向机构是一种被动调整的过程，往往因为剔除过多的工件而影响了输送 的效率，为了提高振动盘的工作效率，需要另外设计定向机构以主动改变不符合工件的 位姿。 与选向机构不同，定向机构主动、强制性纠正工件的行进姿态，工程上经常使用的 定向机构包括：挡条、挡块、压缩空气喷嘴。 工件离开振动盘出口后，还需要通过直线送料器帮助传送到装配部位，输送料道上 的工件按顺序排列，在直线送料器的振动下平稳向前移动，同时后面工件的推力使得工 1 8 浙江理工大学硕士学位论文 件能够紧密相连。 根据嫁接夹的特点设计直线振动送央装置和振动盘夹子分选排序机构并建立如下三 维模型。 图3 6 直线振动送夹装置图3 7 振动盘夹子分选捧序机构 3 2 1 嫁接夹在振动送料道上的运动分析与优化 振动机械的i i ：作通常是完成如下振动：简谐直线振动、非简谐直线振动、圆周振动 和椭圆振动等4 3 训j 。当振动机构采用不同的参数时，物料( 夹子) 就会以不同的运动方 式在振动工作面上运动： ( a ) 相对静止。物料在工作面无相对运动。 ( b ) 证向滑动。物料与工作面保持接触且沿输送方向作相对运动。 ( c ) 反向滑动。物料与工作面保持接触且逆着输送方向作相对运动。 ( d ) 抛掷运动。物料被抛离工作面，沿工作面向前作抛物线运动。 ( 1 ) 夹子滑行运动理论 将直线送料机构简化，机构简图如3 8 。 i = 。 l s v s 笮刁呵研一拣云= 土e 。i，、 氛三妄 图3 8 振动送夹工作面运动规律及夹子受力分析 由e 图直线振动送料工作面的位移公式 s = 2 s i n t o t ， o ) t = 缈3 - 0 ) 1 9 浙江理工大学硕士学位论文 式中，力为工作面沿振动方向的单振幅；矽为振动相角；缈为振动角频率；f 为时间。 将位移s 分解到y 方向( 垂直于工作面方向) 和x 方向( 平行于工作面) ，便得y 方向 和x 方向位移 s = 2 s i n 6 s i n t o t ，最= 2 c o s 6 s i n t o t 3 - ( 2 ) 式中，万为振动方向与工作面的夹角。 求式3 一( 2 ) 对时间t 的一次导数和二次导数，便得y 方向和x 方向的速度_ 、匕和加 速度q 、q 为 0 = 2 0 s i n 6 c o s c a t 匕= a m c o s 8 c o s c o t 3 。c 3 ) a