自動移栽機械取苗機構(gòu)及植苗機構(gòu)研究

1、自動移栽機械取苗機構(gòu)及植苗機構(gòu)研究胡建平胡建平 江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院江蘇大學(xué)江蘇大學(xué) jiangsu university123取苗機構(gòu)研究取苗機構(gòu)研究國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外現(xiàn)狀植苗機構(gòu)研究植苗機構(gòu)研究主要內(nèi)容主要內(nèi)容1國內(nèi)外現(xiàn)狀國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外 20世紀(jì)初期，歐洲一些國家開始大最種植蔬菜和經(jīng)濟作物，出現(xiàn)了早期的近代秧苗栽植機具。這些機具仍為手動栽植，只是減輕了栽秧者肢體反復(fù)屈伸的繁重勞動。 自20世紀(jì)50年代開始，國外很多國家開展土缽育及移栽的生產(chǎn)技術(shù)研究，研制出多種不同結(jié)構(gòu)型式的半自動移栽機。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外1963btp-2型甜菜栽植機，是第一個

2、在溫室中使用紙筒缽育甜菜苗并進行栽植的國家 1973roth等研制了帶式喂入栽植機，人工將缽苗放到輸送帶上進行栽植 20世紀(jì)60年代意大利切克基馬格利公司生產(chǎn)的奧特瑪栽植機和荷蘭米啟根公司的mt栽植機為多見 美國美國其他各國其他各國日本日本國外起步較早發(fā)展快，種類較多，移栽器型式不同通用性都比較國外起步較早發(fā)展快，種類較多，移栽器型式不同通用性都比較強，其移栽機械已十分成熟，多品種多系列，性能穩(wěn)定，可靠性高，強，其移栽機械已十分成熟，多品種多系列，性能穩(wěn)定，可靠性高，通用性好。但是操作復(fù)雜，匹配動力大，很難適應(yīng)中國的國情。通用性好。但是操作復(fù)雜，匹配動力大，很難適應(yīng)中國的國情。依托現(xiàn)有工業(yè)機器

3、人為本體的穴盤苗自動移 栽機 能實現(xiàn)移栽作業(yè)的最簡單種植機械，它主要利用工業(yè)機器人的機械本體和控制器，并安裝能完成移栽的末端執(zhí)行器、視覺傳感器，以組成一個移栽機器人系統(tǒng)。年代單位或個人品名優(yōu)點缺點1987美國奧本大學(xué) kutz苗圃植物移栽機器人 92孔穴盤移栽至36孔穴盤與生長盤位置要求高1992kcting和yyang以四自由度工業(yè)機器人為本體傳感器可避免夾持器夾苗時用力過大而傷苗結(jié)構(gòu)復(fù)雜備注：以工業(yè)機器人為本體的移栽機具有特定的功能，只適用于特定的環(huán)境，不便于對系統(tǒng)進行擴展和改進，其通用性差、利用率較低，與溫室自動化流水線作業(yè)設(shè)施不易實現(xiàn)配套且價格昂貴。分類分類發(fā)明單位或個人發(fā)明單位或個人

4、機型機型優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點鉗夾式移栽機 1979年山西省運城地區(qū)農(nóng)機所 2zmb一2型缽苗移栽機 栽植機械結(jié)構(gòu)簡單，株距和栽植深度穩(wěn)定 作業(yè)速度低 吊籃式移栽機 1997年黑龍江省八五零農(nóng)場 2zb-6型缽苗栽植機 可栽植多種蔬菜，缽苗直立率達(dá)96%導(dǎo)苗管式移栽機 1995年北京農(nóng)業(yè)大學(xué) 2z-4型栽植樣機 對秧苗沒有特殊的要求 ，適應(yīng)性強直立度不高圓盤式栽植機 1999年吉林工業(yè)大學(xué) 2zt型栽植機 單獨秧夾傷苗率小于5% 國內(nèi)關(guān)鍵機構(gòu)關(guān)鍵機構(gòu)栽栽-植苗機構(gòu)植苗機構(gòu)移移-取苗機構(gòu)取苗機構(gòu)取苗機構(gòu)是將穴盤苗夾取并最終釋放至植苗機構(gòu)的工作部件 植苗機構(gòu)是將取苗機構(gòu)釋放的穴盤苗進行接取并移栽至大田的

5、工作部件 2取苗機構(gòu)研究取苗機構(gòu)研究研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀取苗機構(gòu)用于夾取幼苗，并投放到植苗器中。目前國內(nèi)移栽機仍普遍采用人工投苗方式，自動取苗機構(gòu)仍處于探索階段。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的取苗機構(gòu)通過動力盤（槽形凸輪）的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)夾指的張開和閉合通過動力盤（槽形凸輪）的旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)夾指的張開和閉合 浙江大學(xué)設(shè)計的取苗機構(gòu) 采用兩個成一定傾斜角的氣缸實現(xiàn)夾持。針式手指取苗成采用兩個成一定傾斜角的氣缸實現(xiàn)夾持。針式手指取苗成功率較低，經(jīng)過改進，采用鏟式手指，成功率可達(dá)到功率較低，經(jīng)過改進，采用鏟式手指，成功率可達(dá)到82.5%82.5%。美國williames等提出的取苗方式 輸送器伸入到苗內(nèi)，通過一頂桿把缽苗頂

6、到輸送器內(nèi)，當(dāng)輸輸送器伸入到苗內(nèi)，通過一頂桿把缽苗頂?shù)捷斔推鲀?nèi)，當(dāng)輸送器內(nèi)裝好缽苗后，旋轉(zhuǎn)送器內(nèi)裝好缽苗后，旋轉(zhuǎn)9090，然后把苗落入到導(dǎo)苗管內(nèi)，進行，然后把苗落入到導(dǎo)苗管內(nèi)，進行移栽。移栽。荷蘭visser公司設(shè)計蔬菜移栽機一排推桿一排推桿4 從根部頂出幼苗，拔苗器從根部頂出幼苗，拔苗器7取出整排苗，放取出整排苗，放到傳送帶到傳送帶9上面。上面。壓縮空氣安裝盤左視氣動驅(qū)動器苗爪爪閉合狀態(tài)爪張開狀態(tài)氣動調(diào)節(jié)器壓縮空氣傳感器帶傳感器的滑動針取苗爪取苗機構(gòu)由氣動裝置、滑動苗爪、傳感器等組成，一剪刀取苗機構(gòu)由氣動裝置、滑動苗爪、傳感器等組成，一剪刀型機構(gòu)來滑動苗爪，取苗時，苗爪從成一角度的套筒伸出，

7、放型機構(gòu)來滑動苗爪，取苗時，苗爪從成一角度的套筒伸出，放苗時，苗爪縮回套筒。苗時，苗爪縮回套筒。美國rapid automated systems公司移栽機的片狀夾持具該機構(gòu)主要部件：片狀夾指、鍥形塊、噴水管。該機構(gòu)主要部件：片狀夾指、鍥形塊、噴水管。優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，輕巧靈活，可靠性高。優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單，輕巧靈活，可靠性高。采用四針氣缸驅(qū)動式，具有柔性和靈活性的特點，取苗采用四針氣缸驅(qū)動式，具有柔性和靈活性的特點，取苗成功率高。針管內(nèi)徑足夠大，否則容易發(fā)生鎖死現(xiàn)象。成功率高。針管內(nèi)徑足夠大，否則容易發(fā)生鎖死現(xiàn)象。澳大利亞transplant systems公司移栽機的取苗機構(gòu) 圖1 取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意

8、圖1. 行星架 2. 中心輪 3. 行星輪 4. 行星輪 5.靜軌跡 6. 取苗爪7. 連桿 8.滾子 9. 槽型凸輪 10. 行星輪軸 11.穴盤 12.托架 13穴盤苗齒輪連桿組合式取苗機構(gòu)（日本洋馬）齒輪連桿組合式取苗機構(gòu)（日本洋馬）由取苗爪，驅(qū)動機構(gòu)及槽形凸輪機構(gòu)組成，實現(xiàn)從穴盤由取苗爪，驅(qū)動機構(gòu)及槽形凸輪機構(gòu)組成，實現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗機構(gòu)投苗的動作。中取苗和向植苗機構(gòu)投苗的動作。齒輪連桿組合式取苗機構(gòu)（日本洋馬）齒輪連桿組合式取苗機構(gòu)（日本洋馬）3植苗機構(gòu)的研究植苗機構(gòu)的研究當(dāng)栽植機構(gòu)動軌跡為擺線或者是余擺線時，理論上通過控當(dāng)栽植機構(gòu)動軌跡為擺線或者是余擺線時，理論上通過控制落苗

9、的位置都能達(dá)到垂直落苗的要求，即苗離開鴨嘴的瞬間制落苗的位置都能達(dá)到垂直落苗的要求，即苗離開鴨嘴的瞬間的水平速度為零。但不同的栽植器對軌跡也有不同的要求，余的水平速度為零。但不同的栽植器對軌跡也有不同的要求，余擺線比較適合吊杯、鉗夾式等非打孔栽植器。而對于打孔栽植擺線比較適合吊杯、鉗夾式等非打孔栽植器。而對于打孔栽植的鴨嘴式栽植器通常要求栽植動軌跡為擺線，因為這可以減少的鴨嘴式栽植器通常要求栽植動軌跡為擺線，因為這可以減少鴨嘴在土內(nèi)的行走路徑，減小鴨嘴和土之間的作用力。鴨嘴在土內(nèi)的行走路徑，減小鴨嘴和土之間的作用力。栽植動軌跡栽植動軌跡六桿機構(gòu)六桿機構(gòu)四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)七桿機構(gòu)七桿機構(gòu)行星輪連桿

10、槽型凸輪機構(gòu)行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)行星輪機構(gòu)行星輪機構(gòu)根據(jù)栽植機構(gòu)的動軌跡的要求，選用了一種四桿機根據(jù)栽植機構(gòu)的動軌跡的要求，選用了一種四桿機構(gòu)作為栽植機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)。以四桿機構(gòu)作為基礎(chǔ)進構(gòu)作為栽植機構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)。以四桿機構(gòu)作為基礎(chǔ)進一步拓展得到了行星輪栽植機構(gòu)、六桿式栽植機構(gòu)與一步拓展得到了行星輪栽植機構(gòu)、六桿式栽植機構(gòu)與七桿式栽植機構(gòu)，以及行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)。七桿式栽植機構(gòu)，以及行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)。植苗機構(gòu)的選型思路植苗機構(gòu)的選型思路栽植機構(gòu)選型栽植機構(gòu)選型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)栽植所要求的動軌跡，而且能夠保證鴨嘴不僅能夠?qū)崿F(xiàn)栽植所要求的動軌跡，而且能夠保證鴨嘴式栽植器始終垂直于地面，可以使

11、苗在鴨嘴中保持良好的栽式栽植器始終垂直于地面，可以使苗在鴨嘴中保持良好的栽植姿態(tài)，使栽植變得穩(wěn)定可靠。植姿態(tài)，使栽植變得穩(wěn)定可靠。平行四邊形栽植機構(gòu)平行四邊形栽植機構(gòu)的動軌跡能夠保證完成栽植任務(wù)。平行四邊形栽植機構(gòu)的動軌跡能夠保證完成栽植任務(wù)。優(yōu)點是機構(gòu)簡單優(yōu)點是機構(gòu)簡單 ，缺點是單栽植臂栽植株距比較大需要，缺點是單栽植臂栽植株距比較大需要通過調(diào)節(jié)栽植臂的數(shù)量或者機構(gòu)桿長來調(diào)節(jié)株距，比較繁瑣。通過調(diào)節(jié)栽植臂的數(shù)量或者機構(gòu)桿長來調(diào)節(jié)株距，比較繁瑣。 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)研制2zt-2型甜菜移栽機行星輪轉(zhuǎn)臂栽植機構(gòu)三個齒輪的分度圓半徑要相等，從而使第三個齒輪的轉(zhuǎn)三個齒輪的分度圓半徑要相等，從而使第三個齒

12、輪的轉(zhuǎn)向與機架相反，保證鴨嘴始終垂直于地面。向與機架相反，保證鴨嘴始終垂直于地面。當(dāng)取多對轉(zhuǎn)臂時要保證所取的齒數(shù)為轉(zhuǎn)臂數(shù)量的整數(shù)倍。當(dāng)取多對轉(zhuǎn)臂時要保證所取的齒數(shù)為轉(zhuǎn)臂數(shù)量的整數(shù)倍。栽植的株距只與轉(zhuǎn)臂的數(shù)量、齒輪的中心距有關(guān)。栽植的株距只與轉(zhuǎn)臂的數(shù)量、齒輪的中心距有關(guān)。 原理與四桿機構(gòu)相原理與四桿機構(gòu)相似，優(yōu)點是栽植時似，優(yōu)點是栽植時相比四桿機構(gòu)更穩(wěn)相比四桿機構(gòu)更穩(wěn)定，適合于高速栽定，適合于高速栽植，但是缺少與之植，但是缺少與之對應(yīng)的高速自動喂對應(yīng)的高速自動喂苗裝置。苗裝置。 缺點是單栽植臂栽缺點是單栽植臂栽植株距比較大，需植株距比較大，需要通過調(diào)節(jié)栽植臂要通過調(diào)節(jié)栽植臂的數(shù)量或者機構(gòu)桿的數(shù)量

13、或者機構(gòu)桿長來調(diào)節(jié)株距。長來調(diào)節(jié)株距。六桿機構(gòu)由斯蒂芬斯六桿機構(gòu)變換得到。選取桿件由斯蒂芬斯六桿機構(gòu)變換得到。選取桿件4作為機架，作為機架，6為為曲柄，曲柄，5為上平行四邊形連架桿，為上平行四邊形連架桿，3為鴨嘴固定連桿，為鴨嘴固定連桿，2為下平為下平行四邊形連桿。行四邊形連桿。123456 在植苗動軌跡的基礎(chǔ)上通過鴨嘴的左右開合可以較好在植苗動軌跡的基礎(chǔ)上通過鴨嘴的左右開合可以較好的完成植苗任務(wù)。六桿機構(gòu)的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距的完成植苗任務(wù)。六桿機構(gòu)的最大優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距栽植，并且軌跡路徑更短，效率更高。栽植，并且軌跡路徑更短，效率更高。七桿機構(gòu)取桿取桿1作為機架，桿作為機架，桿2作

14、為曲柄作為曲柄1，連桿，連桿7作曲柄作曲柄2，連桿，連桿5做鴨嘴固定桿。做鴨嘴固定桿。1234567七桿機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距栽植，缺點機構(gòu)比七桿機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距栽植，缺點機構(gòu)比較復(fù)雜。較復(fù)雜。日本井關(guān)的蔬菜移栽機。日本井關(guān)的蔬菜移栽機。行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)由行星輪由行星輪1、連桿、連桿2、3、槽型凸輪槽型凸輪4與鴨嘴栽植器與鴨嘴栽植器5組組成。成。行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)行星輪連桿槽型凸輪機構(gòu)的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距栽植的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距栽植缺點是滑槽高副的阻力比較大缺點是滑槽高副的阻力比較大日本洋馬蔬菜移栽機日本洋馬蔬菜移栽機。1、四桿機構(gòu)機構(gòu)簡單，但是調(diào)節(jié)株距需要改變轉(zhuǎn)臂的數(shù)量或者、四桿機構(gòu)機構(gòu)簡單，但是調(diào)節(jié)株距需要改變轉(zhuǎn)臂的數(shù)量或者改變改變 轉(zhuǎn)臂的長度，比較復(fù)雜。并且高速栽植是機構(gòu)穩(wěn)定性比轉(zhuǎn)臂的長度，比較復(fù)雜。并且高速栽植是機構(gòu)穩(wěn)定性比較差。較差。2、六桿機構(gòu)最大的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距的栽植，并且鴨嘴走、六桿機構(gòu)最大的優(yōu)點是可以實現(xiàn)小株距的栽植，并且鴨嘴走過的軌跡路徑比較的短可以提高栽植效率。過的軌跡路徑比較的短可以提高栽植效率。3、七桿機構(gòu)的優(yōu)點與六桿機構(gòu)的相同，缺點是機