|摘要|針對現有蔬菜工廠化生產人工移苗作業效率低、成本高等問題，團隊設計一款從96穴育苗盤移苗到8穴種植盤的自動移苗設備。移苗裝置作為移苗設備的關鍵執行機構，雙機械臂採用XYZ桁架線性模組形式，模組運行速度為800 mm/s，最大拾取距離800 mm，重複定位精度0.05 mm；末端執行器採用四爪結構，迷你氣缸控制夾爪距離，手指氣缸為種植杯夾持提供動力。不同調速脈衝參數值下，移苗速度隨脈衝參數的提升而上升，最高平均移苗速度可達90棵/min，移苗速度的上升並不會影響移苗的成功率，平均移苗成功率可達97.27%，移苗速度的最大誤差為±2 s，在誤差允許範圍±3 s內。
移苗設備結構和工作原理
整機結構和工作原理
自動移苗設備結構採用單元模塊化設計，主要包括種植盤庫、轉接裝置、輸送裝置和移苗裝置，其中移苗裝置為關鍵部件，通過桁架結構連接在種植盤庫與轉接裝置之間。根據蔬菜工廠化生產移苗作業要求，確定移苗設備系統主要工作參數和性能指標。
移苗裝置結構和工作原理
移苗裝置由抓手和直線模組組件構成。其中抓手由滑軌、抓手連接板、抓杯連接板、夾爪氣缸、夾爪、調距氣缸、氣缸連接、抓手分配盤、Z軸連接板組成。直線模組組件由X1軸、X2軸、Y1軸、-Y2軸、Z1軸、Z2軸、桁架組成，單軸直線模組由同步帶、直線導軌、滑台、電機、光電開關等組成。
移苗過程運動學分析
移苗臂運動學模型
移苗過程中，為保持設備作業的同步性和平衡性，設計雙臂機械手。根據移苗軌跡，X、Y、Z模組形成的機械臂進行有序直線運動。
裝置主要完成從96穴育苗盤到8穴種植盤的自動移苗。參照蔬菜工廠化生產栽培床單元布局擺放育苗盤和種植盤，左機械臂對應#Ⅰ育苗盤及#Ⅰ-1、#Ⅰ-2、#Ⅰ-3種植盤，右機械臂對應#Ⅱ育苗盤及#Ⅱ-1、#Ⅱ-2、#Ⅱ-3種植盤。
取苗進程與回程，投苗進程與回程所形成的相對運動軌跡分別相同。機械臂處於育苗盤上方時，抓手對種植杯進行夾持；機械臂處於種植盤上方時，抓手對種植杯進行投放。三維空間運動軌跡如下圖所示，實線為取苗投苗路徑，取苗與投苗進程，移苗機械臂形成的偏角為0°或180°；虛線為取苗與投苗回程，偏角與取苗點和投苗點位置相關。
以左機械臂為例，xy平面，投苗階段，#Ⅰ育苗盤位置(取苗點)為A，#Ⅰ-1種植盤位置（初投苗點）C。建立矢量封閉方程，
。
建立坐標系，將矢量式轉換為解析式，得出移苗臂位移方程與偏角θ。
d為育苗盤穴孔中心距，D為種植盤穴孔中心距，D』為相鄰種植盤穴孔中心距。
以上計算可得，An 點為取苗點，n 越大，移苗臂在X方向運動時間越長；Cn 點為投苗點，n 越大，移苗臂在X方向運動時間越長，夾持種植杯穩定性越差，種植杯投入種植盤的精準性越低，移苗效率降低。因此，選用雙臂機械手，縮小n、p、q 等值的取值範圍，優化取苗投苗位移，提高移苗精準度和效率。
移苗臂結構參數分析
根據位移方程及運動軌跡，移苗過程中，機械臂需完成X、Y、Z方向直線運動，選用線性模組，根據育苗盤及種植盤位置確定線性模組形程≤1000 mm，對移苗設備進行三維建模，不斷緊湊優化直線行程，確定X軸和X+軸沿托盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Y1軸和Y2軸沿垂直於托盤輸送線方向水平直線行程為800 mm，Z1軸和Z2軸沿豎直方向上下直線運動行程為700 mm。
通過物性分析計算得出，X軸需承受負載4.82 kg，Y軸需承受負載6.77 kg，Z軸需承受負載29.47 kg。根據以上參數，選擇本體寬度為80的同步帶直線模組，技術參數見下表。X軸電機直連，Y1、Z1軸和Y2、Z2軸電機分別採用電機右折和電機左折方式連接。
移苗過程動力學模型
夾持力力學模型
在抓手夾爪移苗過程中，夾持力的分析可以分為兩個階段：第1階段是夾爪定位後將種植杯從育苗盤孔穴中拔起時的夾持力，這一階段受力比較複雜，種植杯受到夾爪的夾持力、拔起過程中的慣性力、種植杯本身的重力和育苗盤孔穴內壁對種植杯的阻力，根據拔起過程中種植杯的運動特點建立力學模型；第2階段是種植杯完全脫離育苗盤孔穴並在夾爪輸送時的夾持力，這一階段受力比較簡單，種植杯僅受到夾爪的夾持力和種植杯本身的重力，且此時的夾持力小於第1階段的夾持力。如果第1階段的夾持力滿足工作需求，則此夾持力肯定滿足第2階段的工作需求，因此只研究第1階段的夾持力。
通過力學模型進行受力分析可得，
種植杯取出時孔穴壁與種植杯之間的摩擦力計算比較複雜,因此將孔穴壁與種植杯之間的最大靜摩擦力作為孔穴壁與種植杯之間的摩擦力。取孔穴深度h一半徑為r的微圓盤,則摩擦力為
種植杯為圓管狀，種植杯與孔穴相交處直徑作為種植杯直徑；育苗盤材料的比重指的是塑料的相對密度，
為10780 N/m³；泊松比指的是塑料橫向變形的彈性常數，查詢得
取0.394；種植杯與孔穴壁最大靜摩擦因數取0.18。
由夾持力公式計算，得出夾爪取苗夾持力2 N。
取苗末端執行器參數分析
基於蔬菜工廠化生產模式，移苗主體為種植杯，設計圓管狀種植杯，杯沿直徑35 mm，杯沿下方直徑約27 mm，確定夾爪夾持點為杯沿下方，故夾爪開閉行程差
根據夾爪尺寸設計，夾持點距離L為30 mm，偏心距距離H為24.5 mm。綜上所述，確定夾爪氣缸ATC-HFZ型復動型氣動手指氣缸，主、側試圖如下圖。
查閱ATC-HFZ系列產品概覽可知，當氣動手指氣缸缸徑為16時，理論閉合夾持力34 N，張開夾持力45 N；開閉行程（兩側）為6 mm，符合夾爪開閉行程差設計要求；氣壓為0.5 MPa時，手指氣缸提供的理論夾持力為34 N，滿足夾持力2 N需求，且對種植杯的夾持負載程度相對較輕，因此選取夾爪氣缸缸徑16 mm。
移苗裝置從育苗盤中取苗移至種植盤，需對穴孔中心距進行調整即等距調整夾爪距離。調距氣缸控制抓杯連接板在抓手分配上做小於120 mm豎直方向往復運動，實現夾爪水平方向等距調整。綜上所述，選擇ATC-MA型不鏽鋼迷你氣缸，氣缸帶動抓杯連接板運動軌跡示意圖下圖所示。
移苗設備運行速度0.3 m/s，查詢氣缸負載率和氣缸運動速度關係表，取負載率為40%。空壓機額定排氣壓力0.7 MPa，氣缸工作壓力P取0.5 MPa。調距氣缸垂直安裝，取安全係數k為2，調距氣缸主要推動連接塊和抓手分配盤運動，物性計算得質量為1.25 kg。
查閱ATC-MA系列產品概覽可知，當迷你氣缸缸徑為20 mm時，標準行程有小於120 mm，符合抓手分配盤尺寸要求；氣壓為0.5 MPa時，押側及拉側力大於184.7 N、219.8 N，滿足推押力大於125 N需求，且對等距機構作用程度相對較輕，因此選取調距氣缸缸徑20 mm。
試驗與分析
在上海孫橋現代農業園區進行移苗效果測試，測試速度和成功率。試驗測試移苗裝置得速度及成功率，即從左右機械臂完成定位開始，至設備完成育苗盤中48個種植杯（單機械臂完成3組種植盤）的抓取、移位、投放動作作為一個測試周期，測試在不同的調速脈衝參數值下的移苗速度，每種調速脈衝值下測試3次，取算術平均值。
由測試可知，隨著脈衝參數的提升，移栽速度幾乎呈線性上升，在調速脈衝值為80000的情況下，移栽速度最快，平均可達90棵/min。所有調速脈衝值下平均移栽成功率為97.27%。移栽成功率與移栽速度之間沒有顯著相關性，在調速脈衝值為60000的情況下，移栽成功率最高。移苗設備在不同調速脈衝值參數下，移苗裝置運行速度穩定、平穩，沒有異常振動，設育苗盤、種植盤定位準確，抓手能精準抓取種植杯，種植杯能精準投入種植盤孔穴內。
結論
（1）設計了一種線性模組與抓手組合結構，根據育苗盤、種植盤要求，確定移苗裝置各構建尺寸關係，構建移苗臂運動模型，得出位移方程即運動軌跡，確定線性模組運動參數：X方向水平直線行程為800 mm，Y方向水平直線行程為800 mm，Z方向上下直線運動行程為700 mm，選型80型同步帶直線模組。
（2）構建夾持力力學模型，確定種植杯夾持力2 N，取苗末端執行器調距氣缸缸徑為16 mm，夾爪氣缸缸徑為20 mm。
（3）根據試驗分析，設備在不同調速脈衝值參數下，平均移栽成功率97.27%，移苗速度的最大誤差為+2 s，在誤差允許範圍±3 s內，滿足設計要求，驗證移苗裝置設計得可行性。