擺動(dòng)式間苗機(jī)器人鋤刀優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 哲 張春龍 馬瑤瑤 張 淦 李 偉 譚豫之

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

擺動(dòng)式間苗機(jī)器人鋤刀優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

孫 哲 張春龍 馬瑤瑤 張 淦 李 偉 譚豫之

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

為提高條播作物的間苗作業(yè)效率，針對(duì)作物秧苗的初次間苗，設(shè)計(jì)了擺動(dòng)式間苗鋤刀。建立了間苗鋤刀的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并通過(guò)仿真間苗鋤刀工作過(guò)程，模擬了間苗鋤刀的運(yùn)動(dòng)軌跡。選取間苗鋤刀的不同刀刃長(zhǎng)度、刀刃與刀柄夾角、刀柄長(zhǎng)度和刀柄頂端與作物行中心偏距優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)，將覆蓋率和入侵率作為間苗除凈率和傷苗率的預(yù)測(cè)模型，得出最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長(zhǎng)度75 mm、刀柄長(zhǎng)度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°。對(duì)優(yōu)化后的間苗鋤刀進(jìn)行大田間苗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：平均除凈率為89.4%，傷苗率為7.2%，滿(mǎn)足間苗要求。

間苗機(jī)器人； 機(jī)械間苗； 間苗鋤刀； 參數(shù)優(yōu)化； 正交試驗(yàn)

引言

以機(jī)械方式進(jìn)行間苗作業(yè)具有污染少、效率高的特點(diǎn)[1]。部分發(fā)達(dá)國(guó)家間苗機(jī)已推廣使用，國(guó)內(nèi)間苗機(jī)發(fā)展較慢，目前間苗主要采用傳統(tǒng)的人工間苗[2-3]和化控間苗[4-5]。人工間苗存在工作量大、效率低等問(wèn)題，化控間苗又會(huì)導(dǎo)致出苗不均，需人工進(jìn)行后續(xù)補(bǔ)苗[6]。為了實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的間苗作業(yè)，國(guó)外已研發(fā)出基于多傳感器融合的自動(dòng)間苗機(jī)器人，與傳統(tǒng)間苗相比，機(jī)械間苗可在均勻間苗的基礎(chǔ)上大幅度提高工作效率，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益[7-8]。

間苗鋤刀是間苗的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，直接影響間苗效果和效率。德國(guó)Fahse公司生產(chǎn)的MONOMAT-S型電子間苗機(jī)采用槽輪機(jī)構(gòu)，將電動(dòng)機(jī)的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成間苗鋤刀的擺動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周，鋤刀完成一次擺動(dòng)間苗動(dòng)作[9-10]。瑞典BMA機(jī)械式間苗機(jī)可調(diào)整楔形鋤鏟長(zhǎng)度和擺動(dòng)頻率控制株距，通過(guò)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)橫移機(jī)構(gòu)和間苗鋤刀橫向擺動(dòng)，完成垂直于作物行的間苗作業(yè)[11]。美國(guó)SIEMENS等[12-13]設(shè)計(jì)的自動(dòng)化間苗機(jī)器能夠控制執(zhí)行部件噴射方向與位置，通過(guò)選擇性的對(duì)準(zhǔn)作物秧苗噴灑藥劑，達(dá)到等距間苗目的。張順祥[14]設(shè)計(jì)了一款手動(dòng)遙控鋤草間苗機(jī)，將卡盤(pán)安裝在電動(dòng)機(jī)主軸上，卡盤(pán)外圈連接鐮刀刀片，采用按鈕開(kāi)關(guān)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，完成間苗作業(yè)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化間苗機(jī)的研究工作鮮有報(bào)道[15]。

但上述間苗裝置內(nèi)部機(jī)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，為此本文設(shè)計(jì)一種擺動(dòng)式間苗鋤刀，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬仿真，采用正交試驗(yàn)對(duì)間苗鋤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳參數(shù)組合。通過(guò)大田間苗試驗(yàn)驗(yàn)證該間苗鋤刀的作業(yè)效果，為機(jī)械間苗技術(shù)提供一種新型的末端執(zhí)行方案。

1 間苗鋤刀運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

1.1 間苗機(jī)器人及間苗鋤刀結(jié)構(gòu)

擺動(dòng)式間苗機(jī)器人如圖1所示。其主要包括機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、上位機(jī)控制系統(tǒng)、擺動(dòng)缸、仿形測(cè)速輪、橫移機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器。其中，末端執(zhí)行器由刀尖頂端相對(duì)的兩把間苗鋤刀組成，如圖2所示。每把鋤刀通過(guò)刀柄與擺動(dòng)缸相連，用于控制鋤刀躲避與割除作物。工作時(shí)間苗鋤刀不僅隨間苗機(jī)器人前進(jìn)，還要繞其刀柄頂端擺動(dòng)。通過(guò)上位機(jī)控制系統(tǒng)控制間苗鋤刀的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角，從而完成留苗與除苗動(dòng)作，如圖3所示。

圖1 擺動(dòng)式間苗機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Diagram of swing motion thinning robot1.機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái) 2.上位機(jī)控制系統(tǒng) 3.末端執(zhí)行器 4.擺動(dòng)缸 5.仿形測(cè)速輪 6.橫移機(jī)構(gòu)

圖2 間苗鋤刀結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of thinning hoe

圖3 間苗過(guò)程示意圖Fig.3 Schematic diagram of thinning process

1.2 間苗鋤刀運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

間苗過(guò)程為兩把間苗鋤刀對(duì)稱(chēng)開(kāi)合，可采用單側(cè)間苗鋤刀為研究對(duì)象，建立其運(yùn)動(dòng)模型。以鋤刀在起始位置時(shí)的刀刃尖端為坐標(biāo)原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，y軸正方向與間苗機(jī)器人前進(jìn)方向一致，間苗鋤刀繞其刀柄頂端B點(diǎn)向x軸正方向擺動(dòng)。間苗鋤刀的運(yùn)動(dòng)過(guò)程為間苗鋤刀隨機(jī)器人前進(jìn)和繞其刀柄頂端擺動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)。選取刀刃尖端A點(diǎn)為研究對(duì)象，設(shè)該點(diǎn)在t=0時(shí)處于如圖4a所示位置，任意時(shí)刻位置如圖4b所示。

圖4 運(yùn)動(dòng)分析圖Fig.4 Diagrams of kinematics analysis

則該點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(1)

其中

式中l(wèi)p——刀柄頂端與作物行中心偏距，mmlb——刀柄長(zhǎng)度，mmld——刀刃長(zhǎng)度，mmlc——刀柄頂端與刀刃尖端距離，mmθ——刀柄頂端與刀刃尖端連線與前進(jìn)方向的夾角，(°)

β——刀刃與刀柄夾角，(°)

v——間苗機(jī)器人前進(jìn)速度，mm/s

ω——間苗鋤刀角速度，(°)/s

t——時(shí)間，s

1.3 間苗鋤刀運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

間苗機(jī)器人作業(yè)時(shí)，其以速度v沿作物秧苗所在行向前行駛。當(dāng)兩把間苗鋤刀閉合時(shí)，其刀刃將作物秧苗從根部切除，此區(qū)域?yàn)槌鐓^(qū)；當(dāng)兩把間苗鋤刀打開(kāi)時(shí)，其刀刃避讓作物秧苗，此區(qū)域?yàn)榱裘鐓^(qū)。設(shè)定間苗的除苗與留苗的距離分別為l與d時(shí)，為保證間苗機(jī)器人完成留苗動(dòng)作，間苗鋤刀的角速度需滿(mǎn)足

(2)

根據(jù)上述要求，用圖形軟件對(duì)間苗鋤刀的間苗工作過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

2 間苗鋤刀優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)測(cè)模型

間苗機(jī)器人的作業(yè)效果主要取決于除苗區(qū)的除凈率和留苗區(qū)的傷苗率。而間苗鋤刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)是間苗效果的重要影響因素。除凈率與間苗作業(yè)前后的除苗區(qū)剩余秧苗數(shù)相關(guān)，傷苗率與留苗區(qū)作業(yè)前后損傷秧苗數(shù)相關(guān)。由于目前尚未進(jìn)行作物秧苗生長(zhǎng)狀況模擬，較難獲得條播作物除苗和留苗株數(shù)，故以面積覆蓋率和入侵率[16]作為間苗除凈率和傷苗率的預(yù)測(cè)模型。

圖5 間苗鋤刀工作過(guò)程仿真結(jié)果Fig.5 Simulation of thinning hoe working process

圖6為間苗鋤刀在間苗區(qū)域的間苗示意圖。覆蓋率和入侵率直接影響著除凈率和傷苗率，覆蓋率越大，除苗效果越好；入侵率越小，傷苗概率越低。根據(jù)作物秧苗根系大小設(shè)置一個(gè)保護(hù)區(qū)，其直徑為b。由圖6可知，在間苗工作過(guò)程中，鋤刀所覆蓋區(qū)域與保護(hù)區(qū)將作物秧苗所在行分為3個(gè)區(qū)域。其中區(qū)域1為間苗鋤刀覆蓋區(qū)域；區(qū)域2為間苗鋤刀與保護(hù)區(qū)的重疊區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的秧苗存在傷苗情況；區(qū)域3為間苗鋤刀未覆蓋區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)的秧苗存在未被割除情況。

圖6 間苗區(qū)域示意圖Fig.6 Simulation sketch of thinning area

覆蓋率計(jì)算公式為

(3)

式中f——覆蓋率，%Sf——鋤刀覆蓋區(qū)域面積，mm2Sw——鋤刀未覆蓋區(qū)域面積，mm2

入侵率計(jì)算公式為

(4)

式中r——入侵率，%Sc——鋤刀與保護(hù)區(qū)重疊區(qū)域面積，mm2Sb——保護(hù)區(qū)面積，mm2

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

確定本試驗(yàn)測(cè)定指標(biāo)為不同結(jié)構(gòu)參數(shù)[17-20]下間苗鋤刀的覆蓋率和入侵率，將間苗鋤刀的刀柄頂端與作物行中心偏距、刀刃長(zhǎng)度、刀柄長(zhǎng)度和刀刃與刀柄夾角作為優(yōu)化參數(shù)，如圖7 所示。間苗鋤刀的入土角與刃角為刀刃上下兩側(cè)的斜角，可降低鋤刀入土阻力和鋤刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦力。但入土角與刃角的參數(shù)變化不會(huì)改變鋤刀工作過(guò)程中覆蓋區(qū)域的形狀與大小，因此不影響間苗的覆蓋率與入侵率，故本文不做分析。

圖7 間苗鋤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)圖Fig.7 Structure parameters diagram of thinning hoe

試驗(yàn)因素和水平見(jiàn)表1，選用L16(45)表進(jìn)行正交試驗(yàn)，加入空白列估計(jì)隨機(jī)誤差。在正交試驗(yàn)中，間苗作業(yè)的除苗與留苗的距離分別為200 mm與150 mm，作物植株保護(hù)區(qū)直徑為80 mm。正交試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。A、B、C、D為因素水平值。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Experimental factors and levels

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Schemes and results of orthogonal experiment

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，根據(jù)極差大小得到因素A、B、C、D對(duì)覆蓋率與入侵率影響的因素優(yōu)水平、主次順序及優(yōu)化組合。

覆蓋率正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果見(jiàn)表3，空白列極差為0.583，說(shuō)明試驗(yàn)誤差較小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。通過(guò)表3可得覆蓋率的優(yōu)化組合為C1A4D1B1，即刀柄長(zhǎng)度130 mm、刀柄頂端與作物行中心偏距50 mm、刀刃與刀柄夾角75°、刀刃長(zhǎng)度85 mm。

表3 覆蓋率正交試驗(yàn)極差分析Tab.3 Range analysis of coverage rate from orthogonal experiment

對(duì)于覆蓋率性能指標(biāo)，刀柄長(zhǎng)度對(duì)其影響最大，刀柄長(zhǎng)度越大，間苗鋤刀的覆蓋率越高。主要原因是：間苗鋤刀靠近作物秧苗，刀柄長(zhǎng)度越大，避苗時(shí)鋤刀所需擺角越小，間苗鋤刀掃過(guò)的覆蓋區(qū)域越大。刀柄頂端與作物行中心偏距對(duì)其影響次之，刀刃長(zhǎng)度對(duì)其影響最小。

同上，通過(guò)表4可得空白列極差為1.358，試驗(yàn)誤差較小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。入侵率的優(yōu)化組合為B4D4A2C4，即刀刃長(zhǎng)度70 mm、刀刃與刀柄夾角60°、刀柄頂端與作物行中心偏距60 mm、刀柄長(zhǎng)度100 mm。

表4 入侵率正交試驗(yàn)極差分析Tab.4 Range analysis of overlap ratio from orthogonal experiment

對(duì)于入侵率性能指標(biāo)，刀刃長(zhǎng)度對(duì)其影響最大。刀刃長(zhǎng)度越小，間苗鋤刀入侵作物秧苗保護(hù)帶的概率越小，主要原因是：間苗鋤刀靠近作物秧苗，刀刃長(zhǎng)度越小，避苗曲線越接近圓弧，間苗鋤刀入侵保護(hù)區(qū)越小。刀刃與刀柄夾角對(duì)其影響次之，刀柄長(zhǎng)度對(duì)其影響最小。

通過(guò)對(duì)比覆蓋率的優(yōu)化組合C1A4D1B1和入侵率的優(yōu)化組合B4D4A2C4可以看出，覆蓋率與入侵率相互牽制，覆蓋率越大，入侵率也越大。為保證間苗覆蓋率的前提下減少入侵率，需權(quán)衡二者關(guān)系，故綜合分析試驗(yàn)因素對(duì)2個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響及其因素優(yōu)化組合，選出A3B3C1D3、A3B3C1D2、A3B2C1D3、A3B2C1D24個(gè)組合方案。

由于選出的上述4個(gè)方案均不在16組試驗(yàn)中，故須追加試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。相較于試驗(yàn)7和試驗(yàn)14，此4個(gè)方案得到的試驗(yàn)結(jié)果覆蓋率均高于92%，由于在實(shí)際間苗作業(yè)過(guò)程中存在其他因素影響，間苗機(jī)器人的傷苗率會(huì)偏高，故希望入侵率越小越好，確定最優(yōu)組合為A3B3C1D3，其中刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長(zhǎng)度75 mm、刀柄長(zhǎng)度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°，對(duì)應(yīng)覆蓋率為92.25%、入侵率為6.13%。

表5 追加試驗(yàn)安排與結(jié)果Tab.5 Additional experiment and results

為驗(yàn)證優(yōu)化后間苗鋤刀的間苗效果，加工制造結(jié)構(gòu)參數(shù)為刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長(zhǎng)度75 mm、刀柄長(zhǎng)度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°的間苗鋤刀，并在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)通州試驗(yàn)站進(jìn)行間苗試驗(yàn)，試驗(yàn)作物為白菜。間苗機(jī)器人作業(yè)速度為1.5 km/h，對(duì)條播長(zhǎng)度為120 m的白菜秧苗進(jìn)行連續(xù)間苗，設(shè)定間苗作業(yè)的除苗與留苗的距離分別為200 mm與150 mm，作物植株保護(hù)區(qū)直徑為80 mm，測(cè)試效果如圖8所示，間苗機(jī)器人樣機(jī)如圖9所示。隨機(jī)選取4塊長(zhǎng)度為10 m區(qū)域并記錄間苗作業(yè)前后植株數(shù)量。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)記錄，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。其中，在留苗區(qū)白菜子葉和根莖被破壞的植株數(shù)與留苗區(qū)總植株數(shù)的比值為傷苗率；在除苗區(qū)被完全切除的白菜植株數(shù)與除苗區(qū)總植株數(shù)的比值為鋤凈率。

由表6可知，樣機(jī)作業(yè)效果良好，平均除凈率為89.4%，傷苗率為7.2%。除凈率與仿真得到的覆蓋率相比，其值偏??；傷苗率與仿真得到的入侵率相比，其值偏大，原因有：間苗機(jī)器人作業(yè)過(guò)程中存在震動(dòng)，造成間苗鋤刀運(yùn)動(dòng)偏差；間苗機(jī)器人控制系統(tǒng)存在一定的誤差；地面存在凹凸起伏情況。

圖8 間苗試驗(yàn)效果Fig.8 Test results of thinning hoe

圖9 間苗機(jī)器人實(shí)物圖Fig.9 Photo of thinning robot

%

3 結(jié)論

(1)對(duì)間苗鋤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了優(yōu)化仿真，并通過(guò)正交試驗(yàn)方法得出了間苗鋤刀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)覆蓋率與入侵率的影響規(guī)律。其中，對(duì)覆蓋率影響大小依次為刀柄長(zhǎng)度、刀柄頂端與作物行中心偏距、刀刃與刀柄夾角、刀刃長(zhǎng)度；對(duì)入侵率影響大小依次為刀刃長(zhǎng)度、刀刃與刀柄夾角、刀柄頂端與作物行中心偏距、刀柄長(zhǎng)度。通過(guò)覆蓋率和入侵率預(yù)測(cè)除凈率和傷苗率，覆蓋率越大，除苗效果越好；入侵率越小，傷苗概率越低。

(2)正交試驗(yàn)優(yōu)化所得間苗鋤刀的最佳組合參數(shù)為:刀柄頂端與作物行中心偏距55 mm、刀刃長(zhǎng)度75 mm、刀柄長(zhǎng)度130 mm、刀刃與刀柄夾角65°。

(3)采用優(yōu)化組合參數(shù)制造間苗鋤刀，并進(jìn)行間苗試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：平均除凈率為 89.4%，傷苗率為7.2%，試驗(yàn)效果良好，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確有效。

1 李南,陳子文,朱成兵,等.電驅(qū)鋤草機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47(5):15-20. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160503&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.003. LI Nan,CHEN Ziwen,ZHU Chengbing,et al.System design and experiment of electric driven weeding robot[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(5):15-20.(in Chinese)

2 周漢章,程汝宏.免人工鋤草間苗的谷子新品種——懶谷3號(hào)[J].現(xiàn)代農(nóng)村科技,2009(22):22.

3 劉斐,劉猛,趙宇,等.半干旱區(qū)谷農(nóng)采用化控間苗技術(shù)影響因素實(shí)證研究——以山西省長(zhǎng)治市為例[J].科技管理研究,2015(14):110-113. LIU Fei, LIU Meng, ZHAO Yu, et al. Empirical study on influencing factors of foxtail millet farmers using chemical chopping-out technology in Half Arid Area[J]. Science and Technology Management Research, 2015(14): 110-113.(in Chinese)

4 程汝宏,師志剛,劉正理,等.谷子簡(jiǎn)化栽培技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展方向[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,14(11):1-4，18. CHENG Ruhong, SHI Zhigang, LIU Zhengli, et al. Progress and development direction of simplified cultivation technology of foxtail millet[J]. Journal of Hebei Agricultural Sciences, 2010,14(11): 1-4，18.(in Chinese)

5 任巧萍.谷子化控間苗技術(shù)簡(jiǎn)介及栽培要點(diǎn)[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2008(11): 37-38.

6 王節(jié)之,郝曉芬,王根全,等.化控間苗谷種栽培技術(shù)研究[J].河北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,14(11):15-18． WANG Jiezhi, HAO Xiaofen, WANG Genquan, et al. Study on the cultivation technique of millet seedlings thinning out by chemical control[J]. Journal of Hebei Agricultural Sciences, 2010,14(11): 15-18.(in Chinese)

7 MOGHADDAM P A, ARASTEH A S, KOMARIZADEH M H, et al. Developing a selective thinning algorithm in sugar beet fields using machine vision system[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2016,122: 133-138.

8 CHU Q, LIU J, BALI K, et al. Automated thinning increases uniformity of in-row spacing and plant size in romaine lettuce[J]. Horttechnology, 2016, 26(1): 12-19.

9 范素香,侯書(shū)林,趙勻.國(guó)內(nèi)外甜菜生產(chǎn)全程機(jī)械化概況[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011,33(3):12-15． FAN Suxiang, HOU Shulin, ZHAO Yun. Overview of full mechanization of sugar beet production in domestic and overseas[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011,33(3): 12-15.(in Chinese)

10 盧秉福,張祖立.甜菜生產(chǎn)機(jī)械化的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007,29(1): 59-62. LU Bingfu, ZHANG Zuli. Research evolution and development tendency on mechanization of sugar beet production[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2007,29(1): 59-62.(in Chinese)

11 周艷麗,江偉,盧秉福.甜菜中耕管理機(jī)械化技術(shù)[J].中國(guó)糖料,2014(4):70-73. ZHOU Yanli, JIANG Wei, LU Bingfu. Mechanization technology of cultivation and management for sugar beet[J]. Sugar Crops of China, 2014(4): 70-73.(in Chinese)

12 SIEMENS M C, HERBON R, HERBON R, et al.Automated machine for thinning lettuce—development and evaluation[C]∥ASABE International Meeting Paper 121338169,2012.

13 HERBON R. Automated machine for selective in situ manipulation of plants: US, WO/2012/094116[P]. 2012-07-12.

14 張順祥.鋤草間苗機(jī):中國(guó)，201320335645.1[P].2013-11-13.

15 孫明,凌云.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的蘿卜幼苗自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,33(5):75-77. SUN Ming, LING Yun. Application of computer vision in automatically discriminating radish seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2002,33(5): 75-77.(in Chinese)

16 黃小龍,劉衛(wèi)東,張春龍,等.苗間鋤草機(jī)器人鋤草刀優(yōu)化設(shè)計(jì)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012,43(6):42-46. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120608&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2012.06.008. HUANG Xiaolong, LIU Weidong, ZHANG Chunlong, et al.Optimal design of rotating disc for intra- row weeding robot[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012,43(6):42-46.(in Chinese)

17 李永磊,宋建農(nóng),康小軍,等.雙輥秸稈還田旋耕機(jī)試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013,44(6):45-49. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130609.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.06.009. LI Yonglei,SONG Jiannong,KANG Xiaojun,et al.Experiment on twin-roller cultivator for straw returning[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2013,44(6):45-49.(in Chinese)

18 賈洪雷,姜鑫銘,郭明卓,等.V-L型秸稈粉碎還田刀片設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2015,31(1):28-33. JIA Honglei,JIANG Xinming,GUO Mingzhuo,et al.Design and experiment of V-L shaped smashed straw blade[J].Transactions of the CSAE,2015,31(1):28-33.(in Chinese)

19 陳學(xué)深,馬旭,武濤,等.虎杖根系脫土裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2015,46(7):59-65. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150709&journal_id=jcsam.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.009. CHEN Xueshen,MA Xu,WU Tao,et al.Design and experiment of roots-soil separating device of knotweeds[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(7):59-65.(in Chinese)

20 何進(jìn),李洪文,李慧,等.往復(fù)切刀式小麥固定壟免耕播種機(jī)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(11):133-138. HE Jin,LI Hongwen,LI Hui,et al.No-till planter with reciprocating powered-cutter for wheat permanent raised beds cultivation[J].Transactions of the CSAE,2009,25(11):133-138.(in Chinese)

OptimalDesignandExperimentofThinningHoeforSwingMotionThinningRobot

SUN Zhe ZHANG Chunlong MA Yaoyao ZHANG Gan LI Wei TAN Yuzhi

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

As the scale of agricultural production gradually expands, agriculture is developing forward to mechanization and intelligent direction. At present the main ways of domestic thinning are artificial thinning and chemical control thinning. Artificial thinning has the disadvantages of low efficiency and high labor intensity. Chemical control thinning makes seedling emergence come out not evenly, and people have to fill the gaps manually. Mechanical thinning can improve the working efficiency and bring great economic benefits with even seedling. The swing motion thinning robot was designed for the first thinning of seedlings and the kinematics model was established for the optimal to simulate the moving path. Then the virtual orthogonal experiment was done by different optimal edge lengths, different angles between optimal edge and optimal handle, different optimal handle lengths and different distances between optimal handle and center of crop-row. The prediction model of weeding rate and wounded seedling rate were analyzed by taking the coverage rate and the inbreaking rate as evaluation indexes. Based on the calculation, the best parameters in combination were as follows: distance between optimal handle and center of crop-row of 55 mm, optimal edge length of 75 mm, optimal handle length of 130 mm, angle between optimal edge and optimal handle of 65°.The experiment result verified that the simulation and orthogonal experiment were accurate and efficient with good operation effectiveness of the prototype, and the weeding rate reached 89.4%, yet the wounded seedling rate was only 7.2%.

thinning robot; mechanical thinning; thinning hoe; parameter optimization; orthogonal experiment

S224.5

A

1000-1298(2017)09-0070-06

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.009

2016-12-09

2017-01-13

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD23B02)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31601217)

孫哲(1990—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究，E-mail： 799435186@qq.com

譚豫之(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能化農(nóng)業(yè)裝備研究，E-mail： Yztan@cau.edu.cn