袁 挺 張 宇 尹金亮 汪 瀚 張志芹 譚豫之

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

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，辣椒等經(jīng)濟(jì)型作物占我國(guó)蔬菜的種植比重逐漸增加，成為農(nóng)民增收的重要途徑。蔬菜缽苗育苗產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但缽苗移栽仍以人工及半自動(dòng)移栽為主，勞動(dòng)強(qiáng)度高、作業(yè)效率低、機(jī)械化程度不高，不利于規(guī)范化管理，不能滿足現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求[1]。半自動(dòng)移栽機(jī)缺少取投苗裝置，不能實(shí)現(xiàn)缽苗的全自動(dòng)移栽作業(yè)，所以蔬菜缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)的研究關(guān)鍵在于取投苗裝置[2]。

發(fā)達(dá)國(guó)家研制的取投苗裝置較為成熟。歐美研制機(jī)型偏大型化及電氣液化，日韓研制機(jī)型偏小型化及純機(jī)械化[3-4]。意大利Ferrari公司設(shè)計(jì)了一種頂夾結(jié)合式取苗裝置，電氣液結(jié)合驅(qū)動(dòng)，取苗效率高，傷苗率低，作業(yè)規(guī)模大，但引進(jìn)國(guó)內(nèi)后出現(xiàn)堵苗現(xiàn)象，且只適用于硬質(zhì)泡沫苗盤(pán)[5]。日本井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社研制了一種兩針機(jī)械手回轉(zhuǎn)取苗裝置，純機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用內(nèi)部行星齒輪運(yùn)動(dòng)及半齒輪的間歇停頓特性與外部軌槽滑道復(fù)合形成特定取苗軌跡，結(jié)構(gòu)緊湊，性能穩(wěn)定，但機(jī)構(gòu)復(fù)雜，軌槽滑道易磨損[6-7]。國(guó)內(nèi)對(duì)取投苗裝置的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展[8]，提出了頂出式、迎苗夾取(主莖或基質(zhì))式、頂出夾取式及氣力式[9]等取苗方式[10]。劉念聰?shù)萚11]提出了全自動(dòng)單擺式蔬菜缽苗取喂苗系統(tǒng)，該裝置機(jī)構(gòu)緊湊，對(duì)苗適應(yīng)性好，取苗成功率高。謝守勇等[12]提出了一種斜插夾缽式取苗裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作連貫，但主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速不易過(guò)高。倪有亮等[13]設(shè)計(jì)了縱/橫向移盤(pán)機(jī)構(gòu)、頂夾式取苗機(jī)構(gòu)等，完成缽苗的隔穴頂出和夾取，但該機(jī)構(gòu)取苗中使送盤(pán)裝置平移需要較大動(dòng)力。王蒙蒙等[14]提出了一種曲柄搖桿式取苗機(jī)構(gòu)，對(duì)苗盤(pán)的適應(yīng)性強(qiáng)，傷苗率低，但需將苗頂出后再夾取。俞高紅團(tuán)隊(duì)[15-17]提出一種回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)復(fù)合了一個(gè)或兩個(gè)以上相同的取苗機(jī)構(gòu)，利用不完全共軛變性橢圓齒輪，配合齒輪箱其他零件，可實(shí)現(xiàn)一種特殊的非勻速間歇運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高速取苗，但部分零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。現(xiàn)有取投苗裝置存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)構(gòu)間協(xié)作性要求高等問(wèn)題。

本文結(jié)合以上分析，提出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、取投苗動(dòng)作連貫、動(dòng)力要求小及取投苗軌跡簡(jiǎn)單的全自動(dòng)曲柄搖桿-導(dǎo)軌組合式取投苗裝置。以取投苗位置為參數(shù)要求，通過(guò)理論研究和仿真分析，進(jìn)行取投苗裝置設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，結(jié)合樣機(jī)試驗(yàn)和相關(guān)分析，以期獲得一種結(jié)構(gòu)合理、取投苗性能優(yōu)穩(wěn)快、使用方便的全自動(dòng)取投苗裝置，為蔬菜缽苗移栽機(jī)的全自動(dòng)化提供技術(shù)支撐。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

曲柄搖桿-導(dǎo)軌組合式取投苗裝置安裝在自制的試驗(yàn)平臺(tái)上，如圖1所示。試驗(yàn)平臺(tái)主要由分苗裝置、導(dǎo)苗裝置、送盤(pán)裝置、取投苗裝置與機(jī)架等部分組成。穴苗盤(pán)傾斜放置到送盤(pán)裝置上，取投苗裝置與送盤(pán)裝置配合完成取苗作業(yè)，與導(dǎo)苗裝置及分苗裝置協(xié)調(diào)完成投苗作業(yè)。取投苗裝置主要由曲柄搖桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、取苗橫向移位機(jī)構(gòu)及6個(gè)取苗爪等組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。取苗爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of test platform1.分苗裝置 2.導(dǎo)苗裝置 3.苗盤(pán) 4.送盤(pán)裝置 5.取投苗裝置 6.機(jī)架

圖2 取投苗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Diagram of seedling taking and dropping device1.從動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)軸 2.從動(dòng)搖桿 3.機(jī)架 4.T型軸承座 5.T型軸 6.直線導(dǎo)軌滑塊 7.直線導(dǎo)軌軌道 8.導(dǎo)軌限位塊 9.上連接U型槽 10.橫移連接角鋁 11.橫移氣缸固定角鋁 12.橫移氣缸 13.橫移圓軌道 14.成排取苗機(jī)械爪 15.直線軸承 16.取苗機(jī)械爪橫向移位機(jī)構(gòu)固定角鋁 17.直線導(dǎo)軌軌道內(nèi)鉸鏈 18.從動(dòng)搖桿外鉸鏈 19.同步帶傳動(dòng) 20.取苗步進(jìn)電機(jī) 21.動(dòng)力輸入軸 22.動(dòng)力輸入軸軸承座 23.主動(dòng)曲柄 24.連桿

圖3 取苗爪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of mechanical claw for seedling collection1.取苗針 2.苗針架 3.氣缸 4.安裝U型槽 5.固定鉸鏈板 6.苗針固定塊 7.擋板

1.2 工作過(guò)程及工作原理

取投苗試驗(yàn)平臺(tái)的作業(yè)流程如圖4所示。送盤(pán)裝置依次將每行穴盤(pán)苗送至取苗位。取苗爪在初始位置是張開(kāi)狀態(tài)。取苗步進(jìn)電機(jī)通過(guò)主動(dòng)曲柄帶動(dòng)從動(dòng)搖桿連續(xù)前后往復(fù)擺動(dòng)。取苗爪的軌跡是由直線導(dǎo)軌軌道在從動(dòng)搖桿擺動(dòng)拉動(dòng)下的直線運(yùn)動(dòng)和直線導(dǎo)軌軌道隨導(dǎo)軌滑塊以T型軸軸心為圓心的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)復(fù)合而成，如圖5所示，曲柄搖桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)即可同時(shí)帶動(dòng)成排6個(gè)取苗爪完成運(yùn)動(dòng)至取苗點(diǎn)、插入基質(zhì)、取出缽苗、運(yùn)送缽苗及運(yùn)動(dòng)至投苗點(diǎn)等一系列連貫動(dòng)作，不需添加輔助機(jī)構(gòu)。取苗時(shí)，從動(dòng)搖桿向后擺動(dòng)，當(dāng)取苗爪的末端與苗盤(pán)上表面即將接觸時(shí)，取苗氣缸回縮，取苗爪開(kāi)始收緊逐漸抓入缽苗基質(zhì)約30 mm深，完成整排缽苗的半排間隔抓苗[2,18]；在主動(dòng)曲柄的連續(xù)帶動(dòng)下，從動(dòng)搖桿向前擺動(dòng)至前極限位置，將缽苗拔出穴盤(pán)送至導(dǎo)苗裝置正上方，取苗氣缸伸出帶動(dòng)苗針架推苗、完成投苗。隨后橫移氣缸回縮帶動(dòng)取苗爪向右平移一個(gè)穴盤(pán)位完成整排取投苗。分苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，依次將缽苗落入栽植機(jī)構(gòu)完成栽植。

圖4 取投苗試驗(yàn)平臺(tái)作業(yè)流程圖Fig.4 Operation flow chart of test platform for seedling taking and feeding

圖5 取投苗工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of seedling taking and feeding

圖6 取苗機(jī)械爪取投苗工作過(guò)程示意圖Fig.6 Schematics of working process of seedling picking and dropping by claw of seedling picking machine

圖6所示為取苗爪取苗與投苗工作過(guò)程示意圖，圖中黑色實(shí)心箭頭表示取苗爪整體運(yùn)動(dòng)情況，黑色空心箭頭表示取苗氣缸的運(yùn)動(dòng)情況。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 送盤(pán)裝置傾斜角確定

圖7所示是用實(shí)驗(yàn)法對(duì)穴盤(pán)苗的重心位置進(jìn)行確定[19]。測(cè)出穴盤(pán)苗的重力P和距離L。 因?yàn)檎P(pán)穴盤(pán)苗的播種、生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)時(shí)間相同，且經(jīng)過(guò)挑苗，可以認(rèn)為整盤(pán)穴盤(pán)苗均勻分布，則重心O在對(duì)稱(chēng)軸線上，需要測(cè)定重心O距離地面的高度h。

圖7 重心確定受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram for center of gravity determination

設(shè)定穴苗盤(pán)右支撐點(diǎn)到電子秤水平面垂直距離H=50 mm。由于所使用穴盤(pán)為72穴標(biāo)準(zhǔn)穴盤(pán)，所以L與穴苗盤(pán)重心到右支撐點(diǎn)對(duì)齊距離s為定值。根據(jù)辣椒苗高度與試驗(yàn)基質(zhì)含水率的不同，可得出不同情況下的支撐力F與P值。因?yàn)榇藭r(shí)穴苗盤(pán)是平衡的，使用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)理論，計(jì)算得出h取值范圍為30.15～69.25 mm。

在傾斜的送盤(pán)裝置上放置苗盤(pán)時(shí)，操作要求是將苗盤(pán)的最下面的穴盤(pán)格卡在仿形桿上，其受力分析如圖8所示，穴苗盤(pán)隨著送盤(pán)裝置傾斜角β增大只產(chǎn)生繞著支撐點(diǎn)A的轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生滑動(dòng)。

圖8 苗盤(pán)放置示意圖Fig.8 Schematic of seedling tray placement

如圖8所示,h=lOQ，lTQ和lRT已知，lRT垂直lOQ于T，由三角形相關(guān)定理計(jì)算可得α=31.25°，若要保證苗盤(pán)不繞點(diǎn)R旋轉(zhuǎn)傾覆，則OR不能與水平面垂直，則β<58.75°。為防止缽苗脫落，需β<75.3°[1]。綜上，β取50°。

2.2 取投苗裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

若僅采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行取投苗時(shí)，則需要頂苗機(jī)構(gòu)的輔助[14]。當(dāng)取苗末端在取苗點(diǎn)垂直穴盤(pán)且近似直線運(yùn)動(dòng)夾取缽苗時(shí)具有較好的取苗效果；當(dāng)缽苗處于豎直狀態(tài)時(shí)具有較好的投苗效果[20-21]。根據(jù)上述取苗軌跡的設(shè)計(jì)要求，提出曲柄搖桿-導(dǎo)軌組合式取投苗裝置，主要由搖桿-導(dǎo)軌部件及曲柄搖桿部件等組成。

2.2.1搖桿-導(dǎo)軌部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖9所示，取投苗時(shí)，DE帶動(dòng)FEG進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。取苗時(shí)，為了減小取苗末端對(duì)缽苗基質(zhì)的損傷，此時(shí)點(diǎn)E的速度必須垂直于穴苗盤(pán)表面，且不能有其它方向的分量，故此時(shí)FE與DE垂直，即α2=90°。從缽苗的運(yùn)動(dòng)及分苗裝置的布置尺寸考慮，選取DE的擺角為90°，即φ=90°。

圖9 搖桿-導(dǎo)軌部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.9 Structural diagram of rocker slide rail components

在直角梯形FE1DE2中有

(1)

式中e——上搖桿長(zhǎng)度，mm

f1、f2——導(dǎo)軌有效作業(yè)長(zhǎng)度，mm

α1——投苗位搖桿和滑軌夾角，(°)

α0——滑軌完成一次取投苗擺動(dòng)角，(°)

基于送盤(pán)裝置的安裝位置及EG1的長(zhǎng)度確定上搖桿的長(zhǎng)度e，分析如下：取苗時(shí)，作取苗位置穴盤(pán)底部中心K到固定機(jī)架JL的垂線KL垂直于點(diǎn)L，作鉸鏈點(diǎn)E1到機(jī)架JL的垂線E1N垂直于點(diǎn)N。作NI垂直E1J于點(diǎn)I。如圖10所示。

圖10 取苗位置中上搖桿長(zhǎng)度分析圖Fig.10 Length analysis diagram of middle and upper rocker at seedling taking position

運(yùn)用數(shù)學(xué)三角函數(shù)理論對(duì)圖10進(jìn)行分析得

(2)

式中i——取苗位上的穴盤(pán)缽穴底部中心到穴盤(pán)架頂點(diǎn)M的直線距離，mm

j——取苗位上的穴盤(pán)缽穴底部中心到機(jī)架的垂直距離，mm

k——E1J長(zhǎng)度，mm

m——鉸鏈點(diǎn)E1到取苗位上的穴盤(pán)缽穴底部中心的距離，mm

計(jì)算可得195.2 mm≤e≤303.7 mm?？紤]到結(jié)構(gòu)的緊湊性，選擇e=210 mm。將e代入式(1)中，即可求得導(dǎo)軌取苗有效作業(yè)長(zhǎng)度f(wàn)1=334 mm，導(dǎo)軌投苗有效作業(yè)長(zhǎng)度f(wàn)2=274 mm。此時(shí)確定了搖桿的固定點(diǎn)D和滑軌中滑塊的安裝位置F。

2.2.2曲柄搖桿部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了使上搖桿的搖動(dòng)角達(dá)到90°，并且保證擺動(dòng)的連續(xù)性及控制的簡(jiǎn)便性，選擇曲柄搖桿機(jī)構(gòu)作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)(圖11)。

圖11 曲柄搖桿部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structural diagram of crank rocker components

搖桿CD和上搖桿DE為剛性連接，則可以確定搖桿CD的擺角為ψ=90°；為了縮短末端夾苗距離，減少對(duì)基質(zhì)的沖擊損傷，故采用無(wú)急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)[22]，速度比系數(shù)K=1，最小傳動(dòng)角為γmin=44°。

在無(wú)急回特性曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中[2]，極位夾角等于0°。有

(3)

最小傳動(dòng)角為

(4)

式中a——主動(dòng)曲柄AB長(zhǎng)度，mm

b——連桿BC長(zhǎng)度，mm

c——從動(dòng)搖桿CD長(zhǎng)度，mm

d——兩固定點(diǎn)A、D之間距離，mm

考慮到機(jī)器安裝的尺寸布局，設(shè)定c=165 mm，將γmin=44°、ψ=90°代入式(3)、(4)，得到a=116.7 mm，b=625.8 mm，d=636.5 mm。機(jī)架與地面平行。

2.3 取投苗裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在取投苗的取苗行程時(shí)，為了保證抓取成功率與減少缽苗基質(zhì)損傷，要求在取苗點(diǎn)的速度接近0；在接近投苗點(diǎn)時(shí)，為了保證缽苗投苗的穩(wěn)定性，水平加速度需接近0；在投苗位置，為了保證缽苗豎直落入分苗杯，水平速度和加速度均需接近0。對(duì)取投苗裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，如圖12所示。

圖12 取投苗裝置運(yùn)動(dòng)分析Fig.12 Motion analysis of seedling taking and feeding device

由圖12可得曲柄搖桿機(jī)構(gòu)矢量方程為

lDA+lAB=lDC+lCB

(5)

在x軸和y軸上的投影為

(6)

式中δ1——主動(dòng)曲柄AB位置角，(°)

δ2——連桿BC位置角，(°)

δ3——從動(dòng)搖桿CD位置角，(°)

由式(6)求出滑軌方位角δ3為

(7)

其中

(8)

式(6)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得

(9)

式中ω1——主動(dòng)曲柄角速度，rad/s

ω2——連桿角速度，rad/s

ω3——從動(dòng)搖桿角速度，rad/s

由式(9)求得搖桿角速度ω3和角加速度a3為

(10)

(11)

對(duì)于搖桿-導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)的矢量方程為

lDE+lEF=lDF

(12)

在x軸和y軸上的投影方程為

(13)

式中δ5——上搖桿DE位置角，(°)

δ6——導(dǎo)軌EF位置角，(°)

xF——旋轉(zhuǎn)點(diǎn)F橫坐標(biāo)

yF——旋轉(zhuǎn)點(diǎn)F縱坐標(biāo)

fi——導(dǎo)軌上點(diǎn)E、F之間距離

由式(13)求出導(dǎo)軌的位置角δ6及fi為

(14)

(15)

其中

δ5=π-δ3

(16)

式(14)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得導(dǎo)軌的角速度為

(17)

其中

ω5=ω3

(18)

式中ω5——上搖桿角速度，rad/s

ω6——導(dǎo)軌角速度，rad/s

式(17)對(duì)時(shí)間求導(dǎo)得導(dǎo)軌的角加速度為

(19)

由圖12得到取投苗末端點(diǎn)G的坐標(biāo)為

(20)

式中g(shù)——鉸鏈點(diǎn)E到取投苗末端終點(diǎn)G的長(zhǎng)度，mm

則取投苗末端終點(diǎn)G的速度和加速度為

(21)

(22)

其中

a5=a3

(23)

2.4 取投苗裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證取投苗裝置是否符合取投苗運(yùn)動(dòng)要求，將取投苗模型導(dǎo)入ADAMS中進(jìn)行虛擬仿真，對(duì)模型各個(gè)部件進(jìn)行質(zhì)量賦予、重力設(shè)置及各個(gè)連接點(diǎn)約束設(shè)定，設(shè)置起始點(diǎn)為投苗位置，設(shè)置主動(dòng)曲柄的轉(zhuǎn)速為15 r/min，即取苗末端4 s完成一次取投苗行程(在2 s處進(jìn)行取苗)，此時(shí)整機(jī)取投苗速度為90株/min，得到圖13所示的取投苗末端速度、加速度曲線。

圖13 取投苗末端運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真速度與加速度曲線Fig.13 Velocity and acceleration curves of kinematic simulation at end of seedling feeding

如圖13所示，取苗速度在取苗點(diǎn)為0，有利于取苗成功；在投苗位置附近，水平加速度較小，有利于增大缽苗運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性[23]；在投苗點(diǎn)處，末端水平速度較小且水平加速度較小，有利于缽苗豎直投苗精度，提高投苗成功率；在取苗處的切向加速度為0，但其他各個(gè)加速度較大，這是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)本身的運(yùn)動(dòng)特性引起的[14]，會(huì)對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生一定的損傷，需要在試驗(yàn)中對(duì)損傷程度進(jìn)行探究。

3 取投苗軌跡驗(yàn)證

在取投苗裝置的設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)取投苗軌跡是否跟仿真設(shè)計(jì)軌跡一致，影響到整個(gè)裝置的工作性能和作業(yè)質(zhì)量[24]。將取投苗裝置三維模型導(dǎo)入ADAMS中虛擬仿真，選用末端取苗針尖點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記追蹤，設(shè)置整體取投苗速度為90株/min，得到圖14所示的取投苗末端運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖14 取投苗仿真軌跡Fig.14 Simulation track of seedling taking and throwing

搭建取投苗裝置樣機(jī)，設(shè)定整體取投苗速度90株/min，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速15 r/min。使用Phantom v 9.1高速攝像機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)視頻錄制，設(shè)置采樣頻率為100 f/s，采用補(bǔ)光燈(JINBEI EF-200型)進(jìn)行補(bǔ)光。在Phantom配套PCC 3.6軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，獲得取投苗末端的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖15所示，可以看出實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡基本可以復(fù)現(xiàn)仿真軌跡，驗(yàn)證了取投苗裝置設(shè)計(jì)的正確性和可行性。

圖15 取投苗高速攝像機(jī)拍攝軌跡Fig.15 Shooting track of seedling taking and throwing high-speed camera

4 取投苗試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為了進(jìn)一步測(cè)試樣機(jī)平臺(tái)的實(shí)際取投苗性能，如圖16所示，于2021年9—12月在學(xué)院地下室進(jìn)行實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)。試驗(yàn)對(duì)象選用辣椒苗，壯苗(長(zhǎng)勢(shì)良好、高度均勻且缽體充實(shí)完整的缽苗)率為100%，苗盤(pán)規(guī)格為6×12的72穴標(biāo)準(zhǔn)穴盤(pán)，基質(zhì)為泥炭、珍珠巖、蛭石，體積比為3∶1∶1。

圖16 樣機(jī)及取投苗試驗(yàn)Fig.16 Seedling taking and feeding test

4.2 試驗(yàn)因素及指標(biāo)

根據(jù)旱地栽植機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB/T 10291—2013)中相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，自動(dòng)移栽機(jī)的移栽效率大于等于90株/min，屬于高速移栽。根據(jù)機(jī)器實(shí)際情況，試驗(yàn)中取投苗速度分別設(shè)置為90、120、150株/min，均為整機(jī)單行移栽頻率。在辣椒苗的取投苗過(guò)程中，如果苗齡過(guò)大、苗株過(guò)高、葉展過(guò)寬，會(huì)產(chǎn)生枝葉纏繞、掛苗等現(xiàn)象[25-26]，影響取投苗成功率；而植株較小又不符合實(shí)際栽植要求，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)查，110～160 mm辣椒苗適于實(shí)際種植，故試驗(yàn)辣椒苗高分別設(shè)定為110、130、160 mm，對(duì)應(yīng)的苗齡為33、40、48 d。缽苗含水率影響基質(zhì)之間的粘結(jié)力、缽體的力學(xué)特性、缽體與苗盤(pán)之間的粘附力等[27]，經(jīng)過(guò)多次預(yù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)若基質(zhì)含水率過(guò)高(大于70%)，基質(zhì)粘結(jié)力不足，取苗成功率過(guò)低；基質(zhì)含水率過(guò)低(小于20%)，缽苗易發(fā)生脫水，種植存活率較低[27]，故試驗(yàn)基質(zhì)含水率分別設(shè)定為40%、50%、60%。

以取投苗速度、苗株高度和基質(zhì)含水率為影響因素，以取苗成功率S1、傷苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4為考察指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。表1為因素水平表。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

取苗成功率S1為

(24)

傷苗率S2為

(25)

投苗成功率S3為

(26)

取栽成功率S4為

(27)

式中N1——缽苗完整的(定性認(rèn)為取出后基質(zhì)塊保持原有形狀且莖葉無(wú)可見(jiàn)損傷的缽苗為完整缽苗，根據(jù)觀察實(shí)時(shí)取苗現(xiàn)場(chǎng)及觀察取苗攝像得出)從穴盤(pán)中取出來(lái)的數(shù)量，株

N2——從分苗裝置落下的缽苗產(chǎn)生莖葉破損、折斷及基質(zhì)散坨損失超20%的數(shù)量，株

N3——將缽苗完整投入分苗裝置的數(shù)量，株

N4——從分苗裝置落下的合格缽苗數(shù)量，株

N——試驗(yàn)缽苗壯苗總數(shù)，株

4.3 試驗(yàn)方法

正交試驗(yàn)方案如表2所示。按照表中數(shù)據(jù)依次改變裝置的取投苗速度、苗株高度和基質(zhì)含水率。每組試驗(yàn)144株(2盤(pán))，10組試驗(yàn)，9組正交試驗(yàn)，1組優(yōu)選驗(yàn)證試驗(yàn)。每組試驗(yàn)均完成取苗、投苗等流程，每組試驗(yàn)均進(jìn)行攝像。每組試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)攝像及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果記錄統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行方

表2 取投苗正交試驗(yàn)方案和結(jié)果Tab.2 Orthogonal experiment scheme and results of seedling taking

差分析和極差分析，確定影響因素的主次順序，選出最佳因素參數(shù)組合，優(yōu)選后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表2得知，3種取投苗速度平均取栽成功率分別為87.96%、82.18%、75.93%；3種苗株高度平均取栽成功率分別為86.81%、83.80%、75.46%；3種基質(zhì)含水率平均取栽成功率分別為79.17%、83.10%、83.80%。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果用SPSS進(jìn)行極差及方差分析，如表3、4所示。對(duì)于取苗成功率，取投苗速度影響最大，苗株高度次之，基質(zhì)含水率最小且不顯著；對(duì)于傷苗率，三者影響均不顯著；對(duì)于投苗成功率，取投苗速度影響較顯著，苗株高度影響較顯著，基質(zhì)含水率影響不顯著。綜上得到最佳因素參數(shù)組合為A1B1C2，即取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm、基質(zhì)含水率50%。

表3 極差分析Tab.3 Range analysis

為驗(yàn)證正交試驗(yàn)結(jié)果的合理性，進(jìn)行優(yōu)選驗(yàn)證試驗(yàn)。優(yōu)選驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果顯示：取苗成功數(shù)為137株，傷苗數(shù)為2株，投苗成功數(shù)為134株，即：取苗成功率為95.14%，傷苗率為1.39%，投苗成功率為93.05%，取栽成功率為91.67%，優(yōu)選驗(yàn)證試驗(yàn)

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

的總體成功率高于正交試驗(yàn)，試驗(yàn)效果達(dá)到了預(yù)期。

取投苗速度是影響取投苗顯著的因素。觀察發(fā)現(xiàn)，取苗時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快導(dǎo)致末端夾取缽苗時(shí)間過(guò)短夾緊程度不夠；投苗時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快導(dǎo)致缽苗下落時(shí)苗葉卡在苗夾中帶偏的概率增大。苗株高度對(duì)取苗、投苗成功率的影響較顯著，原因在于苗株較大時(shí)葉展較大，產(chǎn)生了兩種掛苗現(xiàn)象：在取苗中，葉展較大缽苗莖葉之間產(chǎn)生纏繞，間隔取苗時(shí)將左右上下臨近穴孔的缽苗帶出。在投苗時(shí)莖葉卡到取苗末端縫隙里，無(wú)法投下，甚至影響下次取苗。試驗(yàn)中的傷苗率均低于6%，說(shuō)明取苗點(diǎn)產(chǎn)生的加速度不足以對(duì)基質(zhì)產(chǎn)生較大損傷。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種全自動(dòng)曲柄搖桿-導(dǎo)軌組合式蔬菜缽苗取投苗裝置，對(duì)取投苗過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析和仿真分析，獲取了取投苗運(yùn)動(dòng)仿真曲線和試驗(yàn)軌跡曲線，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和科學(xué)性。

(2)以取投苗速度、苗株高度和基質(zhì)含水率為影響因素，以取苗成功率S1、傷苗率S2、投苗成功率S3、取栽成功率S4為考察指標(biāo)，進(jìn)行了三因素三水平正交試驗(yàn)。以最佳的參數(shù)組合：取投苗速度90株/min、苗株高度110 mm和基質(zhì)含水率50%進(jìn)行了優(yōu)選參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為取苗成功率95.14%、傷苗率1.39%、投苗成功率93.05%、取栽成功率91.67%，試驗(yàn)效果良好。