摘要：立體錯(cuò)位栽培架系統(tǒng)可以提高單位面積栽培株數(shù)，是一種新型的栽培系統(tǒng)，定植杯模式是該系統(tǒng)種植生菜的主要栽培方式。在水培生菜栽培過(guò)程中，存在著人工收獲效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)一種定植杯種植模式下的生菜自動(dòng)收獲裝置，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)無(wú)人化作業(yè)方式，利用SolidWorks對(duì)收獲裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)；使用ANSYS對(duì)收獲裝置中生菜采收機(jī)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)定植杯夾持手爪和生菜夾持手進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，完善設(shè)計(jì)；最后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，得出結(jié)論：當(dāng)滑切角度為20°、切割氣壓為0.3 MPa、切割位置為生菜底葉4 mm處時(shí)，生菜根莖剪切力達(dá)到最小值6.31 N，用于指導(dǎo)切莖部件設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：定植杯；奶油生菜；收獲裝置；切割力；收獲試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225.92" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0034?09

Design and experiment of automatic harvesting device for hydroponic lettuce with

three?dimensional dislocation

Xi Zhijun Gong Kangxin Jia Dongdong Guo Wenzhong

（1. College of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212000， China; 2. Intelligent Equipment

Technology Research Center， Beijing Academy of Agricultural and Forestry Sciences， Beijing， 100097， China）

Abstract： The system of three?dimensional staggered cultivation frame can increase the number of cultivated plants per unit area， which is a new type of cultivation system. The planting cup mode is the main cultivation mode of lettuce in the three?dimensional staggered cultivation frame system. In the process of hydroponic lettuce cultivation， there are problems such as low manual harvesting efficiency and high labor intensity. Through designing an automatic lettuce harvesting device under the fixed cup planting mode， combining with the unmanned operation mode of the actual production link， the key components of the harvesting device are designed by using SolidWorks. The mode analysis of the lettuce harvesting mechanism in the harvesting device was carried out by using ANSYS， and the finite element analysis of the planting cup gripper and the lettuce gripper was carried out to optimize the structure and improve the design. Finally， the shear test was carried out， and the conclusion was drawn that when the sliding cutting angle was 20°， the cutting pressure was 0.3 MPa， and the cutting position was 4 mm from the bottom leaf of lettuce， the cutting force of lettuce rhizome reached the minimum value of 6.31 N， which was used to guide the design of stem cutting parts.

Keywords： planting cup; cream lettuce; harvesting device; cutting force; harvesting test

0 引言

水培種植的環(huán)境相對(duì)可控，其蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)都比傳統(tǒng)土壤栽培的蔬菜高，不論是安全性，還是蔬菜口感都比土壤栽培優(yōu)越，將成為我國(guó)未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一種重要栽培方式[1?3]。水培種植技術(shù)可較大程度地按數(shù)量化指標(biāo)進(jìn)行種植，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植的機(jī)械化和自動(dòng)化[4， 5]。

生菜是設(shè)施水培種植中種植比例最大的作物之一[6]。設(shè)施水培生菜種植主要由播種、育苗、定植和收獲這四個(gè)環(huán)節(jié)組成[7?9]。針對(duì)播種、育苗和定植環(huán)節(jié)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展研究較早，已經(jīng)取得了一系列的研究成果，已基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)人作業(yè)，自動(dòng)化程度高。但針對(duì)自動(dòng)收獲的研究開(kāi)展較晚，目前主要以人工收獲為主，人工收獲費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且容易對(duì)營(yíng)養(yǎng)液、栽培板等水培設(shè)施造成污染[10]。針對(duì)人工收獲存在的問(wèn)題，研究人員也逐步展開(kāi)針對(duì)收獲裝置的研究[11]。馬義東等[12]設(shè)計(jì)了一臺(tái)水培奶油生菜采收裝置，通過(guò)夾持桿對(duì)菜葉的低損聚攏、割刀對(duì)生菜莖部的精準(zhǔn)切割，實(shí)現(xiàn)單株水培生菜的整株低損收獲。Cho等[13]設(shè)計(jì)了一款三自由度生菜收獲機(jī)器人，可對(duì)水培生菜進(jìn)行選擇性收獲，該機(jī)器人作業(yè)時(shí)，根據(jù)視覺(jué)采集生菜菜葉面積、生菜高度等長(zhǎng)勢(shì)信息，進(jìn)而利用模糊控制決定生菜夾持力，最后對(duì)進(jìn)行切莖操作，該收獲方法效率較低。Uchida等[14]設(shè)計(jì)了一種植物工廠水培生菜自動(dòng)收獲系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，采用圓盤(pán)割刀作為莖部切割器，但采用圓盤(pán)刀會(huì)重復(fù)切割生菜莖部，造成莖部切口質(zhì)量差等問(wèn)題。上述幾種生菜收獲裝置都是基于垂直立體的海綿種植模式，鮮有基于立體錯(cuò)位栽培的定植杯種植模式的生菜自動(dòng)收獲裝置的研究[15， 16]。所以研究基于立體錯(cuò)位栽培的定植杯種植的水培生菜收獲裝置具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文以定植杯為種植載體的設(shè)施水培奶油生菜為研究對(duì)象，提出一種水培奶油生菜自動(dòng)收獲裝置，對(duì)輸送機(jī)構(gòu)、定植杯頂起機(jī)構(gòu)、生菜采收機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其關(guān)鍵零部件進(jìn)行仿真分析結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后進(jìn)行切割試驗(yàn)確定最優(yōu)切割參數(shù)，為后續(xù)水培生菜自動(dòng)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 自動(dòng)收獲裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 立體錯(cuò)位定植杯種植模式與栽培板結(jié)構(gòu)的組合設(shè)計(jì)

立體錯(cuò)位栽培架從上至下每層栽培槽數(shù)目逐層增加，栽培架層數(shù)及排列方式也可根據(jù)生產(chǎn)區(qū)光照環(huán)境分布和栽培株數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化栽培株數(shù)和光照環(huán)境的協(xié)同關(guān)系?？紤]每層透光的均勻度，栽培架層數(shù)以2～3層為宜。立體錯(cuò)位栽培架外觀如圖1所示。此立體錯(cuò)位栽培架為3層結(jié)構(gòu)，寬度1 400 mm，高度1 800 mm，層間距500 mm，每組長(zhǎng)度20 m，是一種常見(jiàn)的立體錯(cuò)位栽培架規(guī)格[17]。

本文針對(duì)種植于定植杯內(nèi)的水培蔬菜，以奶油生菜為例。與常規(guī)海綿種植不同，定植杯種植可以采用基質(zhì)作為栽培介質(zhì)，便于實(shí)現(xiàn)水培生菜的自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)定植杯可以重復(fù)利用。采用定植杯種植的奶油生菜葉片緊貼定植杯上口，莖部隱藏在定植杯內(nèi)部，根系主要集中在底部及靠近底部的定植杯側(cè)壁。

使用的栽培板采用ABS材質(zhì)開(kāi)模定制，如圖2所示，栽培板外形長(zhǎng)寬高尺寸為530 mm×307 mm×43 mm，每塊栽培板上開(kāi)有兩排共6個(gè)種植孔，呈中心對(duì)稱分布，孔徑為50 mm，相鄰兩孔間距為175 mm，栽培板兩側(cè)設(shè)置有把手，四周有外翻的折邊，用于增加栽培板的剛性強(qiáng)度。

1.2 人工采收流程制定

根據(jù)定植杯種植的奶油生菜實(shí)際的種植情況可知，人工采收的步驟大致分為三步，一是先將菜葉聚攏漏出莖稈部位，二是將聚攏的菜葉連同莖稈從定植杯中拉出一小段長(zhǎng)度，使底葉與定植杯上端面拉開(kāi)一小段間隙，三是用剪刀插入拉開(kāi)的間隙，將莖稈剪斷，完成采收[18]。

1.3 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

基于定植杯種植的水培奶油生菜人工采收流程及栽培板實(shí)際特征分析，設(shè)計(jì)的收獲裝置按照功能分為輸送機(jī)構(gòu)、定植杯頂起機(jī)構(gòu)和生菜采收機(jī)構(gòu)3個(gè)機(jī)構(gòu)模塊。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)設(shè)備進(jìn)行生菜收獲作業(yè)時(shí)，輸送機(jī)構(gòu)將裝有奶油生菜的栽培板輸送到指定位置（初始位置），傳感器發(fā)出信號(hào)，PLC控制定植杯頂起機(jī)構(gòu)氣缸夾持住定植杯，并將其抬起一定高度，生菜采收機(jī)構(gòu)從栽培板前進(jìn)方向伸入生菜行間內(nèi)，然后定植杯頂起機(jī)構(gòu)帶動(dòng)定植杯落下，此時(shí)生菜采收機(jī)構(gòu)對(duì)生菜進(jìn)行夾持并將生菜拔出一定高度，而后切刀前伸切斷生菜莖部，輸送機(jī)構(gòu)將切割完的生菜轉(zhuǎn)運(yùn)到下一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)位置。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送機(jī)構(gòu)

輸送機(jī)構(gòu)由兩部分組成，分別為栽培板輸送部件和生菜轉(zhuǎn)運(yùn)部件，如圖4所示。

2.1.1 栽培板輸送部件

栽培板輸送機(jī)構(gòu)的主要功能是輸送裝有成熟生菜的栽培板及精準(zhǔn)固定栽培板的位置。主要由輸送同步帶和栽培板固定氣缸兩部分組成。

根據(jù)本收獲裝置的工作原理及結(jié)合栽培板的外形尺寸，栽培板輸送部件采用輸送帶中間鏤空設(shè)計(jì)，兩端各安裝一條同步帶，用于支撐栽培板的兩個(gè)短邊，同步帶帶寬為30 mm，兩端同步帶下方安裝有支撐板，便于輸送帶水平運(yùn)輸更加平穩(wěn)，輸送帶兩端型材骨架內(nèi)間距535 mm，高出兩端同步帶上表面5 mm，使兩端型材骨架能夠?qū)υ耘喟迤鸬较尬蛔饔?。為保證收獲過(guò)程中栽培板可以精準(zhǔn)停在收獲位置，在兩端型材骨架上增加栽培板固定裝置，用以精準(zhǔn)固定栽培板，防止采收過(guò)程中栽培板發(fā)生移動(dòng)。栽培板固定裝置采用兩個(gè)氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 生菜轉(zhuǎn)運(yùn)部件

生菜轉(zhuǎn)運(yùn)部件的主要功能是將收獲完成的生菜轉(zhuǎn)運(yùn)到其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)處。根據(jù)收獲裝置的工作原理，生菜轉(zhuǎn)運(yùn)部件輸送帶使用平帶，用于承載切莖后的生菜。設(shè)計(jì)生菜檔桿和生菜擋板，二者共同配合，確保生菜可以準(zhǔn)確落在轉(zhuǎn)運(yùn)平帶上，保證整個(gè)收獲過(guò)程的順利完成。

2.2 定植杯頂起機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 頂部頂起機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)整機(jī)收獲工作原理可知，在栽培板輸送到指定位置后，需將定植杯頂起一定高度，使生菜底葉與栽培板分離，便于生菜夾持手從生菜底葉與栽培板之間伸入，同時(shí)頂起機(jī)構(gòu)還應(yīng)具有能夠?qū)⒍ㄖ脖瓓A緊固定的功能，防止后續(xù)拉拔生菜過(guò)程中，將定植杯帶起。配合生菜采收機(jī)構(gòu)完成切莖后，松開(kāi)定植杯，栽培板繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，準(zhǔn)備收獲后續(xù)其他蔬菜。

根據(jù)動(dòng)作要求對(duì)定植杯頂起機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用一對(duì)手爪從兩側(cè)同時(shí)夾持的方式，結(jié)合定植杯外型，夾持手爪上部設(shè)計(jì)為內(nèi)凹的圓弧形，內(nèi)側(cè)附有橡膠。手爪尺寸應(yīng)盡量小，保證作業(yè)空間。為提高收獲效率，要求頂起機(jī)構(gòu)可同時(shí)夾持并頂起一排3株生菜，且在工作過(guò)程中運(yùn)行平穩(wěn)，手爪彼此不產(chǎn)生干涉。最終采用1個(gè)手指氣缸（手指氣缸存在兩個(gè)可同時(shí)相互遠(yuǎn)離或相互靠近的氣動(dòng)手指）同時(shí)驅(qū)動(dòng)3對(duì)手爪實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作，2個(gè)氣缸實(shí)現(xiàn)頂起動(dòng)作的方案，為后續(xù)生菜夾持手的伸入奠定基礎(chǔ)，如圖5所示。

2.2.2 定植杯頂起機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述提出的方案要求，以實(shí)際的工作環(huán)境為基礎(chǔ)對(duì)定植杯頂起機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1） 對(duì)定植杯頂起機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)，依據(jù)設(shè)計(jì)方案，定植杯頂起機(jī)構(gòu)夾持動(dòng)作可以由兩部分相向運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。整體結(jié)構(gòu)原理可以簡(jiǎn)化為圖6所示。設(shè)AE′=l₁、CD=l₂、C′D′=l₃、AA′=l₄。根據(jù)栽培板尺寸及實(shí)際工作環(huán)境，可確定部分定植杯頂起機(jī)構(gòu)部分參數(shù)，確定l₁=175 mm，50 mm≤l₂≤60 mm，25 mm≤l₃≤35 mm，20 mm≤l₄≤30 mm。

2） 利用SolidWorks建模，根據(jù)定植杯頂起機(jī)構(gòu)工作運(yùn)動(dòng)范圍，結(jié)合栽培板輸送機(jī)構(gòu)預(yù)留的工作空間，適當(dāng)調(diào)整原理圖尺寸。最終確定l₂=55 mm，l₃=30 mm，l₄=24 mm。故夾持氣缸選擇MHF2-20D1R型號(hào)的手指氣缸，頂起氣缸參數(shù)為缸徑20 mm，行程45 mm。

3） 結(jié)合定植杯尺寸，對(duì)定植杯夾持手爪進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，以滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，如圖7所示。

在滿足定植杯夾持頂起的工作要求的條件下要求質(zhì)量越小越好，選用鋁合金材料。由于3對(duì)手爪使用同一手指氣缸驅(qū)動(dòng)且為減小機(jī)構(gòu)所占空間，故手爪設(shè)計(jì)為有2種高度且下部有2種不同的伸出方向。具體尺寸為：手爪1（長(zhǎng)）總高度H1=l2=55 mm，手爪2（短）總高度H2=l1=30 mm；手爪上部伸出端L1=10 mm，下部伸出端L₂=25 mm；手爪厚度d=5 mm；手爪寬度S=40 mm。結(jié)合定植杯形狀，上部伸出端圓弧半徑R=40 mm，且與其同側(cè)的豎直面相切。

4） 在定植杯頂起過(guò)程中，要保證夾持手爪對(duì)定植杯的夾持穩(wěn)定，定植杯不會(huì)滑動(dòng)，對(duì)夾持手爪進(jìn)行受力分析，其中G為生菜、定植杯和基質(zhì)的總重量，F(xiàn)1、F2為手指氣缸對(duì)定植杯施加的夾持力，橡膠與定植杯之間的靜摩擦系數(shù)μ為0.42。由靜力學(xué)平衡方程可得

F₁-F₂=0 （1）

0.42 F₁+0.42 F₂-G≥0 （2）

通過(guò)前期測(cè)定得，G=4.1 N，求得F1和F2的最小值4.76 N。頂起過(guò)程存在一定加速度，為夾持手爪預(yù)留3倍夾持力空間，即單側(cè)夾持手爪可提供夾持力為14.28 N。手指氣缸的單側(cè)氣動(dòng)手指帶動(dòng)3個(gè)單側(cè)夾持手，故手指氣缸單側(cè)氣動(dòng)手指有效夾持力應(yīng)大于42.84 N。前期選擇的MHF2-20D1R手指氣缸在0.5 MPa氣壓條件下，單側(cè)手指夾持力為70.5 Ngt;42.84 N，符合要求。

2.3 生菜采收機(jī)構(gòu)

2.3.1 生菜采收機(jī)構(gòu)方案

根據(jù)整機(jī)收獲工作原理可知，在定植杯頂起機(jī)構(gòu)將生菜頂起后，需要將生菜從定植杯中提升一定高度，使莖部裸露出來(lái)，方便切莖工序的進(jìn)行，切莖動(dòng)作完成后還需將生菜運(yùn)輸?shù)缴宿D(zhuǎn)運(yùn)部件上。生菜采收機(jī)構(gòu)主要由生菜夾持拉拔部件、切莖部件和水平移動(dòng)部件三部分組成，如圖8所示。

2.3.2 生菜夾持拉拔部件設(shè)計(jì)

生菜夾持拉拔部件是生菜采收機(jī)構(gòu)中最重要的組成部件之一，其作用是配合定植杯頂起機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)生菜固定，方便后續(xù)收獲環(huán)節(jié)的切莖處理，其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于夾持拉拔部件可以穩(wěn)定、低損地將生菜提升高度，使莖部裸露出來(lái)。根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)要求，采用一對(duì)夾持手先從兩側(cè)伸入、而后夾取、最后提升的方案。夾持手上附有橡膠塊，在減少對(duì)生菜損傷的同時(shí)增大與蔬菜之間的摩擦，確保拉拔成功。考慮到收獲效率的問(wèn)題，夾持、拉拔和提升動(dòng)作都使用氣缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，

生菜夾持拉拔部件原理方案確定完成后，需對(duì)生菜夾持手進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，為同時(shí)滿足夾持手工作強(qiáng)度，保證工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，夾持手采用結(jié)構(gòu)鋼材料，考慮到加工難度，夾持手分兩部分設(shè)計(jì)，通過(guò)螺絲組裝；為滿足夾持手夾持要求，由生菜尺寸以及工作尺寸確定夾持手的尺寸，如圖9所示。生菜夾持手具體形狀尺寸為，夾持手寬度CC=15 mm；夾持手1（長(zhǎng)）豎直連接板高度AA=100 mm，夾持手2（短）豎直連接板高度為63 mm；豎直連接板下部長(zhǎng)度B₃=25 mm；為避免干涉，夾持手（長(zhǎng)）上部設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)，尺寸A₁=28 mm，B₁=3 mm；夾持手厚度B₂=5 mm。結(jié)合奶油生菜生長(zhǎng)形態(tài)及定植杯外型尺寸，夾持手設(shè)計(jì)為內(nèi)凹弧狀，總長(zhǎng)BB=150 mm。

以單側(cè)生菜拉拔部件為研究對(duì)象，將其簡(jiǎn)化為一點(diǎn)，則拉拔氣缸向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，夾持手受到氣缸向上的拉力為F₃，F(xiàn)₅為拉拔過(guò)程中夾持手受到的反作用力，f₁為拉拔過(guò)程中夾持夾持手側(cè)面與生菜產(chǎn)生的摩擦力，F(xiàn)₄和F₆分別為夾持時(shí)氣缸對(duì)夾持手的夾持力以及生菜對(duì)夾持手的反作用力，橡膠材料與生菜之間的靜摩擦系數(shù)為0.62。由力平衡方程可得

F₃-F₅-f₁=F₃-F₅-0.62F₄≥0 （3）

F₄-F₆=0 （4）

通過(guò)生菜形態(tài)尺寸確定夾持手張開(kāi)間距為60 mm，閉合間距為30 mm，由于手爪為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，選擇行程為15 mm，缸徑為10 mm氣缸，結(jié)合輸入氣壓及氣缸參數(shù)表得F₄=F6=10 N，求得f1=6.2 N，由前期預(yù)試驗(yàn)得，F(xiàn)₅=15 N，故F₃須大于21.2 N，故一對(duì)夾持手爪拉拔力應(yīng)大于42.4 N才可實(shí)現(xiàn)生菜拉拔的操作，結(jié)合生菜生長(zhǎng)情況，拉拔高度應(yīng)達(dá)到15 mm，考慮到拉拔過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)一定程度的滑移，故選擇行程為20 mm，缸徑為25 mm的氣缸作為拉拔氣缸。在拉拔生菜中，手指氣缸對(duì)定植杯夾持力大于3對(duì)夾持手爪總拉拔力42.4×3=127.2 N才可保證拉拔過(guò)程中定植杯不滑動(dòng)。在0.5 MPa氣壓下，MHF2-20D1R手指氣缸可提供夾持力為141 Ngt;127.2 N，，即滿足拉拔環(huán)節(jié)定植杯不滑動(dòng)的要求。

2.3.3 切莖部件設(shè)計(jì)

切莖部件的作用是將固定好的生菜進(jìn)行切莖處理，切除基質(zhì)和定植杯。關(guān)鍵在于切刀可以穩(wěn)定、快速切莖。國(guó)內(nèi)對(duì)蔬菜切根技術(shù)有較深入研究，刀具形式、切割方式和切割速度對(duì)切割效果有較大影響。針對(duì)中小型葉類蔬菜的切莖條件，選擇刀具為光刀，切割方式為滑切，可以獲得較小的切割力并有較好的切割效果[19]。

確定刀具參數(shù)后，對(duì)切莖部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在夾持手下方設(shè)計(jì)3片切刀，寬度為50 mm，彼此間距175 mm，通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)，滑軌滑塊輔助支撐。

2.3.4 生菜采收機(jī)構(gòu)模態(tài)分析

生菜采收機(jī)構(gòu)在將生菜切莖后，要通過(guò)水平移動(dòng)部件將生菜輸送到生菜轉(zhuǎn)運(yùn)部件上。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在振動(dòng)，對(duì)生菜采收機(jī)構(gòu)做模態(tài)分析驗(yàn)證其穩(wěn)定性，將SolidWorks中建立的生菜采收機(jī)構(gòu)的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，材料類型選擇為鋁合金，其密度為2.77×103 kg/m³，泊松比0.33，彈性模量為7.1×1010 Pa。進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加固定約束，最終求解得到的生菜采收機(jī)構(gòu)的固有頻率。對(duì)其的前4階模態(tài)進(jìn)行分析，前4階模態(tài)振型如圖10所示。

由圖10（a）可知，生菜采收機(jī)構(gòu)1階模態(tài)的固有頻率為39.535 Hz，變形主要發(fā)生在中部生菜夾持手前端以及兩側(cè)生菜夾持手的內(nèi)側(cè)半邊夾持手上；由圖10（b）和圖10（c）可知，生菜采收機(jī)構(gòu)2階模態(tài)和3階模態(tài)的固有頻率分別為80.338 Hz、87.388 Hz，變形主要發(fā)生在左側(cè)生菜夾持手內(nèi)側(cè)的半邊夾持手上；由圖10（d）可知，生菜采收機(jī)構(gòu)4階模態(tài)的固有頻率為99.383 Hz，變形主要發(fā)生在兩側(cè)生菜夾持手的內(nèi)側(cè)半邊夾持手上。

選用生菜采收機(jī)構(gòu)1階模態(tài)固有頻率作為共振轉(zhuǎn)速的計(jì)算參考[20]，1階模態(tài)固有頻率為39.535 Hz，將固有頻率轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)速為2 372.1 r/min，若水平移動(dòng)部件的電機(jī)轉(zhuǎn)速在此轉(zhuǎn)速相近時(shí)就會(huì)出現(xiàn)共振，可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)過(guò)程中生菜掉落，為避免收獲失敗，水平移動(dòng)部件電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)小于共振轉(zhuǎn)速。

3 有限元模型的力學(xué)性能分析

通過(guò)對(duì)以上方案的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析可知，收獲裝置工作過(guò)程中，受力和形變主要集中在定植杯夾持手爪和生菜夾持手上。運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)方案受力和形變集中的地方進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行校核和優(yōu)化處理。

3.1 定植杯夾持手爪有限元力學(xué)性能分析

以容易發(fā)生較大形變的長(zhǎng)夾持手爪為研究對(duì)象。在軟件中給下部U形支撐板添加固定約束，同時(shí)將下部U形支撐板的底部連接作為固定部件，在每個(gè)手爪與定植杯連接處分別加載水平方向的作用力F′為45 N，模擬夾持定植杯時(shí)的受力情況。

由等效應(yīng)力和總形變圖（圖11）分析可知，定植杯夾持手爪的整體力學(xué)性能良好。未出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，形變最大發(fā)生在最右側(cè)夾持手爪上，最大形變?yōu)?.74 mm，最大形變較小，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。為更進(jìn)一步保證在生菜夾持拉拔過(guò)程中定植杯保持穩(wěn)定，夾持手爪內(nèi)側(cè)緩沖材料厚度應(yīng)不小于1 mm。

3.2 生菜夾持手有限元力學(xué)性能分析

生菜夾持手可以看作近似懸臂梁結(jié)構(gòu)，在拉拔過(guò)程中，夾持手末端會(huì)受到一種反作用力。以工作過(guò)程中更易產(chǎn)出較大形變的長(zhǎng)夾持手為分析對(duì)象。在夾持手背板增加一個(gè)固定約束，結(jié)合前期拉拔預(yù)試驗(yàn)，在夾持手末端添加一個(gè)作用力F′′=21.2 N，模擬夾持手工作過(guò)程中的受力情況。

由等效應(yīng)力和總形變圖（圖12）可知，應(yīng)力主要集中在豎直連接板上，形變最大發(fā)生在夾持手末端，為2.17 mm。為保證工作穩(wěn)定性，可在夾持手和豎直連接板之間增加斜支撐，以減小夾持手工作過(guò)程中的形變，確保生菜拉拔工序的順利進(jìn)行。增加斜支撐后等效應(yīng)力和總變形，如圖13所示。應(yīng)力集中情況基本消除，生菜夾持手的整體力學(xué)性能良好，最大形變由2.17 mm減小為0.53 mm，由此可見(jiàn)，增加斜支撐對(duì)機(jī)構(gòu)順利運(yùn)行具有重要意義。

4 切莖部件優(yōu)化試驗(yàn)

本文提到刀具形式、切割方式和切割速度對(duì)切割效果有較大影響，此外切割位置對(duì)切割效果也有影響。為獲得最優(yōu)切割參數(shù)，進(jìn)行切割試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

4.1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)對(duì)象為北京市農(nóng)林科學(xué)院種植基地種植的奶油生菜，育苗周期3個(gè)月，其外輪廓飽滿、菜葉生長(zhǎng)充分；定植杯中基質(zhì)含量相同，根部生長(zhǎng)部位基本相同?；緟?shù)如表1所示。

4.1.2 切莖部件

為方便優(yōu)化試驗(yàn)，將切莖部件簡(jiǎn)化為圖14所示的設(shè)備，其中剪切力由與剪切刀連接的測(cè)力計(jì)測(cè)定，測(cè)量范圍0～50 N，測(cè)量精度為0.01 N；剪切速度通過(guò)更改剪切氣缸的切割氣壓來(lái)進(jìn)行代替。結(jié)合實(shí)際的工作條件，剪切氣缸的缸徑為10 mm，拉拔高度為20 mm。

切割刀具材料為高速鋼，刀片厚度約1.0 mm，刃角為25°。刀具安裝于刀架上，通過(guò)調(diào)節(jié)與刀架的安裝位置來(lái)調(diào)整剪切位置。

4.2 試驗(yàn)方案

進(jìn)行切割位置、切割氣壓和滑切角度的三因素正交試驗(yàn)。正交試驗(yàn)方案如表2所示。

4.3 試驗(yàn)方結(jié)果與分析

4.3.1 生菜根莖直徑對(duì)剪切力的影響

選擇不同直徑（距生菜底葉2 mm處的莖部直徑）的奶油生菜5株。試驗(yàn)工況為：切割氣壓0.1 MPa，滑切角度0°，切割位置靠近生菜底葉4 mm處，在此條件下對(duì)這些生菜根莖進(jìn)行切割試驗(yàn)，如表3所示。

通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，根莖直徑的平均值為13.69 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.34 mm；最大剪切力的平均值為28.57 N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.040 N。根莖直徑的標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)大于剪切力的標(biāo)準(zhǔn)差。說(shuō)明根莖直徑對(duì)生菜剪切力的影響較小，在分析不同因素對(duì)剪切力的影響時(shí)可以忽略根莖直徑的影響。

4.3.2 生菜剪切多因素分析

根據(jù)不同因素水平進(jìn)行正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)L9（33），進(jìn)行試驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表4所示，表4中的剪切力均為多次試驗(yàn)中的最大剪切力。

根據(jù)極差檢驗(yàn)法求得R_j，R₁=14.08，R₂=26.80，R₃=38.67，R₃gt;R₂gt;R₁，即各因素的影響大小為：滑切角度、切割氣壓、切割位置。表5是在0.01水平上的方差分析表。根據(jù)正交試驗(yàn)方差分析的顯著性檢驗(yàn)法則可以得出，F(xiàn)_I=61.240lt;F₁-0.01（2，2）=99，F(xiàn)_J=220.140gt;F₁-0.01（2，2），F(xiàn)_K=450.142gt;F₁-0.01（2，2），可以看出：滑切角度對(duì)生菜剪切力的影響較為顯著，切割氣壓同樣較為顯著。相比之下，切割位置對(duì)生菜損傷的影響最不顯著。綜合以上3種因素可以得出生菜根莖剪切力最小的組合，當(dāng)滑切角度為20°、切割氣壓為0.3 MPa、切割位置為距生菜底葉4 mm處時(shí)，生菜根莖剪切力達(dá)到最小值為6.31 N。以此參數(shù)為基礎(chǔ)優(yōu)化切莖部件，完善設(shè)計(jì)。

根據(jù)表4中的k值分別繪制剪切力隨切割位置、切割氣壓和滑切角度的變化趨勢(shì)，如圖15所示?？梢钥闯觯羟辛﹄S切割位置的下移而增大；隨著切割氣壓的增大而減?。浑S著滑切角度的增大而減小。

5 收獲評(píng)價(jià)試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

水培生菜自動(dòng)收獲裝置樣機(jī)一臺(tái)。生菜品種為北京市農(nóng)林科學(xué)院所培育的奶油生菜。此奶油生菜種植于上文所述的立體錯(cuò)位栽培架和定植杯上，采用淺液流技術(shù)培育45天。

5.2 試驗(yàn)方法

收獲成功率是評(píng)價(jià)水培生菜自動(dòng)收獲裝置在運(yùn)行過(guò)程中是否可靠的重要指標(biāo)，而效率與收獲成功率相互制約。因而需對(duì)收獲裝置進(jìn)行收獲評(píng)價(jià)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其作業(yè)性能。

經(jīng)前期控制系統(tǒng)及裝置空載調(diào)試，自動(dòng)收獲裝置收獲效率為5 s/株，較人工收獲效率提高2倍。在此效率下進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)收獲生菜180株，試驗(yàn)重復(fù)3次。

用來(lái)評(píng)價(jià)生菜自動(dòng)收獲裝置性能的重要指標(biāo)，收獲成功率定義為

Q=N1/N×100% （5）

式中： N——生菜總數(shù)；

N1——成功收獲的生菜株數(shù)。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在收獲效率為5 s/株的條件下，收獲成功率保持在95%以上（表6），滿足實(shí)際的收獲作業(yè)要求。栽培板定位不精準(zhǔn)，導(dǎo)致夾持生菜失敗，進(jìn)而導(dǎo)致生菜收獲失敗。

6 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種基于定植杯種植模式的水培生菜收獲裝置，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，確定卡盤(pán)氣缸手指有效夾持力應(yīng)大于42.84 N；夾持手爪手爪拉拔力應(yīng)大于42.4 N。

2） 通過(guò)生菜采機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析確定其1階模態(tài)固有頻率為39.535 Hz，轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)速為2 372.1 r/min，以此為依據(jù)可以指導(dǎo)水平移動(dòng)部件電機(jī)的選擇，避免工作過(guò)程中共振情況的出現(xiàn)。

3） 利用ANSYS軟件對(duì)收獲裝置中的定植杯夾持手爪和生菜夾持手進(jìn)行有限元力學(xué)性能分析，根據(jù)分析果進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在生菜夾持手上增加斜支撐，保證在拉拔生菜過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中和較大形變。

4） 通過(guò)切莖部件優(yōu)化試驗(yàn)，確定各因素對(duì)剪切力的影響大小關(guān)系，依次為滑切角度、切割氣壓、切割位置。切莖部件參數(shù)應(yīng)設(shè)置為，滑切角20°、切割氣壓0.3 MPa、切割位置距生菜底葉4 mm處，此時(shí)生菜根莖剪切力達(dá)到最小值，為6.31 N。

5） 通過(guò)收獲評(píng)價(jià)試驗(yàn)確定，在收獲效率為5 s/株時(shí)，收獲裝置收獲成功率達(dá)95%以上，滿足生產(chǎn)需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[ 1 ] 王國(guó)莉， 陳孟君， 馮榮華. 水培蔬菜與土培蔬菜營(yíng)養(yǎng)成分的差異分析[J]. 惠州學(xué)院學(xué)報(bào)， 2021， 41（3）： 22-26.

Wang Guoli， Chen Mengjun， Feng Ronghua. Differential analysis of nutrient composition between hydroponic vegetables and soil cultured vegetables [J]. Journal of Huizhou University， 2021， 41（3）： 22-26.

[ 2 ] 沈子堯， 張繼東， 時(shí)建鋒， 等. 水培蔬菜規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)及其效益分析[J]. 上海農(nóng)業(yè)科技， 2020（5）： 92-93， 138.

[ 3 ] 李雅旻， 劉厚誠(chéng). 水培蔬菜技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)， 2018， 38（28）： 10-15.

Li Yamin， Liu Houcheng. Current situation and development trend of hydroponic vegetable technology [J]. Agricultural Engineering Technology， 2018， 38（28）： 10-15.

[ 4 ] 劉小龍， 王國(guó)強(qiáng)， 劉娜， 等， 設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備， 2022（3）： 61-62.

Liu Xiaolong， Wang Guoqiang， Liu Na， et al. Development status and trend analysis of facility agricultural machinery [J]. Agricultural Technology amp; Equipment， 2022（3）： 61-62.

[ 5 ] 董靜， 趙志偉， 梁斌， 等. 我國(guó)設(shè)施蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)園藝文摘， 2017， 33（1）： 75-77.

Dong Jing， Zhao Zhiwei， Liang Bin， et al. Development status of protected vegetable industry in China [J]. Chinese Horticultural Abstracts， 2017， 33（1）： 75-77.

[ 6 ] 賈桃， 譚蓉， 趙倩， 等. 我國(guó)設(shè)施生菜無(wú)土生產(chǎn)裝備研究現(xiàn)狀及展望[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2022， 43（2）： 67-74.

Jia Tao， Tan Rong， Zhao Qian， et al. Current status and prospects of research on soilless production equipment of facility lettuce in China [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（2）： 67-74.

[ 7 ] 晏瓊， 劉曉宇， 虞昊安， 等. 植物無(wú)土栽培技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2022， 27（5）： 1-11.

Yan Qiong， Liu Xiaoyu， Yu Hao'an， et al. Recent advances in plant soilless cultivation [J]. Journal of China Agricultural University， 2022， 27（5）： 1-11.

[ 8 ] 廖禺， 陳立才， 潘松， 等. 葉類蔬菜機(jī)械化收獲技術(shù)裝備現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2019， 31（11）： 77-81.

Liao Yu， Chen Licai， Pan Song， et al. Status and development of mechanized harvesting technology and equipment for leaf vegetables [J]. Acta Agriculture Jiangxi， 2019， 31（11）： 77-81.

[ 9 ] 徐鵬， 張俊雄， 何芬， 等. 溫室管式水培葉菜自動(dòng)化收獲機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程技術(shù)， 2021， 41（19）： 47-51.

Xu Peng， Zhang Junxiong， He Fen， et al. Design and experiment of automated harvester for greenhouse tubular hydroponic leafy vegetables [J]. Agricultural Engineering Technology， 2021， 41（19）： 47-51.

[10] 蔡永偉. 一種植物工廠育苗系統(tǒng)[P]. 中國(guó)專利： CN208113645U， 2018-11-20.

[11] 吳偉， 貢亮， 方銳， 等. 基于物聯(lián)網(wǎng)中小型葉菜采收新模式[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2020， 39（1）： 129-133.

[12] 馬義東， 徐燦， 崔永杰， 等. 水培生菜整株低損收獲裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2019， 50（1）： 162-169.

Ma Yidong， Xu Can， Cui Yongjie， et al. Design and test of harvester for whole hydroponic lettuce with low damage [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2019， 50（1）： 162-169.

[13] Cho S I， Chang S J， Kim Y Y， et al. AE?automation and emerging technologies： Development of a three?degrees?of?freedom robot for harvesting lettuce using machine vision and fuzzy logic control [J]. Biosystems Engineering， 2002， 82（2）： 143-149.

[14] Uchida T， Yamano T， Miyazaki H. Development on automatic harvesting system for leaf vegetables [J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery， 1994， 6（3）： 197-202.

[15] 趙營(yíng)營(yíng). 水培生菜育苗海綿塊篩選及腐植酸肥施用技術(shù)研究[D]. 呼和浩特： 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2021.

[16] 白百一， 李文一， 陳杏禹， 等. 無(wú)土栽培基質(zhì)研究進(jìn)展[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2022（16）： 55-59， 63.

[17] 弓瑤. 不同營(yíng)養(yǎng)液鉀濃度和立體錯(cuò)位栽培對(duì)生菜生長(zhǎng)與產(chǎn)量的影響[D]. 銀川： 寧夏大學(xué)， 2021.

Gong Yao. Effects of different nutrient solution potassium concentration in nutrient solution and three?dimensional dislocation cultivation on the growth and yield of hydroponics lettuce [D]. Yinchuan： Ningxia University， 2021.

[18] 馬義東. 水培生菜低損整株收獲裝置及關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 咸陽(yáng)： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2019.

Ma Yidong. Devices and key technologies for whole hydroponic lettuce harvesting with low damage [D]. Xianyang： Northwest A amp; F University， 2019.

[19] 杜冬冬， 王俊， 裘姍姍. 甘藍(lán)根莖部切割部位及方式優(yōu)化試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)， 2014， 30（12）： 34-40.

Du Dongdong， Wang Jun， Qiu Shanshan. Optimization of cutting position and mode for cabbage harvesting [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2014， 30（12）： 34-40.

[20] 王成軍， 韓錳， 龔智強(qiáng). 可變壓捆室打捆機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2022， 43（9）： 1-6.

Wang Chengjun， Han Meng， Gong Zhiqiang. Structural design and simulation analysis of baler with variable bale chamber [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2022， 43（9）： 1-6.