葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验

对蔬菜 自 动 嫁 接 机 装 置 也 相 继 开 展 了 研 究 。 但 到目前为止 ， 国内外 研 制 出 的 自 动 嫁 接 机 基 本 上 机器的人均工作效率 都需要 2 个人向机 器 供 苗 ， 。 并不理想 式
［11 － 12 ］
营养钵育苗是我国一些地区普遍采用的育苗方 。采用营养钵育苗方式的幼苗嫁接作业由
［11 ， 15 ］ ， 葫芦科的“贴接法 ” 嫁接方式 设计只需一个 人就能进行砧木钵苗、 穗木供苗和嫁接操作的高效
Structure diagram of grafting robot
木夹持搬运机构 8． 砧木固定机构 9． 砧木旋切机构 送夹器 11． 穗木穴盘托盘
其工作过程如下： ①穗木供苗切苗： 由穗木穴盘 托盘的穗木穴盘中取出穗木苗， 放置于穗木夹持搬 运机构上， 随即该机构将穗木幼苗夹持并搬送到穗 木切削机构， 进行穗木的切苗处理。 ② 砧木供苗搬
单人葫芦科营养钵苗嫁接机。
0730 修回日期： 20140825 收稿日期： 2014* 国家高技术研究发展计划（ 863 计划） 资助项目（ 2012AA10A5062） 、 09 ） 和北京农业智能装备技 公益性行业科技资助项目（ 201303014KFZN2011W06 ） 术研究中心开放课题资助项目（ Email： chujia_1117@ 126． com 作者简介： 褚佳， 博士生， 主要从事生物生产自动化研究， ： Email： zhangtz56@ 163． com 通讯作者 张铁中， 教授， 博士生导师， 主要从事生物生产自动化及机电一体化研究，
图4
穗木切削过程示意图 Cutting of scion
Fig． 4
增刊
褚佳 等： 葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验
261
质量： 开口太小， 不利于切刀进退； 开口太大， 穗木茎 秆容易弯曲， 影响切苗质量。 理论上， 开口大小 w 与切刀宽度 b 以及穗木预定切留角度 φ 间存在关系 w ≥bcosφ （ 1） 切刀选用普通 11 号手术刀片， 宽度为 8. 0 mm， 穗木预定切留角度 30° ， 由式（ 1 ） 计算出穗木切削开 因此确定穗木切削支点 口大小的理论值为 7. 0 mm， 开口大小为（ 7. 5 ± 0. 5 ） mm。 2. 3 砧木夹持搬运机构 葫芦科砧木苗嫁接的关键是生长点能否准确切 除。因此， 本文砧木夹持搬运机构由两部分组成 ， 分 别是砧木固定装置和砧木钵苗搬运装置 。如图 5 所 示， 主要由各直推气缸、 砧木定位支板、 砧木夹持气 爪等组成。
图8 Fig． 8 砧木切削几何模型 Modeling of stock cutting
图 8 中， 旋转切刀的旋转中心设为 O， 其距砧木 茎秆中心轴的距离为 d， 该距离亦是安装旋转切刀 机构时以砧木茎秆为基准时的水平安装尺寸 。另设 切刀切完砧木后与砧木茎秆相交的 2 点分别是 A 和 B， 理论上 AB 为砧木茎秆被切的形状， 为便于计算， 将弦 AB 与竖直方向的夹角 β 设定位砧木的切角。 于是可得 β+ π－θ + 2 － （ α － θ） ] = π [π 2 θ d = rcos ( α － ) 2 （ 2） （ 3）
Fig． 2 图2
1． 机架 2． 旋转气缸 削支点
穗木夹持搬运机构
3． 直推气缸 4． 直推气缸连接板 7． 穗木夹持气爪 5． 穗
Scion pregripping and transporting unit
8． 穗木切
木固定支板 6． 穗木检测传感器
2
2. 1
关键部件设计与分析
穗木夹持搬运机构
260
农
业
机
械
学
报
2014年
送切苗： 在完成穗木供苗后即可将砧木钵苗托盘中 的砧木钵苗放置于砧木钵苗夹持搬运机构中 ， 通过 砧木固定机构、 砧木旋切机构进行砧木子叶和生长 点的切割处理。③ 砧木穗木贴合嫁接： 砧木旋切机 构将砧木切除一片子叶后， 穗木夹持搬运机构将刚 刚完成切苗、 处在待命状态的穗木推送至贴合嫁接 处与砧木贴合。④ 夹合固定： 自动送夹器将由振动 送夹料盘排列的嫁接夹送至砧、 穗木贴合处， 并使嫁 接夹自动张开闭合， 将贴合的砧木和穗木幼苗夹合 固定在一起， 完成嫁接作业。 ⑤ 回位排苗： 砧、 穗木 搬运机构各自归位， 等待下次作业； 与此同时， 已嫁 接完成的钵苗被放置于嫁接钵苗自动摆放机构中的 传送带上。⑥钵苗输送摆放： 传送带将嫁接钵苗运 通过位置传感器的检测， 检测 送置嫁接钵苗放置区， 由推送板将嫁接钵苗 出嫁接钵苗需要放置的位置， 推送至苗钵收纳盘中的指定位置， 规整摆放。 ⑦ 当 苗钵收纳盘中的嫁接钵苗排列满之后， 即可将其更 新。
［1 － 4］ 。进 决这些问题 ， 嫁接机器人技术应运而生 入 21 世纪 ， 嫁接机器 人 技 术 在 日 本 、 韩国有了一
1
系统组成及工作原理
葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人主要由 6 部分组成， 包括穗木夹持搬运机构、 穗木切削机 构、 砧木夹持搬运机构、 砧木旋切机构、 嫁接夹自动 排列输送机构以及嫁接钵苗自动排列摆放机构等 ， 如图 1 所示。
砧木夹持搬运机构主要完成对钵苗砧木的定位 、 夹持 搬运以及砧木切削夹持。 其主要工作过程如 图 6 所示。当砧木上苗时， 将茎秆上端两子叶根部 卡于砧木上 定 位 支 板 的 豁 口 处 ， 茎秆下端卡于砧 木下定位支 板 的 豁 口 处 ， 砧木检测传感器检测到 夹持气爪闭合夹持住砧木 ， 随后砧木 砧木就位后 ， 上定位支板 连 接 气 缸 带 动 砧 木 定 位 支 板 后 退 ， 与 砧木分离 ， 砧木搬运气缸伸出将砧木钵苗推送到 随即砧木切苗支点气缸伸出使砧 砧木切苗位 置 ， 木切苗支点 抵 住 砧 木 生 长 点 下 方 茎 秆 ， 准备进入 砧木切削环节 。 根据工作环境以及机构布局， 选定砧木搬运气 砧木切苗支点气缸的行程为 缸的行程 为 90 mm， 50 mm， 砧木上定位支板连接气缸的行程为 30 mm。 2. 4 砧木旋切机构 砧木旋切机构的作用是完成对砧木的削切， 保 证切除砧木生长点。 采用旋切方式， 有利于砧木生 长点的切除， 又能使另一片子叶完整保留。 旋切机 构主要由旋转气缸、 刀片以及各连接件组成。 式中
图1 Fig． 1
1． 穗木夹持搬运机构 摆放机构 4． 机架
嫁接机器人结构示意图
2． 穗木切削机构 5． 振动送夹料盘 3． 嫁接钵苗自动排列 6． 砧木钵苗托盘 7． 砧 10． 自动
于不用将苗从穴盘内取出， 因而对根系损伤较小， 利 于嫁接后缓苗和生长； 并可直接将钵苗移栽至大田， 省工省力。 为进一步提高人均操作效率以及自动化水平， 500 型嫁接机［13 － 14］基础上， 在前期研制的 BMJ采用
图3 Fig． 3 穗木夹持搬运机构工作示意图 Pregripping and transporting of scion
（ b） 切削后穗木搬运
穗木夹持搬运机构的作用是完成对穗木苗的 夹持和搬运 ， 以保证穗木的正常切削并搬运至指 定位置完成嫁接工作 。 目前国内外半自动嫁接机 都设有砧木 和 穗 木 供 苗 台 ， 由两人分别将砧木和 穗木放到供 苗 台 上 ， 然后由搬送机械手从供苗台 上将幼苗 夹 持 搬 送 到 切 苗 处 、 进 行 切 苗 嫁 接。 在 一人操作的 情 况 下 ， 若沿用老方法设置供苗台将 会使机器结构分布松散 、 给操作带来不便 、 降低工 作效率 。 为此 ， 本研究设计了集供苗台 、 搬送机械 手于一身的穗木夹持搬送机构 ， 结构如图 2 所示 。 主要包括 ： 机架 、 旋转气缸 、 直推气缸 、 直推气缸连 接板 、 穗木 检 测 传 感 器 、 穗 木 夹 持 气 爪、 穗木切削 支点等 。 具体工作过程如图 3 所示： 当操作人员将穗木 放置于穗木固定支板的豁口处时， 穗木检测传感器 检测到穗木苗到位， 随即穗木夹持气爪闭合夹持住 旋转气缸旋转 90° 将穗木细苗旋转搬运至切 穗木， 苗处进行切苗（ 图 3a） 。当穗木苗切削完毕后， 旋转 气缸反向旋转 90° ， 将已切削的穗木苗又旋回搬运 置供苗处原位， 然后直推气缸将穗木苗推送至嫁接 处进入嫁接过程（ 图 3b） 。 根据工作环境及机构布局， 选定直推气缸工作 行程为 100 mm； 为保证完成穗木的夹持和搬运， 穗木 固定支板、 穗木气爪和穗木切削支点的相对位置必须 精确， 经理论计算及试验分析， 确定穗木固定支板上
定 发 展， 并 已 应 用 于 实 际 蔬 菜 育 苗 生 产 中， 但此 类嫁接机价格较为 昂 贵 ， 并不适合一般农户和中
［2 ，5 － 9］ 。 国 内， 小育苗基 地 中国农业大学率先研 600 型 穴 盘 嫁 接 机 以 及 BMJ500 型 营 制 出 2 JSZ［10］ ， 养钵苗嫁接机 此 后， 国内一些院校科研单位
2 0 1 4 年 11 月 doi： 10． 6041 / j． issn． 10001298． 2014． S0． 042
农 业 机 械 学 报
第 45 卷 增 刊
葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验
褚 佳 张铁中
（ 中国农业大学工学院，北京 100083 ）
*
“贴接法” 摘要： 基于葫芦科营养钵苗的 嫁接技术， 设计了由穗木夹持搬运机构 、 穗木切削机构、 砧木夹持搬运机 构、 砧木旋切机构、 嫁接夹自动排列输送机试验得出， 该机器人的理论嫁接速度可达 440 株 / h， 实际操作嫁接速度达到 285 株 / h， 嫁接成功率为 92% ， 与同类型的双人操作营养钵苗嫁接机相比， 人均作业效率提高 36% 。增加了嫁接钵苗的后续自动排列摆放 提高了嫁接生产自动化程度 。 机构， 关键词： 嫁接机器人 葫芦科 营养钵苗
— —线段 OA 与水平方向的夹角 α— — —圆心角∠AOB θ—
)
262
农
业