叶菜类钵苗移栽机的研制 挑战杯文本 (1)

摘要叶菜类蔬菜（如菠菜空、心菜）病虫害比较严重，连作会使土壤环境恶化，土壤中的病虫害种类和数量逐渐增多，导致蔬菜生长势减弱、产量减少、品质下降。

而大棚栽植蔬菜具有以下的优点：1、安全卫生。

大棚蔬菜有大棚膜使大棚内蔬菜与外界隔离，可以减少大棚外病虫害对棚内蔬菜的侵害，有效控制病虫害的传播，从而减少蔬菜的农药使用次数，更有利于实现蔬菜无公害生产。

2、节省成本。

大棚蔬菜由于外面有大棚膜的保护，所以受雨水的影响比较小，肥料不容易流失；同时，大棚膜不透水，棚内水分也不易蒸发，有利于保持棚内土壤的含水量。

3、适栽品种多。

大棚蔬菜可选择的蔬菜品种比田园蔬菜品种种类更多。

一般当地田园能种植的蔬菜品种，大棚都能种植。

4、提高产量。

大棚膜具有保湿的作用，并且膜内湿度还可以调节，所以对环境的敏感度小于田园蔬菜，受环境的影响也小于田间蔬菜。

5、生产效益高。

蔬菜只有达到一定的积温才能成熟，由于大棚具有保温的作用，缩短了大棚蔬菜的生育期，可以使蔬菜提早成熟提前上市，从而提高蔬菜价格，增加菜农收入，一般亩增经济效益50%以上。

我们通过去当地农科院进行了实地考察，他们对于叶菜类蔬菜的大棚种植需要一定的自动化设备，待在育苗杯的叶菜长出幼苗，就需要把在穴盘中的育苗杯转移到栽植盘中，栽植盘需要放置在有营养液的水池中。

我们针对这一需求，提出了这个项目，这个项目要实现的是将叶菜类蔬菜（如菠菜、空心菜）盛有幼苗的育苗杯由小间距穴盘向大间距栽植盘转移。

我们把这个项目化解成前端执行器，控制器和输送装置三部分设计，每一部分设计实现一部分动作，这样更加简化每一部分的设计，符合我们本科生所学习的内容。

目录第一章前言 (1)1.1研究背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1国内研究现状 (2)1.2.2国外研究现状 (4)1.3常见的几种移栽机构比较 (6)1.3.1钳夹式移栽机 (6)1.3.2链夹式移栽机 (7)1.3.3吊篮式移栽机 (8)1.3.4导苗式移栽机 (9)1.3.5输送带式移栽机 (10)1.3.6挠性圆盘式移栽机 (10)第二章项目研究前期工作 (11)2.1实地考察 (11)2.2叶菜栽培的三种主要模式 (11)2.2.1 传统模式 (11)2.1.3 穴培模式 (13)2.3叶菜移栽的需求分析 (14)2.3.1 水培模式下的移栽 (14)2.3.2 传统模式下的移栽 (15)第三章方案的设计及优化 (15)3. 1 末端执行器 (15)3.1.1三驱动开合式移钵装置 (15)3.1.2双驱剪叉式稀植移钵装置 (17)3.1.3 单驱弹动式稀植移钵装置 (18)3.1.4 移钵机械手实物 (19)3.1.5 手抓实物图 (20)3.2控制器 (22)3.3 输送装置 (23)3.4 整机的工作过程 (24)4现有成果展示 (24)第一章前言1.1研究背景及意义20世纪20年代，欧洲发达国家研制并开始使用手工喂苗的秧苗移栽机具，用于蔬菜生产作业；30年代末40年代初期，手工喂苗的秧苗移栽机具的人工动作被移栽机构所取代。

送苗入土过程实现了机械化；50、60年代，多种不同结构型式的半自动移栽机被研制生产并使用。

同时，育苗用土钵制钵机开始出现；至20世纪80年代，半自动移栽机、制钵机已形成完整的系列，并在农业生产中广泛使用；到目前为止，欧洲在蔬菜育苗土钵成型及钵上单粒精密播种和自动移栽机械设备等技术上已经达到完善。

目前，我国移栽机械的研究和应用中还存在许多问题亟待解决: 农机研究与我国农业生产需求相脱节，无法满足国内农业生产的真正需要; 没有自行的相关研究体系，大量抄袭、仿制国外先进机型，无法适应国内生产; 现行使用的机型移栽质量不稳定，通用性差，自动化程度较低，且机具造价较高，农机与农艺的融合不紧密[1] ，苗盘尺寸、钵的形状和尺寸没有统一标准，给提高移栽自动化程度带来一定困难。

传统的农作物移栽主要依靠人工作业完成，劳动强度大、生产效率低、费工费时，且人工移栽很难保证作业质量。

因此，实现蔬菜移栽机械化是扩大蔬菜移栽面积和发挥蔬菜移栽优势的关键所在，对于减轻蔬菜移栽作业的劳动强度和提高移栽质量、效益具有重要意义。

随着时代的发展，大棚养殖蔬菜普遍率提高，养殖自动化需求越来越高，所以适用于大棚叶菜类移栽机是适应时代和潮流的。

通过大棚养殖蔬菜可以大大缩短蔬菜的生长周期，而且大棚蔬菜一年四季都可以养殖，研究大棚叶菜类蔬菜移栽机具有一定的必要性。

1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状国内的穴盘育苗技术研究时间还不是很长，穴盘苗自动移栽机的研究还刚刚起步，相比国外成熟的技术体系还存在很大的差距。

穴盘苗移栽机械分为田间露地移栽机械、温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘秧苗植入花盆的自动移栽机械手。

常见的田间露地移栽机机型主要包括: 钳夹式移栽机、链夹式移栽机、挠性圆盘式移栽机、吊杯式移栽机、导苗管式移栽机、输送带式移栽机和空气整根营养钵育苗移栽机。

这些机型均应用于钵苗移栽，对于穴盘苗移栽均需要手工取苗、投苗，机械化程度低。

目前，国内对穴盘苗自动移栽机的研究主要集中在对温室内移栽的棚室移栽机械以及用于将穴盘苗植入花盆的自动移栽机械手的研究，还未涉足到适合大田作业的、不需手工取苗投苗的穴盘苗全自动移栽机械的研究，仅有少数农业科研院校对穴盘苗移栽机进行了探索性的研究。

1996 年，吉林工业大学范云翔等研制出一种空气整根气吸式秧苗全自动移栽机。

该机采用吸力较大的气缸投苗机构，投苗过程中穴盘苗与运动部件不直接接触，伤苗率相对比较低。

其移行机构由步进电机驱动，位置精度较高，由单片机来控制，整机可靠性较强。

但该设备只适用于水稻秧苗，若用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，则易使其茎秆秤断。

2003 年，中国台湾吕英石等人研制了可调整式花卉穴盘苗假植机构。

假植爪动作的流程: 当假植爪位于原点时之状态为假植爪整体上升、夹取爪打开、并且位于穴盘上方; 当要夹取穴盘苗时则假植爪整体往下降至定点后夹取，动作完成后，假植爪往上升移动至生长盘位置上方，假植爪下降将穴盘苗植入生长盘中，然后爪打开并同时上升，再借着气压缸回到原点，如此完成单一循环的假植作业。

气压式可调整花卉秧苗移栽如图5所示。

2005 年，中国农大孙刚对生菜自动移栽机进行了初步探索，设计了一种龙门式的移苗装置。

其用气爪作为执行部件，采用运行μC /OS －Ⅱ嵌入式操作系统的16 位微控制器作为核心的控制系统。

该自动移苗机能按照编程的路径和方式可以完成规定的移栽，但是还不能克服幼苗的柔韧性等问题，气爪抓取的精确率和成功率需要进一步的提高。

因为只是初步探索，所以在移苗手爪、移苗机构的设计和机构的稳定性等方面还需要完善。

同时，中国农业大学强丽慧的浮板蔬菜生产自动移苗装置是移苗机构中直接与苗接触的部分。

由它来具体执行拔苗、栽苗作业。

移苗装置由移苗气缸、移苗针、可调角度连接件和移苗针固定架等组成。

拔苗时，移苗气缸伸出，移苗针以30°扎入基质中。

之后，机械臂缩回，并向栽苗位置移动。

在此过程中，移苗装置起到搬运苗的作用。

栽苗时，移苗气缸缩回，移苗针随之缩回，苗栽入孔穴中。

2007 年，沈阳农业大学田素博等人设计了一种基于PLC 的穴盘苗移栽机械手控制系统。

其中，穴盘苗移栽机械手的工作过程:“定位—抓取—定位—投放”，能实现穴苗单线往复移栽。

其由气力驱动系统、夹持机构、控制系统及秧和花盆输送装置4个工作机构协同配合实现这一系图1基于PLC 的穴盘苗移栽机机械手示意图列连续动作。

其控制系统由PLC、行程开关等组成。

结果表明，该控制系统的设计合理，性能可靠。

2009 年，刘凯等人研究了PLC 在穴盘苗移栽机器人控制系统中的应用。

所涉及到的穴盘苗移栽机器人由输送带、视觉相机、三维运动平台和机械手组成。

研究中，通过2 台PLC 的合理组合和程序的设计，实现了多电机控制系统的架构，为移栽机器人各机构平稳、有序运行提供了软件基础。

该控制系统整体布局合理、稳定性好、程序设计方法简单易行，提高了控制系统的柔性和可靠性，较好地兼顾了精度和成本。

1.2.2国外研究现状近20年,国外对移栽机的研究已进入自动化阶段。

韩国的KyeongUKKim等提出了一种适合蔬菜移植的拾取装置。

这套装置包括一个路径产生器、拾取针和针驱动器。

路径产生器是一个5杆机构,由固定滑槽、驱动连杆、连接杆和一个滑杆组成;Kut等1987年研究了基于Puma560机器人的移苗机器。

移苗机器人的末端执行部件是一个平行夹类型的手爪。

他们研究的目的是测试机器移苗的作业周期,研究一种针对单棵苗进行抓取和栽植的末端执行部件,另外还用计算机模拟的方法对移苗机器人的应用性能进行评估。

移苗机器人末端执行手爪是在Unimation 510型气动平行爪的基础上进行改进设计的,包括增加开度调节螺母,在每个手爪的内侧固定一个轻质的镀锌板作为“手指”,其抓取只有张开与合拢2种状态,张开与合拢位置的距离是20mm,2个夹片长3mm。

当夹取植株时,每个夹片偏转3mm,对基质施加大约为4N的力,以保证能够夹持住基体而又不伤害作物。

在苗盘相邻的情况下,在3.3min内能完成36个苗的移植,存活率可达96%Kc.Ting(丁冠中)等1990年研究了一种带有传感器的滑动针(SNS)作为带手爪的移苗机器人,它是基于SCARA机器人机理的。

SNS的基本部件是2根在套中运动、倾斜安装的滑针,安装和调节滑针位置的支撑框架和一个电容型接近传感器等组成。

每根针都由一个双动空气气缸驱动，针的角度和位置可根据穴盘和秧苗的不同而进行调节，电容式近程传感器可调节感应距离,保证夹持器夹住而不伤害秧苗。

在移栽过程中,针缩进,接近穴孔后,针开始伸展,穿人基质中。

幼苗从育苗盘移植到苗盘时,单苗移栽时间为2.60~3.25s。

试验结果表明,随着穴盘苗状况不同,移苗成功率为50%～95%。

Ryu等人2000年设计了一种由气动系统驱动的夹取装置。

该装置末端器由步进电机、气缸、气动卡盘和夹取指组成。

其末端执行件由步进电机带动旋转,并根据植株的方位确定针状夹取指的位置,避免抓取时对植株叶片的伤害。

气缸可以推动夹取指插入苗盘的基质中,然后通过气动卡盘的开关来实现对秧苗的抓取、保持和释放。

但在土壤湿度较低时,这种末端执行件就会显现出它的局限性,为了克服这个局限性,Ryu等人又进行了改进,两个手指成15°角,每个手指各装有一个气缸,增强了灵活性和可靠性。

Choi等人2002年开发了一种新的用于蔬菜移栽的末端执行器,由轨迹发生器、夹取指针和指针驱动器等组成,用23天的蔬菜苗做试验,该装置移栽效率30株/min,移栽成功率97%。

1.3常见的几种移栽机构比较1.3.1钳夹式移栽机主要工作部件有：钳夹式在栽植部件，开沟器，覆土镇压轮，传动机构及机架等。