初 麒，辜 松,2※，楊 意，胡俊生，黎 波，呂亞軍，謝忠堅，楊艷麗

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642）

嫁接幼苗正壓氣流導向方法及參數(shù)優(yōu)化

初 麒1，辜 松1,2※，楊 意1，胡俊生1，黎 波1，呂亞軍1，謝忠堅1，楊艷麗3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，廣州 510642； 2. 華南農(nóng)業(yè)大學南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；3. 廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642）

負壓吸附把持手具有對幼苗苗徑變化適應性強、減少幼苗把持損傷的優(yōu)點，但其難以實現(xiàn)對彎曲幼苗的自動吸附把持。針對上述問題，該研究提出了一種利用正壓氣流對彎曲幼苗進行導向的作業(yè)方法。以常見嫁接用黃瓜幼苗為代表進行研究，考察正壓氣流對纖細幼苗導向效果。首先進行了彎曲應力測定，結(jié)果表明，對于長軸平均直徑為（1.82±0.07）mm、短軸平均直徑為（1.47±0.02）mm的黃瓜幼苗在10 mm長度上矯正5 mm彎曲偏差時所需最大彎曲力平均值為（0.082±0.005）N；針對黃瓜幼苗進行了單管正壓氣流導向試驗并進行高速攝影記錄，結(jié)果表明，當正壓氣管內(nèi)徑為4 mm，負壓把持手吸嘴口與正壓氣管口間距為25～30 mm，導向氣壓為0.3 MPa時，導向成功率為93.3%；為改善導向效果，對黃瓜幼苗進行雙管正壓氣流導向試驗，結(jié)果表明，在正壓氣管內(nèi)徑4 mm條件下，當負壓把持手吸嘴口與正壓氣管口間距為20～25mm、導向氣壓為0.3 MPa時，黃瓜幼苗導向成功率為100%。該研究結(jié)果可為基于氣力導向方法的幼苗把持作業(yè)提供技術(shù)參考。

機械化；壓力；嫁接；幼苗；正壓氣流；導向；負壓吸附

初 麒，辜 松，楊 意，胡俊生，黎 波，呂亞軍，謝忠堅，楊艷麗. 嫁接幼苗正壓氣流導向方法及參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2017，33(7)：20－27.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.003 http://www.tcsae.org

Chu Qi, Gu Song, Yang Yi, Hu Junsheng, Li Bo, Lü Yajun, Xie Zhongjian, Yang Yanli. Positive airflow guidance method and parameter optimization for grafting seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 20－27. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.003 http://www.tcsae.org

0 引 言

目前園藝產(chǎn)業(yè)規(guī)模在不斷擴大，而中國設(shè)施園藝機械化水平相對較低，僅為 32.5%[1-2]，因此所需勞動力數(shù)量日益增加。隨著工資水平的不斷攀升，2001至2010年，園藝生產(chǎn)人工成本年均上漲 14.6%[3-4]，人工作業(yè)成本在總生產(chǎn)成本中所占比例越來越大[5-7]。美國作為園藝產(chǎn)業(yè)強國，2014年在園藝生產(chǎn)中勞動力成本占總生產(chǎn)成本比例仍然超過40%[8]。因此中國已對多方面園藝生產(chǎn)自動化裝備展開研究[9-11]。

對于園藝種苗自動化設(shè)備開發(fā)，如何保證幼苗在把持和傳遞過程中不受損傷是需要克服的重要課題之一。為適應幼苗個體差異，避免幼苗夾持損傷，1987年日本早稻田大學三輪敬之采用記憶合金技術(shù)，開發(fā)出組培苗把持手[12]，通過改變合金溫度實現(xiàn)對組培苗的把持與脫開功能，但其加溫等輔助裝置需占用一定空間。1990年東京大學同樣使用記憶合金研制了一種鈦鎳記憶合金柔性組培苗把持手，通過對記憶合金絲通斷電實現(xiàn)把持手開閉，該把持手可實現(xiàn)0.1 N微力柔性夾持[13-15]，但機構(gòu)非常復雜，技術(shù)難度較大。2012以來國內(nèi)學者提出了柔性氣力把持方法，利用負壓吸附的方式實現(xiàn)對幼苗的柔性撿拾與把持。樓建忠等[16-17]在開發(fā)嫁接機時提出利用負壓吸附接穗苗子葉的方法把持接穗苗，作業(yè)時人工將接穗苗子葉與把持手吸嘴口貼合實現(xiàn)吸附把持，該方式可避免機械夾持對幼苗葉片造成損傷；賈冬冬等[18-20]設(shè)計了一種負壓把持手，人工上苗后利用負壓吸附幼苗莖桿，可實現(xiàn)幼苗的柔性力定位吸附把持；楊艷麗等[21-22]針對瓜類嫁接的砧木子葉展開環(huán)節(jié)，提出了利用負壓吸附砧木子葉的方法，人工上砧木苗后將子葉展平吸附于砧木夾上，便于進行插接式嫁接作業(yè)；李愷等[23-24]針對條狀組培苗設(shè)計了負壓把持手，該負壓把持手通過機器視覺識別定位組培苗莖段后自動拾取，把持作業(yè)性能穩(wěn)定，可有效避免組培苗受損，但視覺識別定位過程復雜，成本較高。

由于機械式柔性把持手結(jié)構(gòu)復雜，占用空間較大，且技術(shù)要求較高；而柔性負壓把持手雖可有效適應幼苗苗莖差異，實現(xiàn)柔性把持，但真空吸附把持需幼苗與負壓把持手吸嘴口準確對位才能保證把持成功，因此需采用人工對位上苗或通過機器視覺進行復雜的判斷后進行定位拾取。目前采用柔性負壓把持手的自動化設(shè)備難以實現(xiàn)幼苗快速自動拾取及傳遞作業(yè)，主要問題是幼苗在把持手間自動傳遞過程中，在無外力輔助條件下，幼苗彎曲偏差極易造成其與負壓把持手吸嘴口難以貼合，把持成功率無法保證。針對上述問題，本文提出一種針對幼苗的氣力導向方法，即設(shè)計一種正壓氣管，利用正壓氣管中噴射的正壓氣流與負壓把持手上的導向翅配合，將幼苗推送至與負壓把持手吸嘴口貼合，輔助負壓把持手完成對彎曲幼苗的把持。本文以常見嫁接用黃瓜幼苗為代表進行研究，考察正壓氣流對纖細幼苗導向效果。在避免使用復雜的攏苗機構(gòu)，節(jié)省空間，矯正損傷率低的基礎(chǔ)上，以期達到正壓氣流導向方式輔助負壓把持手克服自身難以適應幼苗彎曲偏差的問題。

1 黃瓜幼苗彎曲應力測定

幼苗氣力導向主要是利用正壓氣流矯正幼苗與負壓把持手吸嘴口間位置偏差，當氣力能夠滿足矯正幼苗彎曲所需的矯正力時，可將幼苗推送至負壓把持手吸嘴口，但需避免氣力過大對幼苗造成損傷。

為考察矯正黃瓜幼苗彎曲偏差的適宜矯正力，通過力學測定平臺進行幼苗彎曲應力測定。如圖 1所示，力學測定平臺采用美國MARK-10M4-05型測力計及電動測量臺，測力計精度為0.001 N，測量范圍為0～2.5 N，電動測量臺運行速度范圍為0.5～1 100 mm/min。

圖1 力學測定平臺及幼苗彎曲應力測定Fig.1 Mechanical testing platform and bending stress test of seedling

在幼苗把持傳遞過程中，為保證把持穩(wěn)定性，莖段把持長度為3～4 mm，在接穗切削傾角25°時，切刀所需垂直作業(yè)空間約 4 mm[25]，為避免切刀與把持手干涉，幼苗2傳遞把持點高度差至少為 10 mm。幼苗 2把持點距離越大，幼苗彎曲度也隨之增加，會加大幼苗彎曲矯正難度。因此本研究中將幼苗傳遞把持點高度定為10 mm，測定目標為黃瓜幼苗在10 mm長度上的彎曲應力。

選用嫁接期黃瓜幼苗30株進行尺寸參數(shù)及彎曲應力測定。如圖 2所示，將幼苗拍照后，從幼苗底部開始每10 mm進行測量，沿莖稈選取3 mm幼苗把持長度視為直線段并將其延長，測定延長線在10 mm高度處與幼苗偏差距離即為彎曲偏差X，按此方法向上選擇下一10 mm莖段進行測量，直至整株幼苗全部測量完成。測得10 mm高度上最大彎曲偏差為 3.83 mm，若對幼苗進行彎曲矯正，所需矯正力至少應克服幼苗被矯正3.83 mm彎曲偏差時產(chǎn)生的彎曲應力。因此測定時測力計提拉距離定為5 mm，即以矯正幼苗5 mm彎曲偏差時所需提拉力作為氣流導向力參考，可保證彎曲偏差在3.83 mm范圍內(nèi)幼苗導向成功。

圖2 彎曲偏差測量方法示意圖Fig.2 Sketch map of measuring method for bending deviation

為排除幼苗自身重力對彎曲應力測定時影響，將幼苗子葉部分去除，留幼苗底部20 mm莖段進行彎曲應力測定。通過對黃瓜幼苗莖段中點位置尺寸參數(shù)測定，幼苗長軸平均直徑為（1.82±0.07）mm，短軸平均直徑為（1.47±0.02）mm。電動測量臺提升速度設(shè)為5 mm/min，測定時將黃瓜幼苗莖段水平放置在載物臺上，一端固定，另一端通過提升掛鉤在相距幼苗固定點10 mm處進行提拉。提拉前將拉力計清零，設(shè)定電動測量臺在提升掛鉤與幼苗接觸產(chǎn)生力達到拉力計可設(shè)置最小值 0.001 N時停止運動，以此作為彎曲應力測定的提拉初始點，測力計再次清零后提升掛鉤提升5 mm，提取測定過程中最大值代表幼苗矯正5 mm時彎曲應力并求取平均值。測定結(jié)果顯示，黃瓜幼苗在10 mm長度上提拉5 mm時產(chǎn)生的最大彎曲應力的平均值為（0.082±0.005）N。其值可為與黃瓜幼苗測定條件相同情況下彎曲應力相似的纖細幼苗在進行氣力導向作業(yè)時的適宜導向作業(yè)條件選擇提供參考。

2 正壓氣流導向方法作業(yè)原理

在自動傳遞把持過程中，幼苗被 1個負壓把持手傳遞到交接位置，幼苗未把持部分處于自由狀態(tài)，當苗莖存在彎曲度時，待把持的負壓把持手吸嘴口處負壓氣流難以將偏離吸嘴口的幼苗吸附至貼合狀態(tài)，本研究設(shè)計通過正壓氣流與負壓把持手上的導向翅共同作用方式，將偏離負壓把持手吸嘴口的幼苗推送至負壓把持手吸嘴口位置。如圖3所示為采用正壓氣流導向、2負壓把持手交替把持幼苗的過程，正壓氣管采用常見不銹鋼圓管。傳遞作業(yè)時 1個負壓把持手把持幼苗后，正壓氣管中氣流與導向翅配合作用，將與另 1個負壓把持手吸嘴口偏離的幼苗導向至負壓把持手吸嘴口位置并貼合。

圖3 正壓氣流導向作業(yè)原理Fig.3 Operating principle of positive pressure airflow guiding

導向翅結(jié)構(gòu)參數(shù)會對正壓氣流導向作業(yè)效果產(chǎn)生較大影響，由于幼苗在 10 mm高度范圍內(nèi)偏差不大于4 mm，為保證導向翅范圍可包容幼苗偏差，導向翅頂點間距離取為10 mm。

如圖 4所示，隨著導向翅夾角變小，導向翅頂點與吸嘴口間垂直距離L逐漸增大，導向翅占用空間增加；但導向翅夾角大于90°后，正壓氣流導向力沿導向翅方向分力逐漸變小，而將幼苗抵靠在導向翅上的力不斷增加，導致幼苗與導向翅間摩擦力加大，不利于幼苗沿導向翅向吸嘴口滑動，綜合以上因素導向翅夾角定為90°。

圖4 導向翅結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch structure of guide wings

3 單管正壓氣流導向試驗

為考察正壓氣流導向作業(yè)方法對幼苗導向作業(yè)效果，需對該方法進行導向作業(yè)性能試驗，以確定適宜的導向氣壓及負壓把持手吸嘴口與正壓氣管口間距。

3.1 材料與方法

在幼苗正壓氣流導向過程中，正壓氣管內(nèi)徑變化會改變氣流的作用范圍，并且影響正壓氣管內(nèi)氣體流量，因此正壓氣管內(nèi)徑是影響氣流導向效果的一個重要因素，同時在保證導向效果的前提下，應盡可能減小管徑，以節(jié)省作業(yè)空間。

正壓氣流經(jīng)過圓形正壓氣管出口后會形成圓錐形射流軌跡，因此負壓把持手吸嘴口與正壓氣管口間距（簡稱嘴管間距）會影響氣流對幼苗導向的作用效果。導向氣壓相同情況下，嘴管間距較小時正壓射流在吸嘴口截面處擴散的范圍較小，易導致氣流無法作用到偏離吸嘴口較遠的幼苗上，隨著嘴管間距的增加，正壓射流在吸嘴口截面處擴散范圍逐漸擴大，但對于偏離吸嘴口較遠的幼苗主要受射流邊緣較弱氣流導向作用，氣流有效作用力較小，因此選擇合理的嘴管間距有助于提高氣力導向效果。

正壓氣管中導向氣流壓力是影響導向作業(yè)效果的重要因素，當導向氣壓過小時氣流對幼苗導向力不強，對彎曲度較大且偏離吸嘴口較遠的幼苗難以保證導向效果，而導向力過大易導致幼苗出現(xiàn)損傷甚至折斷。

綜合以上分析，試驗以導向成功率為目標函數(shù)，以正壓氣管內(nèi)徑D、嘴管間距S及導向氣壓P為影響因素，按3因素3水平全排列方案設(shè)計試驗，共計27組，試驗中幼苗被正壓氣流導向后與負壓把持手吸嘴口穩(wěn)定貼合，且幼苗莖稈未被把持手薄壁所損傷為成功。由于 2負壓把持手高度差設(shè)置為10 mm，因此正壓氣管內(nèi)徑不宜過大，為方便與常用直徑 6 mm氣管對接，采用外徑6 mm、內(nèi)徑5 mm不銹鋼圓管進行初步導向試驗，當導向氣壓達到0.4 MPa時，黃瓜幼苗出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，為避免幼苗導向時受損，正壓氣管內(nèi)徑D應小于5 mm，因此選擇2、3和4 mm 3個水平，導向氣壓P選擇0.1、0.2和0.3 MPa 3個水平；根據(jù)流體力學理論，圓管射流發(fā)散角度約為25°，當嘴管間距為20 mm時，正壓氣管口與導向翅頂點截面距離為15 mm，內(nèi)徑為2 mm正壓氣管射流在導向翅頂點截面處擴散直徑可達8.6 mm以上，射流范圍可基本覆蓋導向翅區(qū)域，因此嘴管間距S選擇20、25 和30 mm 3個水平。

試驗選用苗嫁接期黃瓜幼苗，長軸平均直徑為（1.82±0.07）mm，為了提高導向成功率的表現(xiàn)力每組條件下采用不同幼苗進行30次試驗。如圖5所示，負壓把持手1和2垂直高度差設(shè)置為10 mm，2負壓把持手吸嘴口位置保證幼苗被引導至與吸嘴口貼合時為幼苗為豎直狀態(tài)，正壓氣管水平與負壓把持手 1同軸。對于單管射流，其中心區(qū)域流速最大，幼苗處于負壓把持手 1導向翅中心區(qū)域時較易導向成功，而與負壓把持手 1導向翅貼合的幼苗由于處在射流邊緣區(qū)域較難導向，因此需重點考察在該情況下的氣流導向效果。實際作業(yè)時，負壓把持手 2把持的幼苗在傳遞過程中其莖稈彎曲方向為隨機狀態(tài)，負壓把持手 1到達把持位置時幼苗可能與導向翅貼合，當幼苗莖稈彎曲最大部位在遠離負壓把持手 1吸嘴口方向上與一側(cè)導向翅貼合時，幼苗與正壓氣流中心偏離位置最大，且距吸嘴口最遠，此位置導向難度最大，因此試驗時黃瓜幼苗吸附在負壓把持手 2后，將幼苗彎曲最大位置與一側(cè)導向翅貼合，對該狀態(tài)下幼苗進行單管正壓氣流導向效果測試（如圖 5c）。為對幼苗的正壓氣流導向過程進行觀察分析，使用高速攝影方法對各工況下氣流引導過程進行記錄，高速攝影系統(tǒng)由中國合肥君達高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的1F005型COMS高速攝像機、USB3.0圖像采集線、光源和計算機系統(tǒng)組成。高速攝像機試驗幀率設(shè)為500幀/s。

圖5 黃瓜單管正壓導向幼苗試驗Fig.5 Experiment of single tube positive pressure guiding for cucumber seedlings

3.2 結(jié)果與分析

黃瓜幼苗單管正壓氣流導向試驗結(jié)果如表1。

表1 黃瓜幼苗單管正壓氣流導向試驗結(jié)果Table1 Experimental results of single tube positive pressure airflow guiding for cucumber seedlings

由表1可知，極差R大小次序為正壓氣管內(nèi)徑（D）＞導向氣壓（P）＞嘴管間距（S），即正壓氣管內(nèi)徑及導向氣壓對幼苗導向成功率影響較大。原因主要是正壓氣管內(nèi)徑及導向氣壓大小直接影響射流對幼苗的有效作用力，在嘴管間距相同情況下，正氣壓管內(nèi)徑及導向氣壓越大，幼苗越易被導向成功。

表1顯示，正壓氣管內(nèi)徑為2 mm時導向成功率最高僅為23.3%，主要由于射流對幼苗有效作用氣流較少，其邊緣區(qū)域氣流對幼苗產(chǎn)生導向力較弱，難以將幼苗導向至負壓把持手吸嘴口位置，在選取的嘴管間距內(nèi)，當導向氣壓增至0.3 MPa，部分幼苗僅出現(xiàn)了晃動現(xiàn)象，無法穩(wěn)定導向。如圖 6所示，根據(jù)圓形管孔射流理論，噴射出的氣流發(fā)散角度2α約為25°，在正壓氣管口處的氣流速度v0基本保持是均勻的，隨射流層不斷向外擴散，流速降低且射流中心與邊緣速度梯度變大[26-27]。正壓氣管內(nèi)徑為2 mm、嘴管間距為20 mm時，射流范圍剛好可覆蓋導向翅區(qū)域，當幼苗位置相對吸嘴口偏移距離較大時，幼苗處于射流邊緣氣流非常薄弱區(qū)域，由于邊緣氣流作用力衰減，難以將幼苗導向負壓把持手吸嘴口并穩(wěn)定貼合。隨著嘴管間距增加，射流擴散范圍會完全包容幼苗，作用在幼苗上的有效氣流量增加，但仍無法滿足幼苗導向所需導向力，因此導向成功率很低。

圖6 圓形孔口氣體自由射流示意圖Fig.6 Sketch of airflow of circular orifice free jet

正壓氣管內(nèi)徑3 mm時，與內(nèi)徑為2 mm時相比，射流作用范圍加大，隨著嘴管間距的增加、導向氣壓增大，整體導向效果大幅提高，在嘴管間距30 mm、導向氣壓為0.3 MPa時最高導向成功率可達83.3%。

當正壓氣管內(nèi)徑為 4 mm時，射流作用范圍再次加大，氣流對幼苗的作用力加大，隨著嘴管間距的增加、導向氣壓增大，導向成功率進一步提高，當嘴管間距為30 mm時最高導向成功率達93.3%。失敗主要原因是導向氣壓較大時作用在幼苗上的有效氣流作用力過大時，造成了幼苗折斷損傷。

根據(jù)以上分析，正壓氣管內(nèi)徑及導向氣壓會直接影響正壓氣流作用在幼苗上的有效作用力，對引導效果有很大影響。最高為93.3%導向成功率結(jié)果也顯示單管正壓氣流進行氣力導向難以保證幼苗導向效果，該方式對正壓氣管與負壓把持手之間的相對位置精度要求較高，且導向氣壓大小不易把握。

3.3 基于高速攝影的單管氣力導向過程分析

高速攝像技術(shù)是綜合光、機、電、光電傳感器與計算機等一系列技術(shù)的特殊攝影，能夠捕捉各作業(yè)環(huán)節(jié)中細微動作過程，目前在農(nóng)業(yè)裝備開發(fā)中已廣泛應用[26-28]。

通過對單管正壓氣流導向試驗的高速攝影觀察可以看出，正壓氣流導向幼苗的過程主要可分為：啟動，靠近吸嘴口，貼合吸嘴口，貼合后莖稈斷裂4個階段，圖7為正壓氣流導向過程中4個具有代表性的幼苗位置點。

圖7 黃瓜幼苗正壓氣流導向過程Fig.7 Positive airflow guiding process of cucumber seedling

當引導氣流的有效作用范圍能夠覆蓋幼苗所在位置時，幼苗會受正壓氣流作用由圖7a啟動位置向圖7b位置移動，由于幼苗自身存在彎曲，在氣流導向過程中幼苗首先會與負壓把持手吸嘴口下邊緣接觸，之后以下邊緣為支撐點，上部莖桿繼續(xù)被導向至圖7c位置與吸嘴口貼合；幼苗與把持手吸嘴口貼合后由于氣流產(chǎn)生的導向力無法準確與幼苗導向時所需導向力平衡，因此幼苗無支撐部位會被氣流繼續(xù)推送而發(fā)生彎曲，當氣流導向力過大時，會出現(xiàn)如圖7d所示的莖稈斷裂現(xiàn)象。

幼苗導向失敗主要有3種情況：1）氣流對幼苗有效作用力微弱，導向過程中幼苗幾乎不動或產(chǎn)生晃動但無法到達圖 7b位置；2）氣流對幼苗產(chǎn)生的有效作用力不足以將幼苗與吸嘴口緊密貼合，幼苗到達圖7b或7c位置后處于小范圍晃動狀態(tài)；3）導向氣流壓力過大導致幼苗彎曲過度，造成幼苗如圖7d中斷裂或表皮損傷現(xiàn)象。

4 雙管正壓氣流導向試驗

通過黃瓜幼苗的單管正壓氣流導向試驗可看出，圓型管口射流邊緣氣流速度較小，難以保證彎曲偏差較大幼苗穩(wěn)定導向，為進一步改善正壓氣流導向效果，將單管氣流改為雙管氣流形式進行幼苗導向試驗，考察引導效果穩(wěn)定性，以獲取合理作業(yè)參數(shù)。

4.1 材料與方法

根據(jù)單管正壓氣流導向試驗結(jié)果，正壓氣管內(nèi)徑對導向成功率影響較大，內(nèi)徑越大其射流有效作用面積越大，有利于幼苗導向，因此本次試驗雙圓管均選用內(nèi)徑4 mm不銹鋼管，將雙管水平并列排布以實現(xiàn)對稱射流，其余機構(gòu)設(shè)置與單管正壓氣流導向試驗相同。

試驗以導向成功率為目標函數(shù)，以導向氣壓（P）和嘴管間距（S）作為影響因素，按2因素3水平全排列方案設(shè)計試驗。由于雙管射流較單管射流會產(chǎn)生更大的作用面積，在嘴管間距較近時射流擴散角度仍可覆蓋較大范圍，因此相對于單管射流，嘴管間距可相應減小，嘴管間距S選擇15、20和25 mm 3個水平，導向壓力P與單管正壓氣流導向試驗相同，仍選擇0.1、0.2和0.3 MPa 3個水平。

試驗用黃瓜幼苗及負壓把持手位置設(shè)置與單管正壓氣流導向試驗相同，采用不同幼苗每組條件下進行30次試驗。

如圖8所示，雙正壓氣管與負壓把持手1在同一水平面內(nèi)相對其對稱布置。因2個正壓氣管射流中心均已偏離負壓把持手1中線，因此導向翅中線區(qū)域氣流為射流邊緣低速氣流，需考慮該區(qū)域幼苗的導向情況。因此黃瓜幼苗吸附在負壓把持手2上后，分為將幼苗彎曲偏差最大位置與負壓把持手1導向翅貼合（圖8b）和與導向翅中線重合并彎向正壓氣管（圖8c）2種狀態(tài)進行試驗。

圖8 黃瓜幼苗雙管正壓導向試驗Fig.8 Guiding test of double positive pressure tube for cucumber seedlings

4.2 結(jié)果與分析

黃瓜幼苗雙管正壓導向試驗結(jié)果及極差分析如表2。極差大小順序均為導向氣壓P＞嘴管間距S，幼苗的導向成功率主要取決于導向氣壓大小。由于正壓氣管內(nèi)徑為4 mm，雙管射流最小有效作用寬度已達到8 mm，當射流在管口處以25°角射出時，在試驗選擇的嘴管間距條件下雙管射流區(qū)域可完全覆蓋幼苗所在區(qū)域，因此嘴管間距對幼苗導向成功率影響不大，主要取決于導向氣壓能否滿足導向要求。

表2 黃瓜幼苗雙管正壓導向試驗結(jié)果Table2 Experimental results of double tube positive pressure guiding for cucumber seedlings

嘴管間距為15 mm時，與導向翅貼合狀態(tài)下的幼苗導向成功率隨導向氣壓增加先升高后降低，而與導向翅中線重合狀態(tài)的幼苗導向成功率隨導向氣壓增加呈單調(diào)上升趨勢。如圖 9所示，由于正壓氣管射流中心區(qū)域均偏離把持手中心，而與貼合在導向翅上的幼苗所在區(qū)域大部分重合，因此對于幼苗導向氣力較強，隨著導向氣壓增大，幼苗導向成功率隨之增加，但導向氣壓達到0.3 MPa時，由于導向氣力過大，部分幼苗出現(xiàn)折斷或表皮損傷的情況，因此幼苗導向成功率降低。與導向翅中線重合的幼苗受 2個正壓氣管射流外圍區(qū)域較弱氣流的合力作用，氣流較弱時難以保證幼苗與負壓把持手吸嘴口貼合，導向成功率較低。隨著導向氣壓增大，氣流作用效果增強，因此幼苗導向成功率不斷提高。

圖9 雙管射流在引導區(qū)域幼苗示意圖Fig.9 Sketch map of seedlings in guiding area of jet

嘴管間距S為20 mm，與S為10 mm相比嘴管間距增大，導向氣流對幼苗的作用力有所減弱，導向時未對幼苗造成損傷，當壓力為0.3 MPa時，2種狀態(tài)下的幼苗導向成功率均達到了100%。當嘴管間距S為25 mm時，情況與S為20 mm時基本相同，但由于正壓氣管口與幼苗距離增大，氣壓較低時，易出現(xiàn)幼苗與吸嘴口貼合不穩(wěn)定的情況。對黃瓜幼苗進行雙路正壓氣流導向時，應保證幼苗在 2種狀態(tài)下均可達到較高導向成功率，因此當吸嘴口與正壓氣管口間距S為20～25 mm時，氣壓可選為0.3 MPa，導向成功率為100.0%。

5 結(jié) 論

本文針對負壓把持手難以克服幼苗彎曲所造成的吸附位置偏差問題，以黃瓜幼苗為研究對象，提出一種正壓氣流導向方法，利用正壓氣流將幼苗推送至與負壓把持手吸嘴口貼合，輔助負壓把持手完成對彎曲幼苗的把持。

1）對黃瓜幼苗進行了彎曲應力測定，測得處于嫁接期長軸平均直徑為（1.82±0.07）mm、短軸平均直徑為（1.47±0.02）mm的黃瓜幼苗在10 mm長度上矯正5 mm彎曲偏差產(chǎn)生的彎曲應力平均值為（0.082±0.005）N。

2）對黃瓜幼苗采用單管形式進行了正壓氣流導向試驗。結(jié)果表明正壓氣管內(nèi)徑及導向氣壓對正壓氣流導向成功率影響較大。當正壓氣管內(nèi)徑為4 mm、正壓氣管口與負壓把持手吸嘴口間距為25～30 mm、導向氣壓為0.3 MPa時，黃瓜幼苗導向成功率為 93.3%，單管正壓氣流導向模式導向效果不穩(wěn)定。幼苗導向失敗主要由于正壓氣流有效作用力過小無法將幼苗與負壓把持手吸嘴口穩(wěn)定貼合或幼苗與負壓把持手吸嘴口貼合后，氣力過大造成幼苗損傷。

3）為改善導向作業(yè)效果，采取雙管形式對黃瓜幼苗進行了正壓氣流導向試驗，結(jié)果表明，在正壓氣管內(nèi)徑4 mm條件下對黃瓜幼苗進行正壓氣流導向作業(yè)，當負壓把持手吸嘴口與正壓氣管口間距為20～25 mm時，適宜導向氣壓為0.3 MPa，此時黃瓜幼苗導向成功率為100%。

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Positive airflow guidance method and parameter optimization for grafting seedlings

Chu Qi1, Gu Song1,2※, Yang Yi1, Hu Junsheng1, Li Bo1, Lü Yajun1, Xie Zhongjian1, Yang Yanli3
(1.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou510642,China; 2.Key Laboratory of Key Technology on
Agricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou510642,China; 3.Guangzhou Sky Mechanical & Electrical Technology Co., Ltd. Guangzhou510642,China)

At present, in the facilities of horticultural production, how to avoid seedling damage is one of the important problems that need to be solved, and the flexible holding technology that uses the principle of vacuum adsorption is an effective method to prevent seedling damage. But in this case without external assistance, the vacuum adsorption holding hand in the operation is difficult to overcome the holding position deviation caused by variation of seedlings. Such variation in individual seedlings will lead to no fit of holding hands and seedlings, resulting in not stable holding hand to hold seedlings. The solution to this problem is to use the manual operation or through complex machine vision for seedling position judgment, but the manual operation leads to a lower degree of automation, and the structure of machine vision is complex and the machine calibration can consume more time. Aiming at the above problems, in this study, we proposed a method using positive pressure airflow to guide the seedling, it was through the positive pressure airflow to correct the deviation between the seedling and the holding hand so that seedlings and holding hand suction mouth could fit. In this paper, the cucumber seedlings were used as the object for research. First of all, the size parameters and mechanical properties were measured for cucumber seedlings, the results showed that the average max bending force of cucumber seedlings with mean long axis diameter was (1.82 ± 0.07) mm and mean short axis diameter was (1.47±0.02) mm. It was (0.082 ± 0.005) N when bending 5 on 10 mm length. In order to investigate the effect of positive pressure airflow guiding operation, an experiment of single tube positive pressure guiding for cucumber seedlings was carried out, and a high-speed photographic recording was performed during the experiment, so that the details of the guiding operation could be observed. During the experiment, the height difference between the two holding hands was set to 10 mm, the position of the holding hand suction nozzle mouth could ensure that the seedlings were upright after the seeding was guided, and the positive pressure airway was coaxial with one holding hand. The results showed that the highest success rate of up to 93% when the inner diameter of the positive pressure airway was 4 mm, the distance between the air outlet of positive pressure airway and suction nozzle mouth of the negative pressure holding hand was 25-30 mm, and the guiding air pressure was 0.3 MPa. The guide effect was instable for operation method of single tube positive pressure guiding for cucumber seedlings, the relative position of the positive pressure guide tube and the holding hand was required to be high, and the air pressure was difficult to be accurately controlled. Seedlings may easily be damaged or could not fit the suction nozzle mouth of negative pressure holding hand. In order to further improve the guiding effect, an experiment of double tube positive pressure guiding for cucumber seedlings was carried out, using the same test method with the experiment of single tube positive pressure guiding, but the two positive pressure guide tubes were arranged symmetrically with respect to one holding hand. The results showed that under the condition of 4 mm inner diameter of positive pressure airway, when the distance between the air outlet of positive pressure airway and suction nozzle mouth of the negative pressure holding hand was 20-25 mm, and the guiding air pressure was 0.3 MPa, the success rate of cucumber seedling that was guided could reach 100%, in the case of low guide pressure, the cucumber seedlings and the suction nozzle mouth was difficult to fit, so seedlings appeared shaking. Results of this study can provide technical reference for seedling hold operations based on airflow guidance method.

mechanization; pressure; grafting; seedling; positive pressure airflow; guidance; negative pressure adsorption

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.003

S233.74

A

1002-6819(2017)-07-0020-08

2017-01-11

2017-04-10

國家“863”計劃資助項目（2013AA10240603）；高等學校博士學科點專項科研基金（20124404110004）

初 麒，男（漢），黑龍江人，博士生，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)智能裝備的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，510642。

Email：yourschuqi2005@163.com

※通信作者：辜 松，男，博士生導師，教授，博士，主要從事現(xiàn)代園藝生產(chǎn)裝備的研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學工程學院，510642。

Email：sgu666@sina.com中國農(nóng)業(yè)工程學會會員：辜 松（E041200242S）