袁野 馬勝凱 孫茂源 石宇田 馮浩剛 李樹(shù)森

摘? 要：隨著農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)生了各種半自動(dòng)移栽機(jī)，便捷高效的自動(dòng)化栽植機(jī)構(gòu)市面上仍較少。文章設(shè)計(jì)了一種包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)的自動(dòng)苗木種植機(jī)器人，機(jī)械裝置根據(jù)設(shè)定程序進(jìn)行取苗、種植等一系列流程，大大減少了種植勞動(dòng)強(qiáng)度，使得整個(gè)苗木勞動(dòng)效率得到上升。

關(guān)鍵詞：苗木栽植機(jī)器人;農(nóng)業(yè)機(jī)器人;軌跡

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）22-0038-03

Abstract： With the continuous development of agriculture， a variety of semi-automatic transplanters have emerged， and there are still few convenient and efficient automatic planting institutions on the market. In this paper， a kind of automatic seedling planting robot is designed， which includes seedling positioning mechanism， seedling storage mechanism and planting mechanism. The mechanical device carries out a series of processes such as seedling extraction and planting according to the set program， which greatly reduces the labor intensity of planting and increases the labor efficiency of the whole seedling.

Keywords： seedling planting robot; agricultural robot; trajectory

一個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度高低的標(biāo)志是農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，從21世紀(jì)以來(lái)，自動(dòng)機(jī)械在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展十分迅猛，農(nóng)業(yè)類自動(dòng)機(jī)器人的研發(fā)持續(xù)進(jìn)步。特別在近年，為實(shí)施農(nóng)業(yè)機(jī)械化，政府發(fā)布許多政策措施以提高農(nóng)業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)代化水平，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域不斷縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。其中，今天的栽植類機(jī)器人，是一個(gè)有著外界傳感、精準(zhǔn)可控能力的綜合性控制機(jī)器人。

但當(dāng)前市面上的移栽機(jī)大多均為半自動(dòng)移栽機(jī)，有很多彎腰、伸手的動(dòng)作，在密集作業(yè)時(shí)，可能會(huì)有一天8小時(shí)的勞動(dòng)時(shí)間，勞動(dòng)強(qiáng)度非常大;隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，作業(yè)人員數(shù)量逐漸減少，種植成本大大增加;并且，人工遞苗和取苗的速度制約了移栽作業(yè)的效率。為了提高苗木移栽效率，用一款便捷高效的自動(dòng)化栽植機(jī)構(gòu)來(lái)代替繁重低效的人工栽植非常有必要。

1 自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人總體方案的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一種自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)，包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)。設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，并對(duì)其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及動(dòng)作要求進(jìn)行深入分析，結(jié)合幼苗農(nóng)藝夾持特性，對(duì)取苗末端執(zhí)行器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析其夾苗軌跡。

1.1 機(jī)械方案的設(shè)計(jì)

栽植設(shè)備的作用一般是從栽植設(shè)備中苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)中取得待栽植的苗木，然后通過(guò)軌跡規(guī)劃將苗木栽植到土地中去。在此過(guò)程之中，種植處的種植深度也是栽植的一個(gè)重要條件，此設(shè)備需要精確的獲得數(shù)據(jù)，以確保栽植目的的完成。

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人主要包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)，取苗定位機(jī)構(gòu)初步采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力，取苗末端執(zhí)行器初步選擇氣缸來(lái)提供動(dòng)力來(lái)夾苗。機(jī)械手部分進(jìn)行栽植工作?？偟膩?lái)說(shuō)，該機(jī)器人采用履帶式移動(dòng)平臺(tái)+機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置+末端執(zhí)行器+栽植裝置。

并且自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)，調(diào)試適當(dāng)?shù)目臻g角度，保證其不會(huì)造成苗木損壞，盡量做到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、方便安裝;自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)盡量合理、采用桿機(jī)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn);自動(dòng)栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合農(nóng)藝要求，在此基礎(chǔ)上增加末端執(zhí)行器的數(shù)量，從而提高取苗作業(yè)的工作效率。

1.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 取苗定位機(jī)構(gòu)

取苗定位機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。

步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換類控制電機(jī)，主要工作是將電脈沖轉(zhuǎn)為角位移。從機(jī)構(gòu)角度上來(lái)講，步進(jìn)電機(jī)主要為三種類型，分別是永磁式、混合式以及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)的控制源與機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速都與脈沖離不開(kāi)關(guān)系，每一個(gè)脈沖被電機(jī)捕捉到，電機(jī)的轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率呈現(xiàn)同比關(guān)系。

通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的三種類型的性能之間對(duì)比，本次課題選用HS步進(jìn)電機(jī)。課題中的高精度、小步距角等一些要求恰是HS步進(jìn)電機(jī)所有的特點(diǎn)。因此，本課題選用兩相四線的HS步進(jìn)電機(jī)為設(shè)計(jì)研究目標(biāo)。

1.2.2 栽植機(jī)構(gòu)

栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)其實(shí)主要包括取苗末端執(zhí)行器與機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)，其中取苗末端執(zhí)行器選擇氣缸來(lái)提供動(dòng)力夾苗。機(jī)械手顧名思義便是進(jìn)行栽植。

末端執(zhí)行器：在機(jī)械手尾部裝有壓縮棉花，以防破壞苗木活性;壓土部分采用斜坡形式將土壓實(shí)。整個(gè)種植苗木過(guò)程：爪手松開(kāi)，等苗木完全處在土坑中時(shí)，斜坡面下壓，填充穴孔，接下來(lái)向上舉起斜坡面，離開(kāi)穴盤(pán)，完成整個(gè)過(guò)程。全過(guò)程的動(dòng)力源通過(guò)使用氣缸裝置獲取。

氣缸主要是驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得空氣膨脹壓縮，在能的形式上將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能，是一種常見(jiàn)的氣動(dòng)元件。本課題采用TN10X125號(hào)氣缸，屬于常見(jiàn)氣缸中的行程氣缸，其行程為125mm。

機(jī)械手：機(jī)械手為機(jī)器人的主體，一方面在移栽過(guò)程中，已經(jīng)能夠精確的完成整個(gè)執(zhí)行命令，另一方面也考慮到了在之后的發(fā)展中可添加其余指令空間。整個(gè)機(jī)械手的執(zhí)行指令可以在電腦端或者控制器處下達(dá)。

2 自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人控制方案設(shè)計(jì)

2.1 末端執(zhí)行器參數(shù)優(yōu)化

為了達(dá)到精準(zhǔn)夾持以降低傷苗率，需要對(duì)末端執(zhí)行器的桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)特定角度的夾苗、放苗，研究末端執(zhí)行器夾苗軌跡。

2.1.1 末端執(zhí)行器建模

以圖3所示的對(duì)稱機(jī)構(gòu)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。將原點(diǎn)取為上固定處曲柄端，建立平面坐標(biāo)系軸。點(diǎn)A連接曲柄滑塊，為執(zhí)行器BB'提供位移來(lái)源。苗針EF與連桿構(gòu)件BC通過(guò)連桿CD，以固定端E為端點(diǎn)，夾苗處F點(diǎn)，使EF進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

建立矢量方程：

將矢量方程化為解析形式，可以分別求解A，B，C，D，E，F(xiàn)點(diǎn)軌跡。

2.1.2 末端執(zhí)行器參數(shù)初步優(yōu)化

在進(jìn)行末端機(jī)構(gòu)執(zhí)行指令中，有幾個(gè)重要的參數(shù)。一是苗木的轉(zhuǎn)動(dòng)角，二是它的中心距。這兩個(gè)參數(shù)在整個(gè)行程中，就是夾取與移栽過(guò)程。因缽苗的基質(zhì)受力、材質(zhì)特性影響，夾取苗木的角度會(huì)在苗針通過(guò)存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)過(guò)程中有所變化。同時(shí)，基質(zhì)的受力過(guò)大，會(huì)使得缽體變形而導(dǎo)致散垛，因此也要考慮到中心距要超過(guò)在此條件下的最大受力（最大的變形量），在斜坡面壓土過(guò)程后，為避免穴盤(pán)受到末端干擾，秒鐘的中心距和夾持角也要滿足不大于穴口的長(zhǎng)度與不小于錐度兩個(gè)要求?？紤]到不同夾持位置所相應(yīng)的苗株受壓縮量與夾持角度的不同，通常我們都選取夾持基質(zhì)發(fā)達(dá)的根部，即缽苗的中下部，這也是為了滿足送苗過(guò)程中，保證苗株的活性不受到傷害。

通過(guò)末端夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模方程，將桿件1OA，1AB，1BB，1B′C，1CD，1DE，1EF作為關(guān)鍵參數(shù)考察執(zhí)行機(jī)構(gòu)的夾持效果所受影響呈現(xiàn)為強(qiáng)耦合非線性。通過(guò)VB軟件，對(duì)以上桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化整合。為獲取穴口傾角度數(shù)與對(duì)應(yīng)條件下基質(zhì)所能達(dá)到的最大變形量且達(dá)到改變桿件各長(zhǎng)度、固定端坐標(biāo)位置、圖像界面的圖形這三個(gè)目的，以?shī)A持角、移栽角、中心距等由e點(diǎn)的坐標(biāo)等因素輸入得來(lái)的因素為程序參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化，且輸出各個(gè)因素參數(shù)。

通過(guò)以上方式調(diào)節(jié)參數(shù)后，得到的滿足精確夾持取苗的機(jī)構(gòu)參數(shù)組合對(duì)應(yīng)為1OA=5mm，1AB=20mm，1BB=62mm，1B′C=13mm，1CD=27mm，1DE=50mm，1EF=150mm，Xe=35mm。在此參數(shù)下，夾持角為16°，夾苗中心距為13mm。

2.2 末端執(zhí)行器夾持動(dòng)作軌跡分析

基于上述末端執(zhí)行器各桿件參數(shù)，及固定參數(shù)。相應(yīng)最佳夾持參數(shù)下中心矩為9.9mm和77.9mm，夾持度為7.6°，放苗度為1.2°。以輸出的各參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)ADAMS建立機(jī)構(gòu)模型。通過(guò)控制桿在氣缸為動(dòng)力條件下帶動(dòng)苗針完成完整的單次行程的動(dòng)作，得出中心距-氣缸運(yùn)動(dòng)距離圖形。中心距作為Y軸參數(shù)，氣缸運(yùn)動(dòng)距離作為X軸參數(shù)，如圖5。

選取位移距離0-20mm，中心距0-10mm。通過(guò)仿真所得曲線圖，整個(gè)中心距在運(yùn)動(dòng)距離位移的增大過(guò)程中先降后升。在距離達(dá)到2.25與12.25mm時(shí)，中心距分別接近10與80mm，位移距離為10mm中心距范圍在69mm內(nèi)，基本運(yùn)動(dòng)符合預(yù)期，仿真分析與理論分析基本一致。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)?zāi)康募霸u(píng)價(jià)指標(biāo)

考慮到取苗的定位控制與夾持控制對(duì)于整個(gè)末端機(jī)構(gòu)的深度影響方面，這兩種控制程序所構(gòu)成的系統(tǒng)是本試驗(yàn)的主要內(nèi)容。檢測(cè)末端執(zhí)行的定位精確程度，來(lái)判別是否滿足運(yùn)動(dòng)控制定位的要求，最終以本試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)觀察末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的取苗綜合能力和苗株存活率，以便于末端控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

3.2 試驗(yàn)方案

末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)以往復(fù)式間歇作為運(yùn)動(dòng)形式，其目的是將儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)中苗木進(jìn)行栽植，運(yùn)動(dòng)定位控制系統(tǒng)的控制精度直接影響末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的取苗效果。因此，本試驗(yàn)主要考核指標(biāo)是末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)定位控制的定位精度。

3.2.1 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)水平運(yùn)動(dòng)定位精度的研究

根據(jù)以上分析要求，主要分析機(jī)械手的定位過(guò)程的精度。將末端機(jī)構(gòu)運(yùn)行到苗株上10cm處，整個(gè)機(jī)構(gòu)以水平端往復(fù)移動(dòng)，操作模式采取單步運(yùn)行。水平位移從15cm到44cm，測(cè)試點(diǎn)分別采取20、30、40cm處。測(cè)量時(shí)其條件設(shè)定參數(shù)為2000HZ脈沖值，25mm/s的水平位移速度。測(cè)量工具取syntek電子卡尺，由于其量程在0-150mm范圍之內(nèi)，因此在每一測(cè)試點(diǎn)的前5cm需要進(jìn)行預(yù)先標(biāo)定，在此次試驗(yàn)里，測(cè)量距離即是實(shí)際位移與標(biāo)定的距離。原點(diǎn)選用水平位移的起始點(diǎn)，在每個(gè)位移點(diǎn)下以往返兩次作一次測(cè)量，取到達(dá)苗株坑側(cè)的位置，反復(fù)試驗(yàn)十次，最后得出十組數(shù)據(jù)。以兩次數(shù)據(jù)之間的位置與往返精度，進(jìn)行誤差分析，總計(jì)得出每組2個(gè)位置誤差與1個(gè)往返重復(fù)精度誤差。分析水平位移與其精度和重復(fù)定位精度關(guān)系。

3.2.2 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)升降定位精度的研究

根據(jù)水平運(yùn)動(dòng)精度的研究試驗(yàn)，將試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)樯颠\(yùn)動(dòng)，使用相同的測(cè)量工具與方式，測(cè)量時(shí)條件系數(shù)不變。升降運(yùn)動(dòng)從4cm到6cm，以每5cm為測(cè)試的位移行程。原點(diǎn)選取為機(jī)械手升至的初始點(diǎn)，每次下降到測(cè)試位移的行程量時(shí)進(jìn)行記錄。最后分析十次下降的位移數(shù)據(jù)。

3.2.3 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能測(cè)試

調(diào)整初始位置，符合工作標(biāo)準(zhǔn)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作于自動(dòng)模式進(jìn)行完整的取苗工作測(cè)試。PLC輸出脈沖2000HZ，機(jī)械手水平行進(jìn)速度25mm/s。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行測(cè)試進(jìn)行于2020年3月26日，測(cè)試得出預(yù)行測(cè)試方案數(shù)據(jù)。因栽植期不符合本地時(shí)期，缺少試驗(yàn)所需素材，考慮塑料泡沫基質(zhì)與測(cè)量素材所需值接近，故進(jìn)行代替測(cè)量，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。

在本次定位控制實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們能夠發(fā)現(xiàn)，游標(biāo)卡尺其實(shí)很難對(duì)機(jī)構(gòu)定位精度進(jìn)行一個(gè)非常準(zhǔn)確的檢測(cè)，而在多次運(yùn)行過(guò)程中，我們還能發(fā)現(xiàn)，其實(shí)測(cè)量誤差才是定位精度有關(guān)數(shù)據(jù)誤差的主要來(lái)源。在我們的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于機(jī)構(gòu)震動(dòng)或者人為等等不可控因素造成的測(cè)量基準(zhǔn)的偏移很大，測(cè)量數(shù)據(jù)噪聲也很大，這就不能作為精度測(cè)定的依據(jù)。

在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能測(cè)試中，存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)并未受到機(jī)械手干涉，執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾苗成功率遠(yuǎn)超預(yù)設(shè)，但出現(xiàn)夾取后苗針鎖死在泡沫內(nèi)部情況，考慮到泡沫與苗株生物特性差異，因此將此類情況排除在夾持依據(jù)之中。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)的自動(dòng)苗木栽植機(jī)器人，其機(jī)械手臂在執(zhí)行整個(gè)程序過(guò)程中，對(duì)于苗株的移植、栽種，穴口的處理和整個(gè)過(guò)程的定位都達(dá)到預(yù)期效果，苗木移植栽種的效率得到提升，同時(shí)還需要對(duì)定位方面的精確程度處理需作出進(jìn)一步的調(diào)整。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振業(yè).農(nóng)業(yè)機(jī)械新技術(shù)的應(yīng)用與推廣淺探[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（04）：134-135.

[2]馬耀鋒，李紅麗.基于雙目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位與避障研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（09）：228-232.

[3]王子彬.簡(jiǎn)析智能機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（01）：78.

[4]王永剛.農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用[J].鄉(xiāng)村科技，2019（33）：117-118.

[5]阮承治，趙德安，陳旭，等.雙指型農(nóng)業(yè)機(jī)器人抓取球形果蔬的控制器設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（11）：169-175.

[6]張鵬，張麗娜，劉鐸，等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程，2019，9（10）：1-12.

[7]李曉靜，余東滿.基于自適應(yīng)蟻群算法的農(nóng)用智能機(jī)器人路徑規(guī)劃[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2019，40（09）：189-193.

[8]任生蘭，石建業(yè)，張小泉，等.設(shè)施農(nóng)業(yè)噴霧機(jī)器人路徑規(guī)劃與作業(yè)安全性探析[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2019（17）：169-171.

[9]陳景帥.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（17）：90-91.

[10]賈斌，熊小桃，王家豪.機(jī)器人的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)探析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（16）：117-118.