尹文慶 劉海馬 胡 飛 顏 華 郭 棟 武亞楠

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031；3.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

缽苗移栽技術(shù)不僅可以縮短農(nóng)作物的生長(zhǎng)周期、有效避免災(zāi)害性氣候的影響，還能夠確保幼苗成活率，提高單產(chǎn)、提升作物品質(zhì)[1-3]，實(shí)現(xiàn)蔬菜移栽的自動(dòng)化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展趨勢(shì)。

栽植機(jī)構(gòu)是自動(dòng)移栽機(jī)的核心工作部件之一，無論是半自動(dòng)移栽機(jī)還是全自動(dòng)移栽機(jī)都需要栽植機(jī)構(gòu)將穴盤苗栽入土壤中[4-8]。栽植機(jī)構(gòu)的栽植性能將直接影響缽苗的直立度、地膜撕裂度、傷苗情況以及其他影響苗生長(zhǎng)的因素，也直接影響移栽機(jī)的性能[9-10]。常見的栽植機(jī)構(gòu)有鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式、吊籃式、鴨嘴式等。鉗夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式需配合開溝器使用，與我國(guó)蔬菜起壟種植的農(nóng)藝要求不符[11]。遲明路等[12]對(duì)吊籃式移栽機(jī)栽植株距的調(diào)節(jié)研究表明，只有通過改變吊杯個(gè)數(shù)或者改變傳動(dòng)鏈傳動(dòng)比才可進(jìn)行株距調(diào)節(jié)，這需要拆裝機(jī)械，過程過于繁瑣。胡建平等[13]設(shè)計(jì)的行星輪栽植機(jī)構(gòu)、金鑫等[14]設(shè)計(jì)的曲柄滑槽式栽植機(jī)構(gòu)和姬江濤等[15]設(shè)計(jì)的行星輪系滑槽式栽植機(jī)構(gòu)，都需要有一個(gè)穩(wěn)定的速比關(guān)系，才能保證缽苗的直立度。

目前，移栽機(jī)為滿足株距要求，需要在保證速比不變的同時(shí)調(diào)節(jié)栽植頻率和機(jī)具前進(jìn)速度，否則栽植軌跡將發(fā)生改變，從而影響栽植質(zhì)量。本文提出一種八連桿栽植機(jī)構(gòu)，以減小機(jī)具前行速度對(duì)栽植性能的影響。以八連桿栽植機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，建立栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析各連桿長(zhǎng)度與吊杯掛機(jī)點(diǎn)K的y向位移、軌跡、速度、加速度以及極位夾角和搖桿擺角的變化趨勢(shì)，采用逐次逼近的方式優(yōu)化，得出一組具有急栽特性與傳力特性最優(yōu)的八連桿機(jī)構(gòu)連桿長(zhǎng)度。通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證在不同前進(jìn)速度下的缽苗直立度等栽植性能。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

八連桿栽植機(jī)構(gòu)主要由4部分組成(圖1所示)：由曲柄AB、連桿BC、機(jī)架AD、搖桿CD組成的曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；由連桿EF、平行桿HF、平行桿FJ、放大桿GI、放大桿IK組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)；由滑塊、可擺動(dòng)滑道、扭力彈簧組成的回復(fù)機(jī)構(gòu)；由凸輪、凸輪擺桿、銷軸、拉絲、吊杯組成的開合機(jī)構(gòu)，圖2所示。

圖2 開合機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Sketch of opening and closing mechanism1.凸輪 2.凸輪擺桿 3.銷軸 4.拉絲 5.吊杯

穴盤苗栽植過程為：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過連桿EF將動(dòng)力傳輸給滑塊，滑塊在可擺動(dòng)滑道內(nèi)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)平行四邊形機(jī)構(gòu)使得吊杯具有和滑塊相似放大的軌跡；吊杯在土壤上方運(yùn)動(dòng)過程中，由扭力彈簧和連桿EF的作用保證吊杯在未入土之前有一個(gè)豎直姿態(tài)；在進(jìn)入土壤的過程中，吊杯保持閉合狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，吊杯迅速打開，穴盤苗栽入土壤中。在土壤的反作用力作用下，可擺動(dòng)滑道逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，使得吊杯的水平分速度為零，穴盤苗的直立度得以保證；在吊杯離開土壤的過程中，吊杯保持張開狀態(tài)，在離地面15 cm高度時(shí)，吊杯閉合，如此循環(huán)作業(yè);如圖2所示，裝于曲柄軸上的凸輪推動(dòng)凸輪擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，收放拉絲控制吊杯的開合。

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

八連桿栽植機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分主要由兩部分組成：曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和平行四邊形機(jī)構(gòu)。為方便且清晰地進(jìn)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型建立，分別對(duì)2個(gè)機(jī)構(gòu)建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過點(diǎn)E將2個(gè)坐標(biāo)系聯(lián)系起來。

2.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1.1A、D、E點(diǎn)位移方程

圖3所示為機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及在此基礎(chǔ)上建立的坐標(biāo)系，以曲柄軸A作為坐標(biāo)系原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸。在運(yùn)動(dòng)學(xué)建模過程中，假設(shè)機(jī)構(gòu)不發(fā)生任何形變，姿態(tài)保持不變。

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of crank rocker mechanism1.曲柄AB 2.連桿BC 3.搖桿CD 4.機(jī)架AD 5.搖桿CE

將曲柄搖桿機(jī)構(gòu)看成一個(gè)封閉多邊形，用復(fù)數(shù)表示各個(gè)桿的矢量，則矢量方程為

(1)

式中l(wèi)1——曲柄AB長(zhǎng)度

l2——連桿BC長(zhǎng)度

l3——搖桿DC長(zhǎng)度

l4——機(jī)架AD長(zhǎng)度

θ1——曲柄AB的角位移

θ2——連桿BC的角位移

θ3——搖桿CD的角位移

β——機(jī)架AD固定角

應(yīng)用歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式(1)的實(shí)部和虛部分離得

(2)

將式(2)中θ2消除，可得

(3)

令

(4)

則可將式(3)寫成

Acosθ3+Bsinθ3+C=0

(5)

即可求得

(6)

A點(diǎn)初始坐標(biāo)為(0，0)，A點(diǎn)的位移方程為

(7)

式中t——拖拉機(jī)前行時(shí)間

v——拖拉機(jī)前進(jìn)速度

(8)

由θ3、CD桿長(zhǎng)、CE桿長(zhǎng),可求得E點(diǎn)的位移方程為

(9)

式中l(wèi)5——搖桿CE長(zhǎng)度

2.1.2A、D、E點(diǎn)速度方程

A點(diǎn)的速度方程為

(10)

D點(diǎn)的速度方程為

(11)

E點(diǎn)的速度方程為

(12)

2.1.3A、D、E點(diǎn)加速度方程

A點(diǎn)的加速度方程為

(13)

D點(diǎn)的加速度方程為

(14)

E點(diǎn)的加速度方程為

(15)

2.2 平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.2.1G、F、K點(diǎn)位移方程

圖4所示為平行四邊形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及在此基礎(chǔ)上建立的坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系是在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上建立，即2個(gè)坐標(biāo)系共用曲柄軸A一個(gè)原點(diǎn)，以水平方向?yàn)閤軸，垂直方向?yàn)閥軸。

圖4 平行四邊形機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Sketch of parallelogram mechanism1.連桿EF 2.平行桿HF 3.平行桿FJ 4.放大桿GI 5.放大桿IK 6.吊杯 7.滑塊

G點(diǎn)的位移方程為

(16)

式中xG0——點(diǎn)G初始橫坐標(biāo)

yG0——點(diǎn)G初始縱坐標(biāo)

當(dāng)點(diǎn)E坐標(biāo)和點(diǎn)F橫坐標(biāo)已知，可求出EF與FP夾角為

(17)

式中xF0——點(diǎn)F初始橫坐標(biāo)

可求得F點(diǎn)坐標(biāo)為

(18)

式中l(wèi)6——平行桿HF長(zhǎng)度

(19)

式中l(wèi)7——平行桿FJ長(zhǎng)度

l8——放大桿IK長(zhǎng)度

2.2.2G、F、K點(diǎn)速度方程

G點(diǎn)的速度方程為

(20)

F點(diǎn)的速度方程為

(21)

K點(diǎn)速度方程為

(22)

2.2.3G、F、K點(diǎn)加速度方程

G點(diǎn)的加速度為

(23)

F點(diǎn)的加速度為

(24)

K點(diǎn)的加速度為

(25)

2.3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)極位夾角和搖桿擺角數(shù)學(xué)模型

圖5所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的一般機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，能夠更好地描述極位夾角和搖桿擺角，∠C1AC2即為極位夾角θ，∠C1DC2即為搖桿擺角φ。

圖5 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.5 Sketch of crank rocker mechanism

根據(jù)幾何關(guān)系，θ=∠C1AD-∠C2AD，極位夾角方程為

(26)

根據(jù)幾何關(guān)系，φ=∠ADC2-∠ADC1，搖桿擺角方程為

(27)

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與動(dòng)力學(xué)特性分析

栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析可為栽植機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性可分為6個(gè)方面，即：K點(diǎn)y向位移、軌跡、速度、加速度，以及急栽特性、傳力特性。通過取l1、l2、l3、l4、l7、l8中任何一個(gè)連桿的3個(gè)等差長(zhǎng)度，其它連桿長(zhǎng)度保持不變，依據(jù)前文的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可在Matlab中同時(shí)生成與之相關(guān)的K點(diǎn)y向位移-時(shí)間曲線、軌跡曲線、速度-時(shí)間曲線、加速度-時(shí)間曲線；通過取l1、l2、l3、l4中任何一個(gè)連桿的一系列長(zhǎng)度，其它連桿長(zhǎng)度保持不變，依據(jù)前文的數(shù)學(xué)模型，可在Matlab中同時(shí)生成與之相關(guān)的極位夾角和搖桿擺角變化曲線。

根據(jù)苗高和機(jī)構(gòu)原理等提出以下各桿長(zhǎng)的初始長(zhǎng)度：l1=45 mm，l2=67 mm，l3=260 mm,l4=256 mm,l5=40 mm,l6=30 mm,l7=100 mm,l8=200 mm,初始曲柄相位角為φ=30°，曲柄角速度為ω=420(°)/s。下面進(jìn)行單因素分析，只改變其中一個(gè)參數(shù)值，其他參數(shù)保持不變。

3.1 K點(diǎn)y向位移分析

圖6所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、機(jī)架AD、平行桿HF、平行桿FJ長(zhǎng)度分別等差取3個(gè)值的K點(diǎn)y向位移變化曲線。

圖6 K點(diǎn)y向位移隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.6 Changing curves of displacement at K-point in y-direction with rod length

由圖6可以看出，K點(diǎn)y向位移隨曲柄長(zhǎng)度l1、l3、l8增加而增加，隨著l2增加基本保持不變，隨著l4、l7增加而減小。

3.2 K點(diǎn)軌跡分析

圖7所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、機(jī)架AD、平行桿HF、平行桿FJ長(zhǎng)度分別等差取3個(gè)值的K點(diǎn)軌跡變化曲線。

圖7 K點(diǎn)軌跡隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.7 Changing curves of trajectory at K-point with rod length

由圖7可以看出，K點(diǎn)軌跡行程隨著曲柄l1、l3、l8的增加而增加，隨著l2的增加基本保持不變，隨著l4、l7長(zhǎng)度的增加而減??；各連桿長(zhǎng)度的變化對(duì)K點(diǎn)軌跡形狀、栽植株距基本沒有影響；圖7e和圖7f軌跡發(fā)生明顯水平偏移，這是由于橫向距離發(fā)生變化造成的。

3.3 K點(diǎn)y向速度分析

圖8所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、機(jī)架AD、平行桿HF、平行桿FJ長(zhǎng)度分別等差取3個(gè)值的K點(diǎn)y向速度變化曲線。

圖8 K點(diǎn)y向速度隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.8 Changing curves of velocity at K-point in y-direction with rod length

由圖8可以看出K點(diǎn)y向速度隨著l1、l3、l8的增加而增加，隨著l2、l4、l7的增加而減小。

3.4 K點(diǎn)y向加速度分析

圖9所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、機(jī)架AD、平行桿HF、平行桿FJ長(zhǎng)度分別等差取3個(gè)值的K點(diǎn)y向加速度變化曲線。

圖9 K點(diǎn)y向加速度隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.9 Changing curves of acceleration at K-point in y-direction with rod length

由圖9可以看出,K點(diǎn)y向加速度隨著l1、l3、l8的增加而增加，隨著l2、l4、l7的增加而減小。

3.5 傳力特性分析

栽植機(jī)構(gòu)的傳力特性可以用搖桿擺角進(jìn)行衡量，當(dāng)搖桿擺角在25°～30°時(shí)，機(jī)構(gòu)的傳力特性最好，圖10所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CD、機(jī)架AD的長(zhǎng)度變化時(shí)搖桿擺角的變化曲線。

圖10 機(jī)構(gòu)搖桿擺角隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.10 Changing curves of mechanism rocker swing angle with rod length

由圖10可以看出，搖桿擺角隨著l1的增加而增大，隨著l2、l3、l4的增加先減小后增大。

3.6 急栽特性分析

圖11 機(jī)構(gòu)極位夾角隨桿長(zhǎng)的變化曲線Fig.11 Changing curves of extreme angle of mechanism with length of rod

栽植機(jī)構(gòu)的急栽特性可以描述為吊杯從下止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到上止點(diǎn)對(duì)應(yīng)曲柄軸所轉(zhuǎn)的角度和吊杯從上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下止點(diǎn)曲柄軸所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度之比，當(dāng)比值越大時(shí)，急栽效果越明顯，由于急栽特性根源于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，所以極位夾角可用來衡量急栽特性，當(dāng)極位夾角在15°～16°時(shí)，急栽特性最好，圖11所示為曲柄AB、連桿BC、搖桿CE、機(jī)架AD的長(zhǎng)度變化時(shí)極位夾角的變化曲線。

極位夾角隨著曲柄長(zhǎng)度和搖桿長(zhǎng)度的增大而增大，隨著l2的增大而減小，隨著l4的增大先減小后增大，圖中藍(lán)線代表極位夾角為16°，l1為39～41 mm時(shí)，l2為67～71 mm時(shí)，l3為259～260 mm時(shí)，l4為256～257 mm或273～274 mm時(shí)，極位夾角可取15°～16°。

4 參數(shù)優(yōu)化

栽植機(jī)構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化是一種多參數(shù)多目標(biāo)耦合的復(fù)雜優(yōu)化問題，其中任一參數(shù)的變化都會(huì)引起所有結(jié)果的變化，將對(duì)栽植性能產(chǎn)生影響，所以不能夠使所有的栽植性能都達(dá)到最優(yōu)，只能通過總結(jié)出其中主要參數(shù)對(duì)栽植性能產(chǎn)生的影響趨勢(shì)，從而得到一組“較優(yōu)”解，滿足栽植機(jī)構(gòu)的栽植性能要求[16]。

4.1 栽植驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的約束條件

(1)吊杯行程在240～250 mm之間：本栽植機(jī)構(gòu)將用于辣椒苗、番茄苗等茄果類蔬菜的移栽，為了能用于不同高度的蔬菜苗移栽，在15～20 cm之間，防止吊杯夾苗、帶苗，又要保證能夠高速移栽，K點(diǎn)的y向行程需在240～250 mm之間。

(2)K點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，K點(diǎn)y向位置高于I點(diǎn)的y向位置：為了保證吊杯入土?xí)r，栽植機(jī)構(gòu)其他點(diǎn)不和地面接觸，以防止阻礙吊杯入土和劃破地膜等情況發(fā)生，需要保證minyI≥minyK。

(3)K點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，K點(diǎn)高于同時(shí)間的F點(diǎn)：為了避免F點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最高時(shí)，與機(jī)架發(fā)生干涉，需要保證maxyK≥maxyF。

4.2 栽植驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)

為了使栽植機(jī)構(gòu)能夠具有更好的急栽特性和傳力特性以及合適的加速度等，提出以下優(yōu)化目標(biāo)：

(1)機(jī)構(gòu)急栽特性：機(jī)構(gòu)的急栽特性越好，對(duì)于同時(shí)長(zhǎng)周期來講，K點(diǎn)下降過程中所用時(shí)間越短，則會(huì)使上升過程所用時(shí)間增加，有利于投苗工作；下降行程中，平均速度增大，加速度增大，使得吊杯具有更大的入土力，需要保證極位夾角位于15°～16°之間。

(2)機(jī)構(gòu)傳力特性：機(jī)構(gòu)的傳力特性越好，機(jī)構(gòu)的傳遞效率越高，同樣可以增大吊杯的入土力，需要保證搖桿擺角位于25°～30°之間[17]。

(3)K點(diǎn)最大加速度：K點(diǎn)具有一定的加速度，可使吊杯具有一定的破土入土性能，但加速度過大，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)慣性力過大，剛性沖擊過大，嚴(yán)重影響機(jī)具最高栽植頻率和機(jī)具壽命。

(4)橫向距離：栽植機(jī)構(gòu)的橫向距離可描述為，沒有前進(jìn)速度時(shí)的K點(diǎn)和D點(diǎn)的X軸距離，即xK-xD，當(dāng)橫向距離過大，將會(huì)導(dǎo)致機(jī)具龐大，費(fèi)工費(fèi)料，質(zhì)量分散，穩(wěn)定性不強(qiáng)，所以橫向距離越小越好。

4.3 基于Matlab GUI的參數(shù)優(yōu)化

由建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和提出的優(yōu)化目標(biāo)可知，栽植機(jī)構(gòu)各桿桿長(zhǎng)優(yōu)化問題，是一個(gè)多約束、非線性多目標(biāo)的情況下尋求最優(yōu)解組合的問題。在得到各個(gè)參數(shù)對(duì)目標(biāo)影響規(guī)律的情況下，通過建立人機(jī)交互界面的方式進(jìn)行逐次逼近優(yōu)化，最終尋得一個(gè)“較優(yōu)”組合[18-19]。

圖12 八連桿栽植驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真界面Fig.12 Simulation interface of eight-linkage planting mechanism

圖12所示為八連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真優(yōu)化界面[20-21]，包含4個(gè)區(qū)域：桿長(zhǎng)參數(shù)輸入?yún)^(qū)、參數(shù)輸入?yún)^(qū)、參數(shù)輸出區(qū)、圖像區(qū)。桿長(zhǎng)參數(shù)輸入?yún)^(qū)用于輸入各連桿的長(zhǎng)度和判斷是否為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)；參數(shù)輸入?yún)^(qū)用于輸入各固定點(diǎn)位置以及株距、轉(zhuǎn)速、栽植深度；參數(shù)輸出區(qū)用于輸出一些目標(biāo)參數(shù)；圖像區(qū)用于輸出K點(diǎn)y向位移、速度、加速度圖形和K點(diǎn)軌跡圖形。

根據(jù)栽植機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析，獲得了各個(gè)桿件對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響趨勢(shì)，通過逐次逼近的方法獲得了一組數(shù)據(jù)：l1=39 mm，l2=42 mm，l3=152.04 mm，l4=153.6 mm，l5=40 mm，l6=30 mm，l7=100 mm，l8=154 mm。

表1所示為優(yōu)化前后目標(biāo)參數(shù)對(duì)比，優(yōu)化前桿長(zhǎng)為:l1=45 mm，l2=67 mm，l3=260 mm，l4=256 mm，l5=40 mm，l6=30 mm，l7=100 mm，l8=200 mm。參數(shù)輸入為：xG=-100 mm,yG=5 mm,xF=53 mm,ω=420(°)/s,株距H=300 mm。栽植深度h=80 mm。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of parameters before and after optimization

從表1可以看出，除了K點(diǎn)最大加速度相較于之前有所增加之外，其他優(yōu)化目標(biāo)都可以滿足。K點(diǎn)最大加速度增加，是由急栽特性的提升導(dǎo)致，在急栽特性增加和加速度減小兩方面不可同時(shí)達(dá)到，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先考慮機(jī)構(gòu)的急栽特性。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)場(chǎng)地為江蘇省南京市江寧區(qū)谷里農(nóng)業(yè)科技園，在進(jìn)行移栽作業(yè)前，使用幅寬為1.2 m的旋耕機(jī)進(jìn)行耕地，耕深調(diào)節(jié)為20 cm，地面平整，不得有大土塊、石塊、秸稈及雜草，耕地質(zhì)量滿足栽植農(nóng)藝要求，耕地起壟，壟寬60 cm，壟高20 cm，土壤含水率小于20%。試驗(yàn)時(shí)，用自制的穴盤苗，苗高15 cm，苗質(zhì)量15 g，苗基本保持直立，苗葉片范圍不超過吊杯接苗口，葉片莖稈柔軟；試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖13所示，包括八連桿栽植試驗(yàn)裝置和魯中-450型拖拉機(jī)。

圖13 移栽機(jī)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Transplantation test site

試驗(yàn)儀器：秒表(天福PC660型，精度0.01 s)、鋼卷尺(得力8203型)、數(shù)顯傾角儀(VICTOR5005型)、土壤硬度計(jì)(TYD-3型)、土壤水分儀(華泰HT-41C型)、攝像機(jī)(佳能M5型)、扭力傳感器(JN-DN-100N.M型)、編碼器(歐姆龍E6HZ-CWZ6C型)、測(cè)速儀(民邦CHMBDD-MB-96型)。

試驗(yàn)時(shí)，八連桿栽植機(jī)構(gòu)由魯中-450型拖拉機(jī)牽引，栽植深度8 cm，連續(xù)作業(yè)完成120株穴盤苗的栽植，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 移栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Transplanting experiment design

栽植作業(yè)投苗由人工完成，根據(jù)辣椒苗種植農(nóng)藝要求，選取株距變異系數(shù)、直立度優(yōu)良率、總合格率作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。田間數(shù)據(jù)測(cè)量過程中去除前后10株，記錄中間連續(xù)的100株辣椒苗測(cè)量其直立度、株距、倒伏株數(shù)、露苗株數(shù)、優(yōu)良株數(shù)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

設(shè)缽苗直立度A為缽苗與水平方向的夾角，當(dāng)A<30°時(shí)，判定為倒伏，當(dāng)30°≤A≤70°時(shí)，判定為合格，當(dāng)A>70°時(shí)，判定為優(yōu)良[19]。

本試驗(yàn)采取人工投苗的方式進(jìn)行，沒有漏栽、重栽的情況，且為減少真實(shí)秧苗枯萎對(duì)秧苗直立的影響，采用手工制作的塑料苗，沒有傷苗的情況，所以優(yōu)良率和總合格率相對(duì)較高。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 移栽試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Transplantation test results

(1)栽植機(jī)構(gòu)在2個(gè)擋位、2組栽植頻率下作業(yè)時(shí)，蔬菜苗的優(yōu)良率均不小于94%，總合格率均不小于96%，能夠很好地滿足移栽作業(yè)要求。

(2)4組試驗(yàn)的平均株距都與試驗(yàn)理想株距基本接近，株距變異系數(shù)均在3.25%左右，表明栽植機(jī)構(gòu)栽植狀況穩(wěn)定。

(3)優(yōu)良率達(dá)94%，總合格率達(dá)96%，表明栽植機(jī)構(gòu)具有較好的栽植性能，隨著頻率的增加，優(yōu)良率也在逐步提升，這是由于當(dāng)機(jī)器具有更高栽植頻率時(shí)，吊杯下降時(shí)間越短，能夠更快地進(jìn)入土壤，受到土壤的反作用力，減少水平位移，優(yōu)良率得以提升。

6 結(jié)論

(1)提出了一種新型栽植驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)——八連桿栽植驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、平行四邊形放大機(jī)構(gòu)、可擺動(dòng)滑道機(jī)構(gòu)3部分組成，具有快速栽植、慢速回抬、能利用土壤作用力使滑道發(fā)生偏轉(zhuǎn)的特點(diǎn)。

(2)建立了八連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，分析了各個(gè)連桿對(duì)運(yùn)動(dòng)特性的影響，建立Matlab GUI人機(jī)交互界面，并采用逐步逼近的方法，得到滿足蔬菜苗栽植要求的連桿長(zhǎng)度組合：l1=39 mm，l2=42 mm，l3=152.04 mm，l4=153.6 mm，l5=40 mm，l6=30 mm，l7=100 mm，l8=154 mm。實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的急栽特性最優(yōu)、傳力特性最優(yōu)、栽植行程符合要求的特性。

(3)進(jìn)行了大田試驗(yàn)，以驗(yàn)證栽植機(jī)構(gòu)的性能，結(jié)果表明，該栽植機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)在相同前進(jìn)速度下不同株距的移栽，總合格率達(dá)到96%，優(yōu)良率達(dá)到94%，株距變異系數(shù)在3.25%左右，試驗(yàn)證明該機(jī)構(gòu)的栽植性能良好，能夠用于蔬菜苗的移栽。