馬锃宏 饒益成 童俊華 李 愷 徐敏雅 武傳宇

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2.浙江省種植裝備技術重點實驗室，杭州 310018；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設計研究院，北京 100125；4.江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院，鎮(zhèn)江 212400)

0 引言

溫室葉菜水培技術與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術相比具有種苗生長品質(zhì)好、產(chǎn)量高等多種優(yōu)點，在華南地區(qū)廣泛推廣，其培育初期需要將培育好的種苗從穴盤稀植移栽到淺液流的栽培槽內(nèi)，工作任務繁重，因此研發(fā)相應移栽機具有重要意義。

國外對穴盤苗移栽技術的研究起步早，美國[1]、日本[2]、韓國[3]等率先研發(fā)出了半自動、全自動的蔬菜穴盤苗移栽機。近年隨著人工成本的上升和科技水平的提升，國內(nèi)學者也加強了這方面的研究，針對花椰菜[4]、油菜[5]等不同作物移栽需求開發(fā)了多種自動移栽機。上述國內(nèi)外研究主要針對旱地大田作物移栽，機器本體移動，移植手取苗和植苗位置點的間距較小，移栽效率高；而溫室內(nèi)移栽機器本體固定，穴盤缽苗的補苗或者稀植移栽取苗和植苗目標點距離相對較大，以上旱地取植苗機構并不適合溫室作業(yè)場景。

國內(nèi)外對溫室移栽機的取苗技術也開展了大量研究[6-7]。早期著重末端執(zhí)行器的開發(fā)，基于工業(yè)機器人本體開展移栽試驗[8-10]，驗證其可行性；而后又朝著獨立機電系統(tǒng)的集成裝備方向發(fā)展[11-14]，功能相對更完備，自動化程度得到提高。而這些研究主要針對單株苗進行移栽[15-16]，多用于溫室補苗移栽作業(yè)[17]，單個移植手體積大，不能適應成排取苗高速稀植的作業(yè)需求。園藝技術發(fā)達國家在穴盤成排取植苗方面的技術相對先進，如荷蘭VISSER公司[18]研制的PIC-O-Mat BL型移栽機主要用于花卉幼苗移栽，可搭配4～8個移植手，最高移栽效率達到10 000株/h；意大利Urbinati公司[19]研制的RW64型溫室自動移栽機主要用于樹苗移栽，最高可搭配80個移植手，其效率達到56 000株/h，實現(xiàn)對穴盤缽苗的整排移栽，移栽效率高，但移植機主要是適應本國作物種植模式及其農(nóng)藝要求，其與中國的農(nóng)藝國情不相適應且價格昂貴。國內(nèi)胡建平等[20]設計了一種8個手爪的高效全自動缽苗移栽設備，采用兩指四針式取苗爪[11]，在移栽效率120株/min下移栽成功率達到90.2%，在移栽效率80株/min下移栽成功率達到94.1%，在移栽效率64株/min下移栽成功率達到96.9%；黎波等[21-22]針對椰糠基質(zhì)種苗移植性差等特點，設計了一種伸縮針式4串聯(lián)移植機械手，移植成功率為100%。上述國內(nèi)成排取苗移植機構移栽效率與國外仍有差距，需要進一步開展深入研究。

本文基于溫室水培葉菜稀植作業(yè)的需求，設計一種可以在小空間實現(xiàn)可靠夾苗，并能成排密集取苗和變間距稀植苗的機構，采用電動和氣動相結合的方式實現(xiàn)移栽各部件執(zhí)行單元的獨立驅動，并優(yōu)化協(xié)同工作的時序，以期獲得最佳移栽效率和成功率。

1 葉菜種苗稀植作業(yè)原理

葉菜種苗稀植作業(yè)主要包括2個步驟：雙排移植手并攏從穴盤中整排取苗；雙排移植手兩個方向變間距分開至栽培槽孔中植苗。稀植作業(yè)原理如圖1所示。穴盤苗從右側進入穴盤輸送機構，至取苗區(qū)域停止，同時栽培槽從栽培槽輸送機構左側輸入，至極限位置停止，即栽培槽左側前兩排槽孔正對植苗區(qū)域；移植手并攏從穴盤中整排取苗，移至植苗區(qū)域將葉菜種苗栽至栽培槽孔中；后穴盤輸送機構傳遞一排穴孔距離，下排種苗至取苗區(qū)域，栽培槽輸送機構傳遞兩排槽孔距，下兩排槽孔至植苗區(qū)域，同時移植手復位進行下一次稀植作業(yè)。

圖1 稀植裝備作業(yè)原理圖Fig.1 Working principle diagram of sparse planting equipment1.穴盤輸送部件 2.取苗區(qū)域 3.穴盤 4.植苗區(qū)域 5.稀植移栽部件 6.栽培槽輸送部件 7.栽培槽

溫室葉菜種苗雙排移植手高速稀植裝備由3部分組成：稀植移栽部件、穴盤輸送部件、栽培槽輸送部件。稀植移栽部件橫跨在穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件上方，將穴盤中葉菜種苗移栽至空栽培槽孔內(nèi)；穴盤輸送部件用于輸送穴盤，其兩側設置光電傳感器用于檢測穴盤是否到位；栽培槽輸送部件間歇輸送空栽培槽用于栽培槽分段傳遞至植苗區(qū)域。溫室水培葉菜種苗高速稀植裝備采用三菱FX3U-64MT型PLC控制伺服驅動器、步進驅動器、電磁閥、中間繼電器等進而控制伺服電機、步進電機、氣缸和動力輥實現(xiàn)自動時序控制，其裝備參數(shù)如表1所示。

表1 稀植裝備參數(shù)Tab.1 Parameters of sparse planting equipment

2 稀植移栽部件設計

2.1 總體結構設計

稀植移栽部件是移栽裝備的關鍵部件，主要將穴盤中葉菜種苗整體取出，將葉菜種苗移至栽培槽內(nèi)。稀植移栽部件主要包括左右升降氣缸、主軸、橫向氣缸、水平滑軌、雙排移植手移動機構和機架，如圖2所示。稀植移栽部件的主體部分為雙排移植手移動機構，通過水平氣缸在水平滑軌上進行往復運動實現(xiàn)移動機構的往復橫縱兩方向變間距運動，通過安裝在主軸兩側的垂直氣缸實現(xiàn)移動機構往復升降運動。

圖2 稀植移栽部件結構圖Fig.2 Structure diagram of sparse planting transplanting device1.左升降氣缸 2.主軸 3.橫向氣缸 4.水平滑軌 5.雙排移植手移動機構 6.右升降氣缸 7.機架 8.移動機架 9.橫向分離線性模組 10.縱向分離氣缸 11.活動架 12.移植手

雙排移植手移動機構是實現(xiàn)葉菜種苗整排取苗和兩方向變間距植苗的關鍵機構，主要包括12個移植手、移動機架、活動架、縱向分離氣缸、橫向分離線性模組以及各移植手間固定緩沖帶。12個移植手分為雙排各6個移植手，一排固定，另一排活動，通過縱向分離氣缸實現(xiàn)整排移植手縱向(圖2中前后方向)靠攏和分離，雙排移植手分別通過緩沖帶串聯(lián)；單排移植手最左端移植手固定在活動架上，最右端移植手與橫向分離線性模組上滑塊固連，從而實現(xiàn)單排移植手橫向(圖2中左右方向)并攏和展開。

2.2 移植手設計與分析

2.2.1葉菜種苗物理特性

試驗對象選用“久盛”甘藍，將其栽種在540 mm×280 mm的72孔(6×12)穴盤內(nèi)，栽培基質(zhì)塊由泥炭、蛭石和珍珠巖組成[23]，基質(zhì)配比為6∶3∶1，基質(zhì)含水率為50%～70%，培育溫度為28.5℃，培育周期28 d，此時葉菜種苗根系發(fā)達，基質(zhì)塊包絡性強且種苗間葉片干擾程度相對較小。種苗株高H為110～125 mm，株寬L為45～61 mm，葉片數(shù)為4～6片，基質(zhì)塊高度h0為46～53 mm，頂邊平均寬度l1為41 mm，底邊平均寬度l2為18 mm，穴盤傾角β為78.69°，甘藍種苗結構尺寸如圖3所示。

圖3 甘藍種苗結構尺寸Fig.3 Seedling structure size of cabbage plug

2.2.2移植手結構設計葉菜種苗培育過程中，相同基質(zhì)成分下培育種苗發(fā)育參差不齊，采用一次夾緊移植手進行種苗移植，易發(fā)生葉菜種苗未抓取、基質(zhì)塊散落、輸送過程掉落等現(xiàn)象，移植效果較差。研制了一種變插入角二次夾緊的取苗移植手，考慮種苗抓取穩(wěn)定性，選取4爪片均勻分布式取苗移植手，如圖4所示，主要由固定背板、移植氣缸、固定座、爪座、爪片、楔形塊、上導向板和下導向板組成。移植氣缸選用MA25型氣缸。移植氣缸推桿穿過固定背座與爪座固連，移植氣缸缸體與固定座固連，間接與固定背板固連。4爪片均勻分布，固定在爪座四周，4爪片外側分別焊接楔形塊，使爪片從導向板下導向孔穿入并保證楔形塊在上下導向板之間運動。

圖4 移植手結構圖Fig.4 Structure diagram of end effector1.固定背板 2.移植氣缸 3.固定座 4.氣缸推桿 5.爪座 6.爪片 7.上導向板 8.楔形塊 9.下導向板 10.下導向板導向孔

移植氣缸推桿伸出，推動爪座與爪片整體向下運動，直至楔形塊與下導向板接觸，此為一次夾緊，此時爪片插入角不變；氣缸推桿繼續(xù)伸出，楔形塊擠壓通過下導向板導向孔，使得爪片向內(nèi)彎曲形成二次夾緊，爪片向內(nèi)彎曲使得插入角變化。

爪片插入基質(zhì)塊抓取種苗即為沿穴孔側棱插入，如圖5所示，虛線為一次夾緊狀態(tài)，實線為二次夾緊狀態(tài)。移植手靠攏并排夾取種苗，上導向板的導向孔間距d4為固定值，此時第一次夾緊取苗移植手的最大插入角α1為

圖5 爪片二次夾緊示意圖Fig.5 Diagram of secondary clamping of claw1.爪片 2.楔形塊 3.穴盤(穴盤側棱) 4.基質(zhì)塊 5.下導向板

α1=arctan(2(c+H1)/(d4-d2))

(1)

式中H1——導向板至穴盤底部距離，mm

c——上下導向板內(nèi)間距，mm

d2——穴孔下邊長，mm

爪片以固定插入角α1，在取苗深度0～h1max范圍內(nèi)進行葉菜種苗夾取作業(yè)，隨著爪片頭在基質(zhì)塊中移動，爪片頭與穴孔側棱距離會產(chǎn)生一定偏移量Δl1，此時第一次夾取爪片插入基質(zhì)塊后爪片頭與穴孔側棱水平距離為l4，推導出公式為

l4=l3-Δl1

(2)

其中

Δl1=h1/tanβ-h1/tanα1

(3)

式中h1——第1次夾緊取苗深度，mm

l3——爪片頭插入基質(zhì)塊位置距穴孔側棱水平距離，mm

爪片取苗繼續(xù)深入時，第2次夾緊取苗移植手爪片的插入角α2為

α2=arctan(c/[(d4-d3)/2+dx])

(4)

式中d3——下導向板的導向孔間距，mm

dx——爪片受楔形塊與下導向板導向孔擠壓產(chǎn)生的橫向位移，mm

移植手取苗深度h為

h=h1max+h2

(5)

式中h1max——第1次夾緊取苗深度極限值，mm

h2——第2次夾緊取苗深度，mm

在移植手安裝空間和移植氣缸推力相對較大情況下，初步研制移植手插入角α1為80°。為保證爪片抓取種苗，同時參考穴孔與種苗基質(zhì)塊高度，選取第1次夾緊取苗深度極限值h1max為45 mm，第2次夾緊取苗深度極限值h2max為4 mm。

爪片剛插入基質(zhì)塊時，爪片頭與穴孔側棱距離為l3，爪片插入種苗后的位置與穴孔壁間距小于3 mm時[3]，可有效提高取苗成功率，故選取爪片頭插入基質(zhì)塊位置與穴孔側棱水平距離l3為3 mm。文獻[24]確定72孔穴盤苗基質(zhì)塊壓縮變形小于4.36 mm時，承受外力作用下的抗壓力隨著變形的增大而緩慢增大，表現(xiàn)出一定的屈服特性，故楔形塊最大厚度a為5 mm，為使爪片順滑進入下導向板導向孔，楔形塊設計為圓弧狀，下端與爪片相切，如圖5所示，考慮到楔形塊選用65Mn彈簧鋼，其摩擦因數(shù)為0.74，即摩擦角為36.4°，取高度b為12 mm，則由平面幾何關系可知圓弧半徑為16.9 mm。根據(jù)公式(2)、(3)計算，取苗深度h1max為45 mm時，偏移量Δl1為1.07 mm，第1次夾取爪片頭與穴孔側棱最小距離l4為1.93 mm，大于0，不會扎到穴盤側棱。

2.2.3移植手剛柔耦合仿真分析

爪片需要彎曲形變形成二次夾緊，因此爪片采用65Mn彈簧鋼，進一步計算爪片長度為230 mm、寬度為4 mm、厚度為1 mm，為驗證移植手取苗是否滿足設計要求，對移植手進行剛柔耦合仿真分析[25]，從實際出發(fā)考慮取苗過程中二次夾緊爪片產(chǎn)生的柔性變形，對移植手進行剛柔耦合分析更具有實際工程意義。在SolidWorks中建立爪片三維模型，并輸出為x_t格式文件，導入到ANSYS中，設置材料屬性：密度為7 810 kg/m3、彈性模量為2.1×1011Pa、泊松比為0.288。從而實現(xiàn)爪片柔性化，并導出中間MNF格式文件。

移植手從SolidWorks中導出x_t格式文件，將x_t文件導入到ADAMS中，利用生成的柔性爪片即MNF格式文件替換對應的剛性爪片，根據(jù)爪片實際運動設置固定副和運動副，最終得到剛柔耦合仿真模型，如圖6所示，偏移量為爪片頭實際軌跡和穴盤側棱的水平距離。

圖6 剛柔耦合仿真模型Fig.6 Rigid-flexible coupling simulation model

移植氣缸行程為50 mm，對移植手爪片伸出夾緊位移進行仿真，結果如圖7 所示。取苗深度h為0～45 mm時，為一次夾緊，爪片頭偏移量Δl緩慢增大；取苗深度h為45～50 mm時，爪片頭偏移量Δl突增，為二次夾緊。在45 mm處的偏移量Δl為1.1 mm，對應45 mm處理論計算偏移量Δl1為1.07 mm，誤差處于合理范圍內(nèi)，驗證了仿真的合理性。取苗深度h超過45 mm，爪片插入角α2為變化值，不能理論計算，且取苗深度為50 mm偏移量Δl最大。取苗深度h為48 mm時，偏移量Δl為4.29 mm；h為50 mm時，Δl為5.59 mm，超過基質(zhì)塊壓縮最大變形量4.36 mm[24]，因此最佳取苗深度為48 mm，此時爪片頭偏移量Δl為4.29 mm，葉菜種苗移栽時對葉菜種苗損傷較小，易保證葉菜種苗基質(zhì)抓取完整性。仿真表明Δl隨取苗深度增大而增大，同時移植手二次夾緊偏移量增加，有利于提取種苗，但取苗深度達到一定值時，移植手二次夾緊偏移量過大，爪片易夾散基質(zhì)塊，植苗時葉菜種苗不易掉落，影響移植手放苗作業(yè)。

圖7 偏移量仿真曲線Fig.7 Simulation curve of offset

2.3 雙排移植手稀植取苗策略比較

雙排移植手通過移動機構進行取苗作業(yè)，橫縱兩方向變間距植苗作業(yè)。為縮短移植運動距離，需要規(guī)劃取苗策略。穴盤相鄰穴孔與栽培槽橫縱兩向相鄰槽孔間距不一致，因此制定了整排取苗，橫縱兩向變間距稀植移栽策略。以穴盤和栽培槽最左側為起始側進行位置標定，穴盤和栽培槽輸送方向一致，第一排穴孔中心距和栽培槽孔中心距在同一條水平直線上。從穴盤至栽培槽葉菜種苗移栽策略有：

策略1：雙排移植手同時夾取穴盤相鄰兩排種苗，將其變間距放入栽培槽內(nèi)，從穴盤上方依次取苗，穴盤向前傳遞2排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8a所示。

圖8 雙排移植手3種取苗策略Fig.8 Three strategies for harvesting seedlings of double row end effectors

策略2：雙排移植手夾取穴盤第1排和第7排種苗，穴盤向前傳遞1排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8b所示。

策略3：雙排移植手夾取穴盤第1排和第12排種苗，穴盤向前傳遞1排穴孔距離，將種苗變間距依次從栽培槽上方植苗，如圖8c所示。

穴盤到栽培槽距離與取苗策略無關，因此不考慮橫向位移。栽培槽前后相鄰栽培槽孔間距為150 mm，依據(jù)圖8設計的3種葉菜種苗取苗策略，縱向位移如圖9所示。策略3縱向位移最大，為890 mm，策略1縱向位移居中，可縮短路徑27.5%，策略2縱向位移最小，可縮短路徑29.2%，策略2為雙排(第1排和第7排)間隔取苗，因此選用運動策略2研制稀植移栽部件。移植手間隔夾取穴盤第1排和第7排的葉菜種苗，因此每排移植手相鄰中心間距與穴盤相鄰穴孔中心間距一致，為255 mm；單排移植手與穴盤最大間距一致，為212.5 mm；兩排移植手抓取葉菜種苗同時移植到栽培槽槽孔內(nèi)，兩排移植手與相鄰栽培槽槽孔中心間距一致，為150 mm；兩排移植手與栽培槽前后槽孔中心間距一致，故縱向分離氣缸行程為105 mm；雙排移植手橫向展開與栽培槽對應列間距一致，為158.75 mm，故橫向分離線性模組實際行程為581.25 mm。

圖9 雙排移植手3種取苗策略縱向位移變化曲線Fig.9 Longitudinal displacement curves of three strategies for harvesting seedlings of double row end effectors

3 動作時序分析與試驗優(yōu)化

3.1 雙排移植手單步動作時序

稀植移栽部件工作過程如圖10所示。

圖10 雙排移植手工作過程Fig.10 Working process of double row end effectors

(1)移植手位于穴盤苗上方時為初始狀態(tài)，移植氣缸收縮，移植手并攏。

(2)移植手下降至最佳取苗位置，動作時序為t1；爪片下降插入并加緊種苗基質(zhì)，動作時序為t2；移植手取出種苗至穴盤上方，動作時序為t3。

(3)雙排移植手移動機構移動至栽培槽上方，動作時序為t4；移植手橫向變間距展開，動作時序為t5。

(4)雙排移植手縱向變間距靠攏，動作時序為t6。

(5)雙排移植手下降，動作時序為t7；移植手氣缸收縮，爪片收縮并張開，張開松苗，動作時序為t8；雙排移植手上升，動作時序為T1。

(6)雙排移植手縱向變間距分離，動作時序為T2。

(7)雙排移植手移動至輸送部件穴盤上方，動作時序為T4；移植手橫向變間距并攏，動作時序為T3。

(8)再次循環(huán)稀植移栽作業(yè)。

對各機構參數(shù)進行六因素交互正交試驗[26]：縱向變間距速度、橫向變間距速度、升降速度、橫向末端油壓緩沖器吸收能量、升降末端油壓緩沖器吸收能量和緩沖帶彈性系數(shù)，得到各因素最優(yōu)參數(shù)組合。在最優(yōu)參數(shù)組合條件下單周期內(nèi)，各動作時序獨立進行多次試驗可得各時序平均時間，如表2所示。

表2 各時序行程與平均時間Tab.2 Time series travel and average time

3.2 交疊動作時序試驗優(yōu)化

3.2.1試驗設計

根據(jù)以上內(nèi)容可知，移植手至最佳取苗位置，稀植移栽部件交疊的并行動作進行時序優(yōu)化，可提高移栽作業(yè)效率。在排除機構干涉不可交疊動作情況下，以移動(t4)和橫向變間距展開(t5)的交疊起始時間點T45、橫向變間距展開(t5)和縱向變間距靠攏(t6)的時間點T56、縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)的時間點T67、下降(t7)和放苗(t8)的時間點T78為并行動作時序優(yōu)化試驗因素，其他動作結束且種苗沖擊減弱、保持平穩(wěn)后下一步動作開始，完成稀植移栽作業(yè)，如圖11所示。對上述各個時間點分別細化為零到最大值之間的5個等差起始數(shù)值，分別構建5組試驗，根據(jù)稀植移栽效果優(yōu)選最佳交疊動作啟始時間，兩動作完成時間差距較大，可減少瞬時加減速對種苗的沖擊影響，種苗移動更加平穩(wěn)，減小掉苗和基質(zhì)破損。

圖11 交疊動作時序起始時間點Fig.11 Starting time point of overlapping action sequence

3.2.2試驗評價指標

以移植手成功拾取上述育苗工廠培育的“久盛”甘藍種苗，且種苗不掉落，基質(zhì)破損小，同時移植手放苗時能夠順利推落種苗為試驗成功的評價指標。移植手移栽成功率Y1、掉苗和未取出苗率Y2、基質(zhì)破損率Y3計算式為

(6)

(7)

(8)

式中N——種苗總數(shù)量

N1——未取出種苗數(shù)量

N2——種苗掉落數(shù)量

N3——基質(zhì)塊散落質(zhì)量大于稀植后種苗基質(zhì)塊質(zhì)量30%的種苗數(shù)量

3.2.3試驗結果

整個移栽試驗在室內(nèi)環(huán)境中進行。對上述交疊動作時序起始時間點T45、T56、T67和T78擬定等差數(shù)值分別進行稀植移栽試驗，并統(tǒng)計掉苗和未取出苗率、基質(zhì)破損率和移栽成功率，結果如表3所示。

表3 交疊動作的起始時間點試驗結果Tab.3 Test results of starting time point of overlapping motion

由表3可知，交疊動作時序時間點不同，影響稀植移栽效果，且在各擬定等差數(shù)值中出現(xiàn)稀植移栽效果最佳的極值點，由于交疊動作開始和結束階段瞬時加、減速度較大，種苗水平承受較大局部沖擊振動，破壞基質(zhì)粘附力，易導致穴盤種苗移植過程中基質(zhì)散落，因此根據(jù)稀植移栽效果最佳的極值點優(yōu)選T45為0.25 s、T56為0.42 s、T67為0.04 s、T78為0.13 s。

4 試驗

4.1 優(yōu)化試驗方案

試驗采用上述甘藍種苗，在移植手結構和取苗深度等條件相同的情況下，通過PLC程序調(diào)整各執(zhí)行機構運動的動作交疊時序，并進行稀植移栽作業(yè)時序優(yōu)化試驗，分析不同作業(yè)時序對移栽成功率和移栽效率的影響。穴盤輸送部件和栽培槽輸送部件只需在往復取苗和放苗前分別對穴盤和栽培槽完成短距離的遞送，運動平穩(wěn)、沖擊小，不影響移植效率。移植手復位動作包括上升(T1)、縱向變間距分離(T2)、橫向變間距并攏(T3)和空苗返回移動(T4)，均在放苗(t8)動作之后，為追求高移栽效率，T1(T2)、T3(T4)可表示為T1、T2和T3、T4并行動作時序組合，其取值只要滿足最高運動效率交疊即可；由以上分析可知帶苗移動(t4)和橫向變間距展開(t5)交疊動作用t4(t5)表示，其取值即為上述T45；橫向變間距展開(t5)和縱向變間距靠攏(t6)用t5(t6)表示，其取值即為上述T56；縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)用t6(t7)表示，其取值即為上述T67；下降(t7)和放苗(t8)用t7(t8)表示，其取值即為上述T78。以上為并行動作時序組合，同時排除機構干涉等不可并行動作時序情況，可得到9種作業(yè)時序，如表4中試驗號1～9所示。此外考慮省略動作時序優(yōu)化，并通過合理優(yōu)化組合得到3種作業(yè)時序，如表4中試驗號10～12所示。

表4 試驗時序組合Tab.4 Test sequence combination

4.2 稀植試驗

通過不同作業(yè)時序組合試驗，如圖12所示，可得稀植移栽部件不同移栽結果，平均成功率95%，如表5所示。以移栽成功率和效率作為選擇依據(jù)，選取試驗5為最佳作業(yè)時序組合：移動(t4)和橫向變間距展開(t5)并行、縱向變間距靠攏(t6)和下降(t7)并行，試驗測得移栽平均效率為4 836株/h，移栽成功率為95.8%。

表5 稀植移栽部件試驗結果Tab.5 Test results of sparse transplanting components

圖12 稀植移栽試驗Fig.12 Test process of sequential overlapping transplantation

通過試驗可知，稀植移栽機各機構運動協(xié)調(diào)，能按照預定順序完成稀植移栽作業(yè)功能，通過動作時序優(yōu)化和作業(yè)時序優(yōu)化，提高了移栽成功率，顯著提升了移栽平均效率，基本滿足高速、低損稀植移栽作業(yè)要求。

5 結論

(1)根據(jù)水培移栽作業(yè)要求，設計了一種雙排移植手變間距稀植移栽部件，可自動完成取苗、移動、橫縱兩向變間距等作業(yè)環(huán)節(jié)。

(2)設計了一種變插入角二次夾緊的取苗移植手，并進行設計分析與剛柔耦合仿真，確定最佳取苗深度為48 mm。

(3)根據(jù)實際作業(yè)過程分析，擬定3種雙排取苗作業(yè)策略，對比橫縱向位移，確定最小縱向位移的策略為：雙排(第1排和第7排)間隔取苗。

(4)根據(jù)稀植移栽部件并行動作時序優(yōu)化試驗，以最佳稀植移栽效果為目標，優(yōu)選并行動作時序時間點T45為0.25 s、T56為0.42 s、T67為0.04 s、T78為0.13 s。

(5)進行作業(yè)時序并行優(yōu)化試驗，確定移動和橫向變間距展開并行動作、縱向變間距靠攏和下降并行動作時，移栽效果最佳，移栽平均效率為4 836株/h，移栽成功率為95.8%。