自動苗木栽植機(jī)器人的設(shè)計

但當(dāng)前市面上的移栽機(jī)大多均為半自動移栽機(jī)，有很多彎腰、伸手的動作，在密集作業(yè)時，可能會有一天 8 小時的勞動時間，勞動強(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化栽植機(jī)構(gòu)來代替繁重低效的人工栽植非常有必要。

1 自動苗木栽植機(jī)器人總體方案的設(shè)計

設(shè)計一種自動栽植機(jī)構(gòu)，包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲機(jī)構(gòu)以及栽植機(jī)構(gòu)。設(shè)計其結(jié)構(gòu)，并對其機(jī)構(gòu)特點(diǎn)及動作要求進(jìn)行深入分析，結(jié)合幼苗農(nóng)藝夾持特性，對取苗末端執(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

栽植設(shè)備的作用一般是從栽植設(shè)備中苗木存儲機(jī)構(gòu)中取得待栽植的苗木，然后通過軌跡規(guī)劃將苗木栽植到土地中去。在此過程之中，種植處的種植深度也是栽植的一個重要條件，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)計的自動苗木栽植機(jī)器人主要包括取苗定位機(jī)構(gòu)、苗木存儲機(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)來提供動力，取苗末端執(zhí)行器初步選擇氣缸來提供動力來夾苗。機(jī)械手部分進(jìn)行栽植工作�？偟膩碚f，該機(jī)器人采用履帶式移動平臺+機(jī)械手驅(qū)動裝置+末端執(zhí)行器+栽植裝置。并且自動栽植機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器設(shè)計，調(diào)試適當(dāng)?shù)目臻g角度，保證其不會造成苗木損壞，盡量做到結(jié)構(gòu)簡單、尺寸較小、方便安裝；自動栽植機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡應(yīng)盡量合理、采用桿機(jī)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)；自動栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計應(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。

圖 1 自動苗木栽植機(jī)器人

1.2 主要機(jī)構(gòu)設(shè)計

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)來提供動力。

步進(jìn)電機(jī)是一個數(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)動轉(zhuǎn)速都與脈沖離不開關(guān)系，每一個脈沖被電機(jī)捕捉到，電機(jī)的轉(zhuǎn)子相應(yīng)的轉(zhuǎn)過一個步距角，同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率呈現(xiàn)同比關(guān)系。

通過對步進(jìn)電機(jī)的三種類型的性能之間對比，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)計研究目標(biāo)。

1.2.2 栽植機(jī)構(gòu)

栽植機(jī)構(gòu)的設(shè)計其實(shí)主要包括取苗末端執(zhí)行器與機(jī)械手部分的設(shè)計，其中取苗末端執(zhí)行器選擇氣缸來提供動力夾苗。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)。整個種植苗木過程：爪手松開，等苗木完全處在土坑中時，斜坡面下壓，填充穴孔，接下來向上舉起斜坡面，離開穴盤，完成整個過程。全過程的動力源通過使用氣缸裝置獲取。

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

機(jī)械手：機(jī)械手為機(jī)器人的主體，一方面在移栽過程中，已經(jīng)能夠精確的完成整個執(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)。

圖 2 末端執(zhí)行器和機(jī)械手

2 自動苗木栽植機(jī)器人控制方案設(shè)計

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，需要對末端執(zhí)行器的桿件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，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' 提供位移來源。苗針 EF 與連桿構(gòu)件 BC 通過連桿 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。

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。

圖 3 末端執(zhí)行器示意簡圖圖 4 單側(cè)末端執(zhí)行器數(shù)學(xué)模型

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，有幾個重要的參數(shù)。一是苗木的轉(zhuǎn)動角，二是它的中心距。這兩個參數(shù)在整個行程中，就是夾取與移栽過程。因缽苗的基質(zhì)受力、材質(zhì)特性影響，夾取苗木的角度會在苗針通過存儲機(jī)構(gòu)過程中有所變化。同時，基質(zhì)的受力過大，會使得缽體變形而導(dǎo)致散垛，因此也要考慮到中心距要超過在此條件下的最大受力（最大的變形量），在斜坡面壓土過程后，為避免穴盤受到末端干擾，秒鐘的中心距和夾持角也要滿足不大于穴口的長度與不小于錐度兩個要求。考慮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程中，保證苗株的活性不受到傷害。

通過末端夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(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 VB 軟件，對以上桿件參數(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)到改變桿件各長度、固定端坐標(biāo)位置、圖像界面的圖形這三個目的，以夾持角、移栽角、中心距等由e 點(diǎn)的坐標(biāo)等因素輸入得來的因素為程序參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化，且輸出各個因素參數(shù)。

通過以上方式調(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 ADAMS 建立機(jī)構(gòu)模型。通過控制桿在氣缸為動力條件下帶動苗針完成完整的單次行程的動作，得出中心距-氣缸運(yùn)動距離圖形。中心距作為Y 軸參數(shù)，氣缸運(yùn)動距離作為 X 軸參數(shù)，如圖 5。

圖 5 苗針軌跡參數(shù)-控制距離曲線圖

選取位移距離 0-20mm，中心距 0-10mm。通過仿真所得曲線圖，整個中心距在運(yùn)動距離位移的增大過程中先降后升。在距離達(dá)到 2.25 與 12.25mm 時，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價指標(biāo)

考慮到取苗的定位控制與夾持控制對于整個末端機(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。檢測末端執(zhí)行的定位精確程度，來判別是否滿足運(yùn)動控制定位的要求，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)動形式，其目的是將儲存機(jī)構(gòu)中苗木進(jìn)行栽植，運(yùn)動定位控制系統(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)械手的定位過程的精度。將末端機(jī)構(gòu)運(yùn)行到苗株上 10cm 處，整個機(jī)構(gòu)以水平端往復(fù)移動，操作模式采取單步運(yùn)行。水平位移從 15cm 到 44cm，測試點(diǎn)分別采取 20、30、40cm 處。測量時其條件設(shè)定參數(shù)為2000HZ 脈沖值，25mm/s 的水平位移速度。測量工具取 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)，在每個位移點(diǎn)下以往返兩次作一次測量，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，總計得出每組 2 個位置誤差與1 個往返重復(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)動精度的研究試驗(yàn)，將試驗(yàn)運(yùn)動形式轉(zhuǎn)變?yōu)樯�降運(yùn)動，使用相同的測量工具與方式，測量時條件系數(shù)不變。升降運(yùn)動從 4cm 到 6cm，以每 5cm 為測試的位移行程。原點(diǎn)選取為機(jī)械手升至的初始點(diǎn)，每次下降到測試位移的行程量時進(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)工作于自動模式進(jìn)行完整的取苗工作測試。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)臺運(yùn)行測試進(jìn)行于 2020 年 3 月 26 日，測試得出預(yù)行測試方案數(shù)據(jù)。因栽植期不符合本地時期，缺少試驗(yàn)所需素材，考慮塑料泡沫基質(zhì)與測量素材所需值接近，故進(jìn)行代替測量，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。

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

在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能測試中，存儲機(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

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