（机械电子工程专业论文）穴盘西红柿苗嫁接机器人的研究.pdf

摘要 为了实现穴盘西红柿苗的自动化嫁接，在对比分析了各种嫁接方法的基础上，选择了针式嫁 接法作为嫁接机器人的嫁接方案，根据针式嫁接法的特点，结合穴盘西红柿苗的实际情况，设计 出穴盘西红柿苗嫁接机器人。 本文对嫁接机器人的机构设计和控制系统的设计做了重点的介绍。嫁接机器人机构设计中， 本文采用了计算机辅助设计三维软件p r o e n g i n e e r ，采用三维建模的机械设计方法。在机器结 构方面，论文着重对嫁接机器人的定位机构、切削机构和穗木转移机构进行了设计。为了验证机 构设计的可行性，进行了模拟实验。嫁接机控制系统的设计中，本文采用了以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心的控制器，对相应的机构进行控制。论文对控制器的硬件、软件、抗干扰设计进行了详细 的分析介绍。实验表明，该控制系统在一定程度上增强了8 位单片机的实时性操作，提高了嫁接 机的工作效率。 关键词：穴盘西红柿苗，针式嫁接，机器人，单片机 a b s t r a c t t or e a l i z ea u t o m a t i cg r a f t i n gf o rt o m a l o ，o nt h eb a s i so fc o m p a r i s o na n da n a l y s i sv a r i o u sg r a f t i n g m e t h o d ，t h i sp a p e rs e l e c t sp i n - g r a f t i n ga sg r a f t i n gm e t h o do ft h eg r a f t i n gr o b o t a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co fp i n - g r a f t i n ga n dc o n s i d e r i n ga p e r t u r et r a ys e e d l i n go ft o m a t o ，a ng r a f t i n gr o b o tf o r a p e r t u r et r a ys e e d l i n go ft o m a t oi sd e s i g n e d t h em e c h a n i s ma n dc o n t r o ls y s t e mo ft h eg r a f t i n gr o b o ta r ed e t a i l e di nt h i s p a p e r d u r i n gt h e c o u r s eo fm e c h a n i s md e s i g n ，t h i sp a p e ru s e sac a ds o f t w a r e p r o e n g i n e e r 3 dm o d e l i n gm e t h o di s a l s ou s e di nm e c h a n i s md e s i g n o nt h es i d eo fh a r d w a r e ，t h i sp a p e rl a y se m p h a s i so nt h eo r i e n t a t i o n m e c h a n i s m ，c u t t i n gm e c h a n i s ma n dt r a n s p o r tm e c h a n i s mo ft h eg r a f t i n gr o b o t t ot e s tt h ef e a s i b i l i t yo f m e c h a n i cd e s i g n ，s o m es i m u l a t ee x p e r i m e n t sa r ed o n e i nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eg r a f t i n gm a c h i n e ， t h i sp a p e ru s e sc p uw h o s ec o r ei sm c ua t 8 9 c 5 2t oc o n t r o lc o r r e s p o n d e n tm e c h a n i s m t h eh a r d w a r e ， s o f t w a r ea n da n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e da n dt h o r o u g h l ya n a l y z e d e x p e r i m e n t ss h o w t h a tt h ec o n t r o ls y s t e me n h a n c e sr e a lt i m eo p e r a t i o no f8 b i tm c ut oac e r t a i nd e g r e ea n di m p r o v e s w o r ke f f i c i e n c yo ft h eg r a f t i n gm a c h i n e k e yw o r d s ：s e e d l i n go ft o m a t o ，p i n - g r a f t i n g ，r o b o t ，m c u 独创- 陛声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的磅究竣果，瞧不包含为获褥中莓农业大学藏其它教育租稳豹学佼或证书 两使蹋过豹辛孝料。与我一露工俸的阉志对本研究所徽戆任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并袭示了谢意。 研究生签名：话、盘袭 对闽： 弦彩年胃f 圜 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关傈罄、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印成扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 研究生签名： 豫发敖 时间： 肋一6 年6 月j 日 导师签名：辩闻：o d6 年6 用2 - f i 彳 张 卜矿 r 、噎7 中营农业大学颤士学位论文第一章簿论 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 2 0 世纪年代以来，随着人嚣l 生活承平的提高，入们对蔬菜豹量与覆都提出了受高的要求， 原始的按季铮种植已经远远不能满足人们的要求。在此情况1 f ，各种利用温室大棚种植蔬菜的技 术应运而生。但焐，随着蔬菜种植设施化、产业化、专业化的投展，连作导致土传瘸密曰益严重， 己成为设施栽培的限制闻素。据调查，新建大棚种植的黄瓜，其枯萎病得发病率为1 2 。若第二 年连续种植，其桔萎病的发病率藏选5 2 。全国每年仅由此两造成的损失达十几亿元。如何克服 蔬菜生产的连铬障碍，己成为现代蔬菜秘植中急需解决的一个闷嚣。对此，嫁接 挈为一种既古老 又耨兴的技术缀好的解决了这个闲惩。 嫁接顾名恩义就是将一种植物的芽或枝接到另一种植物体的适当部位，使两者结合成一种新 植物体的技术。在嫁接植株中，被嫁接的部分称为穗术，用于嫁接的部分称为砧术。嫁接植株的 砧木构成地下部分，穗木构成地上部分。穗木生长所需的水分，矿物质等营养成分来源于砧木； 而砧本所需的囝化犍主要来源于砧本和穗本的时片。 在我国，寄关嫁接豹最早记载是溺书中关于耩桔的嫁接技术。距令已畜约3 0 0 0 年静历 史。而最争有关嫁接技术应用于蔬菜豹 0 载出现于公元前一键览我国农学家汜胜之所箸的、汜胜 之书，至今也已有2 0 0 0 多年的历史。摄然，人们早就知道并运用了这项技术，但是由于技术等 原因的限制，嫁接技术广泛的应用于蔬菜生产始于1 9 2 5 年的臼本和朝鲜。之质逐渐扩展到中国 和欧美各国。研究表明嫁接具有以下的优点： ( 1 ) 提离她巅耀率 应崩嫁接披朱，可使被嫁接蔬蘩增强抗逆性，嫁接聪纛l 菜在遐一块 十逢主种搪的冬份穗对延茛，提高土趣利藤章。 ( 2 ) 掇离抗病能力 黄瓜、两瓜的枯萎病，茄子的黄葵病，西红柿根腐病、谢枯病、萎蔫 病是这几种蔬菜的致命病害，目前尚缺羔理想的抗病品种。特别是在保护地栽培中，由于连作、 施肥等原因，所造成的危害更为严重，瘸害一日发生，轻者死株2 0 - 3 0 ，重者垒田绝收。瓜类 枯萎病病原菌在土壤中的存活的时间很长，短剐3 年，长则7 - 8 年，药物防治成本赢，难度大， 赢虽在裸护毙载墙中蔬菜种类较少、铡茬翻难+ 传病害戏为绦护逮蔬菜高产稳产豹最夫障碍。 遵过采用抗士传瘸害的野生秘佟淹破本，与栽培晶静述 亍嫁接，霹有效墙防 t 传瘸害的发生， 而且效果明盟。据实验，嫁接后西瓜、黄瓜、西红柿、茄子瞒害发生率为几乎为o ，而未嫁接的 西瓜种植3 年的发病率为9 0 。 ( 3 ) 提高产量嫁接西瓜比自根西瓜增产1 倍以上，嫁接黄瓜增产3 0 一5 0 ，嫁接西红柿 增产5 0 以匕，嫁接燕子增产1 - 2 倍。 4 ) 改蛰熬虞嫁接的戳本楚葫芦、南瓜、瓠瓜、野生茄子及野生蛆红糖。精本生长迟速， 嫁接后成穗率蕊，对果实躲品质蠢一定的健进作霜。两瓜不产生疆味、不瓣瓤，黄瓜露营味，西 红柿酸味不增加。 ( 5 ) 促进幼荫健壮生长 蔬菜嫁接后，利崩砧木发达的根系增强其吸收水分和矿质营养的 中国敷韭大学碗i 二攀技论文第一章绪论 能力。南瓜昭2 鸶子时面积为4 5 4 平方厘米，不同品质麓芦为2 8 4 王_ 4 1 3 3 平方厘米，而西瓜 仅为7 8 9 平方麒米，砧木的自身营养面积是自根曲的五六倍。因此，嫁接苗比自根荫牛艮旺盛。 ( 6 ) 节约肥料的施用量囚砧术的根系分布广。，吸收能力强，能够在较大范闹的士壤种吸 收养分，供给幼皓地上部分的能力强，供肥力足，所以从曲期和中后期利用肥料较经济，节约肥 料翊量。 ( 7 ) 撵赢耐翠能力蔬菜嫁接掰选瘸的菇木一般都其霄较火豹根系，摄静分蠢范弱广，对 水分吸收能力强，飙而提高了茁的耐昂能力。 ( 8 ) 增加作物的收获茬数由于嫁接苗长势强、整体发育快、生育进程快，提高了蔬菜作 物的收获茬数。如西瓜栽培，由于推广了嫁接技术，种植一攀髓瓜能收获2 茬。若能栽培早熟品 种，两瓜可收获3 茬。 嫁接利用盼最韧嚣的是进行植物的营器繁殖。丽现代蔬蘩嫁接主要巅j 的是嫁接对蔬菜作物 鲍改良作_ 嗣。例如，通过嫁接可以增强蔬蒸作物敲抗病毪5 1 2 1 i ”、抗旱性 4 1 、耐敖性坡改善掇系 的吸收功能蒋j m 嘲，以达早熟、增产及增收的目的【4 】。 蔬菜嫁接具有以上提到的很多好处。但是蔬菜苗的物理性状决定了嫁接操作是一项非常精细 的工作，现在蔬菜嫁接方式除了日本和韩国外，其他国家仍然以人工嫁接为主。这种嫁接方式劳 动强度大、生产效率低。据调查一个熟料的工人，在平均劳动强度下，采用靠接法，嫁接效率 为1 2 0 裸小时。并且蔬菜鲍嫁接逶皮麓较短，随着蔬菜燕产的工厂化、规模纯发展，这种嫁接 方式已逐渐满足不了需求。困两追搦嚣簧用一种毒速静嫁接方式来取代人工嫁接方式，枫械电子 技术的发展使得这种需求成为了可熊。现今日本，韩国以及我翻均已研制出了蔬菜自动嫁接机， 而且在生产中已开始推广、使用。这种机械嫁接方式可以在非常短的时间内使砧术和穗术结合为 一体，避免了切口长时间氧化和菌内液体的流失，冈此不但可以大幅度降低劳动强度，提高嫁接 速度而且可以掇高萤的成活率。 嚣红栖属于菇科作耪，茄辩黝设施簸墙嗣群存在上述闯趣。茄群作物遥常不能覆茬栽培，必 须与菲茄科作镌避行4 _ 5 年轮作渤茬，否则，传瘸害严羲发生，茄科嫁接能有效地控制茄辩 土传病害的发生。使茄科作物实现了熏茬连作不发病。另外，黄萎病是茄科作物生产中的种毁 灭性病害，轻则减产，重则绝收。对茄科作物进行嫁接栽培，不仅能有效地预防黄篓瘸及其他土 壤传染病害，而j ；j | 能提高产量和品赝，增加经济效益。可见。在缺乏抗病品种的祭件f ，实施嫁 接栽培是辫决土传瘸害严重、竞连侔障薅的有效途径。燕科的嫁接裁培不仅可以避免病害，还 由于醅本比原接穗搬系发达，吸瘩、吸憩自力强，可班显簧提高产量；茄科生产采用优整结本嫁 接也是实现优质高产鲍有效措施乏一。 1 2 国内外的研究现状 。2 。1 国外研究骥状 嫁接机器人技术是集机械、自动控制与设施园艺技术点i 一体的高新技术。照然蔬菜嫁接技术 在一些农业发达的国家里应用已相当厂1 。泛，但对于蔬菜的机械嫁接技术的研究却只存在于日本、 2 中嗣度监大学硪上学整论文第一章绪论 韩国等少数国家里，因此，嫁接机器人技术有着广阔的i ! 藏用前景。自1 9 8 6 年小林研等开始研究 蔬菜嫁接机械装置以来，日本豳内已有多家研究单位研制出了各种类型的蔬菜嫁接机。 蹋卜1b r a i n 研制辩蔬菜嫁接机稠l - 2t g r 蔬菜是动嫁接帆 上图i - i 所示嫁接机是日本农业机械化研究所即“b i o o r i e n t e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h a d v a n c e m e n ti n s t i t u t i o n ”( b r a i n ) ，联合农机生产厂家共同研制开发的，采用单子叶切除法， 主要应蠲予葫芦科蔬菜。整税主要由鹜供给部、搬运帮、切蘸部、接着罄、嫁接萤捧出部、运动 控制部等部分组成。该机的作业效率为5 5 0 8 4 0 裸小时，嫁接成功搴这副9 0 以上，双喜蕾盘的 输入到嫁接苗的排出都实现了机械化。 日本t g r ( t e c h n og r a f t i n gr e s e a r c hi n c ) 研究机构多年来一直致力于蔬菜机械嫁接技术 的研究，图1 - 2 所示嫁接机便魁该机构不久前推出的产品。该机虽结构有别于b r a i n 研制的嫁接 枫，值犬俸上也是由蓖供绘部、搬运部、切甑部、接赘部，嫁接苗摊出部、运动控制部等组成。 该蔬菜自动嫁接枧瞧| 鼋时嫁接见裸蓖，嫁接速度为i 0 0 0 辣小对，嫁接成功搴霹达到9 5 。弦本 和穗术的固定使用一辩特殊豹葭精剐粘合，其嫁接方法如图1 3 所示。 图卜3t g r 嫁接机嫁接方法原理躅 j t ( j a p a nt o b a c c oi n c ) 机构将热缩管麻崩下蔬藻的机械嫁接技术，经过多年的努力，研 制出了种蔬蓑自动嫁接机。其一l 作过程为：先把旗木和穗木茎与轴成一定角度留断，然后把砧 3 孛霉农监大学硬士攀使论文第一章绻论 木和穗本旅程塑睾毒热缩管里靠在一起，接着用1 5 0 2 5 0 c 的热空气加热塑料热缩鸷凡秒钟，塑料 管茎轴向同时收缩从而把砧木和穗木紧接在一起。然后在用冷空气把管冷却至4 环境温度。用热缩 管的嫁接方法有二二个好处：其一是热缩管收缩时能使砧穗术绐台面处的汁液增加，有利于嫁接苗 的成活：其二是由于在嫁接过程中要用1 5 0 。c 一2 5 0 。c 的热空气加热热缩管以使其收缩，因而有表 厦消毒、杀蔷之教。该枫嫁接速度为凡秒到十多秒一揲，嫁接成功率为6 0 ，成活率约8 碱一7 0 1 9 j 。 l s e k i 公司辫制的“g r a f t i n gk o m a c h i ”拣接祝器人嚣翦毫商品纯。它能自动避行单叶切割 和嫁接。该机器入由7 个主要工作部仆缝成：幼苗供给部件；固定与输送部件；幼静切渐部 牛； 接全部件；幼苗穆开部件；控制装冠和驱动装置。体积为1 2 8 0 1 4 1 0 x1 0 2 5 m m ，重鬣为2 1 5 公斤， 处理能力为5 5 0 - 8 0 0 株4 , 时。在供给幼苗时，如果缺少一株接穗或一株砧术幼曲，机器人能够 通过传感器感知并自动停j l ：3 2 作。该机器人的主要特点是：嫁接工作简单，全都工作只需3 名 工 # 人员；嫁接成涯率可达到9 5 ；生产率高，出人工拣接提高了8 一l o 倍；嫁接幼蓥的可 用性离，穰少鸯攒环斡。 t f o n a m i 等研究的嫁接装置采用一种叫“p l u g - i n ”的嫁接方法，即用频率为2 0 4 0 k h z 、振幅 为0 0 3 m m 的超声波振动切削装置把穗术加工成角度为1 4 。、长度为l o m m 的锥形头，用4 5 0 0 r p m 的锥形钻头在砧术上钻一个锥形孔，然后把穗木插到砧木上。砧、穗木加工方法如图卜4 所示。 这种嫁接方法砧本与穗术闽的维管柬结台踅好，有利于醚本、穗冬的水分和葬分的输送，嗣此戒 活率离。同l l 寸，继本与穗本闯结台舞好，结合力大，不需潮定。这种嫁接辊对番茄、燕子、西瓜 的嫁接试验袁朝该枫嫁接斡嫁接蕾镕快速愈台剃嶷好生长，嫁缓成功率为9 0 。箕主要存在的阉 题是机械的作业效率低，仅比手工提高1 。4 倍；切屑排除、定位精度、结合插入力等问题都有待 改进【“i 。 由木骚铀 台永加工 秽痧 弦术棚工 圈卜4p l u g - i n 方法砧木、穗木加工 继强本之焉，韩国飙9 0 年代秘也开始了蔬菜嫁接襁的研制，赶萁研究开发的投本自动纯承平 较低、速度慢，其能完成部分嫁接作啦的机械操作，现投入使用的嫁接机主要采用靠接法，适台葫 芦科蔬菜，嫁接效率1 5 0 3 1 0 棵，j 、时。 此外，在欧洲农业发达的国家，如法国、意大利等，虽然蔬菜的嫁接育苗相当臀斓，大规模 4 锣亭口 中蓬农业大学嘲士学位论文第一章绪捷 的育苗中心全年向用户提供嫁接茁，键是，这些蓐家尚未有自已的嫁接机器人，所以嫁接作业一 部分仍采用人t 嫁接，一部分引进日本的嫁接机器人进行作业【1 l j 。 1 2 2 国内蔬菜嫁接机械 国痰在农业机器人方蟊的研究始予2 0 毽纪年代中期，稿对子发达国家起步较晚，但是发 展徽快，很多院校、研究所都在进 子农业机器入和智熊农业机械相关的研究。 1 9 9 3 年由中国农业大学张铁中教授率先对蔬菜的机械嫁接技术进行了研究，并在1 9 9 6 年通 过对国内传统乎t 嫁接方法与国外自动嫁 接技术的分析对比上提出了蔬菜自动嫁接 方案，著开发趣了应用插接法进箍蔬菜嫁接 静嫁接装置。该装置由控割、动力秘执行兰 个部分组成，能宛成砧木和穗术的自动输 送、穗木的自动切削、砧木生长点的自动切 除和插孔以驶砧术和穗术的自动绵台等工 作。但该装置的嫁接成功率不是很高，其主 要磊因有四个方露：1 ) 砝本茎耔本身歪斜 造成插孔偏瓣；2 ) 旗本本身虽未歪斜，健 切除生长点腐发生端部偏斜，造成播 l 偏 斜，或砧水插孔朱闭合；3 ) 穗木来被送入 围卜52 j s z 一6 0 0 型蔬菜自动嫦接机 穗术夹中；4 ) 穗术虽被送入穗木爽中。戗 切削最发生编斜，造成结合失败。 1 9 9 8 年 竣中教授等在以翦毳薛究的基础主叉成功研期舞发出了2 j s z - - - 6 0 0 鬟溅蔡自动嫁接 桃( 图l 一5 ) 。实现了砧术和穗木的撼取、切削、接合、嗣定、排蓖等嫁接作韭的自动化。该祝在 1 9 9 8 年通过了技术鉴定，填补了圈内空白，并获得了国家发明专利。此种嫁接机结构设计新颖、 操作简单，对砧术、穗水适应性强，嫁接性能可靠，各项技术指标都达到了国际先进水平。2 j s z - - 6 0 0 型嫁接机采用贴接法，可以完成黄瓜、西瓜、甜瓜掷黼芦科类蔬菜的自动嫁接。该机嫁接 效率为6 0 0 橡小时，嫁接成功率在9 0 以上。2 0 0 1 年3 月该极参趣“国家8 6 3 计划1 5 周年 戒就震”，引起了强熬爱噙，得到。r 酱遍的好评。2 0 0 2 年5 砖参如意丈乖l 国鞋机器人震，在农韭 机械领域里独树帜，受到了国际人士的关注。 山东潍坊巾农业机械研究所研制的s j z 一1 型蔬菜嫁接机【”懈用靠接( 舌接) 法最高工作效 率为3 1 0 株小时。该机由电机、控制机构、操纵机构、工作部件平机壳等组成。控制机构是s j z 一1 型蔬菜自动嫁接机的核心，它包括控制线路、计数器等。该机可根据需要连续戏断续丁作，并有 电子显示记数功姥。其工作辑i 理瓤强形娄憾子羲晷熬自动嫁接枫。 由酶毒基劝他技术有限公司和韩翻台体研制麓蔬菜自动嫁接祝主要捌于露瓜、黄糯秘艇葫芦 的嫁接，也f 吁用于番茄、茄子的种内嫁接。该帆采用的嫁接方法为靠接法，控制系统由单片机电 路构成，使用交流2 2 0 v 电源供电，体积为2 0 0 2 0 0 1 9 0 m m ，霞龉为3 8 公斤。 海交通大学机器人研究所的曹其新、刘成良、吕恬生、殷跃红等人进行r 用于精确农业的 中雹表监大学硕士学位论文第章绪论 智能农韭机械静研究工作，已经完成了智能忧联合收割樵、蔬菜t ：厂纯育茁播种流承线样机的研 制，正在进行荜莓挑选机器人、黄瓜采摘机器人的研究。 1 3 当前嫁接机器人研究状况总结 综合分析国内多 蔬菜稼褛税静发展溃况，可骧看出，虽然鞠裁蔬菜自动嫁接技术取褥了缀大 的进步，但怒基本上还处于研究开发和试验推广阶段。国内外成型嫁接机的主要参数如下表1 - 1 所示。 表卜1 漫内井成型商用嫁接辊主螫参数 要。 分析对比裘卜1 中的数据可知： ( 1 ) 蔬浆嫁接钒嫁接方式主臻怒贴接法，适应范围不广； ( 2 ) 蔬蒙嫁接机的适眉对象懿葫芦科蔬菜为主，透用予端栗类蔬菜瞬嫁援机撇较少； ( 3 ) 日本研制的蔬菜嫁接机自动化程度普遍较高，但价格昂贵； ( 4 ) 嫁接对象主要以单棵苗为主，效率不够高； 因此，针对嗣情，开发经济、实用，适合我国生产的穴盘西红柿苗嫁接机器人强得非常必 1 4 本课题研究的主要嚣标和内容 本课题的研究曰标为设计生产出一套完整的穴盘两红柿苗嫁接机器人，要求能够在控制系统 中蛋农韭大学顿七学位论文 第章缝论 的操纵下自动完成穴盘苗盼整摇嫁接谗泣，达到预定目的。弼时尽量降低生产成本。提高嫁接的 成功率和嫁接效率。为了实现上述研究目标，研究的内容主绥有以下几个部分： ( 1 ) 穴盘砸红柿苗物理特性研究、参数测量： ( 2 ) 嫁接方法的研究与选择； ( 3 ) 嫁接机嚣入总体方案设计： ( 4 ) 概辕结掏设计。设计一套机构寰现穴盘疆红柿碚、穗奉萤鲶传送、定位、切翻、嫁接 等过程。 ( 5 ) 设计开发控制系统，要保证嫁接机构按照预定目标正常作业，成本低，可靠性高。 7 第二章嫁接方法的选择及嫁接机器人总体方案设计 2 。1 露红柿苗参数的测量 在对嫁接机器人研究时，为了选择合适的嫁接方法和设计出合理的机械都件，必须全面了解 嫁接所用的砧木、穗木苗的物理特性和生长特性。 2 1 。1 商菡穴盘的选择 西红聿帝砧木和穗木的育茁一般采用7 2 孔的穴盘，本课题选用的穴盘规耪、足寸如f 圈： 口口口口口口口口口口口口 口口口口口口口口口口口口 也口口口口口口口口口口口 口口口口口口口口口口口口 ( 口甲甲口口口口口口口口口 b 一0 叫 埘 2 1 。2 裔麓 中国农业大学杨丽选择b f 兴律1 0 1 作为砧术，采用中国农业科学院蔬浆花卉研究所研究的 中杂9 号( 诺茄) 作为穗木进行丁穴盘育苗，经过近三个月的培育获得了西红柿嫁接作业适宜 期的砧爪和穗术苗i “l ，如下图2 - 2 、2 - 3 所示。 中国农业大学磷士学位论文 第二蕈嫁接方法的选择及嫁接帆器a 总体方案坟计 2 1 3 参数测定 强2 - 2西红插醅本黄 圈2 - 3西红柿耱术苗 对培育如的嫁接适宣期穴盘嚣红糖德，备选择4 0 拣赔本和穗术萤进行相荚参数的测量，测 试的主要参数害：砧、穗本株高h ；砧、穗木的轴径$ 。相关参数统计如f 表2 - 1 。 表2 - 1 砧木苗和穰术苗的相关参数测量( 单位：r a m ) 直径ah 样本数 结术均悠 方蔗 穗术均德 方筹 2 1 3 0 0 5 2 2 0 0 4 1 1 9 5 3 8 1 1 4 5 4 1 4 0 探 4 0 株 中蚕农业大学硪j ? 学位论文第二章嫁接方法瓣选择及鲸接撬器入总体方案设计 2 。2 嫁接方法的选择 2 2 1 主要嫁接方法介绍 蔬菜的嫁接方法靖嫁接萤的残灞率和嫁接效率有狠丈静彩蛹。强前国内外采羽的主要嫁接方 法有劈接法、黎谈法、插接法、聃接法、切接法和针式嫁接法等。 ( 1 ) 劈接法 劈接法主要州于番茄、茄子等茄科类蔬菜。f 图2 4 所示是劈接法原理图。此种方法的嫁接 适应期在砧木龉和穗木苗长出3 片子叶时。操作时先沿砧术的第3 片子叶着生处和接撼粗细相当部 位将砧本摹括切断，然后在断藿处淤蘩轩中心向下朝出一个l c m 左右深韵切翻，孬在穗本第一片 子叶f 方，蒋穗术削成l e n a 左右长瓣撰形蠹插入砧术静切口中，最螽翊夹子将砧本和穗本固定。 劈接法操作灵活，愈合好，嫁接成活率| 较高，是人工嫁接常采用的一种方法。僵劈接法操作灵活， 愈合好，嫁接成活率较高，是人工嫁接常采用的一种方法。但由于用机械切口、做楔彤体难度较 大，冈而在机械嫁接中应用较少。 穗德 旗末 圈2 - 4 茹矗予劈搂嫁接示意匿 壤接 ( 2 ) 靠接法 育苗时。将砧术和接穗播种或分曲到一个营养钵中，待曲长到4 - 5 片真叶时，蔫粗达到2 - 3 e r a 时进行靠接。嫁接时，用刀片将砧术2 - 3 片真叶之间按3 0 4 角向下切至茎深的1 膣处，在接穗茎 上( 和弛术切蠲下部相对的位置) ，用刀片切成向上3 0 。角的甥强，并深入茎的1 2 处，醛术和 接穗的切日切好厩，准确、迅速圭彀撬在一起，切口嵌台藤，褥秘夹子嗣定( 觅鞠2 - 5 ) 。擒靠接约 方法耍求切口角度相嗣，深度一致，褥奠蔬菜幼萤纤细，作l k 中极翁切断，不太逶寂予枫械嫁接。 ( 3 ) 插接法 插接法在实际生产中应用也较为广泛，此种方法的嫁接适成期是砧小苗3 片予叶，穗小苗2 片子叶。操作时先将砧小的第2 片予叶上方横切，再在第2 片予叶着生处_ j 与穗水粗细相当的竹 签按4 酽6 0 。角向下勰捶一个深约0 5 - l e m 的斜匿；再取穗术，在第一片子叶赣生处的f 方约 0 ，3 - 0 。5 c m 处韬鞭，然后静或楔露瓤，剡蟊长约o 。5 - i e m 。嚣把削好魄穗本插入髓木斜嚣中，佳 砧木与穗术的切面紧密吻台。中嗣农业大学最先研制的嫁接机采褥这种方法，从试验结果来看不 太理想，容易产生插偏、插孔刚台替问题。 中国农鼗大学鹾圭学锰论文第二章嫁接方法翡选择及嫁接税器a 总体方案设计 鬻2 i s 靠接法 霉2 - 6 插接法 ( 4 ) 站接洼 站接法主要翔于葫芦辩和箍科类蔬菜，此种方法鹣优点是：操作麓单翁行，容易实现枫接嫁 接，嫁接速度快，切口接触面较人，砧穗成活率高。下圈2 ，7 是其作业原理图，操作时，将砧术、 穗术沿同方向某一角度( 一般4 5 0 一6 0 0 ，主要为了保证砧木和穗小有较大的接触面，而又不至 于使切断处誉杆太细) 切断，然后将穗木沿斜面切口贴在砧木切口上，最席用必持物在接合处将 砧木和穗本固定。贴接法是现今蔬菜嫁接机上普遍采用的方法，它不仅具有静砸提到的优点。而 且它对予破本、穗术戆茎辑粗编要求不离，只要辐差不是太大，都可迸季亍嫁搂。但是赋接法嫁接 替的戒涎率不容易掌握，嫁接萤殁嫁接株容易扶接秘她发生劈裂或折鼗。 圈2 - 7 贴接法傣璞阐 ( 5 ) 切接法 切接法多在穗木较细时采用。首先将穗术酶切成援形切口，将砧术淞攀向2 3 处切深 卜1 5 e m ，然聪将切好鲍穗术插入旗术中，使两个切秘紧密接合，崩夹子将嫁接好的茁关紧。茄 子嫁接也可沮采翔改良的甥援泣。即先将穗木切割裁撰璐，然后浆砧本沿摹切断，去掉一片本时， 在去掉的本叶位置沿与轴向成2 6 度的方向切深l c m 轰有，切出v 形切口，然后将切好的穗术插 入切蚶的砧爪的v 形切口之中，最后在嫁接曲的一侧用夹子夹紧嫁接苗。 中国农业人学硕士学位论文第二章嫁接方法的选择投嫁接机器人总体方案设计 舞曼曼皇曼曼鼻邕! l l n l , p l l l l li 篡黑鼍舅舅 把鉴噩勺2 3 斓辩 的原理图 瞳2 嘈敬良的切接法原理豳 ( 6 ) 铮式据接法 针式嫁接法也称轴接，即接穗和砧术的切面通过特制的嫁接针( 以陶瓷作为原材料制成长度 1 5 毫米、直径0 5 毫米的针状物) 米固定，嫁接方法如图2 1 0 所示：首先在砧木苗和接穗醢茎杆 解逶当位置横向秘断，要求砧本、穗木茁切断她的轴径大俸橱等，然后将嫁接针盼一半插入菇末， 鬟一半插入穗本，使砧求和穗术豹切面对严，觚丽完成嫁接捧蛙。嫁接后嫁接铮僳留在嫁接荫中， 内于嫁接针由陶瓷制成，田此并不影响作物的生k 。针式嫁接对砧木、接穗麓的粗度要求不严格， 即使是徒长茁也可以通过嫁接调蘩过来，阀时省去了去除砧术萌芽的工作，在韩国茄果癸和瓜类 蔬菜生产中已被蒋遍采嫣。 中国农业大学删士学位论文 第二章嫁接方法的选择投嫁接机器人总体方案设计 p l t l l i ai 量鼍曼曼詈詈曼董蔓曼嬲黑鼍! ! 曼曼甍篁皇毫蔓篁蔓曼曼! 苎! 蔓暴篇篇嘲置量笪皇皇蔓皇警麓黑墨舅黑 2 - - 1 0 钎式拣撩法 2 2 。2 针式嫁接法与其他嫁接法的跑较 通过对上述嫁接方法的综合比较，可以看山： ( 1 ) 劈接法用机械切口、做楔形体难度较大，嫁接1 ：效不高。因而在机械嫁接中应用较 少。 ( 2 ) 靠按法要求切口角度相同，深艘一致，因此撵作麻烦，工效低，而且蔬菜幼蔼纤细， 作业中极易切断，不太适宜于机械嫁接。 ( 3 ) 插接法对砧木擂i l 质量要求商，容易产生插偏、播孔闭合等闻题，较难以寰瑗； ( 4 ) 辩接法撂接萤的成滔率不容易攀握，嫁接翦及嫁接栋容易扶按秘处发生劈裂袋折断。 ( 5 ) 切接法在在穗术较细时采剜，作业时容易切断，不易控制。 与其它嫁接方法相比，针式嫁接操作十分简便，嫁接技术易掌握。无需包扎绑缚，从而人 大提高了嫁接效率。比其他嫁接法功效提高t 6 倍左右【”l 。因此，本谍题采用针式嫁接法作为穴 蠹西红樟萤嫁褛机器a 的枧褫嫁接方案。 2 3 嫁接机器人总体方案设计 鲸接枫器人要完成嫁接任务，必颁有机徽实薄，以及控制系统对嫁接过程进行拄糊，闽此 下面主要研究穴盘西红柿酶嫁接机器人的机械结构的设计以及控制系统的开发。 2 3 1 枧械本体设讨方寨选择 通过。【二述内容对西红柿嫁接砧术、穗术特性的分析，穴撇育苗的特点，以及所选择的针式嫁 中国农业大学烦士学位论文 第二章嫁接方法的选择救嫦接机器人总体方案设计 ! 昙! ! ! ! 嬲i , ti $ s 凳! ! ! 目舅| ! 自葛篡甍! ! ! 曼 接方法，同时为了尽量提高嫁接效率，设计砧术和穗术分别工作在鼹条流水线上，再通过一个横 向滑道将箕连接p “。 砧木流水线：砧木穴瓶经传送带传送到糨切削位置一缝定能栏人致定位后进行整排糊切削一 切后的砧小苗继续由传送带传送到嫁接位置，进行精确定能和精切削，以保浊砧木高度与手爪上 平面一致一播钟器出针一将针的一半插入砧术。 穗水滚水线：穗末毽盘经传送带传送到穗木甥潮谚置，该位置与嵇本生产线上鹃熬接位置在 前后方向上处到同一直线上，并由一横向导轨连接两位置一对穗木进行精确定位一切削一将切下 的穗小经横向导轨运输到砧水流水线上的嫁接位置一将穗水插入到另一半嫁接针上一完成一行 嫁接，运擞，避入下一排茁游嫁接，总体流释隧如下赝番； 圉2 _ 1 穴盘西红柿苗嫁接帆器人工作滚穗豳 2 3 2 穴盘西红柿苗嫁接机器人的熬体结构 根据上述总体工作漉程盼分橱，对穴盘蕊红榜苗嫁接机器入的整体续梅避行设计，如剿2 一1 2 所示。 1 4 中雹农业夫学穰士孥经论文第二章嫁接方 蓉鹩这择爱嫁臻枫嚣凡恿棒方案设计 裁 蛋2 - 1 2 穴燕西数棒蓠嫁接机器a 的整体缝掏 工作避程如下：酋先将装有砧本瓤穗术的穴盘分剐放在砧、穗本传送带上。在结术传送带一 边，步进电机l 转动，带动砧木穴盘前进至粗切削位置，砧术髓被大略卡在粗切限协扳的栅格间， 粗切刀对砧木茵进行粗切削，粗切屙的砧木苗继续前进至嫁接位置( 砧木手爪处) ，纵向定位装 置对其进行前历方向的定位，砧术手爪闭合，夹住砧木苗。完成对砧术的精确定位，精切刀对砧 本苗避行精切削，插针装置将陶瓷钟的半插入砧本茁。在穗术转送带一边，穗木穴蠡由步进电 掘2 露动至切削植蓬( 穗本手瓜照) ，级囱定位装置对萁进行藏惫方向上鲍定位，穗本手柬闭合， 夹住穗术茁，切削刀横移切削。切。f 的穗术在穗术手爪的灾持下沿龙门滑道移至嫁接倪置( 砧木 手爪处) ，穗小手爪下行，将陶瓷针的另一、i i 插入穗木，从而完成一排苗的嫁接作业。 为了避免上下伸缩气缸直接上移呵能会对刚嫁接好的筒造成的伤害，设计一个前后伸缩气 缸。在前后伸缩气缸后穆之后，上下伸缩气缸上移，这样就不可能碰到刚嫁接好的幼落。转移长 摇气缸缩圈，穗术藏菇伸缩气缸翦穆，上下 聿缩气缸下移，稳术转移部分又回到了原始位置，蕊 条生产线上的粪f 蠹肖在电枫的带动一f 蓉囊自翦运动一捧蘸的距离，孰两开始下捧蓖盼嫁接。由 丁在系统中用矧了很多标准件，因此如何选择合适的执行元件，在进行合理的机构设计后，借助 丁- 限位开关和控制系统，在实现预期功能的基础上尽可能降低系统的成本，就照得十分重要了。 2 3 。3 控制聚统设计方案选择 珏魏，下农渡生产中采薅的控幕4 系统主要胄两种：p c 扩聪系统一l 韭p c 系统、p l c 系统、 m c u 系统，现将这四种控制系统的性自作简要介绍。 ( 一) p c 扩展系统；p c 扩展系统具有m 常强人的数据处理功能，主要应用下环境信号的采集 中嚣表监大学顾士学位论文第二章簿接方法的选择获嫁接机器人憨体方案设计 及控制。这种系统硬件开发鬟较多、软件的开发量多、可靠性较差、成本较糍。 ( 二二) 工业p c 系统：工业p c 控制系统具有完整的控制功能，软件丰富，指令执行速度快，主 要麻h 于较大规模的工业现场控制。这种系统硬件开发量少、软件的开靛最较多、可靠 性好，成本高。 ( 三) p l c 系统：p l c 系统以逻辑控铡为主，也可组成模拟裁控剖系统，主要应嬲予一般规模 的工业现场控制。这静系统硬软件开发量较少、可翁性好、成本较亮。 ( 四) m c u 系统：m c u 系统具有完整的逻辑、模拟鬣控翎功能，并具有较强的数据处理功能， 主要麻用丁智能仪器，小规模工业现场控制。这种系统硬软件的开发量较多、可靠性较 差、成本低。 从以上介绍可以看出，这四种控制系统都各有优缺点，因而在实际生产中应用都很广泛。对 于一种特定豹建崩场合，设计者一般臻经过对比分析，然嚣从中选出一种性债比较高的作秀控割 系统。本课骥中所癸控涮的对象主要是气缸和步迸电视，它秘都楚逻嚣控裁器辞，驮运个方蟊来 讲，选用p l c 系统和m c u 系统较为合适。然而从嫁接机机器入机构运作特点来褥，控制系统应 具有简单的数据处理功能，因而选用m c u 系统比p l c 系统好。虽然m c u 系统的可舷性不如p l c 系统，但如果设计中做好了可靠性设计系统定能稳定工作，并且m c u 系统还育一个很突出的 优点就是硬件成本低。通过以上对比分析得知，m c u 系统对于本课题来讲，其 生价比最高。因 此本课题毅选用m c u 系统作为嫁接机器入的控铡系统。 1 6 中国农业大学硪士学位论文 第三牵嫁接机器九的帆构笈 第三章嫁接机器人的机构设计 3 ，1 嫁接机器人的飙构分撬 根据前面章节对穴盘西红柿妇嫁接机器人总体工作流程的分析和整体结构的i 馈计可知，穴盘 西红柿苗嫁接机器人主要包括以f j l 个主要部分： ( 1 ) 砧木、穗木传送装置：分别完成砧术的传送，并在控制系统的作用下在粗切削、 精切削处进 亍准确定位； ( 2 )结本，穗术横囱定谯装置：分别完成整撵菇本、穗末在穴癜铸送方囱的定位； ( 3 )切潮装置；包括砧术租切削装置；实现熬摊砧禾苗的租切削；旗本精切削装置： 实现砧术苗的觳排粗切削，以便于后面的插针和插穗木的操作：穗木切削装置： 对整排穗木进行切削； ( 4 )插针装置：把嫁接针的下半部分准确插入精切削后的砧术上，把转移来的整排穗 本萤插到嫁接针的主半部分； ( 5 )穗奉转移装置：捂切削好的整撵穗本越转移到砧术生产线一铡； 其总体结构如下： 嘲3 - 1 穴盘西红柿苗嫁接机器人的息体结构 3 2 标准元件的选择及主要部件的机构设计 3 2 。1 捩行视构豹元器件选撵 为了进行机构设计，通过穴盘两红柿苗嫁接机器人的砧术、穗水生产线的的各个功能组成部 分进行分析，需要确定各主要部件机械结构的执行机构，即元器件的选择。 执行元传有电动式，液匿式，气压式三神。本枫雏执行机构主要采用嚣种：电动式执行元件 鄄电机；气动元传，如气赶、气蕊，大日机械夹等。 c1 ) 电动机能把电能转化为机械能，具有可控性、商精度、快速性、可靠性、环境适应性 等特点，是理想的执行元件。在控制技术中，常用的执行电动机按原理分主要有直流电动机、交 流同步电动机、步进电动机、开关磁阻电动机、交流异步电动机等。 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机 的转速、侉斑的能置只取决于辣冲信号貔频率和脉冲数，露不受负载变化的影响，郎给电机如一 个稼 串铸譬，电规粥转过一个疹躐角。这一线性关系的存在，加上步进电祝只裙溺期性的误差两 无累积误蓉等特点。使得在遮瘦、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。步进电机 的角位移鬣严格与输入脉冲数成正比，没有累计误筹，熙有良好的跟随性，能进行准确定位，动 态响应快自启动能力强运行平稳，能满足本设计的要求，控制调试简单方便。 在所有的执行电动机中，嶷流电动机的工作特性最好。和其它的电动机相比，赢流电动机具 有嶷括的控涮性能、较大蛇启动转矩、嘀应速度快、桷对较大静功率、效率也 l 较高，无蓐l 壹流 电视馥邀予换囱电路取代了佟绕蠢流电动杌的整流予一龟捌抉囱器，氍僳持了赢流电动机酶优点， 又避免了囊流电动机因电刷而引起的缺陷。这种电动机机械特性和调节特性线性度好，调速范围 宽，寿命k ，可靠性高，噪声小，应用广泛。无刷溉流电动机也能满足本设计的鬻求。 由于实验摩已有步进电机，所以本设计就选用步进电机作为执行元件，驱动传送带运动。 ( 2 ) 气动元件有很多优点：响廒速度快；定能糖度商：安装使用方便；嚣压缩空气来实现 动作，霹诧无遗漏、无污絷，利予环境傈护；气泵体积小，操作篱单，搬动方便；气最可调，霹 辍据需簧随时调箍机械手的力发。气动元件噪声比较大，谣以通过安装消声嚣兼改善。因此，在 本设计中砧术插针装置的执行元件、切削装置的执行元件，穗木的横向定位机构中滑杆的驱动 元件，切削装置的执行元件，穗术转移机构的驱动元件均用长程气缸来实现：穗水手爪通过气爪 的驱动求实现张开和闭合。另外，在穗术转移机构的前后伸缩和上下伸缩均通过气缸来执行。 ( 3 ) 另终穗术定位帮分逐采 f 限位开关辅助控制。5 位开关具有体税小、控制简单、反瘕 灵敏、定链准确等优点，能把佼麓信号转让为电信号，遥过控制系统，控奉执行元件( 直流电机) 的动作，能满足设计的要求。 中国表北大学硕士学位论文第三章嫁接机器夫的极构设计 3 2 2 穗术横向定位机构设计 ( 一) 横向定位机构的作用及结构设想： 横向定位祝捣是使整撵穗本麓在溢传送带传动豹方向上进行定谴，以便于对整葵 穗术的壤确 切崩。用两根圆形定位杆进幸亍定位。两根定整杆的起始位嚣在与穗术翅嬲位警戒一直线的溪道蠢， 当穗术传送到切削位置时，两杆在长程气缸的作_ j 下沿滑道前移到穗木术茁位拨，然后在大口机 械夹的闭合作i = f j 下，两杆相互靠近，到刚好两侧均接触穗木苗为i r ，这样就实现了前后方向的定 位。 ( - - ) 气缸和大口机械夹的选择： 由予必了饺圆形定位抨不挡住穗术萤的前进，采取簿穗本菡运动劐切削使麓后再使定位轩伸 出的方法，这样就要有执行元纷带动圆形定位杼前移戮定位好昭穗木邕赣下。由于气动元纷有确 应快。使用方便，无污染的优点，在这里选用气缸作为执行元件。理论上设计的气缸行程要求为 3 5 0 咖，故采用长程气缸。 气缸、大口机械夹选型时要注意行程，气缸直衽、提供的推力、所能承受力矩、安装方式和 使用气压范隧等。 在这壁长程气缸选罐气力可公司的d n 3 5 0 攀气缸，冀缸径是3 2 m m ，馒墙气援可调范匿广，可 采用i # 鬣法兰、后置法兰等安装方式，使用方便，提供的接力大，符合本设计骚求。夫日机械夹 采用气可力公司的h d t l 6 3 0 型，此气动元件可以同时从两侧闭合、张开。h d t l 6 3 0 的行程为3 0 m m ， 满足设计骚求。 ( 三) 结构图及。c 作过程介绍： 1 天日概城擞2 连接角铝3 定位抒4 潜道5 长连接蚨6 连接角铝 7 爱装洼兰8 长程气缸d n 3 5 09 连接角铝1 0 定位杼定位孔 图3 - 2 穗木横向定位机构简图 穗术横向定仿机构简图如爆3 2 所示，幽中省出了一些与底座连接的支架。 1 9 中冒农业_ 夫学硕士学位论文第兰奄嫁接机器人的机构设计 图中只域出了一个大口机槭丧和其上面的圆形定位孔，在传送带的另一坝4 同样有一个大口机 械夹和圆形定位装置。当盛霄韬术釜的穴懿馋送到讶削澎饕时，眭程气敏d n3 5o 串出时，带 动两根圆形定位杆从两个定位孔中向前伸出，肖伸出到预定能置并且脱离了滑道示，传送带两侧 的大曰机械必在单片机的控制f 从两侧向中间闭合，从而夹紧了已传送到位的砧木曲，实现了横 向固定。当一摊穗沭苗切削完毕最。大口挑械夹张开，艮穰气缸带动圆形定位杆缩回，恢复i 韧 始位置，当下一摊穗本营定静好对，又按上述过程工俸。在这里魏工秘戳零镩对应该攥诞滠邀的 粗糙度，平面艘，以及各j ；接杆的连接平面问的粗糙度。这样才能保证装配币的机构能按预期要 求动作而不产生机械干涉。 田3 - 3 穗术横向定位机构工作图 砧木的横向定位机构与砧木的穗木横向宠位机构完全相同。 3 2 3 穗术切削机构的改谶设计 在穗术进入到穗木手爪聪，对其进行切削，在以往的设计中，穗术精切削采用电机驱动，带 动丝杠转动，从弼带动露禁运动，完成对穗木苗的切朝。 以往穗本饲削机梅如3 0 新示阳。 嘲3 - 4 穰木切削机构 1 穗木手爪 2 滚珠丝杠 3 刀檠 4 滑块 5 。气爪支架 昏丝杠架 7 ，电机 8 联轴嚣 9 安装法兰 采用电机驱动丝杠切