（农业机械化工程专业论文）营养钵苗嫁接机器人的研究.pdf

中国农业大学学位论文 摘要 摘要 目前在蔬菜种植业中，由于营养钵育苗移栽时对苗无损伤，所以有取代传统穴盘育苗的 趋势。为了满足营养钵育苗方式日益普遍的现状，在原有蔬菜嫁接机器人研究的基础上进行 大量的实验和创新，研制出了营养钵苗自动嫁接机器人。该机器人针对的是采用营养钵育苗 的葫芦科蔬菜，实现了砧木苗在营养钵内无需拔苗即可直接的操作，有助于嫁接后苗的恢复， 在生产中具有较高的实用价值。 本课题对机器人的机械结构做了大量的设计和优化，研究设计的营养钵苗自动落苗装置 使钵苗嫁接真正实现了全自动化作业。改进了搬运、切削、扶苗和送夹装置，提高了作业精 度和嫁接成功率。而且使机器人的体积小巧、结构巧妙，具有较高的自动化和智能化水平。 营养钵苗嫁接机器人的控制部分采用双c p u 的控制系统，由5 1 系列的单片机来实现。 它的特点是实现了多个动作同时进行并相互协调的并行操作。在保证作业质量的前提下，尽 可能的缩短了嫁接周期，从而有效地提高了机器人的作业速度和实时性。该控制系统克服了 营养钵苗嫁接速度慢的问题。基于双c p u 的控制系统的嫁接机器人样机研制成功后，对其进 行了作业试验，试验结果表明：作业质量高、速度快、工作稳定性较好，且操作简单。它的 嫁接速度可达到3 6 0 4 8 0 棵，j 、时，与单处理器的控制系统相比效率提高了将近1 倍。 关键词：营养钵育苗，蔬菜嫁接，机器人，双c p u ，单片机 a b s t r a c t b e c a u s et h eb o w ls e e d i n gh a sn oh a r mt ot h es t o c kw h e nt r a n s p l a n t e d ，t h e r e f o r ei t i su s e d w i d e l ya n dt e n d st or e p l a c et h eh o l es e e d i n g i no r d e rt oa p p l yt ot h ec u r r e n ti n c r e a s i n gn u m b e r s f o rn u t r i t i o n a lb o w ls e e d l i n go fv e g e t a b l e s ，t h ea u t o m a t i cg r a f t i n gr o b o tf o rn u t r i t i o n a lb o w l s e e d l i n go fv e g e t a b l e si s c r e a t e do nt h eb a s i co fl o t so fs t u d ya n dc r e a t i o n so fo l dg r a f t i n gm a c h i n e f o rv e g e t a b l e s t h ea p p l i c a t i v ec r o p si st h ec u c u r b i t a c e o u sv e g e t a b l e sw h i c hs e e d l i n gi nn u t r i t i o n a l b o w l i ts o l v e sad i f f i c u l tp r o b l e mi nv e g e t a b l e s g r a f t i n g ，t h e r e f o r e ，h a sh i g hv a l u ef o ru s ei n v e g e t a b l ep r o d u c t i o n t h i sd e s i g nc o m p l e t e sa n do p t i m i z e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，a n di n e r e a s e st h es e t sf o r s e n d i n gs e e d l i n g ，a n do u t p u t t i n gs e e d l i n g ，b e s i d e si ti m p r o v e s t h es e t sf o rt r a n s f e r r i n g ，c u t t i n ga n d s e n d i n gc l a m p ，a n dr a i s e st h ew o r k i n gp r e c i s i o na n dt h er a t eo fg r a f t i n gs u c c e s s t h i sg r a f t i n g r o b o tr e a l i z e st h ea u t o m a t i z a t i o no f t h et o t a lo p e r a t i o n t h e g r a f t i n gr o b o t f o rn u t r i t i o n a lb o w ls e e d l i n go fv e g e t a b l e sa d o p t sc o n t r o ls y s t e mo f d u a l c p u ，w h i c hc o m p o s e so fm s c - 5 1 e a c hs e t sc a nn o to n l yw o r ka ts a m et i m eb u tc o i n c i d ew i t h e a c ho t h e nt h e r e f o r e ，t h ew o r k i n gs p e e da n ds t a b i l i t ya r ei m p r o v e dg r e a t l y i th a sm a d eag o o d b a s ef o rp o p u l a r i z i n gl a t e rf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fl o ws p e e d k e y w o r d s ：b o w l s e e d l i n g ；g r a f t i n gf o rv e g e t a b l e s ；r o b o t ；d u a lc p u ；m s c i i 独创性声明 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研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名 词绞萎、 时间： 噼年月 日 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保留、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、 缩印或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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 甸绞毛 办铱中 时间：沙华年6 月 f 日 时间： 2 0 0 乒年6 月2 日 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1营养钵苗嫁接机器人研究的意义 1 1 1 嫁接作业在农业生产中的重要作用 嫁接技术有着古老的历史渊源，它已成为农、林、园艺业改变植物本性，创造优质高产的一 项关键技术措施。近儿年来绿色蔬菜倍受人们的青睐，蔬菜需求量较往常年有了人幅度的提高， 因此与之适应的工厂化育苗、蔬菜大棚种植得以蓬勃发展【l 】【“。同时，人们注意到农药给人体所 带来的巨大危害，所以尽可能的降低农药用量是对现在蔬菜生产的又一大要求。在这种情况下， 嫁接技术咀其特有的优势得到本领域研究和生产人员的普遍重视。 1 9 9 7 年，我国的设旅栽培面积达1 2 0 万h r a 2 成为世界上最大的设施栽培国家，特别是以日 光温室为代表的具有中国特色的保护地蔬菜栽培和塑料大棚的发展尤为迅速，2 0 0 2 年已突破1 0 0 0 万亩嘲。它不但缓解了蔬菜淡季的供需矛盾，也是农民致富的一条重要途径。但由于蔬菜的生物 特性和生长环境特性，连茬病害和低温障碍直是严重影响设施蔬菜生产的主要问题。对这些病 害的防治，无论从选育抗病品种，还是蒇用农药，效果都不够理想1 4j 。 2 0 世纪8 0 年代初，出现了把黄瓜、西瓜嫁接到云南烈籽南瓜上的栽培方法，结果发现其抗 病性和抗低温性都比原来有了很大提高。火量实验证明，嫁接是目前克服连茬病害和低温障碍的 撮有效方法。除了嫁接黄瓜、西瓜外，通过嫁接茄子、青椒、西红柿等都可防治土传病害，如枯 萎病、黄萎病、青枯病的发生。嫁接苗根系发达，具有抗逆、状根、增强檀株长势、改变生长周 期与减轻病害的优点，并可实现增产增收。因此，大力推广嫁接栽培技术对我国日光温室、大棚 等设施园艺蔬菜栽培具有十分重要的意义。在生产实践中人们从逐渐积累的作业经验中总结出嫁 接的几大突出优势9 1 ： ( 1 ) 提高土地利用率因连年种植的结果，特别是温室大棚连茬种植同种蔬菜，病虫害逐年 积累上升，使蔬菜的产量和品质下降。嫁接技术可使蔬菜增强抗逆性，使同块土地的使 用年份增长，提高了土地利用率。 ( 2 ) 防止病窖的发生黄瓜、西瓜枯萎病，茄子黄荽病，番茄根腐病t 青枯病，萎蔫痛等是 蔬菜的致使病害，一旦发病将导致严重减产，甚至绝产。嫁接可有效防止病害及解决 由连茬种植带来的发病率高的问题。 ( 3 ) 提高产量在同样的管理水平下，嫁接西瓜比自根西瓜增产1 倍咀上；嫁接黄瓜增产3 0 一5 0 ：嫁接番茄增产5 0 以上；嫁接茄子增产1 2 倍。而且嫁接还可增加收获茬数， 如西瓜栽培，由于推广了嫁接技术，种植一季西瓜可收获2 茬，若能栽种早熟品种，两 瓜可获3 倍收益。由此可见，嫁接技术带来的增产效益非常可观。 ( 4 )促进果菜品质优化果菜类嫁接的砧木通常采用葫芦、瓠瓜、南瓜、野生茄子及野生两 红柿，其根系发达，生长迅速，嫁接后成穗率高，且对果品的品质有一定的促进作用。 西瓜不产生酸味、不倒瓤，黄瓜无苦味。西红柿酸味不增加。 ( 5 ) 增强耐寒性当西瓜温度低于1 5 0 c ，黄瓜低于1 0 2 0 0 c ，番茄低子l l ，茄子低于j 7 。0 c 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 曼詈! 皇! = 篁鼍鼍詈! 罩詈皇皇! ! 兰詈= ! ! ! = 皇皇! 詈竺竺= ! = 暑皇竺! ! ! 竺! 暑! 暑暑! 竺! ! i ! 时，其生理功能失调，生长缓慢，繁育停止。蔬菜经过嫁接后，其砧木野生性强，因而 可抵御低温，提高了嫁接植株的耐寒性。 ( 6 ) 节约肥料旋用置因砧木的根系分布广，能较大范围的从土壤中吸收养分，供给地上部 分的能力强，供肥力足。 1 1 2 嫁接机器人发展的必要性 我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化生产的不断加速，可以预计农业劳 动力将向社会其它产业转移。实际上，进入2 l 世纪后，我国将面l 临着比世界上任何国家都严重 的人口老龄化问题，农业劳动力不足将会变成现实州。另外，随着我国社会的进步，生活节奏的 加快，饮食结构的变革和加入w t o 后参与国际竞争，必然对进入市场的农产品的质景提出更高 要求。在2 1 世纪，提高农业工程的自动化生产水平将会成为我国农业科技领域的研究热点，用 于农产品生产的各类机器人作为高级自动化设备，在我国将得到推广应用。 在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化，劳动 力不足的现象越来越明显，许多作业项目，如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接都是劳动密 集型的工作，再加上时令的要求，劳动力问题更难解决【”。正是基于这种情况，农林业机器人应 运而生，以此来减轻劳动强度、提高劳动生产效率。 从上一节的分析中可以看出，如果嫁接技术能够被广泛用于农作物的生产中的话，那将给社 会带来多方面的效益。首先，嫁接后的农产品的产量和品质皆有所提高，有利于实现农民的增产 增收；再次，由于农药和化肥的用量减少甚至不用，因此可以大幅度减少残留农药带来的危害， 有效防止环境污染。维护生态平衡。除此之外，经嫁接生产的农产品属绿色无污染食品，不含有 对人体有害物质，有益于人们的身体健康。 然而，尽管嫁接技术有如此多的优势及社会效益，但由于嫁接苗的砧木苗直径在3 4 m m 左 右，穗木只有1 2 m m ，加之幼苗脆嫩细弱，嫁接起来十分费力。而且，受人工所掌握的嫁接技 术要领及熟练程度不同的影响难以保证高质量的作业效果。传统的手工嫁接存在一定的局限性： ( 1 ) 其劳动强度大、作业效率低。据统计，一名熟练工对蔬菜类作物进行嫁接，每小时可完成 1 6 0 2 0 0 棵。( 2 ) 由于操作人员的熟练程度不同其成活率也受到影响。( 3 ) 操作人员如果长时间 连续作业，会对人体健康有所危害，导致一些疾病的发生。由于嫁接费工费时，所以手工嫁接得 不到普遍应用，在许多地区放弃了嫁接栽培，取而代之的是大量施加化肥和农药。这样不仅造成 资源浪费，更严重的是污染了蔬菜，破坏了环境，给人们的健康带来极大危害”w 。为了克服这 些矛盾问题，有关研究人员提出了用机器人代替人进行嫁接的思想。 目前，我国农村正在积极调整种植结构北京、上海、广州、沈阳等地区率先建起工厂化农 业高效示范园区：山东、安徽、浙江、海南等地也在兴建嫁接育苗厂。这些大型的育苗厂需要有 高速、高质、高自动化的嫁接机器人技术”。我国蔬菜、瓜果的生产和设施农业的发展，已经具 备了人力发展自动嫁接机器人的基础和条件，因此，发展自动化嫁接技术，有利于高新技术迅速 转化为生产力，推动我国农业的跨越式发展。由此可见，在我国发展机械化、自动化的嫁接技术 势在必行。 2 1 1 3 营养钵苗自动嫁接机器人的特点 近儿年米，没施农业和温室人枷发展迅迷，并方面的作业技术乜靠t 不断改进。其中育耸力式 突破原来的群播、穴播育出，产生了一种新型的育曲法一营养钵育苗。r 面对穴盘爵茸和营养钵 育曲力式f 1 。h 简单介烈。 f 1 1 穴龠育苗 穴盘育苗是将种于橘种在特定的曲盘内。曲赢根据需要可选扦不同的规格，有7 8 ( 1 3 6 ) 、 1 2 8 穴( 1 6 ( 8 ) 等等，其中每穴按操作要求只播一粒种子，图1 - 1 所示： 图1 - 1 穴盘育苗( 黄瓜) ( 2 ) 营养钵育苗 营养钵是指为培育幼曲专_ l j 的杯状容器，将单粒种子播种在营养钵内进行育苗的方式称之为 营养钵育苗如幽1 - 2 。 图1 - 2 营养钵育苗( 黑籽南瓜) 这种育出力式的优点娃f 1 1 1 ：( 1 ) 嫁接时町以省去从穴箍中拔山砧小的过程：( 2 ) 对嫁接出的 根系损伤小，利j 缓曲；( 3 ) 便于移栽，将嫁接好的砧穗直接从营养钵移栽到人h 即可。 每台机器人的研制必须与实际生产相结合，具有定的实川性。对丁嫁接机器人的缸j f 究来讲， 它的设计思想必须1 育苗方式、嫁接方法紧密相连，即根据不同的嫁接方法陵计出特定的机构米 。之适应。h 前，人多数的嫁接机器人都足针对穴箍育曲方式的。这些基丁穴赢育曲的机器人住 3 蔓竖些大学硕主学位论文 第一章绪论 作业前需由操作人员将苗从穴盘中取出，然后将苗放到识别台上进行嫁接，嫁接完后再将嫁接好 的苗重新种同田里。这种作业方式对于穗木来讲，可能影响不大，但由于砧木要拔出来再种回去， 对其生长将产生很大影响。两营养钵育苗就可以有效克服这种问题，所以开始逐渐得到广泛应用。 营养钵苗嫁接机器人的研究，顾名思义，就是基于营养钵苗的育苗方式，并选择适当的嫁接方法 单子1 切除法设计并加工制造的。 1 2 嫁接机器人领域的发展现状及分析 1 2 1 国外的发展现状 嫁接机器人技术是近年在国际上出现的集机械、自动控制和园艺于一体的高新技术，它可在 极短的时间内。将蔬菜茎杆为几毫米的砧术、穗木的切口嫁接为一体。使嫁接速度大幅度提高； 同时，由于砧穗木棱合迅速，避免切口长时间氧化和苗内液体的流失，从而增加了苗的成活率。 嫁接机器人也因此享有嫁接育苗的一次技术革命的美誉【1 2 i 。据调查统计，日本西瓜的1 0 0 、黄 瓜的9 0 、茄子的9 6 都靠嫁接栽培，每年大约嫁接十多亿棵。从1 9 8 6 年，日本开始了蔬菜嫁 接机器人的研究，以日本“生物系特定产业技术研究推进机构”为主，许多大的农业生产商也参 与了研制开发。y n m a 、m i t s u b i s h 竟相研究开发出自己的嫁接机器人，嫁接对象涉及醒瓜、 黄瓜、西红柿等。日本农业机械化研究所即现在的“b i g - o r i e n t e d t 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 t i n s t i t u t i o n ( b r a i n ) ”，联合农机生产厂家进行共同研究开发，已经形成商品并开始用于农业生产。 t e c h n og r a f t i n gr e s e a r c hl n c ( t g r ) 致力于嫁接苗的规模化生产的研究，该装置能同时嫁接几裸 苗，砧术和穗木的固定使用一种特殊的胶粘荆粘合”。 2 0 世纪9 0 年代初，韩国也开始了对自动化嫁接技术的研究。但其研究开发的技术自动化水 平较低、速度慢，只能完成部分嫁接作业的机械操作，而且对砧穗木的粗细也有较严格要求。在 蔬菜嫁接配套技术方面，日本、韩国已生产出专门用于嫁接苗的育苗营养苗盘。在欧洲农业发达 的国家，如法国、意大利等，蔬菜的嫁接育苗相当普遍，大规模的育苗中心全年向用户提供嫁接 苗，由于这些国家尚未有自己的嫁接机器人，所以嫁接作业一部分仍采用人工嫁接，一部分引进 日本的嫁接机器人进行作业p j | 1 4 1 o 1 2 2 国内的发展现状 中国农业大学率先在我国开展了自动化嫁接的研究工作，并相继研制成功了自动插接法、自 动旋切i 贴接法的嫁接机器人，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了具有我国自主知识产权 的自动化嫁接技术。作业对象包括黄瓜、诬瓜、甜瓜、西红柿、茄子等。于1 9 9 8 年研制成功的 2 j s z - - 6 0 0 型嫁接机器人能够自动完成取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接作业过程，大大提 高了作业效率和质量，减轻了劳动强度；该机设计新颖、精巧，结构筒单、合理，采用计算机控 制，工作可靠，各项技术指标居国内领先水平，为瓜果、蔬菜自动嫁接技术的产业化提供了可靠 的依据m 1 。 2 j s z - - 6 0 0 型嫁接机的各项性能指标如下”6 j ：蔬菜秧苗的砧木和穗木的嫁接过程实现了自动 化：秧苗嫁接速度为6 0 0 棵d 时：嫁接成功率为9 5 ；嫁接成活率为9 2 。本项目的应用给蔬 4 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 菜生产带来了许多益处：提高了嫁接速度，其作业速度为人工的4 倍以上；降低了劳动强度；提 高了嫁接成活率；促进蔬菜生产规模化和产业化。 山东潍坊市农业机械研究所研制的s j z - 1 型蔬菜嫁接机【l ，l 采用靠接( 舌接) 法，最高工作效 率为3 1 0 株，j 、时。该机由电机、控制机构、操纵机构、工作部件和机壳等组成。控制机构是s j z 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或断续工作，并有 电子显示记数功能。其工作原理和外形类似于韩国的自动嫁接机。 另外，由长春自动化技术有限公司和韩国合作i l ”，研制出的蔬菜自动嫁接机主要用下西瓜、 黄瓜和西葫芦的嫁接，也可用于番茄、茄子的种内嫁接。该机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，耗电量为4 瓦，体积为2 0 0 毫米) ( 2 0 0 毫米 1 9 0 毫米，重量为3 8 公斤。 1 2 3对发展现状的几点分析 从国内外蔬菜嫁接机的发展情况来看，蔬菜自动嫁接技术基本上还处于研究开发和试验推广 阶段。通过对国内外几种蔬菜嫁接机技术参数的比较，可以看出目前蔬菜自动嫁接技术还存在一 些问题”】：日本的自动嫁接机，机械化程度和效率均较高，但体积庞大，重量重，另外价格也 比较昂贵，如洋马的全自动嫁接机，价格近2 0 0 0 万日元，与我国的国情不相适应，大多数用户 都难以接受；韩国的嫁接机，嫁接效率低，自动化程度低，成活率也相对较低；目前嫁接的 对象主要是针对穴盘育苗方式。据调查，目前国外尚未有公开发表的关于营养钵苗自动嫁接的研 究文献。 1 3 本课题研究的内容 1 3 1 研究现状简介 在进行了大量的实际调研和现有雄厚的理论基础的前提下，中国农业大学营养钵苗嫁接机器 人课题组的人员审报并作为了“国家8 6 3 计划”项目课题，开始了对营养钵苗嫁接机器人的 研究，所咀本论文的课题开始之前已经具备了一定的研究基础； r 一) 嫁接方法采用了单子叶切除法 适台蔬菜的嫁接方法有很多种，选择一种既有利：j ；：作物生长。又便于实现自动化作业的嫁接 方法对于机器人的设计非常重要。蔬菜嫁接方法多种多样，其中应用广泛的几种嫁接方法主要有： 插接( 顶端直插法) 法、单子叶切除( 贴接) 法、靠接( 抱接或舌接) 法和平接法等。 单子叶切除法是将砧木在生长点处切除一片子叶和生长点，穗木切除胚轴下部和根系，二者 的切口为相互吻合的斜面，切完后将两斜面贴台到一起，再用夹持物固定即可。这种方法操作速 度快、接口愈合效果好，故成活率高、恢复生长快，而且适用于机械自动化操作。 插接法是将砧木的生长点和真叶一同切去，在子叶节处插一深度合适的孔，将穗本沿胚轴切 断后插入该孔中。这种嫁接方法不需夹持物，其成活率也比较高，但要求的作业精度相对较高。 靠接法是将砧木的胚轴切一向下的切口，而对应穗木则在其胚轴处切一向上的切口，然后把 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 砧木和穗木沿切口插靠在一起，再用夹持物固定。这种方法嫁接的苗成活率高，但不易丁| 用机械 方法实现。 表1 - 1不同嫁接方法对黄瓜成括率的影响 2 0 0 1 年2 月2 0 0 1 年9 月 嫁接方法嫁接株数 成活成活率嫁接成活成活率( ) 株数( )株数株数 靠接法7 85 97 6 56 95 l7 3 9 单子叶切除法 1 5 81 3 58 6 49 88 28 3 7 顶芽直插法1 2 21 0 18 2 87 6 6 68 35 嫁接时环境湿度大，温度较高，光照弱嫁接操作时环境干燥，温度高，光照强 平接法是将砧木和穗术均从胚轴处水平切断，然后将砧木的下部和穗木的上部沿切口处接合 到一起，接合处需用粘着剂凼定。这种方法的贴合面小，要保证苗的成活率必需在极短的时间内 完成操作，因而适用于高精度、高速度的机械嫁接。 塔里木农垦大学园艺实验站，以黑籽南瓜为砧木，中农5 号，新4 号两个黄瓜品种为接穗， 将靠接法、单子叶切除法、插接法三种嫁接方法对苗的成活率的影响进行了实验比较。实验结果 ( 表1 1 ) 证明，在相同的嫁接环境下单子叶切除法的成活率最高j 。 ( 二1 实现了砧木子叶方向和生长点高度的自动检测，解决了营养钵苗嫁接机器人其中的一个 关键技术。由以上嫁接方法的分析可知，采用单子叶切除法的一个最大特点就是要在生长点处切 除掉一片子叶，因而需要确定叶子的伸展方向，并对其做出调整以将待切除子叶精确定位在预定 位置。这一解决方案的具体内容将在第二章中介绍。 ( 三) 整体结构不完善，部分装置结构不合理。供苗部分采用圆盘送苗的方式，由了= 离心力的 作用，圆盘不能高速旋转，因而无法适应高速作业的要求；没有设计落苗和排苗机构，嫁接成苗 无法送出；另外，有些部分的结构，如砧木搬运装置、切削支撑装置等不够优化。 ( 四) 作业速度太低，根据初步的估算原试验机的作业速度约为1 8 0 棵，j 、时，比手工嫁接 稍快，因而实用性不高，这也是目前存在的最大问题之一。 1 3 2 本课题研究的具体内容及目的 鉴于以上各种分析，在设计之初对于营养钵苗嫁接机器人的设计提出了如下几个耍求：操作 要简单易行，且工作可靠性强；主要作业对象为葫芦科蔬菜( 如黄瓜、冬瓜等) ；作业速度达到 人工的2 倍( 约3 0 0 4 0 0 棵，j 、时) 以上；嫁接成功率高于9 0 ，并在保证以上作业要求的前提 下，尽量降低机器的成本，以利于推广。总体的设计任务及思路如下： ( 一】首先要对机器人从整体上进行布局，安排好各部分的相对位置；然后将各部分按照其功能要 求设计出相应的机构，再将它们组装到一起成为一台完整的机器人。 ( 二) 作业精度的影响因素是各功能部分自身的结构及相互之间配合的精确度，设计合理的功能部 分及其装备方案来保证作业质量。 ( 三1 设计一套高效率的双c p u 控制系统，解决营养钵苗嫁接机器人作业速度慢的问题，同时还要 6 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 保证工作的可靠性。 ( 四) 完善机器人的必要功能，如启动、停止、暂停等：合理选择元器件，尽可能的降低生产成本， 以利于推r 应用。 7 第二章营养钵苗的参数分析 营养钵苗嫁接机器人的研制应具有实用性和针对性，所以应适当选择嫁接对象，尽量使机器 人具有较广泛的适应性；另外，当确定了作业对象后应该以它的各项特性参数作为设计的依据， 因此需对营养钵、砧木及穗木的相关参数进行测量并统计计算。 2 1 砧木及穗木的选择 黄瓜是人们喜爱的蔬菜，属世界主要蔬菜之一。国内黄瓜的种植面积在葫芦科蔬菜中位居 前列，并且北方地区的越冬黄瓜几乎都要经过嫁接。因而，为适合国内蔬菜市场的需求情况，实 验研究中选用黄瓜作为穗木。 在黄瓜嫁接品种的选择上，河北职业技术师范学院园艺系在广泛搜集河北省南瓜种子资源的 基础上，采用不完全双列杂交，配制杂交组合获得9 个一代杂种，以黑籽南瓜为砧木，与津春3 号黄瓜嫁接，对嫁接黄瓜成株期的第一雌花节位、雌花节率、节闻长、叶柄长、茎粗、早期产量和 品质等性状进行了初步研究。结果表明；砧木对嫁接苗成株期、早期产量有显著影响，穗木对叶 柄长和果实品质m 有显著影响；嫁接后的苗很好的继承了砧木和穗木的优点，具有生长快、抗病 能力强、果实品质好、产量高等特点【l 。因此，营养钵苗嫁接机器人的作业对象选择漳春3 号为 穗木、黑籽南瓜为砧木。 2 2 砧木及穗木的特性 砧木和穗木的各种特性直接关系到机器人机械结构的设计，因此需要对各种参数进行测量。 营养钵苗嫁接机器人作业试验所用的砧木和穗木是在白建的温室中培育的，操作过程严格按照生 产要求进行： 图2 1 砧术和穗木的测量参数 8 主里奎些查粤墅士兰竺论文 第二章营养钵茁的参数分析 ( 1 ) 种子处理嫁接所用的砧木、穗木种子在播种前都要进行种- y # k 理。方法是先将种子放入 6 0 c 左右的温水中浸泡5 小时之后，用湿布包好放入塑料袋中，然后将其放入保温箱中催芽， 温度一般控制在2 5 。c 左右。如果环境温度较高【 2 5 1 2 ) 可以不必催芽。 ( 2 ) 营养土消毒处理主要是为了去除土中的病菌，防止土传病害对穗木的影响。常用的方法 是将过氧乙酸或福尔马林配制成稀溶液，然后兑入营养土中充分搅匀，之后_ i = j 塑料薄膜覆盖。 经过7 1 0 天后，揭开薄膜，将营养土充分翻动，使残余药液消失。 ( 3 ) 播种待砧木、穗木种子长出芽以后便可进行播种，砧木和穗木分别播种在营养钵和穴盘 内。一般来讲，穗木要比砧木晚播种3 4 天。 ( 4 ) 苗期管理保证适当的温度和光照时间，使砧木和穗木正常生长。当砧木和穗木分别长比 两片子叶，且真叶刚长出时为嫁接适宜期，可执进行嫁接操作。 嫁接苗培育好之后，就可以对苗的有关参数( 图2 - 1 ) 进行测量了，测量参数包括营养钵的 重量m 、直径d 和高度h 2 ，砧木的直径中1 、高度h i 、倾斜角度q ，穗木的高度h 3 、直径 中2 等参数。测量结果如表2 - 1 所示。 表2 - 1 砧术、穗本的特性参数 营养钵砧木( 营养钵苗)穗木 样 生长点 本 重量( 含砧术)直径m 1株高h 1倾斜角质量i l l直径中2株高h 2 高度 号 ( g )( m m )【m m )度n ( 。1( g )( m m ) ( r a m ) ( m m ) 11 3 9 3481 4 51 1 12 51 0 5245 l 21 7 7 54 51 6 01 3 241 1 2214 5 31 5 7 03 i1 3 81 0 631 2 41 83 9 41 4 7 04 91 3 21 0 64 51 2 0i 63 5 51 4 3 5501 3 71 1 281 3 l24 8 61 5 4 63 91 4 81 1 03 81 0 92 24 1 7i 3 8 24 61 5 01 2 l3 01 3 5l74 4 81 3 5 03 61 4 51 1 71 01 1 31 73 8 91 4 3 6 3 91 5 5 1 2 62 01 2 223 7 1 01 , 5 2 34 01 5 21 3 03 51 2 82 44 2 1 l1 5 8 1431 3 51 0 81 51 1 5223 7 1 21 2 5 73 71 3 01 0 63 5t 0 81 63 8 1 31 3 80331 3 s1 1 03 01 2 02 32 9 1 4t 2 9 54 21 4 51 2 01 51 2 52 23 4 1 51 4 5 93 、81 4 01 1 91 51 3 61 94 0 】61 3 6 84 71 5 21 3 04 0】2 72 j4 1 1 71 6 1 54 11 3 01 1 13 01 1 423 3 1 81 5 553 41 4 41 1 82 01 1 91 83 6 9 1 91 7 0 43 71 4 21 1 73 51 2 32 24 0 2 01 1 2 13 81 3 81 1 52 51 0 82l4 2 2 11 5 6 241 5 51 3 04 51 3 21 53 1 2 21 3 2 23 61 4 51 2 22 51 2 7 213 3 2 31 2 7 0411 5 01 2 44 51 1 31 73 8 2 41 6 3 03 91 4 61 2 l2 51 2 0 l43 4 2 51 4 4 74 7 1 4 41 1 95 01 2 4 184 2 2 3 参数的统计分析 ( 一) 营养钵的参数分析 营养钵苗的重量关系到送、排苗传送带的功率及搬运机械手的强度，对其进行平均值及极值 分析如下： 2 5 m ，m ， 重量m 的均值 m 谇2 型万一2 上去_ 2 1 4 5 8 9 重量m 的最大值 m m = m a x ( m 。) = 1 7 7 5 9 在机械结构的设计中为了保证足够的强度、工作安全可靠，通常采用最大值安全系数作为 设计的参数来进行设计计算。根据设计规则，取安全系数为1 5 ，因此营养钵苗嫁接机器人中与 苗钵重量有关的部分均按照m - - - - 1 7 7 5 x 1 5 = 2 6 6 2 5 9 来设计计算。 ( = ) 砧木的参数分析 砧木与机械结构相关的参数比较多，包括直径、高度、倾斜度等；对其进行统计分析如下 砧木直径的平均值 砧木直径的方差 q ) l ，q ) l 。 q ) l = j 墨一= j 二l 一= 4 ，1 m m 2 5 羔( 叭一面) ： ( 0 1 ，- q ) 1 ) 2 j v2 5 = o 2 5 由以上计算可以看出，砧木直径的差别不大，因此取其最大值作为设计参数，这样可保证所 有的苗在嫁接过程中都不会受到损伤：另外，由于方差较小，所以也不会因选用了最大值作参数 而使作业的精度受影响。 生长点高度的最大值h 1 = 尬4 x 1 ，) = 1 3 2 m m 生长点高度的最小值h im i = m i n ( h 1 。) = 1 0 6 m m 1 0 中国农业大学硕士学位论文第二章营养钵苗的参数分析 生长点高度差的最大值 = h l 一一h l m i 。= 2 6 m m 砧木的高度直接关系到识别台上下浮动的范围以及夹钵与夹苗机械手之间的距离。为了保证 所有的苗都可以被识别，采用“系数1 5 高度差”作为识别台的工作范围。 倾斜角的最大值a 一= a 烈x 0 ) = 5 0 0 倾斜f l 勺最人距离d 。= 一a b = s i n ( a 。) ( h 1 一h 2 ) m 。 1 9 9 m m a ( h l 一 穗木直径的方差 高度的平均值 s a , 2 ：2 = o 0 7 5 由方差分析可以看出，穗木直径的差别不大所以选择穗木直径的最大值作为供苗装置 的设计参数( 原理同砧术参数的选择) 。 仡嬲 扣百扣丁 丽 主壁查些查兰! ! 壁学位论文 第三章营养钵苗嫁接机器人的机械结构 第三章营养钵苗嫁接机器人的机械结构 3 1 农业机器人的特点 农业机器人可简单定义为一种以农产品为操作对象，具有人类的部分感知和四肢行动功能， 可自动编程的柔性自动化或半自动化的设备。能够部分模拟人类的智能的农业机器人则称为智能 型农业机器入。 与工业机器人相比，农业机器人由于受到经济、技术及工作环境的影响，因而发展较慢。农 业机器人从总体上来讲有以下几个特点2 1 】：由于其经常工作在大田或温室里，受自然环境， 如气候、地面等，影响较为严重，所以必须保证t 作可靠性和安全性；由丁j 劳动力的转移，农 村劳动力中老年人和妇女将占多数，设计者需考虑到使用者的实际情况，尽量使操作简单方便， 不需要复杂的技术培训：农业机器人的作业地点一般不是固定不变的，有时需要经常移动，甚 至边行走边作业，因此其结构要紧凑，重量轻，便于移动：价格问题，工业机器人所需大茸的 投资由工厂或企业集团负担，购买力强。而农业机器人的购买以个体经济为主，如果价格不合理， 将很难推广应用；作业对象是有生命的农业作物，作业过程中容易受到损害，而作物一旦受损， 将会影响其生长。所以对机械手的材质、作业力度、精度和灵活性都有严格的要求。 嫁接机器人属于农业机器人，因而它具有农业机器人的以上莛性。除此之外，由于嫁接作业 的特殊要求，它义有自己的特点：它必需解决蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长的不一致性等难 题，实现蔬菜幼苗的严格定位、快速抓取、良好切削、准确接合，嫁接工艺应有利于嫁接后苗的 成活和正常生长。 3 2 整机结构及工作流程图 以上的分析是设计的基础，为营养钵苗嫁接机器人的设计提供了理论依据。然而，每台机器 人都有其特定的_ _ t ：= 作目的，需要有特定的机构来实现。因此，除了了解设计的基本原则之外，还 需对该机的作业原理及t 作流程做到全面的了解。另外，针对营养钵育苗的特点，该机器人廊该 有一套适应营养钵苗嫁接作业的特殊机构，这是现有嫁接机器人所不具备的，也是此研究设计上 作的核心之一。 3 2 1工作原理 根据上一章的介绍，以黑籽南瓜苗作为砧木，采崩营养钵苗育苗方式：以密刺黄瓜为穗木， 采用穴盘式育苗方式；嫁接方法为单子叶切除法。下面由示意图3 1 来说明嫁接的原理。要实现 黄瓜和黑籽南瓜的嫁接，需要完成的操作有砧木的切削、穗木的切削和砧、穗木的接台及蚓定。 其中，砧木的切削要求在生长点处将一片子叶准确切除，砧木的切削效果，不但对嫁接成功与否 起着重要作用，而且还直接影响到嫁接后苗的成活率及生长状况。 1 2 主里垒、业查兰! 堡圭 ! 堡堕苎第三章营养钵苗嫁接机器人的机械结构 由此可见，完成一个嫁接过程要先切削砧术和穗木。由于砧术要在生长点处切除一片子叶， 所以调整好生长点的高度，使其正好在切点处：为了切除一片子叶而又不损伤另外一片，故两片 徘吖唏节 撇 砧木 削 图3 1 切削与嫁接原理图 子叶的展开方向要与切刀的方向垂直。穗木在其生长点下方2 3 c m 处将茎杆切断。然后将切削 后的两棵苗接合到一起。切削过程要保证砧木和穗木的切削角度相同，这样才能使接合完全，且 嫁接后苗不会出现歪斜现象。接合后的苗需要有特定的固定夹子将两斜面固定到一起，夹子的体 积、夹合的力度和位置都有需要有合理的设计，既要按要求完成操作，又不能损伤苗。 按照以上的作业规范，将一个完整的嫁接过程按作业顺序进行详细划分，需要由砧木供苗、 穗木供苗、砧木子叶方向检测、砧木生长点高度检测、砧木旋转搬运、穗木旋转搬运、切削砧木 和穗术、接台砧木和穗术、固定接合处和嫁接成苗排出十大部分组成。各部分之间的动作需相互 协调、相互衔接，根据作业要求，设计其工作流程如图3 - 2 所示。 3 2 2 机械结构的整体布局 在熟悉了作业流程之后，对机器人的机械结构进行整体上的布局( 图3 - 3 ) 。整体布局是一切设 计，f ：作的基础，所以必须使其达到合理化、最优化。该机器人的整体结构安排如下：砧木用传送 带装置来输送，砧木营养钵到位点与识别台设计在一条直线上，以利于将苗推送到识别台上；砧 木识别台与切削点的位置以及穗木供苗台与切削点的位置之间各相差9 0 0 这样就可以用两个 旋转角为9 0 0 的旋转马达来分别实现砧木和穗木的搬运：将砧木和穗木的切削点的安置既考虑到 切削的方便义要保证接台准确：两切削点在同一圆的条直径的两个端点上，当旋转切削刀旋转 时可以同时完成砧木和穗木的切削，而且可以保证砧木和穗木切削角度相同；接合处在切削圆周 的中心，当搬运伸缩气缸伸出时两切削斜面刚好吻合；由于送夹机构的安置与两切削点的连线垂 直，当苗接合好后送夹机构将固定夹推出，送到接合处夹合，从而将砧木和穗术固定到一起：白 图3 - 2 营养钵嫁接机器人工作流程图 动排苗装置在接合处的下方，排茁机械手将嫁接好的苗从搬运机械手中接过来，然后下落，将其 放到下方的传送带上，由传送带将嫁接成苗送出。 砧木自动 搬运系统 砧木生长点 识别系统 砧木自动送苗系统 皂动送 丧系统 切削 系统 落苗排苗系统 穗木送 苗系统 毽木自动 搬运系统 图3 - 3 营养钵苗嫁接机器人的整体布局图 以上布局比较合理，提高了空间利用率，使结构简洁、紧凑，有利于提高作业精度；作业距 离短，提高了工作效率；而且需要人工操作的部分在外侧，便于操作。 1 4 3 3 主要组成部分的作用及结构 3 3 1 元器件的选择 机器人的机械结构是整台机器的骨架，也是其最终执行部分。其结构是否合理不但直接影响 作业质量，还会关系到机器的外观和制造成本。本机的执行机构主要采用气动元件，如气缸、气 爪等。气动元件有很多优点：靠压缩空气来实现动作，因此无泄漏、无污染，利于环境保护；气 泵体积小，操作简单，搬运方便；气量可调，可根据需要随时调整机械手的力度。 另外，运送机构主要由步进电机来完成，步进电机是自动控制中的常用器件。所谓步进是指 每发出一个脉冲，电机就转过一定的角度。这个角度叫做步距角，是电机所固有的。但大多数电 机都设有细分功能，如进行n 细分后，其步距角将变为原来的i n 。本机器入所采用的是四通电 机( s t o n ee l e c t r i c ) 中的5 7 系列两相混合式步进电机。它具有小体积、高转矩、低振动的 特点。其步距角为1 8 0 ，可进行2 细分、4 细分、8 细分、1 6 细分等。与步距角类似，其工作电 流也是可细分的。二者的大小选择均根据实际工作需要来确定。 3 3 2 砧木供苗装置 砧木供苗机构就是砧木苗准确送到下一动作( 识别动作) 的开始位置。考虑到营养钵育苗的 特性，决定采取传送带和推苗机械手来实现这一功能。 ( 一) 传送带装置 图3 - 4 营养钵苗嫁接机器人供苗装置 操作人员将砧木营养钵放到传送带上，使苗随传送带一起运动，试验表明传送带供苗工作可 靠、速度快，能够满足要求。它由皮带、带轮、张紧装置和电机组成。 其中，步进电机的选择由许多方面的因素：额定电压、输出扭矩和电机的转速等。本系统提 供了5 v 和2 4 v 两种直流电压，2 4 v 的直流电源可满足步进电机的工作需要。 ( 1 )输出扭矩m 需根据营养钵苗的重量和传送带的摩擦系数来确定，公式为： 中国农业丈学硕士学位论文 第三章营养钵苗嫁接机器a 的机械结构 一：t 1 一e 器鬣 钵质量的昂大值为2 6 6 2 5 。所以g 最大= l 斗二埭试l _ 一 0 2 6 6 2 5 9 8 2 6 0 l n ：传送带的材料为卜叶p 呔弋叫 有机塑料，其摩擦系数由表查得：u = 4 r 十七 ，1 譬为力臂l = n 0 2 m 棚陇计算m 吣 二亡二工二 频率( 1 ( h z ) 则由公式计算得： ；- i ：3 0r s 刀口 3 3 3 穗木供苗装置 穗木供曲装置是将穗木准确固定在搬运机械手的抓取位置，使取茸机械手每次都夹在穗木的 同一位置，以保证每棵苗的切削位置和角度的一致性。这一装置是参照2 j s z - - 6 0 0 型嫁接机器人 设计的，与其结构基本相同。 3 3 4 砧木苗检测识别装置 ( 一) 子叶方向和生长点高度识别机构 对于营养钵苗嫁接机器人来说这是很重要的组成部分。这部分参照原来的机构采用机电识别 的方法，即用髓台步进电机和两个传感器。电机1 的旋转带动营养钵一起转动，以此来调整子叶 的方向，当叶子方向转到所要求的位置时，传感器1 发出检测信号，电机1 停止转动。电机2 用 米调整生长点的高度，电机2 与一螺杆相连，使螺杆与电机2 同步转动。螺杆的转动使与其相连 的托盘产生上下运动，当生长点高度到达切削位置后，传感器2 发出检测信号，使电机2 立即停 止转动，从而实现了苗的生跃点的高度的调节。在工作过程中，当砧木苗到达厉两个电机是同时 1 6 中国农业大学硕士学位论文第三章营养钵菌嫁接机器人的机械结构 l 、支架i 2 、支架2 3 、基准平台 4 、导轨 5 、联接平台 6 、支架3 7 、识别平台 8 、电机l 9 、导杆 1 0 、螺杆 i i 、螺母 1 2 、联轴器 1 3 、电机2 营养钵苗嫁接机器人识别装置 开始转动的，也就是说，子叶方向和生长点高度的检测是同时进行的，这样