机械手式水稻有序行抛机的设计研究1

机械手式水稻有序行抛机的设计研究机械手式水稻有序行抛机的设计研究马瑞峻 指导教师：区颖刚 邵耀坚（华南农业大学工程技术学院）摘要：为了适应水稻抛秧移栽这种新的种植模式，研制了一种机械手式水稻有序行抛机，该机可将工厂化穴盘育秧秧苗自动拔起并按株行距有序地定植于田间。介绍了行抛机整机结构和工作过程。借鉴工业通用机器人原理，设计了一种夹子式机械手，该机械手只有两个自由度，利用单片机编程可进行全自动控制。研究设计出一组空间曲线滑道用来分秧，以达到秧苗在田间种植的农艺要求。关键词：水稻 行抛机 机械手 设计0 前言发展与解决水稻机械化已成为中国当前农业机械化的重点问题。实现水稻种植机械化是水稻生产全过程机械化的关键环节之一。水稻用塑料软盘工厂化育秧后进行人工抛栽是水稻移栽种植体系中的一种新的种植模式，已经在广东省及全国得到大面积推广。人工抛栽的秧苗在田间分布的无序性给后续田间管理和收获带来了困难，人工难以实现的水稻有序抛栽种植必须由机械完成。水稻抛秧机要解决的主要问题有两个，一是有序化栽植，二是穴盘中秧苗的自动供给。因此，在仿人工抛秧的全过程研究基础上，设计了一种由单片机编程控制的全自动机械手式新型水稻有序行抛机，可自动完成从穴盘中拔起取出秧苗并按固定的行、株距进行有序栽植。本文对机械手式有序行抛机主要工作部件进行了设计研究。1 机械手行抛机专用育秧穴盘设计在中国，水稻工厂化育秧用的塑料软盘，穴孔形状均为上大下小的传统的倒圆锥台形状，穴孔分布呈三角形交错布置，这种布置的秧盘优点是单位面积上可分布更多的穴孔数，充分利用了塑盘面积空间，适宜于人工抛秧时供秧用，但对机械化自动从秧盘中拔秧后抛植来说，显然增加了机械复杂程度，需要有秧苗横向错位进给机构，且相邻两行秧苗穴数不同，难以达到有序地按株行距定植的农艺要求。因此对机械化拔秧抛植作业而言，三角形布置的穴孔秧盘是不可取的，矩形布置显然较好。针对机械手式行抛机设计了穴孔为四方形布置的专用穴盘，其结构如图1所示。605330171810图1 机械手式行抛机专用穴盘机械手式行抛机专用穴盘外形尺寸与通用561穴秧盘一致，为330mm605mm，其余尺寸穴孔上径为17mm，高18mm，底径为10mm，底部正中开2mm小孔。穴盘上共有1426=364个穴孔，秧盘横向穴孔外边缘之间间隙为6mm，两边穴孔边缘距秧盘边缘6.5mm；纵向中间两行穴孔外边缘之间间隙为10mm，其余穴孔外边缘之间间隙为6mm，距两边秧盘边缘距离为5mm，这样秧盘从中间分为两部分，每部分是7行秧苗，与机械手秧夹一次夹取7穴秧苗种植相一致。所以该秧盘穴孔纵横向中心距均为23mm，这样设计是由于利用滑道分秧和机械手打开插入秧行夹取秧方式所限制，致使相邻穴孔间距离不能进一步减小。2 机械手行抛机结构和工作原理 机械手式行抛机结构如图2所示，采用插秧机机头作为动力源驱动。其工作原理为：育好秧的秧盘由人工放在送秧机构上后，行抛机在动力源驱动下前进，按下自动控制按钮，机械手开始工作。首先送秧电动机将秧苗送至拔秧位，被传感器检测到后电机停，秧盘一侧的机械手动作插入秧行夹持住秧盘中半行秧苗（7穴）并拔起，此时秧盘另一侧机械手动作插入秧行夹持住秧盘中另半行秧苗拔起，于是两机械手先后相继有序地将各自拔取的秧苗送至相应落秧滑道处，秧夹打开，秧苗沿滑道下落定植于田间。至此秧盘中一行秧被两只机械手拔取抛植完毕，送秧机构继续动，继续下一行秧的拔取种植。工作中暂停或结束机械手动作，可按相应按钮控制。17901 送秧机构 2 机械手 3 落秧滑道 4 放秧架 5 驾驶座6 操纵手柄 7 变速箱 8 发电机 9 发动机 10 驱动轮 11 牵引架 12 机械手支架 13 船板 14 回收箱图2 拖板式机械手行抛机所设计的拔抛秧机械手只有2个自由度，包括一个水平送秧运动和一个垂直拔秧运动；采用的秧夹为夹子式秧夹，秧夹夹指长为160mm，宽15mm，可一次夹起7穴秧，秧夹开启与闭合通过24VDC电磁铁吸合一个锲形块作升降运动来实现。机械手工作过程示意图如图3所示。右移左移下降上升放秧夹秧1321 秧盘 2 机械手秧夹 3 落秧滑道图3 拔抛秧机械手工作示意图秧盘由电机通过皮带输送进给，当传感器检测到秧盘中秧苗到达拔秧位置时，送秧电机停，机械手水平运动机构左移使秧夹从一行秧侧部行间间隙顺着秧苗插入，到位后水平移动电机停，夹秧电磁铁通电，锲形块上升，秧夹在弹簧力作用下夹住秧，垂直运动机构上升，拔起秧苗到位后电机停，水平运动机构右移到落秧滑道正上方停，垂直运动机构下移过程中电磁铁断电锲形块下行迫使秧夹打开，秧苗落入落秧滑道中定植于田间。如此，循环往复上述动作。水平、垂直运动机构到位均由位置传感器检测控制电机停。为提高生产效率，将秧夹垂直下降和电磁铁通电放秧两互不干扰又相互关联的动作同时进行，这样节省了动作时间，缩短拔抛秧动作周期，而前几个动作，必须一个执行完才能执行另一个，要求次序进行。该机械手动作过程由AT80F51单片机编程控制实现。3 秧夹的结构设计和受力分析设计的机械手秧夹如图4-a所示。最终其结构尺寸为：H=130mm，a=15mm，b=47mm，c=10mm，h=50mm，d=7mm，=30。秧夹指面粘贴有软性材料。NdHchbaB1BA1AK+NGPF（a）秧夹结构尺寸图 （b）秧夹受力分析图图4 机械手秧夹结构及受力分析秧夹受力如图4-b所示。夹秧时，电磁铁通电，铁心吸合上升，带动锲形块上升，此时电磁力QF（包括锲形块自重mg及弹簧压缩力f1=k1x1）。F力不对秧夹作用，秧夹在自身弹簧力作用下夹住秧，则有： （1）秧夹放秧时，电磁铁断电，锲形块在重力mg和弹簧力f2=k1x2作用下下行，合力设为F，此合力的分力N作用在秧夹上，克服秧夹的压缩弹簧力K及秧夹自重作用将秧夹打开，秧夹打开时夹秧力P=0。所以秧夹打开时受力方程如下： （2） （3）4 分秧滑道的设计育秧穴盘中秧苗间距为23mm，必须分成200mm距离才能达到水稻田间种植的农艺要求。因此需要设计一组分秧滑道。机械手将秧苗从秧盘中夹持拔取出来，送到滑道上端，由滑道进行分秧与限位落秧。分秧机构由7条滑道组成，每条滑道均匀分布在同一竖直平面内，滑道上端7个开口部分紧密排列在一起，与机械手夹持的7株秧苗一一对应，相邻滑道中心距等于育秧穴盘中相邻穴孔中心距，即23mm；滑道下端7个开口之间间隔距离为秧苗行距，为200mm。滑道整体安装于抛秧机中心线偏外侧，故每条滑道呈不规则放射状固定于竖直平面内。滑道偏离送秧机构中心线越远，则滑道下落倾斜角度越小，越难于落秧。最后确定距送秧机构中心线250mm处开始安置滑道。理论上讲，每条滑道中心线为平面平滑曲线时最有利于秧苗滑行，考虑到实际加工制造时的困难，将每条滑道中心线改成圆弧与直线相连。滑道中心线从上到下为“垂直线过渡圆弧倾斜直线过渡圆弧（垂直线）”连接。圆弧段与滑道直线段全部相切。见图5所示。图5 落秧滑道设计计算示意图在7条滑道中，滑道1直线段下滑（倾斜）角度最小，故只研究秧苗在滑道1中倾斜直线段中受力情况。设秧苗质量为m，与滑道壁摩擦系数为f，保证秧苗下滑需有：arc tg f，即只要保证滑道倾斜角大于秧苗营养土钵与滑道壁摩擦系数的反正切值即可。设计滑道高为1035mm（如需加高，滑道下部直接加长直线段即可），另一组机械手落秧滑道与其反向对称布置。7条滑道计算公式如下。令：H滑道垂直高度，1035mm；a垂直段滑道中心线距对称中心线间距离，管形滑道外径等于穴盘中一行秧苗相邻两穴中心距，a=250+c/2+c（i-1），滑道外径c=23mm；i=1，2，7为滑道序号；b滑道末端中心线与对称中心线间距离，b=nd，d=200mm为秧苗在田间行距（滑道数为奇数，为偶数时b=d/2+nd），n为整数；r1垂直段与倾斜直线段之间过渡圆弧半径，mm；r2滑道末端过渡圆弧半径，通常将其选为田间行距大小，r2=200mm；L倾斜直线段长度，mm；倾斜直线段倾斜角度；过渡圆弧圆心角；则可知末端过渡圆弧圆心角和直线段与倾斜直线段之间过渡圆弧圆心角均为，且： （4）r1和L的计算公式为： （5） （6）或 （7）倾斜方向与其余滑道相反的第7条滑道，计算时将a+b换为b-a代入公式即可。表1为7条滑道按上述方法设计而得的各参数理论计算值。第6条滑道无过渡圆弧段。表1 7条滑道设计参数理论计算值滑 垂直段 过渡圆弧段 倾斜直线段 过渡圆弧段道 长度 圆心 半径 弧心角 长度 倾斜角 圆心 半径 弧心角号（mm） （mm）（ ）（mm）（ ） （mm）（ ）1 90 (135.7,-90）125.8 47 1032.2 43 2处 200 472 90 (129.4,-90）155.1 40 935.6 50 3处 200 503 100 (-10.6,-100）318.1 33 788.3 57 4处 200 574 100 (-71.3,-100) 401.8 22 765.3 68 5处 200 685 110 (143.8,-110) 209.7 10 848.1 80 6处 200 106 110 925.3 88.54 7 110 (695.7,-110) 296.2 13 834.8 77 6处 200 13所设计的滑道，利用外径为25和32的PVC工程塑料管制作的实物模型，通过华南农业大学土槽台车试验，秧苗通过性良好。秧苗按行有序排列，但同一次落下的秧苗不按整齐的列排列，有待进一步优化设计成空间曲线滑道来解决。5 结论为适应水稻抛秧种植新模式，提出了一种机械手式有序行抛机，可自动完成从育秧穴盘中拔起秧苗并定植于田间的全过程。所设计的拔抛秧机械手只有2个自由度，采用夹子式秧夹，结构简单，其工作过程利用单片机编程经过调试可以实现。设计了一组曲线滑道用来分秧，根据给出的设计方法制作的实物模型经过实验室土槽台车试验证明秧苗的通过性良好，解决了工厂化育秧穴盘中秧苗自动分秧的难题。参考文献1 邵耀坚.水稻工厂化育秧拔苗抛植机械手及仿生机理的研究.华南农业大学学报,2000,21(1):78812 李允文.工业机械手设计.北京:机械工业出版社,1996THE STUDY ON THE MANIPULATOR TYPE RICE ORDER THROWING MACHINEMa ruijun Ou yinggang Li zhiweiShao yaojian(College of Polytechnic, South China Agricultural University)Abstract：Based on the bionics-analysis of hand gripping and throwing of rice seedlings in the paddy, a manipulator type of orderly throwing machine is designed to adapt the new planting model of rice seedlings throwing transplant. The manipulator can automatically pull up the rice seedlings sprouted in the cell-tray at industrial nursery and orderly plant the rice seedlings into paddy according to the requirements of planting rice seedlings. The whole construction and working processing of orderly throwing machine are introduced. Applying the principle of common industrial robot for reference into agriculture machine, a kind of clip gripper of manipulator is designed. The manipulator arm has two degree of freedoms. The manipulator is automatically controlled by single chip microcomputer using assembled language program. A group of space curve chutes a