关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机设计

张秀花，谢晓东，弋景刚，杨淑华，孔德刚，袁永伟



关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机设计

张秀花，谢晓东，弋景刚，杨淑华，孔德刚，袁永伟

（河北农业大学机电工程学院，保定 071001）

为解决中国蔬菜育苗播种后人工摆放穴盘劳动强度大的难题，设计了关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机，并对机器的关键部件进行了理论分析及设计计算。确定了以关节式机械手作为摆盘执行机构，对其进行了数学建模并得到了摆盘机械手运动学方程。在单因素试验的基础上，进行Box-Behnken Design响应面优化试验设计，探求了穴盘输送高度、输送角度、输送速度3个关键参数对穴盘间距合格率、穴盘摆正率、穴盘排齐率3个评价指标的影响规律，利用Design-Expert软件对试验结果进行方差分析，建立了评价指标与各影响因素的数学回归模型，并进行响应面分析，得到了影响摆盘效果的3个关键参数的最佳组合为：穴盘输送速度为60 mm/s，穴盘输送角度为31°，穴盘输送高度为40 mm。并对优选出的最佳摆盘参数组合进行了试验验证分析，试验结果为：穴盘间距合格率97.6%，穴盘摆正率96.5%，穴盘排齐率95.7%，试验结果与理论预测值的误差绝对值均低于5%，表明摆盘执行机构在最佳工艺参数组合下工作平稳可靠，满足穴盘摆放技术要求。该研究可为全自动化、智能化穴盘摆放机的设计提供参考。

机械化；设计；优化；蔬菜育苗；关节式机械手；穴盘摆放

0 引 言

中国目前采用育苗移栽方式培育的蔬菜占到了蔬菜种植总量的60～70%。一般使用穴盘在固定点完成装基质土—播种—覆土工作，然后人工搬运到温室大棚进行育苗[1-5]，劳动强度大，而且搬运时需将穴盘叠放在一起，穴盘内的基质土和种子会受到挤压。中国的育苗穴盘大多数以软盘为主[6-8]，在棚内摆放时穴盘的变形还会引起穴盘内基质土和种子移位，影响育苗质量[9-11]。研制实用可靠的播后穴盘摆放装置对提高蔬菜育苗质量和减轻劳动强度具有重要意义。

国外关于穴盘叠放以及摆放方面的研究起步较早，日本久保田株式会社在穴盘的叠放、运输方面已经形成了一整套自动化程度较高的机械化生产线[12-13]；此外，日本井关、日清、三菱等株式会社都研究出了各自的育苗流水线[14]，其中洋马公司和久保田公司研制的SST型、YS型等育苗设备技术较为先进[15]，久保田SST型叠盘设备通过PLC控制多个连杆机构的开合顺序，配合液压缸的伸缩动作，叠盘效果好，自动化程度高；荷兰CODEMA公司研制的育苗设备通过拨杆与气缸的配合可实现自动叠盘操作，工作效率高[16]；荷兰KG、Van Zall以及Logiqs Agro等集团公司利用多层轨道输送、安装多个驱动构件等方式可对堆叠后的穴盘或苗床后进行整体输送，过程靠计算机控制实现，整个流水线实现了穴盘育苗育秧自动一体化生产[17-18]。

中国针对穴盘的叠放以及摆放的研究起步较晚，大多数企业采用人工叠放、摆放的方式，技术比较落后，近年来国内部分高校和科研单位开始重视工厂育苗技术和相关设备的探索研究，以加快中国工厂育苗技术的研究进程[14-15]。马静龙等[19]研制了一种自动摆盘装置，该装置通过3个输送装置进行输送和姿态转换，末端由1种4自由度的直角坐标系机械手实现穴盘的摆放，该装置运动链长，机械手安装在由4个立柱支撑的横梁上，不能移动，无法实现棚内转运和摆盘作业。马旭等[20]研究的叠盘机构，由PLC控制气缸驱动秧盘输送机构、秧盘升降机构实现软盘和硬盘的自动叠放，能够与穴盘育苗流水线整合到一起，但是没有后续的转运与摆盘作业，仅是固定流水线上摆盘前的1个重要环节。

综上所述，国外把叠盘摆盘工序很好的整合到了穴盘育苗的流水线内，自动化程度高、生产效率较高，但是占地面积大不适合中国小型大棚温室使用，也未见在中国引进和推广应用；国内的研究大多集中在流水作业中的1个环节，仅实现叠盘或者摆盘的单独作业，且均为固定式作业，灵活度差。本文针对人工摆盘作业中劳动强度较大、软穴盘内种子易受挤压移位等问题，探究合理的机械式叠盘、摆盘模式，进而设计出应用于小型大棚温室播种后的软穴盘、集叠盘搬运摆盘为一体的可独立行走，又能与播种流水线无缝对接的摆盘机械，以期推动中国机械化育苗产业的发展。

1 整机结构与工作原理

关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机（简称摆盘机）的整体结构如图1所示，主要包括底盘行走转向装置6、升降装置5、穴盘叠放旋转推送装置1、摆放装置4等。摆盘机的工作过程如下：1）升降装置调整整机高度以适应播种机输出穴盘的高度，将完成播种覆土的穴盘装入摆盘机的叠放装置；2）整机靠底盘行走转向装置运动到育苗穴盘摆放位置，完成穴盘摆放前的准备工作；3）摆放装置工作，配合底盘行走装置，将穴盘摆放于地面或穴盘架。

1. 穴盘叠放旋转推送装置2. 摆盘器3. 穴盘摆放架4. 摆放装置5. 升降装置 6.底盘行走转向装置

如图1所示，摆放装置主体是1个三关节的机械臂，由安装在3个关节处的电机协调控制可以调整末端摆盘器的高度以适应不同场合穴盘需要摆放的高度。摆盘器是1个小型传送带系统，当系统中的电机工作时，可将置于传送带上的穴盘输送至摆放位置，在完成1个穴盘的摆放操作后，摆盘器在三关节机械臂的作用下升起，同时机器移动1个穴盘长度，升降部分中的电推杆工作，令成垛穴盘下降1个穴盘的高度，即令成垛穴盘中从底部数起第2个穴盘的底部高度与摆盘器传送带顶端端面高度统一，此时穴盘叠放旋转推送装置中的电推杆再次工作，将穴盘推送至摆盘器上，完成第2次推盘操作，通过三关节机械臂以及输送电机完成第2次摆盘操作，如此循环往复直至完成1个穴盘垛的摆放，进而完成4垛穴盘的摆放。机器的升降装置和旋转推送装置是2个相互独立的机构，工作互不干扰。

2 关键零部件设计

2.1 底盘行走转向装置

育苗棚内空间有限，常规的差速或单排轮转向模式并不适用，整机在较大的转弯半径下极易触碰甚至轧坏已摆放好的穴盘，故采用消除机器转弯半径[21]的设计思路。如图2所示，摆盘机的底盘是由铝制型材搭建形成的支架，型材之间通过角码连接。在底盘呈对角线布置有2个舵轮和2个减震万向轮，此种布置方式可有效保证机器行走的灵活性。

图2 底盘行走转向装置结构示意图

设计的摆盘机同时运送4垛20个盘，穴盘为PVC材质72孔穴盘，单个穴盘的长度540 mm，宽度280 mm，高度40 mm，带基质土的穴盘质量为1.62 kg。据此购买的舵轮直径为210 mm，设计的2个舵轮对角线长度为922 mm。

2.2 剪叉式升降装置

升降部分采用电推杆驱动的剪叉式结构，如图3所示，和为2个等长的杆在中点处铰接在一起。

注：r为升降台高度，mm; L为剪叉杆长度，mm；a为电动推杆上安装点与剪叉杆下固定端的距离，mm；b为电动推杆下安装点与剪叉杆下固定端的距离，mm；α为剪叉杆与水平面间的夹角，(°)；θ为电推杆与水平面间的夹角，(°)；G为载荷，N；s为载荷的作用中心与剪叉固定端的距离，mm。

根据摆盘机的工作需求，升降部分的高度调整范围应覆盖5个穴盘的总高度，每个穴盘高40 mm，5个穴盘高200 mm，根据底盘舵机的直径和安装尺寸，升降台高度存在初始高度，为了令高度调整范围存有一定的余量，最终确定的值在65～225 mm之间，剪叉杆长度=600 mm，电动推杆上安装点与剪叉杆下端固定铰接中心销孔中心距离=520 mm，电动推杆下安装点与剪叉杆下端固定铰接中心销孔中心距离的值与电推杆行程的选取有关，故设为未知值。由几何关系得剪叉杆与水平面间的夹角和电推杆与水平面间的夹角为可以由式子（1）和（2）推出

根据摆盘机升降部分的结构特点和所受载荷情况，建立力学模型，以选取合适的电推杆。将剪叉杆单独进行分析，受力分析如图4所示。由图4可知有F、F、F、F、F、F、F、F以及电推杆推力共9个未知力，载荷（因剪叉杆有左右两副，故取为实际载荷的一半）施加在平台板上方，取一副剪叉杆，将其与平台板看作3个构件对其进行受力分析，并分别对自身列力平衡与力矩平衡方程，得到9个方程式，并将其写成矩阵的形式，如式（3）所示。

注：FAy为滚子A给平板AB的支持力，N；FBx、FBy分别为铰支点B给平板AB水平方向和竖直方向的分力，N；FDy为底盘给滚子D的支持力，N；FHx、FHy分别为铰支点H处DB杆受到的水平方向和竖直方向的分力，N；F为电推杆的推力，N；FCx、FCy分别为铰支点C处AC杆受到的水平方向和竖直方向的分力，N；带“´”的力为对应力的反作用力。

解此矩阵得

将的表达式带入式（4）得到的最终表达式为

式中值通过筛选得到行程为100 mm的电推杆并据此计算得到，为722 mm；其余各值同上。由式（1）计算可得，当电推杆完全收回且平台处于最低点时=6.2°，当电推杆完全伸出且平台处于最高点时=22°；为载荷（实际载荷的一半），N；20个穴盘的质量为32.4 kg，再加上平台及其上机械结构本身的质量，满载穴盘时的最大载荷约600 N，故取为300 N；为600 mm。

将所有参数代入式（5），得到=1 137 N，所以选取行程为100 mm的LFHA系列电推杆，其伸出速度为4 mm/s，最大推力为1 500 N。

2.3 穴盘叠放旋转推送装置

穴盘叠放旋转推送部分的基本要求是完成穴盘的叠放、位置切换和推送，分为穴盘叠放旋转装置和底盘与穴盘推送装置两部分叙述。如图5所示为穴盘叠放旋转装置的结构示意图，托盘内可以放置完成播种的穴盘，中间有隔板，避免了软穴盘内的基质土和种子挤压移位，实现了叠盘，托盘可按摆放要求层层叠加。悬臂通过金属弯折件与滚动板以活卡扣的形式连接在一起，当接有电机输出轴的小齿轮带动回转支承外圈转动时，悬臂将带动滚动板一起运动，实现托盘位置的切换，通过在每个滚动板的下方布置滚柱充当的滚动体，可有效的保证滚动板转动的流畅性和稳固性。

1. 悬臂 2. 平台板 3. 托盘 4. 金属弯折件 5. 小齿轮 6. 回转支承 7. 铰座 8. 滚动板 9. 旋转电机

底盘与旋转部分的结构图如图6所示。在底盘上的型材架上安有电推杆安装架，电推杆安装架向上穿过回转支承的内圈孔，在电推杆安装架的顶部安有推盘电推杆，推盘电推杆和升降部分为相互独立的机构；通过旋转部分中回转支承外圈转动而电推杆的高度不变，可以将4个滚动板上的4个托盘格栅内的穴盘分别与电推杆上的推板相对，进而实现将各个托盘内的多个穴盘分别推出。

综合考虑整机的尺寸，选取型号为011.10.150的小型回转支承，并选取齿数为28的小齿轮与其配合。推盘电推杆推送行程为1个穴盘的宽度即280 mm，选取行程为300 mm的LFHA系列电推杆，推送速度为95 mm/s，最大推力为300 N。

图6 穴盘推送装置结构示意图

2.4 摆放装置的设计

2.4.1 结构设计

中国育苗穴盘主要有2种摆放模式，一种是直接将穴盘摆放于地面上，地表铺有钢丝网等设备以防止秧苗扎根；二是将穴盘摆置于穴盘专用架上，穴盘架规格不一，其常见高度为810 mm。本文设计的摆放机可以同时适应2种模式，摆放高度可调，范围为0～810 mm。同时，为保证育苗质量，软质穴盘的摆放过程应避免穴盘受到挤压和振动。故摆放部分的基本要求是：适用于多种穴盘摆放高度，增强穴盘摆放平稳性。设计的摆放装置由三关节机械手与摆盘器构成，如图7所示。

图7 摆放装置结构示意图

2.4.2 机械手运动学正逆解分析

以三关节轴心为坐标原点处分别建立坐标系如图8所示，3个坐标系的轴分别为摆盘关节的公垂线，3个坐标系的轴即关节轴线均垂直于纸面向外，参照D-H方法[22-23]建立关于摆盘机械手中机械臂长度a、相邻关节轴线间夹角α、机械臂间的偏置距离d、机械臂间夹角θ的参数信息如表1所示。

图8 摆放部分坐标建立

表1 摆盘机械手D-H参数

根据摆盘高度范围为0～810 mm，参照一般机械手臂的比例关系，在软件中进行运动仿真，取1、2、3的值分别为320、350、150 mm。进而得到机械臂第一节到首关节的变换矩阵为

式中左上角的3×3的矩阵为固连在刚体上的动坐标系的三个方向矢量列向量、、在首关节固接坐标系中各轴上的方向余弦；最右一列3×1的列向量是固连在刚体上的动坐标系在首关节固接坐标系中的位置。

将矩阵（9）展开，令相应元素相等，可得

在确定变量θ值的计算过程中，结合各节机械臂长度，可以得到不唯一的关节变量逆解值，但由于在实际的棚间摆盘操作中要考虑摆盘关节的运动空间、摆盘高度与范围、空间避障等问题，故应根据摆盘轨迹的规划与摆盘逻辑合理选取1、2、3的值。

3 摆盘器部分参数优选试验

3.1 试验设备与材料

主要仪器设备：课题组研制的摆盘机样机，游标卡尺（精度0.02 mm），卷尺（精度1 mm）。

试验材料：2018年2月份采购的72孔软质PVC穴盘以及基质土，基质土由80%的细碎泥炭以及20%的蛭石、杀菌杀虫农药混合而成，符合育苗标准，同时将基质土覆于穴盘中。

3.2 试验方法

针对覆土后的软质穴盘，以穴盘间距合格率、穴盘摆正率、穴盘排齐率作为衡量摆盘效果的3个指标，以不同的穴盘输送速度、输送角度、输送高度为影响因素，取5只/组的穴盘在摆盘机上进行Box-Behnken design 响应面优化方法设计。

3.2.1 试验指标

1）穴盘间距合格率，即相邻穴盘的间距值与允许误差值的关系。以首个被摆放的穴盘为参考，记为穴盘1，随后摆放的穴盘记为穴盘2，定义穴盘1、2同侧相邻角点距离的较大值为穴盘最大间距1，如图9a所示，即

经过对人工摆盘工作的实地调研，同时参考摆盘农艺要求，1的值不应该超过10 mm；若1大于10 mm，摆盘效果不理想，需对机器进行调整。

定义穴盘间距合格率1

式中0为穴盘间距允许最大值，mm，其值为10 mm。

由于目前还没有1个穴盘摆放间距的标准，根据实地调研摆盘需求，定义穴盘间距合格率大于60%为合格，即可接受的最大间距或重叠距离为4 mm。

2）穴盘摆正率。如图9b所示，将相邻穴盘边间所形成的锐角记为穴盘夹角，相邻穴盘间的夹角越小，则摆正效果越好。定义穴盘摆正率2

3）穴盘排齐率。如图9c所示，相邻2个穴盘角点1、2间的距离为重叠部分的长度，值越接近穴盘宽度，则穴盘排齐效果越好。定义穴盘排齐率3

式中为穴盘宽度，280 mm。

注：m、n分别为相邻2个穴盘同侧相邻角点之间的距离，mm；β为相邻穴盘边间所形成的夹角，(°)；c1、c2为相邻2个穴盘重叠部分的角点。

3.2.2 试验因素

通过前期的试验，观察到穴盘由摆盘器至地面的落地过程中，影响其落地姿态的因素主要与其在落地时所受冲击程度有关，通过反复进行穴盘输送试验，观察摆盘效果，确定与其所受落地冲击程度最为相关的3个因素为穴盘输送速度、输送角度与输送高度，对这3个因素分别选取一定范围的试验参数进行单因素摆盘试验，结果如图10所示。

1）输送速度

由图10a可知，当穴盘输送速度较小时，其落地时所受冲击较小，穴盘的整体姿态好，但生产率低；当穴盘输送速度变大时，穴盘在落地时所受冲击较大，盘体易滑移，造成摆盘效果变差，取56～70 mm/s的穴盘输送速度进行响应面试验。

2）输送角度

由图10b可知，输送角度影响着穴盘在接触地面时的姿态，角度过大会导致穴盘所受冲击较大并造成较差的摆盘效果，角度过小时，穴盘在输送带方向上的下滑分力小，导致穴盘不易被输送至地面，取30°～40°的穴盘输送角度进行响应面试验。

3）输送高度

由图10c可知，当摆盘器输送穴盘高度较低时，摆盘器在抬起时易与摆放完成的穴盘发生接触，造成穴盘姿态的变化，在摆盘器高度增加时，由于穴盘被摆放时的落差增加，导致穴盘在落地过程中接受到较大冲击并影响了摆盘效果，取40～50 mm的穴盘输送高度进行响应面试验。

图10 单因素摆盘试验结果

3.2.3 试验设计

根据上述评价指标的确定与试验因素的选取，以穴盘输送速度、输送角度、输送高度为影响因素，以穴盘间距合格率1、穴盘摆正率2、穴盘排齐率33个评价指标为响应值，各因素水平的编码如表2所示，应用Design-Expert10.0.3软件，通过Box-Behnken design响应面优化方法设计[24-27]，试验方案如表3，取17组、5盘/组的穴盘，每组试验重复3次，根据试验方案在摆盘样机试验平台上进行摆盘试验，对每组试验中得到的评价指标数据进行评定和统计，并将试验结果填入表3中。

表2 因素水平编码 Table 2 Factors and code levels of tests

3.3 回归模型建立与显著性分析

根据表3中的试验结果，利用Design-Expert10.0.3软件对摆盘试验数据进行多元回归拟合与方差分析，方差分析结果见表4，建立穴盘间距合格率1、穴盘摆正率2、穴盘排齐率33个观察指标与穴盘输送速度、输送角度、输送高度三影响因素间的二次多项式回归数学模型，对其中的不显著项进行剔除后，得到优化后的数学回归模型如式（17）所示。

式中1为穴盘间距合格率，%；2为穴盘摆正率，%；3为穴盘排齐率，%；为穴盘输送速度，其取值范围为56～70 mm/s；为输送角度，其取值范围为30°～40°；为输送高度，其取值范围为40～50 mm。

表3 Box-Behnken试验方案及相应结果

观察表4的分析结果可知，穴盘间距合格率1、穴盘摆正率2、穴盘排齐率33个指标的回归数学模型的值均小于0.0 1，接近为0，这表明此模型的显著性明显；其失拟项的值分别为0.44、0.32、0.13（均大于0.05）可知其模型的失拟性不显著，试验数据综合表明上述3个回归方程与实际情况具有良好的拟合性，可基于于此模型对实际摆盘效果进行分析和预测。

表4 回归模型的方差分析 Table 4 Variance analysis of regression model

注：<0.05为显著，<0.01为极显著。

Note:<0.05 is significant, and<0.01 is extremely significant.

3.4 响应面分析

如图11a所示，穴盘间距合格率随输送速度的减小而增大。当输送速度处于较高水平时，试验指标随输送角度的增大而增大，当输送速度处于较低水平时，穴盘输送角度对于试验指标的影响较小；观察响应面的整体趋势，整个图像沿输送速度因素方向更加陡峭，而沿输送角度因素方向变化较慢，这说明高低水平的输送速度结合输送角度对于试验指标的影响不同，且输送速度对于穴盘间距合格率的影响较大。结合实际试验情况，发现穴盘输送速度影响着穴盘落地时所受冲击的大小，当穴盘输送速度增大时，穴盘落地时所受冲击增大，在穴盘与地面接触的过程中穴盘易发生滑移现象，导致穴盘间距合格率降低，故在实际的摆盘过程中，为减小穴盘的落地冲击以提高摆放效果，穴盘输送速度不宜过高。

如图11b所示，总体来看，当穴盘输送速度在56～70 mm/s间变化时，穴盘摆正率随输送速度的增加而先增大后减小。当输送速度处于较低水平时，穴盘摆正率随着穴盘输送高度的增加而缓慢减小；当输送速度处于较高水平时，穴盘摆正率随着穴盘输送高度的增加而缓慢增加。观察图像的整体趋势，响应面沿输送速度因素方向先增后减，响应面最高处出现在输送速度值为62 mm/s左右处，且输送高度对于试验指标的影响相较于输送速度较小；这说明，在试验水平下穴盘输送速度对穴盘摆正率的影响相较于穴盘输送角度更加显著。结合试验情况，发现当穴盘输送速度较低时，随着输送高度的增加，穴盘在落地过程中由于其外沿与靠近摆盘器一侧的位置关系变的愈加陡峭，导致穴盘外沿离开摆盘器速度较快，不易出现与摆盘器间的剐蹭现象，故试验指标升高；另一方面，随着输送速度的增大，穴盘离开摆盘器的速度增大，穴盘外沿与摆盘器的剐蹭现象变的愈加不明显，故穴盘的落地姿态不易发生扭转，这是穴盘摆正率升高的主要原因；随着后期穴盘输送速度的不断变大，穴盘在落地时所受冲击变大，这导致穴盘在落地时的姿态发生变化，故造成了穴盘摆正率的降低。2个因素在各自的高低水平所形成的对于试验指标的交叉影响不同，故在实际摆盘操作时，应合理配合2个影响因素的大小，且不宜将穴盘输送速度选取的过大。

注：响应面试验因素和水平表见表2，响应值见表3。

如图11c所示，当输送角度处于较高水平时，穴盘排齐率随输送高度的增大而缓慢增大，当输送角度处于较低水平时，穴盘排齐率随输送高度的增大而缓慢减小；当输送高度处于较高水平时，试验指标随输送角度的增大而增大，当输送高度处于较低水平时，试验指标随输送角度的增大而减小；观察响应面整体趋势以及等高线形状可知，响应面整体图形体现为先升后降，当输送高度和输送角度同时处于较低水平时，穴盘排齐率在98%左右变化。观察试验情况发现，穴盘输送高度以及输送角度影响着穴盘首先接触地面一端的落地姿态以及落地速度，穴盘在离开摆盘器一端由于自身质量会产生相对于仍处于摆盘器一端的变形，当输送高度较低且输送角度较小时，在这一变形效果下穴盘末端已经着地，穴盘在落地时与地面接触面积较大故其所受到摩擦力较大，其落地后在惯性的作用下向前继续滑移现象不明显，故穴盘排齐率较高，而随着输送角度的增加，穴盘落地时与地面的接触角度变大导致穴盘的变形程度加大，在落地时穴盘回弹现象明显，这导致了穴盘排齐率的降低；另一方面，当输送高度增大时，穴盘在摆出摆盘器一端会由于自身质量产生下坠现象，导致穴盘呈现出上凸下凹的“拱形”变形情况，而随着输送角度的增加，穴盘整体姿态变的陡峭，这导致穴盘的“拱形”形变情况减轻，穴盘回弹现象的减弱导致穴盘的落地过程更加柔和，故穴盘排齐率升高，考虑到较大的形变以及较大的输送角度可能导致穴盘内基质土的溢出，故在实际摆盘操作时，当输送速度选取的较为合理时，应将穴盘输送高度和角度尽量维持在较低水平，以增加穴盘排齐率。

3.5 参数优化

为获得摆盘机摆盘效果最佳的工艺参数组合，以穴盘间距合格率1、穴盘摆正率2、穴盘排齐率3为目标函数，运用Design-Expert 10.0.3软件的优化分析功能对3个指标的回归数学模型进行优化分析[28-30]。优化方程如式(18)所示。

式中为穴盘输送速度，mm/s；为穴盘输送角度，(°)；为穴盘输送高度，mm；通过软件选出满意度最高的编码值组合为=60 mm/s，=31°，=40 mm，该参数组合下3个评价指标的预测值为：1=98.8%，2=97.9%，3=98.4%。

为了验证参数匹配的可行性，基于优选出的最佳摆盘参数组合，将每5个穴盘编成一组，总计进行3组穴盘的摆放试验，对试验结果取均值可得1=97.6%，2=96.5%，3=95.7%，试验结果与理论预测值的误差绝对值均低于5%，说明上述预测模型是可靠的，得到的最佳工艺参数组合也符合穴盘摆放的农艺要求。摆盘机样机如图12所示。

图12 关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机样机

4 结 论

1）针对蔬菜育苗穴盘播后的摆放需求，设计了集叠盘搬运摆盘为一体的可行走关节式穴盘自动摆放机。剪叉式升降机构可调节整机高度以适应播种机输出穴盘的高度，完成育苗播种机和自动摆盘机的自动化对接；穴盘叠放推送装置储存穴盘并完成穴盘位置流畅切换；对角布置的舵机驱动的底盘行走转向装置保证机器0半径转弯；三关节机械臂式摆放装置使摆盘适应不同高度，灵活度高。

2）应用Design-Expert 10.0.3软件，通过Box-Behnken design响应面优化方法设计，确定了摆盘机的最佳工艺参数组合：穴盘输送速度为60 mm/s，穴盘输送角度为31°，穴盘输送高度为40 mm，并对优选出的最佳摆盘参数组合进行了试验验证分析，试验结果为：穴盘间距合格率97.6%，穴盘摆正率96.5%，穴盘排齐率95.7%，试验结果与理论预测值的误差绝对值均低于5%。试验结果表明摆盘机在最佳工艺参数组合下工作平稳可靠，满足穴盘摆放技术要求，可为全自动化、智能化穴盘摆放机的设计提供参考。

[1] 宋海螺. 新形势下蔬菜穴盘育苗技术的发展[J]. 大科技，2017(5)：224－225. Song Hailuo. The development of vegetable plug seedling technology in new situation[J]. Technology, 2017(5): 224－225. (in Chinese with English abstract)

[2] 陈书法，张石平，李耀明. 压电型振动气吸式穴盘育苗精量播种机设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(25)：15－20.Chen Shuhua, Zhang Shiping, Li Yaoming. Design and experiment of a precision seeder for piezoelectric seedlings with vibrating air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(25): 15－20. (in Chinese with English abstract)

[3] 赵郑斌，王俊友，刘立晶，等. 穴盘育苗精密播种机的研究现状分析[J]. 农机化研究，2015，37(8)：1－5,25. Zhao Zhengbin,Wang Junyou,Liu Lijing, et al. Analysis of research status of plug seedling precision seeder[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(8): 1－5,25. (in Chinese with English abstract)

[4] 唐燕海. 蔬菜钵苗吊杯式栽植器参数优化与性能试验研究[D].杭州：浙江大学，2016. Tang YanHai. Parameter Optimization and Performance Test of Hanging Cup Planter for Vegetable Seedlings[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[5] 刘洋，李永强，徐鑫霖，等. 穴盘育苗播种机械及技术发展研究[J].农业科技与装备，2014(6)：34－36. Liu Yang, Li Yongqiang, Xu Xinlin, et al. Study on seed sowing seeding machinery and technology development[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2014(6): 34－36. (in Chinese with English abstract)

[6] 张诗，田素博，邱立春，等. 穴盘苗自动移栽机械手的结构设计与仿真[J]. 沈阳农业大学学报，2007，38(3)：437－439. Zhang Shi, Tian Subo, Qiu Lichun, et al. Structure design and simulation of robotic transplanting robots with plug seedlings[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2007, 38(3): 437－439. (in Chinese with English abstract)

[7] 胡建平，侯俊华，毛罕平. 磁吸式穴盘精密播种机的研制及试验[J]. 农业工程学报，2003，19(6)：122－125.Hu Jianping, Hou Junhua, Mao Hanping. Development and experiment of magnetic suction plug precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(6): 122－125. (in Chinese with English abstract)

[8] 周海波，马旭，姚亚利. 水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2008，24(4)：301－306. Zhou Haibo, Ma Xu, Yao Yali. Research status and development trend of seeding techniques and equipment for rice seedlings in rice seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 301－306. (in Chinese with English abstract)

[9] 韩绿化，毛罕平，缪小花，等. 基于穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器设计[J]. 农业机械学报，2013，44(11)：260－265. Han Lühua, Mao Hanping, Miao Xiaohua, et al. Design of automatic take-out end effector based on mechanical characteristics of plug seedlings[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2013, 44(11): 260－265. (in Chinese with English abstract)

[10] 于亚波，伍萍辉，冯青春，等. 我国蔬菜育苗装备研究应用现状及发展对策[J]. 农机化研究，2017，39(6)：1－6. Yu Yabo, Wu Pinghui, Feng Qingchun, et al. Research and application status and development countermeasures of vegetable seedling equipment in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(6): 1－6. (in Chinese with English abstract)

[11] 张振国，曹卫彬，王侨，等. 穴盘苗自动移栽机的发展现状与展望[J]. 农机化研究，2013，35(5)：237－241. Zhang Zhenguo, Cao Weibin, Wang Qiao, et al. Development and prospect of plug seedling automatic transplanter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(5): 237－241. (in Chinese with English abstract)

[12] 株式会社クボタ. 育苗箱積重ね機構：2003246450[P]. 2003-09-02.

[13] 赫新洲，曹健，高惠楠，等. 蔬菜工厂化育苗技术规程[J]. 广东农业科学，2010，37(9)：77－78. He Xinzhou, Cao Jian, Gao Huinan, et al. Technical regulations of vegetable seedlings in factory[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2010, 37(9): 77－78. (in Chinese with English abstract)

[14] Tian Subo, Qiu Lichun, Naoshi Kondo, et al. Development of automatic transplanter for plug seedling[J]. IFAC Proceedings Volumes, 2010, 43(26):79－82.

[15] 金炳胜，王丽勉，李克朗，等. 工厂化穴盘育苗主要技术及标准[J]. 华中农业大学学报，2004,35(增刊2)：250－255. Jin Bingsheng, Wang Limian, Li Kelang, et al. Main techniques and standards of factory plug seedling raising[J]. Journal of Huazhong Agricultural University,2004,35 (Supp.2): 250－255. (in Chinese with English abstract)

[16] Chiu Y C, Fon D S, Wu G J, et al. Development of an automatic pallet handling system for seeded trays[J]. Biosystems Engineering, 2005, 93(2): 123－138.

[17] ヤンマ一农机株式会社.箱体积载装置: 1056884[P]. 1998-03-03.

[18] Bustamante M A,Paredes C, Moral R, et al. Composts from distillery wastes as peat substitutes for transplant production[J]. Resources, Conservation & Recycling, 2008, 52 (5 ) : 792－799 .

[19] 马静龙，冯江，张敏，等. 一种关节型摆盘机械手的运动学分析[J]. 农机化研究，2014，36(8)：14－18. Ma Jinglong, Feng Jiang, Zhang Min, et al. Kinematics analysis of an articulated wobble plate manipulator[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014, 36(8): 14－18. (in Chinese with English abstract)

[20] 马旭，谭永炘，齐龙，等. 水稻秧盘育秧精密播种流水线软硬秧盘自动叠放装置[J]. 农业机械学报，2016，47(3)：29－36. Ma Xu, Tan Yongxin, Qi Long, et al. Automatic tray stacking device for hard and soft tray of rice precision seeding for nursing seedlings pipeline[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2016, 47(3): 29－36. (in Chinese with English abstract)

[21] 王凡，邢彦文. 基于地面特征块匹配的机器视觉用于平整地面AGV行驶轨迹计算方法[J]. 计算机与现代化，2016(10)：44－48. Wang Fan, Xing Yanwen. Machine vision based on ground feature matching for the calculation of ground-level AGV trajectory[J]. Computer and Modernization, 2016(10):44－48. (in Chinese with English abstract)

[22] 蒋朝阳. 三七移栽机械手设计与虚拟仿真[D]. 昆明：昆明理工大学，2015. Jiang Chaoyang. Design and Virtual Simulation of Sanqi Transplant Robot[D]. Kunming: Kunming University of Science and Technology, 2015. (in Chinese with English abstract)

[23] 蒋亚飞，朱燕飞，严萌. 基于高增益微分器的单关节机械手滑模控制研究[J]. 工业控制计算机，2016，29(6)：24－25.Jiang Yafei, Zhu Yanfei, Yan Meng. Sliding mode control of single joint manipulator based on high gain differentiator[J]. Industrial Control Computer, 2016, 29(6): 24－25. (in Chinese with English abstract)

[24] 王伟，施卫东，蒋小平，等. 基于正交试验及CFD的多级离心泵叶轮优化设计[J]. 排灌机械工程学报，2016，34(3)：191－197. Wang Wei, Shi Weidong, Jiang Xiaoping, et al. Optimization design of multi-stage centrifugal pump impeller based on orthogonal test and CFD[J]. Journal of Drainage and Irrigation Machinery Engineering, 2016, 34(3): 191－197. (in Chinese with English abstract)

[25] 郝拉娣，张娴，刘琳. 科技论文中正交试验结果分析方法的使用[J]. 编辑学报，2007，19(5)：340－341. Hao Ladi, Zhang Xiam,Liu Lin.The use of orthogonal experimental results analysis methods in scientific papers[J]. Acta Editilea Sinica, 2007, 19(5): 340－341. (in Chinese with English abstract)

[26] 孔萍萍. 小型铲辊式花生起收装置的试验研究[D]. 沈阳：沈阳农业大学，2016. Kong Pingping. Experimental Study on Small Scoop Roller Peanut Recovery Device[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[27] 谢胜仕，王春光，邓伟刚，等. 摆动分离筛薯土分离机理分析与参数优化试验[J]. 农业机械学报，2017，48(11)：156－164. Xie Shengshi, Wang Chunguang, Deng Weigang, et al. Separation mechanism analysis and parameter optimization experiment of oscillating separation potatoes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(11): 156－164. (in Chinese with English abstract)

[28] 刘磊，梁栋，李粤，等. 基于响应面分析法的香蕉茎秆纤维刮杂装置优化设计[J]. 农机化研究，2017，39(3)：98－104. Liu Lei, Liang Dong, Li Yue, et al. Optimum design of banana stem scraping device based on response surface analysis[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(3): 98－104. (in Chinese with English abstract)

[29] 张黎骅，陈秋阳，孙圆圆，等. 基于响应面法的锤片-齿条式玉米秸秆切揉试验装置的参数优化[J]. 南京农业大学学报，2011，34(4)：122－128. Zhang Lijun, Chen Qiuyang, Sun Yuanyuan, et al. Parameter optimization of hammer-rack-type corn stalk cutting and kneading test device based on response surface method[J]. Journal of Nanjing Agricultural University, 2011, 34(4): 122－128. (in Chinese with English abstract)

[30] 胡志超，海鸥，彭宝良，等. 半喂入花生摘果装置优化设计与试验[J]. 农业机械学报，2012，43(增刊1)：131－136. Hu Zhichao, Wang Haibin, Peng Baoliang, et al. Optimum design and experiment of half-feeding peanut picking device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.1): 131－136. (in Chinese with English abstract)

Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei

(071001,)

A great deal of soft seeding trays is required nursing seedlings industry, but transporting and placing these trays always have been done by hands in most companies in China. In recent years, some universities and research institutes have begun to pay attention to factory seedling technology and related equipment, but the existing equipment have shown a few problems, such as covering large floor areas, no mobility and lack of flexibility. In order to deal with the above problems, this paper puts forward an automatic joint-style placement machine. The overall structure and working principle of joint-style placement machine were described, and the performance tests were done. In this machine, chassis walking steering device, lifting device, stacking, rotating and pushing device, and placement device were arranged to solve the problem of placing soft tray after sowing the vegetable seeds. In the chassis walking steering device, the diagonal arrangement of the steering wheel could guarantee the machine to turn in radius 0. In the lifting device, lifting scissors mechanism was used to adjust the height of the whole machine to suit to the height of the seeding planter machine, which could make the connecting between the seedling planter and the automatic joint-style placement machine easily and automatically. Stacking, rotating and pushing device could store 20 trays in the automatic joint-style placement machine, which could save the time for transporting the trays. The more important functions of stacking, rotating and pushing device were switching trays position and pushing trays out to the ground or other place smoothly. Placement device lay in the end of the machine. A joint-style type of mechanical arm and a small conveyer belt were used as the manipulator which adapted to different placing height of the trays. Based on these structural characteristics, the joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray could be used for placing soft seeding trays and moving independently, and the stacking, transporting and placing trays would be finished together in one time. High integration and flexibility were the most important features. The mathematical modeling was performed, and the kinematics equation of the manipulator was obtained referencing robotics space D-H method. According to the structural parameters and the machine working principle, 3 key parameters affecting the performance of the joint-style automatic machine placing sowed tray were chosen and analyzed respectively. 3 test factors included conveying height, conveying angle and conveying speed. Through the single factor test, range of the 3 key parameters was determined. Furthermore, Design-Expert software was used to design an orthogonal test including 3 test factors and 3 response indicators. The test index included the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Analyzing the test data and the variance, a mathematical regression equation of the response indicators and influencing factors was established, presenting the effects of the test factors on the qualified rate of trays spacing, tray straighten rate and tray aligned rate. Response surface analysis was performed and the best combination of the 3 key parameters affecting the tray placement effect was obtained. The optimal combination of the 3 key factors for tray placement were as follows: the tray conveying speed was 60 mm/s, the tray conveying angle was 31°, the tray conveying height was 40 mm. Under the optimal condition, the corresponding tests were done and the test result was as follows: the qualified rate of the tray spacing was 97.6%, the tray straighten rate was 96.5%, and the tray aligned rate was 95.7%, respectively. The test results showed that the placement method was reasonable and the joint-style automatic machine placing sowed tray was stable and reliable. This research work can greatly improve the production efficiency for placing soft seeding tray and promote the development of mechanized seedling industry in China.

mechanization; design; optimization; vegetable cultivate seedlings; joint-style manipulator; tray placement

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004

S223

A

1002-6819(2018)-21-0027-10

2018-07-15

2018-09-10

河北省科技计划项目（17227206D）；河北省农业产业技术体系（HBCT2013050204）

张秀花，博士，副教授，主要从事机械设计与理论、农业机械技术装备的研究。Email：zhang72xh@163.com

张秀花，谢晓东，弋景刚，杨淑华，孔德刚，袁永伟. 关节式蔬菜育苗穴盘播后自动摆放机设计[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：27－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org

Zhang Xiuhua, Xie Xiaodong, Yi Jinggang, Yang Shuhua, Kong Degang, Yuan Yongwei. Design of joint-style automatic machine for placing planted vegetable seeding tray[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 27－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.004 http://www.tcsae.org