杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统设计与试验分析

李鹏举，毛鹏军，耿 乾，方 骞，张家瑞，黄传鹏

（1.河南科技大学机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.甘肃省机械科学研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000；3.河南科技大学农业装备工程学院，河南 洛阳 471003）

杜仲是我国名贵的经济树种，也是世界上发展潜力最大的优质胶源树种［1］。在育苗时，常采用嫁接方法来提高杜仲的抗寒性、抗旱性和抗病性。但人工嫁接方法存在劳动强度大、效率低、幼苗成活率低以及难以实现工厂化育苗等问题［2-3］。

对于植物嫁接机器人的研究，国外起步较早。20世纪80年代，日本的井关农机株式会社和生研株式会社合作研制了瓜科半自动嫁接机，其采用单株贴接法，嫁接效率为800株/h，嫁接成功率可达95%［4］；20世纪90年代初，韩国的Helper Robotech公司开发了GR-800CS型自动嫁接机，其可对茄科和瓜科蔬菜进行嫁接，嫁接效率可达800株/h［5］；2010年，荷兰的ISO Group Machinebouw公司研制了一种瓜、茄科作物嫁接机器人，该机器人采用图像处理技术对作物幼苗进行识别处理，幼苗的成活率可达99%［4］。

我国对植物嫁接机器人的研究起步较晚。2008年，湖南农业大学的李明等研制了一种半旋转切削机构，并以桃、李、柑橘、葡萄和板栗等5种嫁接幼苗为试验对象进行正交试验，验证了该切削机构的可行性［6］；2010年，湖南农业大学的罗军等以葡萄苗茎杆为试验对象，研究了切削深度、转速以及茎秆直径等因素对切削扭矩的影响，并制作了基于Plug-in的苗木嫁接机切削机构，提高了葡萄苗的嫁接效率［7-8］；2014年，华南农业大学的杨艳丽等研制了一种半自动葫芦科幼苗嫁接机器人，其采用砧木子叶气吸夹方式，缩短了砧木上苗的作业时间，使得嫁接效率提高至600株/h［9］；2015年，浙江理工大学的张雷等采用图像处理综合算法实时获取了蔬菜嫁接苗的直径、生长点和苗长等特征信息，经验证，该算法能够满足嫁接机器人实时获取苗木嫁接位置的要求，可提高苗木的嫁接效率和成活率［10］；2017年，中国农业大学的李世军等基于光切法得到了葡萄砧木苗的切面，并采用图像处理方法实现了葡萄硬枝嫁接切面粗糙度的检测［11］。但是，目前针对杜仲嫁接机器人的研究仍很少。

苗木嫁接机器人最关键的部件是切削机构。切削机构的性能直接影响苗木的嫁接效率和成活率［12］。基于此，笔者设计了一种杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统，其一次可完成4行4列（共16株）杜仲砧木苗的切削，旨在解决人工切削方法效率低、长时间作业效果不稳定等问题。

1 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的结构组成及工作流程

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统由夹持机构、输送机构、切削机构和皮带清理机构等4个部分组成，其结构如图1所示。

图1 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统结构组成Fig.1 Structure composition of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

如图2所示，杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的工作流程为：1）放入杜仲砧木苗盘，触发苗盘放入传感器，同时启动皮带清理机构，以将苗盘送至夹持机构处；2）触发夹持机构传感器，完成夹苗定位，之后皮带清理机构和夹持机构同时启动；3）苗盘到达切削位置后，触发切削机构传感器，按照设定顺序完成切削动作；4）启动皮带清理机构和夹持机构，苗盘到达皮带变坡位置后，触发皮带变坡传感器，夹持机构松开苗盘；5）再次启动皮带清理机构和夹持机构，直至苗盘到达出料口；6）触发出料口传感器，皮带清理机构和夹持机构停止运行，并等待1 s；7）夹持机构启动倒转，回到起始位；8）触发起始位传感器，皮带清理机构停止运行，系统做下一次切削准备。

图2 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的工作流程Fig.2 Working flow of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

2 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统关键部件设计

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统中最关键的部件是矩阵式切削机构和夹持机构。下面对矩阵式切削机构和夹持机构进行设计。

2.1 矩阵式切削机构设计

2.1.1 杜仲砧木苗切削方式选取

常见的砧木切削方式可分为直切、斜切、旋切和滑切等几种方式［13-14］。图3（a）所示为直切方式，可将砧木切成水平断面，但不满足杜仲的嫁接要求。图3（b）所示为斜切方式，切刀刀刃和砧木呈一定夹角。对砧木进行受力分析发现，沿着砧木方向，由于受到切刀的压力F，切刀刀刃两侧的砧木纤维受到挤压，随着切刀的进入，压力变大，导致刀刃下方的砧木失去向内收缩的恢复力，从而影响砧木的嫁接存活率。图3（c）所示为旋切方式，位于旋转刀柄上的切刀可一次性完成穗木和砧木的切削。由于刀柄作旋转运动，使得穗木和砧木的切面为弧面，若要使切面为平面，则需增大切削半径，但这会造成切削机构体积庞大，成本增加。图3（d）所示为滑切方式，切刀与砧木呈垂直关系，切刀切削砧木时，切刀作垂直于砧木方向和平行于刀柄方向的切削运动，在这种切削方式下，切刀进入砧木后产生的摩擦力较小，从而使砧木切面的形变量较小，但采用滑切方式的切削机构的复杂程度较高和制造成本较大［15-16］。综合上述几种切削方式的优缺点，对直切方式进行改进，即保证切刀所在平面与砧木轴线垂直，与砧木径面呈一定夹角，将这种切削方式称为压切。采用压切方式的切削机构结构简单，可使砧木的切面为斜面类椭圆面，对砧木的损伤较小，符合杜仲的嫁接要求。

图3 常用的砧木切削方式示意图Fig.3 Schematic diagram of commonly used rootstock cutting methods

2.1.2 杜仲砧木苗切削特性分析

杜仲苗与蔬菜苗的最大区别是前者的茎内为木质结构，而后者的茎内为嫩芽。选取满足嫁接要求的杜仲砧木苗，共200株，统计其形态特征，结果如表1所示。

表1 嫁接期杜仲砧木苗的形态特征Table 1 Morphological characteristics of eucommia ulmoides rootstock seedlings during grafting 单位：mm

根据杜仲嫁接育苗技术规程的要求，在杜仲砧木苗地上高50 mm处进行嫁接。杜仲砧木苗切面与苗盘水平面呈75°。取直径为6 mm的杜仲砧木苗进行切削，其切面如图4所示。

图4 杜仲砧木苗切面示意图Fig.4 Schematic diagram of cutting surface of eucommia ulmoides rootstock seedling

由图4可知，杜仲砧木苗的切面形状为椭圆形，其中：AB为杜仲砧木苗的直径，A1B1为杜仲砧木苗切面的长轴，C1D1为杜仲砧木苗切面的短轴。以C1D1方向为X轴方向、A1B1方向为Y轴方向，构建直角坐标系，则杜仲砧木苗切面的方程可表示为：

由图4可以看出，当切刀从D1点水平切入杜仲砧木苗时，阻力增大；当切刀刀刃与A1B1重合时，阻力增大速率达到最大，之后阻力增大速率缓慢减小，直至杜仲砧木苗被切断。设杜仲砧木苗椭圆切面的长轴长度为2b，短轴长度为2a，则杜仲砧木苗切面的面积S可表示为：

式中：x为进刀距离；y为切口长度。

由于杜仲砧木苗切面的长轴和短轴的长度为常数，代入数值并化简式（2），可得：

进刀阻力与杜仲砧木苗切面面积成正比，则进刀阻力Ff可表示为：

联立式（3）和式（4）并化简，可得进刀阻力的函数式。通过计算和试验分析得到最终的进刀阻力为70.34 N。

2.1.3 矩阵式切削机构结构设计

当采用压切方式时，砧木一侧须贴在板上，切刀从另一侧切入。为防止因晃动而导致的砧木切面不平整，在切削过程中须固定砧木。设计的矩阵式切削机构的结构如图5所示。当杜仲砧木苗进入矩阵式切削机构后，利用压苗板和背板将杜仲砧木苗固定。

图5 矩阵式切削机构结构示意图Fig.5 Structure diagram of matrix cutting mechanism

矩阵式切削机构主要由光轴、切刀固定板、滑块、压苗固定板、背板固定板、背板、压苗板、切刀保护板、切刀、刀座、刀架、切苗气缸和压苗气缸（2个气缸位于切削机构内部，在图5中未显示）等组成。其中，光轴通过光轴固定座固定在机架上，上、下光轴上分别套有4块和3块滑块（见图6），用于固定切刀固定板、背板固定板和压苗固定板。

图6 矩阵式切削机构后视图Fig.6 Rear view of matrix cutting mechanism

2.2 夹持机构设计

夹持机构的作用是实现苗盘夹持和砧木固定，以保证切削精度。设计的夹持机构的结构如图7所示，其主要包括苗盘夹紧板、苗盘、砧木夹子、导轨滑块、导轨、U形固定座、连接板、背板气缸、光轴和滑块等。

夹持机构的工作流程为：当操作人员将杜仲砧木苗盘放入时，苗盘放入传感器检测到苗盘喂入，启动皮带清理机构，通过皮带输送将苗盘送至夹持机构处，夹持机构传感器获取苗盘到位信息后，皮带清理机构停止运行；然后，夹持机构后方的背板气缸收缩，使得左、右苗盘夹紧板夹紧苗盘；与此同时，砧木夹子闭合，将杜仲砧木苗固定在定位孔内。

图7 夹持机构结构示意图Fig.7 Structure diagram of clamping mechanism

2.3 矩阵式切削系统气缸选型

在矩阵式切削系统中，气缸为主要执行元件。其中：背板气缸用于控制左、右两侧苗盘压紧板，以固定苗盘；切苗气缸用于控制切刀固定板滑块动作，以带动切刀完成切苗动作；压苗气缸用于控制压苗板动作，以固定杜仲砧木苗。背板固定板、切刀固定板和压苗固定板都与相应气缸连接。根据杜仲砧木苗盘的形状，确定背板气缸、切苗气缸和压苗气缸的行程分别为20，15和20 mm。气缸推力与气体压强、气缸活塞横截面积有关，其计算式为：

式中：Ft为气缸推力；P为气体压强，与所配气泵有关，工作时P=0.5 MPa；A为气缸活塞横截面积。

通过计算可得，背板气缸、切苗气缸和压苗气缸的性能参数如表2所示。根据表2，矩阵式切削系统的背板气缸和切苗气缸选用亚德克AirTAC SDA 63×20系列单杆气缸；压苗气缸选用亚德克AirTAC MGPM 25-40系列三杆气缸。

表2 矩阵式切削系统中各气缸的性能参数Table 2 Performance parameters of each cylinder in matrix cutting system

3 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的控制系统设计

3.1 控制系统的功能与组成

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统控制系统的主要功能为：通过输入、输出控制指令对背板气缸、切苗气缸和压苗气缸进行控制，进而完成苗盘固定，杜仲砧木苗的定位、切削等动作；对皮带清理机构电机进行控制，完成苗盘放入、传输以及切削后树枝的清理等动作。该控制系统有手动和自动两种控制模式。

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统控制系统采用PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）控制，包括硬件和软件两部分，其中硬件部分的组成如图8所示。

图8 基于PLC的杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统控制系统的硬件组成Fig.8 Hardware composition of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot based on PLC

3.2 控制系统硬件设计

PLC在控制系统中负责与触摸屏通信并输出信号，以控制电磁阀。根据控制系统输入、输出的点数和输出高速脉冲数来选择PLC的型号［17-18］。基于杜仲嫁接机器人的结构，本文选择西门子公司的Siemens S7-200系列PLC，其输入输出分配如表3所示，其中I表示PLC的输入点，Q表示PLC的输出点。

表3 Siemens S7-200系列PLC的输入输出分配Table 3 Distribution of input and output of Siemens S7-200 series PLC

3.3 控制系统软件设计

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统控制系统的程序流程如图9所示。其主要步骤为模式选择、步进电机的启停、气缸（背板气缸、切苗气缸和压苗气缸）的控制、皮带清理机构电机的启停以及传感器信息的采集与显示等。矩阵式切削系统控制系统的程序在SIENENS STEP 7 MICRO-WIN中编写，采用梯形图进行编程。

图9 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统控制系统的程序流程Fig.9 Program flow of control system of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

3.4 人机交互界面设计

选用威纶通科技有限公司生产的TK6071iQ触摸屏作为杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的人机交互界面，其可通过MPPI/PPI通信电缆与PLC连接。TK6071iQ触摸屏采用7英寸（155 mm×87 mm）高亮度TFT液晶显示屏，其分辨率为（800×480）像素，可用于控制信息的输入和现场采集工作数据的显示。

杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的人机交互界面包括创建功能界面和信息以及输入/输出区域组态等［19］。如图10所示，该人机交互界面主要分为上、中、下区域。在上部区域可完成模式选择，其中在自动模式下可依次完成夹苗、输送和切削等工序；当选择手动模式后，在中部区域进行操作，以完成步进电机的启停、换向，各个气缸的开关和皮带清理机构电机的启停。下部区域为显示区域，可显示各个工位的运行情况、本次工作时长和已完成的切削量。

图10 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的人机交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

4 切削试验

4.1 试 样

供苗样品为河南绿普森农林科技有限公司洛宁基地培育的待嫁接杜仲砧木苗。

4.2 试验仪器

所选试验仪器为设计的杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统、游标卡尺（量程为150 mm，精度为0.01 mm，由南京苏测计量仪器有限公司生产）、气泵（容积为18 L，排气压力为0.8 MPa，由台州市奥突斯工贸有限公司生产）。

4.3 试验方法与结果

共进行3组切削试验，每组重复进行2次。A组由1人操作，手动为图11（a）所示的杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统辅助上料后，系统自动完成余下工序，切削过程和切削结果如图11（b）至图11（f）所示。B组由熟练嫁接的农民来完成切削动作。C组作为对照，不用苗，即杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统空转运行。为排除其他因素的对试验结果的影响，由同一个人操作机器，试验结果如表4所示。表中：“成功数”是指切削后可用于嫁接的杜仲砧木苗数量，“时间”是指切削相同数量杜仲砧木苗的时间。

表4 矩阵式切削系统与人工切削方法的切削试验结果对比Table 4 Comparison of cutting test results between matrix cutting system and manual cutting method

由表4可知，杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的切削速度可达517株/h，平均成功率为92.58%，人工切削方法的平均成功率为94.14%。出现该结果的原因主要有以下2个：

1）矩阵式切削系统夹持损伤或定位失败。根据农艺要求，砧木夹子定位孔的直径设计为6 mm，但试验用杜仲砧木苗的直径较粗，在夹持过程中易被夹伤。工厂采用集约化育苗方式，杜仲砧木苗较高，因光照等环境因素不均匀，导致砧木苗弯曲率较大，超出了砧木夹子的约束范围，从而导致定位失败。

2）人工操作因素。由B组试验结果可知，其第2组的切削速度和成功率都有所降低，这是因为随着时间推移，人工体力消耗，导致作业质量下降。由C组对照试验可知，机器空转运行的平均切削速度可达527株/h，是该系统带苗运行时的1.04倍，人工切削的1.13倍。这说明人工供苗环节占用了一部分时间，可以通过训练工人或设计自动供苗机构。

图11 杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的切削过程及切削结果Fig.11 Cutting process and cutting results of matrix cutting system of eucommia ulmoides grafting robot

5 结 语

1）从机械结构和控制系统两方面出发，设计了杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统。该系统由1人操作，能够稳定、便捷、可靠地运行，实现杜仲砧木苗的切削。

2）在杜仲砧木苗大小合适以及操作人员操作熟练的情况下，杜仲嫁接机器人矩阵式切削系统的切削速度可达517株/h，平均切削成功率可达92.58%，这在一定程度上提高了杜仲的嫁接成功率。