温室智能装备系列之三十六 花卉钵苗智能移栽末端执行器设计

针对日益增长的盆栽花卉市场需求和人工移栽成本逐步提高的现实，分析了研制花卉智能移栽机的迫切需要，同時对其工作原理进行介绍。综合国内外研究现状并进行总结，针对智能移栽机关键功能部件夹持末端执行器，对其结构进一步优化设计，采用摆动式主动夹持同時兼顾伸缩驱动，从而保证对花卉幼苗根部可靠有效夹持。

引言

随着生活水平的提升，居民花卉消费稳步增长，我国花卉种植面积已达66.7万公顷以上，约占世界花卉总种植面积的1／3，全国花卉销售额达600亿元，出口额约8亿美元，花卉产业具有广阔的市场前景和深远的发展潜力。然而，由于我国现有花卉生产设备配套不完善，劳动投入以人工为主，作业效率低，劳动强度大，不利于发展规模化花卉生产模式，目前与花卉产业发达国家相比仍有较大差距。其中，在盆栽花卉种苗生产过程中的移栽环节表现尤为突出。盆栽花卉中主要以一年生草本花坛花卉需求最大，其广泛应用于城市绿化和节日庆典装饰。由于多数盆栽花卉具有使用周期短、需求数量大的特点，其种苗由播种穴盘向花盆移栽所需劳动成本高，亟待研发自动化种苗移栽机械，实现花卉种苗移栽自动化。

由于花卉幼苗形状特征各异，子叶方向随机分布，夹持幼苗操作过程中需防止对子叶和茎秆造成损伤。同時，还需保证移栽释放幼苗時，手爪与幼苗能有效快速分离。因此，幼苗夹持末端执行器在移栽过程中可靠无损夹持是智能移栽机关键技术之一。

钵苗移栽机工作原理

穴盘智能移栽机样机研制始于20世纪80年代美国奥本大学Kutz等人。如图1所示，其功能模块构成方式一直为后续研究者所采用，主要由钵苗识别传感器、定位机构以及钵苗夹持手爪三部分构成。由钵苗识别传感器对钵苗特征进行识别，计算穴盘各个穴孔位置，并对缺苗、病苗以及畸形苗穴孔位置进行标记，并将此信息传送于定位机构控制系统，定位机构控制夹持手爪对正常钵苗进行移栽，剔除不良钵苗。

如图1所示，花卉幼苗智能移栽机样机结构，纵向提升驱动、水平移动导向驱动以及手爪间距微调驱动构成的末端定位部件，保证移栽末端执行器具有3个空间运动自由度，从而实现将钵苗由穴盘向花盆移栽的序列作业动作。其中，在末端执行器在穴盘苗上方将幼苗夹起，运动至对应花盆后，将幼苗插入花盆基质穴孔并释放。其对幼苗快速可靠的夹持和释放，对于保证智能移栽作业的高效运行具有重要意义。

末端执行器相关技术研究现状

Hwang等人1986年研制的辣椒苗幼苗栽植机，通过具有柔性垫片的夹持手爪直接夹持幼苗茎秆进行移栽。1994年美国Kutz等人研制的张合式幼苗移栽夹持手爪，由气动手爪、光电传感器以及注水喷嘴构成，通过夹持幼苗根部基质移动幼苗，手指上方安装压力水流喷嘴向幼苗根部喷水，有利于幼苗从手爪脱落，同時可以清洗夹持手指。如图2所示，1996年美国K.C.Ting等人研制了伸缩式幼苗移栽夹持手爪，套筒内可伸缩的针形手指插入至幼苗根部基质进行夹持，手指缩回则完成幼苗释放，克服了张合式手指不容易与幼苗脱落的缺点。国内沈阳农业大学邱立春等人发明的幼苗移栽机械手也采用伸缩式针形手指夹持幼苗根部，垂直伸缩气缸通过仿形套筒约束手指向内夹持轨迹，从而向幼苗根部施加夹持力。

目前，对于移栽机末端手爪研究多应用于高度较矮的穴盘钵苗，对于花卉幼苗移栽使用仍有不足之处。首先，采用对幼苗茎部夹持的方式，容易夹伤茎秆，损坏幼苗i第二，张合摆动式手指夹持幼苗后，由于根部基质与手指容易粘连，二者不能快速分离，影响移栽可靠性；第三，采用仿形套筒式伸缩手指夹持幼苗，夹持操作缺乏驱动源，存在夹持力度不够，幼苗容易脱落，同時仿形套筒加工一次成型，手爪张开幅度不可调节，对于不同根部大小的钵苗适应性较差。

新型移栽末端执行器设计

针对花卉幼苗植株较高、根系发达的生理特点，以及智能移栽机高效作业的要求，通过优化设计夹持手指驱动结构和运动方式，采用有源动力主动夹持钵苗根部，保证可靠有效夹持力度，同時兼顾伸缩式手指运动方式，防止了手指与幼苗根部粘连，实现有效分离。

如图3所示，花卉幼苗移栽末端执行器，当末端定位机构使其处于穴盘幼苗穴孔正上方時，手指伸缩气缸驱动手指伸出插入幼苗根部基质后，手指夹持驱动气缸缩回，由驱动滑块带动连杆牵引手指并拢夹持。释放幼苗時，手指先张开然后缩回，手指导向杆可以防止因为手指回缩時，幼苗根部基质与手指粘连，造成幼苗释放错位。

结语

由于盆栽花卉需求量逐年增加，以及人力成本逐渐提高，花卉钵苗智能移栽作业机械具有巨大的发展潜力，对于解决花卉产业高效集约化发展，减少生产成本，降低劳动强度具有重要意义。其中，钵苗移栽夹持末端执行器的优化设计是智能移栽研发过程的关键技术之一，兼顾摆动和伸缩动作的钵苗根部夹持末端执行器，可以保证移栽过程中对幼苗夹持力度和实现幼苗和手指的快速分离，其结构紧凑，制造成本低，运行可靠，具有良好的通用性，容易实现自动控制，具有良好的推广应用前景。