第35卷第14期农业工程学报V ol.35 No.14 2019年7月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jul. 2019 39
党玉功1,3，金鑫2※，李衡金4，王俊2，卢杨奔4，丁博文1，李雪2（1. 河南科技大学车辆与交通工程学院，洛阳471003；2. 河南科技大学农业装备工程学院，洛阳471003；
3. 河南科技大学机械装备先进制造河南省协同创新中心，洛阳471003；
红外线测速仪
4. 河南科技大学机电工程学院，洛阳471003）
摘要：针对目前蔬菜穴盘苗自动取投苗机构结构复杂、制造成本较高等问题，该文设计了一种单自由度开式铰链四杆机构取投苗机械臂。首先通过对钵苗力学特性进行分析，为取苗爪的外形设计提供了依据。其次根据人工取投苗和现有取苗机构的作业过程，制定了取苗机构的设计要求。然后对机构的运动路径和各运动副的运动进行规划设计，最终设计出一种单自由度全机械式的取投苗机械臂，显著降低了成本。试验结果表明：取苗爪抓取点的运动轨迹和设计要求与理论仿真结果相一致，移栽试验中取苗成功率为96.7%，钵体破损率为3.13%，投苗成功率为97.74%，总体成功率为91.32%，机构的可靠性较高。该机构的设计提供了一种全自动取投苗方法，可为开展移栽装备的全自动化研究提供参考。
关键词：机械化；移栽；设计；取投苗机构；铰链四杆机构；行星轮系；凸轮机构
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005
中图分类号：S223.94 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-14-0039-09
党玉功，金 鑫，李衡金，王 俊，卢杨奔，丁博文，李 雪. 单自由度四连杆取投苗机械臂设计[J]. 农业工程学报，2019，35(14)：39－47. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005
Dang Yugong, Jin Xin, Li Hengjin, Wang Jun, Lu Yangben, Ding Bowen, Li Xue. Design of single-degree-of-freedom four-bar seedling-taking and throwing manipulator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(14): 39－47. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.14.005
0 引 言
随着中国人民生活水平的提高，蔬菜产量已经超过粮食产量，居农产品首位，并且有逐年增长的趋势[1]。育苗移栽技术凭借着对作物具有气候补偿和使作物生长提前的优势，已成为保证蔬菜增产的主要手段，是未来蔬菜生产的主要种植方式[2-4]。但是育苗移栽属于劳动密集型作业，费时费工，这些因
素严重制约了蔬菜移栽产业的发展，因此实行蔬菜移栽机械化作业是使移栽技术得以大规模推广的必然趋势[5-7]。目前国内主要以半自动移栽机械为主，采用人工取投苗+机械栽植的模式，取苗、运苗、投苗仍需要人工操作，劳动强度仍然很大，漏苗、伤苗率较高，效率较低[8-12]。因此提高移栽效率显然取决于能否替代人工完成穴盘钵苗的取投，这是一项大量重复性劳动，需要快速、准确、较完整的将钵苗取出同时要保证投苗过程中钵体不散坨，幼苗无伤害。取投苗机构是移栽机械的关键部件，已经成为了国内外学者研究的重点[13-15]。调浆桶
意大利Ferrari全自动蔬菜移栽机采用顶出夹取式取苗机构，虽然损伤率低，作业效率高，但其整套取苗机构由自动控制系统与气动系统组成，结构复杂[16]。日本
收稿日期：2019-05-12 修订日期：2019-06-30锅炉减温减压装置
基金项目：国家自然科学基金（51875175）
作者简介：党玉功，讲师，博士，主要从事机构的设计和研发工作。Email：dang_2000@163
※通信作者：金鑫，副教授，博士，主要从事种苗高速栽插装备与农机状态检测技术研究。Email：jx.771@163 井关农机公司所研制的水稻钵苗栽植机，不仅采用高成本的半硬塑胶穴盘，而且移栽机构结构复杂，对育苗要求也很高，因此并未在国内推广使用[17]。竹山智洋[18]发明的蔬菜移植机自行车儿童座椅
铝合金去毛刺机取投苗机构栽植爪采用2套串联的行星轮系驱动，取苗轨迹复杂，制造成本高，未能实际应用。Choi等[19]设计了一种曲柄滑道导杆取苗机构，该装置取苗成功率较低，而且随着曲柄转速提高，机构效率下降、冲击振动显著增大。惠东志[20]提出了一种曲柄双滑块取苗机构，用于烟草钵苗的取投，该机构随着效率的提高，取苗成功率显著降低。王蒙蒙等[16]提出了曲柄连杆式夹苗机构，但需要与穴盘苗顶出装置配合才能完成取苗和投苗工作，整体结构也比较复杂。曹卫彬等[21]发明了一种基于顶杆式的番茄穴盘苗自动取苗装置，采用16 根平行布置的顶杆从穴盘底部顶出穴盘苗，结构复杂，易损伤穴盘苗。叶秉良等[22-24]提出了2种非圆齿轮行星系旋转式取苗机构，这2种取苗机构虽然结构相对简单，取苗效率高，但制造成本高，作业时有刚性冲击。俞高红等[25]对非圆齿轮行星系旋转式取苗机构进行改进，消除了刚性冲击，但高速作业时可能导致力学性能变差。韩绿化等[26-27]发明了多指针气动取苗机构，其取苗灵活可控、速度快，但是需要配置空压机和气动控制装置，结构复杂，推广受到限制。李华等[28]提出了一种齿轮-连杆组合式夹取取苗机构，用于辣椒苗的移栽作业，其采用行星轮系对多余自由度进行约束，但是取苗臂的夹苗、推苗动作由凸轮拨杆机构及双摇杆机构完成，结构非常复杂，需要设置动力输入装置。电子飞碟
