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摘 要：无土栽培是现代农业的一项新型的技术，是一项具有科技含量的技术形式；无土栽培适用于大规模种植农作物，在此期间就需要大规模引入现代农业自动化设备，针对无土栽培入穴一环，设计菜苗移植入穴装置整体机构以及尺寸，所设计的菜苗移植入穴能够降低无土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作强度，在一定程度上解放劳动力，也为农业现代化提供了一种全新的方法。
关键词：菜苗移植；移植入穴装置；解放劳动力；设计试验
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.104
我国尽管拥有辽阔的国土面积，但是地理环境的多样性以及我国人口的基数大使得我们的可用耕地资源相对较少，在2018年第28个全国土地日座谈会中提及我国现在的耕地面积为20.23亿亩，平均每人耕地面积1.45亩；虽然我国提出了严格的耕地保护制度和耕地总量动态平衡制度，但未来耕地面积减少将是一种不可避免的长期趋势，这种趋势只能减缓而不能遏制，18亿亩耕地红线面临最为严峻的考验，目前解决这个问题的最有效的方法便是提高单位面积土地上农作物的产量以及农产品品质。于是，无土栽培便应运而生，但是，提高单位面积土地上农作物的产量意味着劳动任务更加繁重；以蔬菜生产为例，因为蔬菜的生长周期短并且收获周期也短，劳动任务十分繁重，甚至可以说蔬菜的生菜是一个“劳动密集型产业”，在蔬菜的生产过程中，劳动强度最大的莫过于蔬菜菜苗的移植以及蔬菜的收获，在我国，蔬菜菜苗的移植几乎都是有人工来完成，所以蔬菜生产过程中会出现移栽菜苗质量差等情况发生，导致生产效率偏低。因此，实现蔬菜菜苗移植自动化是我国现阶段在蔬菜种植生产中急需解决的问题。
1 菜苗移植入穴装置建模设计
1.1 组成与设计要求
如图1所示，本菜苗移植入穴装置主要由三大部分组成：第一部分为机械结构部分，主要由主体机架、护翼、X、Y、Z轴导向杆、X、Y、Z轴导向套、X、Y、Z轴电机组成；第二部分为夹持动作部分，主要由机械手、机械手控制单元、机械手支架、机械手夹持电机组成；第三部分为输送机构部分，主要由输送皮带、穴盘组成。
在电机的选型上，我们选择直流电机，因为直流电机维修费用很低，运转距离比较大，同时启动特性和调速特性很优秀；直流电机的直流比交流更加节能环保、起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小。
在机械手模块中，我们亦可以把机械手气动手指换为现有技术中其他可以实现抓取作业的结构，如机械夹爪，真空吸盘等。
1.2 各部分设计图示及说明
菜苗移植入穴装置主要由机械结构部分、夹持动作部分、输送机构部分构成，结构如图1所示。
机架：机架分成工作区以及备苗区，工作区上设有用于放置菜苗穴板的工作台。
输送机构：输送机构安装于机架上并位于工作台的一侧；输送机构用于输送菜苗；主要由皮带来进行传动。
机械手：机械手安装于机架上并用于抓取输送机构的输送端面上的菜苗至菜苗穴板；机械手可沿机架的高度方向运动；机械手可沿机架的长度方向运动；机械手可沿机架的宽度方向运动；所述输送机构以及工作台均位于机械手的运动轨迹上。
X轴驱动机构：X轴电动机构用于带动抓取件沿机架的长度方向运动。
Y轴驱动机构：Y轴电动机构用于带动抓取件沿机架的宽度方向运动。
Z轴驱动机构：Z 轴电动机构用于带动抓取件沿机架的高度方向运动。
2 菜苗移植入穴装置工作流程
如图2所示的一种菜苗移植入穴装置，包括机架、输送机构、机械手、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动机构，在机架上设有工作台，该工作台用于放置菜苗穴板。上述的输送机构安装于机架上并位于工作台的一侧，该输送机构用于输送菜苗。
首先，将多个菜苗放置在输送机构的起始端，同时可人工将菜苗穴板放置在工作台上。此后，传感器接收到有菜苗信号之后，在Y轴驱动机构的带动下，使机械手沿着机架跨度方向运动至输送机构的输送端面上方，然后Z轴驱动机构带动机械抓沿着机架的高度方向向下运动，机械手便开始工作了，气动手指抓取输送机构的输送端面上的菜苗，夹取菜苗之后Z轴驱动机构带动机械抓沿着机架的高度方向向上运动，而后Y轴驱动机构继续工作，使得抓有菜苗的机械手沿着机架的宽度方向运动至菜苗穴板的上方，并对准菜苗穴盘第一个穴位将菜苗放下，如图4标绿穴位。如此反复，机械手沿着Y轴方向往复进行菜苗入穴作业，直至穴盘第一行排满。
而在菜苗穴板第一排整排摆放满之后，X轴驱动机构开始运作，带动机械手沿着机架长度方向运动至下一段，再重复上述操作，实现依次有序移植菜苗进入穴盘上的各个穴位，待菜苗穴盘各个穴位都移植满之后，便可将菜苗穴板放入栽培环境进行栽培；整个入穴流程自动化程度较高，能够大大减少人工工作强度以及提高移植效率，且可减少菜苗移植入穴的时间周期，降低菜苗的损坏率。
3 试验平台的搭建
为了进一步获取数据，提高机器对菜苗的识别率以及机械手对菜苗投放入穴的成功率，同时以便我们进一步改进与完善机器图纸，我们搭建了实物试验机器，本文截取其中一部分作为示例，如图6所示。
4 结论
（1）菜苗移植入穴装置设计结构合理，整体结构满足菜苗移植要求，能够完成无土栽培中菜苗移植工作。
（2）自动化程度较高，能够大大提高移植效率，且可减少菜苗移植入穴的时间周期，降低菜苗的损壞率。
（3）菜苗移植入穴能够降低无土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作强度，在一定程度上解放劳动力。
参考文献
[1]万霖，汪春，车刚.小型蔬菜移栽机的改进设计与试验[J].农业工程学报，2011，27（06）：117122.
[2]付强，胡军.小型蔬菜移栽机械手的设计与试验[J].农机化研究，2019，41（06）：130134+139.
[3]朱斌彬，吕钊钦.带夹式甘薯裸苗移栽机的设计[J].农机化研究，2018，40（06）：120123+161.
关键词：菜苗移植；移植入穴装置；解放劳动力；设计试验
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2019.33.104
我国尽管拥有辽阔的国土面积，但是地理环境的多样性以及我国人口的基数大使得我们的可用耕地资源相对较少，在2018年第28个全国土地日座谈会中提及我国现在的耕地面积为20.23亿亩，平均每人耕地面积1.45亩；虽然我国提出了严格的耕地保护制度和耕地总量动态平衡制度，但未来耕地面积减少将是一种不可避免的长期趋势，这种趋势只能减缓而不能遏制，18亿亩耕地红线面临最为严峻的考验，目前解决这个问题的最有效的方法便是提高单位面积土地上农作物的产量以及农产品品质。于是，无土栽培便应运而生，但是，提高单位面积土地上农作物的产量意味着劳动任务更加繁重；以蔬菜生产为例，因为蔬菜的生长周期短并且收获周期也短，劳动任务十分繁重，甚至可以说蔬菜的生菜是一个“劳动密集型产业”，在蔬菜的生产过程中，劳动强度最大的莫过于蔬菜菜苗的移植以及蔬菜的收获，在我国，蔬菜菜苗的移植几乎都是有人工来完成，所以蔬菜生产过程中会出现移栽菜苗质量差等情况发生，导致生产效率偏低。因此，实现蔬菜菜苗移植自动化是我国现阶段在蔬菜种植生产中急需解决的问题。
1 菜苗移植入穴装置建模设计
1.1 组成与设计要求
如图1所示，本菜苗移植入穴装置主要由三大部分组成：第一部分为机械结构部分，主要由主体机架、护翼、X、Y、Z轴导向杆、X、Y、Z轴导向套、X、Y、Z轴电机组成；第二部分为夹持动作部分，主要由机械手、机械手控制单元、机械手支架、机械手夹持电机组成；第三部分为输送机构部分，主要由输送皮带、穴盘组成。
在电机的选型上，我们选择直流电机，因为直流电机维修费用很低，运转距离比较大，同时启动特性和调速特性很优秀；直流电机的直流比交流更加节能环保、起动和调速性能好，调速范围广平滑，过载能力较强，受电磁干扰影响小。
在机械手模块中，我们亦可以把机械手气动手指换为现有技术中其他可以实现抓取作业的结构，如机械夹爪，真空吸盘等。
1.2 各部分设计图示及说明
菜苗移植入穴装置主要由机械结构部分、夹持动作部分、输送机构部分构成，结构如图1所示。
机架：机架分成工作区以及备苗区，工作区上设有用于放置菜苗穴板的工作台。
输送机构：输送机构安装于机架上并位于工作台的一侧；输送机构用于输送菜苗；主要由皮带来进行传动。
机械手：机械手安装于机架上并用于抓取输送机构的输送端面上的菜苗至菜苗穴板；机械手可沿机架的高度方向运动；机械手可沿机架的长度方向运动；机械手可沿机架的宽度方向运动；所述输送机构以及工作台均位于机械手的运动轨迹上。
X轴驱动机构：X轴电动机构用于带动抓取件沿机架的长度方向运动。
Y轴驱动机构：Y轴电动机构用于带动抓取件沿机架的宽度方向运动。
Z轴驱动机构：Z 轴电动机构用于带动抓取件沿机架的高度方向运动。
2 菜苗移植入穴装置工作流程
如图2所示的一种菜苗移植入穴装置，包括机架、输送机构、机械手、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及Z轴驱动机构，在机架上设有工作台，该工作台用于放置菜苗穴板。上述的输送机构安装于机架上并位于工作台的一侧，该输送机构用于输送菜苗。
首先，将多个菜苗放置在输送机构的起始端，同时可人工将菜苗穴板放置在工作台上。此后，传感器接收到有菜苗信号之后，在Y轴驱动机构的带动下，使机械手沿着机架跨度方向运动至输送机构的输送端面上方，然后Z轴驱动机构带动机械抓沿着机架的高度方向向下运动，机械手便开始工作了，气动手指抓取输送机构的输送端面上的菜苗，夹取菜苗之后Z轴驱动机构带动机械抓沿着机架的高度方向向上运动，而后Y轴驱动机构继续工作，使得抓有菜苗的机械手沿着机架的宽度方向运动至菜苗穴板的上方，并对准菜苗穴盘第一个穴位将菜苗放下，如图4标绿穴位。如此反复，机械手沿着Y轴方向往复进行菜苗入穴作业，直至穴盘第一行排满。
而在菜苗穴板第一排整排摆放满之后，X轴驱动机构开始运作，带动机械手沿着机架长度方向运动至下一段，再重复上述操作，实现依次有序移植菜苗进入穴盘上的各个穴位，待菜苗穴盘各个穴位都移植满之后，便可将菜苗穴板放入栽培环境进行栽培；整个入穴流程自动化程度较高，能够大大减少人工工作强度以及提高移植效率，且可减少菜苗移植入穴的时间周期，降低菜苗的损坏率。
3 试验平台的搭建
为了进一步获取数据，提高机器对菜苗的识别率以及机械手对菜苗投放入穴的成功率，同时以便我们进一步改进与完善机器图纸，我们搭建了实物试验机器，本文截取其中一部分作为示例，如图6所示。
4 结论
（1）菜苗移植入穴装置设计结构合理，整体结构满足菜苗移植要求，能够完成无土栽培中菜苗移植工作。
（2）自动化程度较高，能够大大提高移植效率，且可减少菜苗移植入穴的时间周期，降低菜苗的损壞率。
（3）菜苗移植入穴能够降低无土栽培中菜苗移栽工作中的人工工作强度，在一定程度上解放劳动力。
参考文献
[1]万霖，汪春，车刚.小型蔬菜移栽机的改进设计与试验[J].农业工程学报，2011，27（06）：117122.
[2]付强，胡军.小型蔬菜移栽机械手的设计与试验[J].农机化研究，2019，41（06）：130134+139.
[3]朱斌彬，吕钊钦.带夹式甘薯裸苗移栽机的设计[J].农机化研究，2018，40（06）：120123+161.