论文题目：番茄钵苗株距可调式疏植移栽装置及关键技术研究
摘要：设施农业作为现代农业的一种生产方式,能够实现人为可控环境下的农业高效生产作业,近年来受到大力推行,为了便于蔬菜的大规模培育管理,设施农业中常采用穴盘育苗方式进行种植。由于消费者对蔬菜钵苗品质的要求越来越高,为满足精细农业要求,在对蔬菜进行穴盘育苗过程中常采用疏植移栽技术,即将蔬菜钵苗从高密度穴盘移栽至低密度穴盘,从而为钵苗提供进一步的生长条件。然而现阶段疏植移栽以人工为主,效率低下且易损苗伤苗。因此,研究自动化疏植移栽技术,对于实现穴盘钵苗精准移栽的作业自动化以及提高移栽生产作业效率具有重要意义。本文借鉴前人有关穴盘钵苗移栽研究的基础上,以番茄穴盘钵苗为研究对象,提出了株距可调式疏植移栽方案。主要研究内容与结论如下:（1）温室番茄钵苗物理特性研究。根据疏植移栽农艺要求,选取15d、20d、25d、30d和35d各苗龄阶段的“陆扬k9”番茄穴盘钵苗的物理参数,包括苗高、苗叶宽度、茎粗和苗总质量,各项物理参数基本随苗龄增长呈逐渐上升趋势;分析该品种番茄钵苗的根系随苗龄的分布情况,随着苗龄增长,苗钵根系逐渐发达,并确实适宜机械化疏植移栽钵苗苗龄为20-30d;研究不同苗龄与不同含水率条件下的番茄苗钵抗压特性,区分苗钵含水率为低、中、高三个层级,结合苗钵压缩前后效果,确定各阶段苗龄在中含水率（60%）时抗压特性较好,更适宜机械化疏植移栽作业;研究为后续株距可调式疏植移栽装置的设计提供理论基础。（2）确定疏植移栽装置的总体方案。确定了疏植移栽装置的功能与性能要求;对疏植移栽末端执行器的株距调整机构、夹持式取苗末端执行器进行方案比较和分析;依据圆柱凸轮机构距离调整精准,结构简单及运行平稳等优点确定其为株距调整机构,确定了夹持式取苗末端执行器选用单指四针斜插式;确定了基于圆柱凸轮的株距可调式疏植移栽末端执行器方案;对疏植移栽装置移栽机械臂方案进行了确定,选用笛卡尔坐标机械臂为移栽机械臂方案;最终确定疏植移栽装置总体方案。（3）设计疏植移栽装置关键部件与控制系统。对株距调整机构的圆柱凸轮机构结构与参数进行设计与研究,确定圆柱凸轮轮廓曲线为简谐运动规律方程曲线,并基于ADAMS对简谐运动规律圆柱凸轮机构工作过程进行分析,对凸轮机构冲击位置进行接触强度校核,对圆柱凸轮机构工作过程进行受力分析,确定其工作所需最大扭矩为14.76 N·mm,为电机选型提供参考。对夹持式末端执行器取苗针结构与参数进行设计与研究,对其取苗过程进行受力分析;利用CT扫描技术获取苗钵根系真实模型,从而建立苗钵根土复合体,并基于EDEM与Recur Dyn进行不同参数取苗针对苗钵根土复合体提取效果耦合仿真试验研究,仿真结果表明,根土复合体提取效果较优取苗针参数范围为:取苗针夹角范围为10°～12°,取苗针入土角范围为4°～6°,取苗针间距范围为4 mm～8 mm;设计了穴盘图像识别模块,通过YOLO v4算法搭建检测框架对穴孔进行识别,从而判断穴盘规格尺寸指导疏植变距机构工作,识别精度可达97%;确定了控制系统控制模组及装置各部分电气元件硬件型号,并根据装置整体方案确定控制系统流程图。（4）疏植移栽装置的试制及验证试验。根据前文研究对株距可调式疏植移栽装置样机进行试制。对株距可调式疏植移栽末端执行器进行参数优化试验,根据前期取苗针耦合仿真单因素试验确定参数工作范围,进行疏植移栽正交试验,试验确定疏植移栽末端执行器最优参数组合为取苗针夹角为10°、入土角为4°、取苗针间距为8mm、变距速度为5 mm/s;利用最佳工作参数进行验证试验,试验分别选用128穴移栽至72穴、72穴移栽至50穴两种株距变化要求进行疏植移栽验证试验,试验结果表明:128穴钵体最大形变量平均值为1.13±0.68 mm,72穴钵体最大形变量平均值为1.51±0.64 mm,总移栽成功率为93.33%,整机移栽效率为22株/min,移栽成功钵苗全部成活,满足设计要求。
关键词：穴盘苗;疏植移栽;末端执行器;圆柱凸轮;耦合仿真
学科专业：工程硕士（专业学位）
摘要
ABSTRACT
主要符号对照表
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 穴盘钵苗移栽末端执行器研究现状
1.2.2 温室全自动穴盘钵苗移栽装置研究现状
1.3 研究内容及技术路线
1.3.1 研究内容
1.3.2 技术路线
第二章 温室番茄钵苗物理特性研究
2.1 材料与方法
2.1.1 试验材料与设备
2.1.2 试验方法
2.2 结果与分析
2.2.1 番茄钵苗物理形态特性
2.2.2 番茄苗钵抗压特性
2.3 本章小结
第三章 疏植移栽装置整体方案
3.1 疏植移栽装置的功能与性能要求
3.2 疏植移栽装置关键部件方案
3.2.1 疏植移栽末端执行器
3.2.2 移栽机械臂
3.3 最终方案确定
3.4 本章小结
第四章 关键部件与控制系统设计
4.1 株距调整机构关键部件设计
4.1.1 圆柱凸轮机构结构参数设计
4.1.2 基于ADAMS的圆柱凸轮轮廓曲线分析
4.1.3 圆柱凸轮机构运动过程受力分析
4.2 夹持式取苗末端执行器设计
4.2.1 末端执行器取苗手指结构参数设计
4.2.2 取苗过程受力分析
4.2.3 基于耦合仿真的取苗针参数优化设计
4.3 穴盘规格图像识别模块设计
4.3.1 图像采集
4.3.2 穴盘规格识别方法
4.3.3 穴盘识别结果
4.3.4 数据输出模块的设计
4.4 控制系统设计
4.4.1 控制系统整体功能
4.4.2 硬件选型
4.4.3 控制系统流程图
4.5 本章小结
第五章 疏植移栽装置试制与验证试验
5.1 疏植移栽装置样机试制及调试
5.1.1 疏植移栽装置样机试制
5.1.2 样机调试
5.2 疏植移栽末端执行器参数优化试验研究
5.2.1 材料与设备
5.2.2 试验方法
5.2.3 结果与分析
5.3 验证试验
5.3.1 材料与方法
5.3.2 结果与分析
5.4 本章小结
第六章 结论与展望
6.1 结论
6.2 创新点
6.3 展望
参考文献
附录 单片机控制程序
致谢