引言
缽苗移栽是溫室穴盤育苗生產中的重要環節，人工作業單調繁重，正逐步被機械化移栽設備所取代。早期缽苗移栽設備的研究多以工業機器人為本體，其只適用于特定環境，不便于對系統進行擴展和改進，利用率較低。例如，Kutz 等人基于 Puma 560 設計的可將種苗從 392 孔穴盤移栽至 36 孔生長盤的苗圃植物移栽機器人; Ting 等人基于四自由度 ADEPT－SCAＲA 研制的一種帶有 SNS 夾持器的移栽機器人等。近年來，荷蘭、美國、韓國等國家又研制了多種用于溫室作業生產線的大型缽苗移栽機，其作業效率達 800 ～ 1000 作業循環/h，最多可擴展 32 組移栽手爪。但其結構復雜、價格昂貴、體積大，與我國現階段設施農業生產模式的適應性差。目前，邱立春、周婷、曹衛彬等人針對蔬菜缽苗自動移栽機也進行了相關研究并取得一定進展，但相對產業化應用要求仍存有諸多技術瓶頸需要突破。
為此，基于平動二自由度并聯機構，設計了一種高速缽苗移栽機器人?；谠撘圃詸C器人的系統構成和工作原理，應用 PLC、傳感器和伺服控制技術對其控制系統進行設計，通過系統間的運動協調，實現缽苗從高密度盤到低密度盤的自動移栽。
1 缽苗移栽機器人結構組成及工作原理
如圖 1 所示，缽苗移栽機器人主要由平動二自由度并聯移栽機構、氣動四針式取苗爪、植苗盤輸送帶、供苗盤輸送帶、穴盤輸送位置檢測傳感器、壓盤輔助裝置以及控制系統組成。
并聯移栽機構由基座、移栽動平臺及兩條對稱的全鉸接運動支鏈組成，每條支鏈由主動臂﹑副主動臂和 3 個從動臂組成，如圖 2 所示。由于主動臂與副動臂、3 根從動臂等長且平行，故可簡化為如圖 3 所示的2 自由度 5 桿鉸接機構。圖 3 中，L1、L2、ui和 wi\\( i =1，2\\) 表示支鏈中主動臂、從動臂的長度及單位矢量;θi1和 θi2分別表示支鏈中主動臂和從動臂的位置角; r= \\( x，y\\)T表示動平臺參考點 O'的位置矢量; e 表示兩電機軸的偏心距。詳細的運動學和動力學分析參見參考文獻［11］?！緢D1-3】
工作時，安裝在基座上的 2 個伺服電機經減速器分別驅動 2 個主動臂繞主動關節轉動，主動臂帶動從動臂，進而帶動移栽動平臺運動。由于主動臂和從動臂均由平行四邊形構成，利用平行四邊形的姿態保持性，使得兩主動臂的獨立轉動轉換為動平臺的二維平動。氣動四針式取苗爪安裝在動平臺上，用于夾取和放置缽苗; 而穴盤輸送系統則垂直于移栽機構的工作平面獨立布置，用于供苗盤和植苗盤的縱向間歇性進給。并聯移栽機構的任務是通過與兩條獨立穴盤定位輸送系統和氣動取苗爪伸縮控制系統間的運動協調，將供苗盤中缽苗依次移栽到植苗盤相應穴孔中。
由于該移栽機構采用閉環并聯結構，伺服電機安裝在基座上，機構剛度大; 從動臂可制作成輕桿，運動質量小、慣性低，動平臺可獲得較高的速度和加速度，滿足了穴盤缽苗高速﹑中短距的移栽作業要求。
2 缽苗移栽機器人控制原理分析
為滿足準確定位抓取、高速移動栽植的缽苗移栽作業要求，取苗爪的工作模式設定為“定位—抓取—定位—移植”。具體工作原理如圖 4 所示?！緢D4】
以基座上兩電機軸中心連線的中點為原點，中心連線所在直線為 x 軸，垂直方向直線為 y 軸，建立坐標系。其中，x 軸為兩電機的零點位置; 矩形 Q1Q2Q3Q4為并聯移栽機構的工作區間。工作時，系統根據供、植苗盤內待移出和植入缽苗的穴孔位置信息，規劃出氣動取苗爪的移栽路徑; 然后遵循特定的軌跡運動規律控制函數\\( 如 5 次多項式運動規律\\) ，對每段移栽軌跡進行 PVT 插補; 再應用平動二自由度并聯機構的運動學逆解模型，將移栽動平臺在工作區間內各插補點的位置 P\\( x，y\\) 、速度 v\\( vx，vy\\) 轉換成并聯移栽機構兩主動關節相對于各自零位\\( x 軸\\) 的轉角角度 θ\\( θ11，θ21\\) 和轉角速度 ω\\( θ·11，θ·21\\) ，進而轉換為兩伺服電機的脈沖個數 n\\( n1，n2\\) 和脈沖頻率 f\\( f1，f2\\) 。
缽苗移栽系統采用伺服閉環控制，考慮機電耦合效應，可建立如圖 5 所示的控制系統模型。該模型的系統輸入為移栽動平臺在工作區間中的理想設定軌跡 s\\( t\\) ，經運動學逆解模型轉換為速度環的輸入即理想角速度，通過 PID 控制器控制伺服電機，從而控制移栽機構的兩主動關節輸入。另一方面，移栽機構的機械部分通過本身的動力學特性反作用于伺服電機，從而影響其實際輸出; 移栽機構兩主動關節的實際輸入經運動學正解模型得到動平臺的實際軌跡 s'
\\( t\\) 再反饋回系統與理想軌跡進行比較。其中，αT為測速反饋系數?！緢D5】
3 控制系統設計
3． 1 硬件設計
由于并聯移栽機構的工作區間軌跡是關節區間的非線性映射，工作時需要進行大量的正、逆解運算;整個系統需要 4 路高速脈沖輸出，分別負責并聯移栽機構的兩主動關節輸入和兩條獨立穴盤輸送系統的動力輸入; 此外，系統間還需進行高速通信。為此，控制核心選用信捷 XCC－32T－E/C 型高性能 PLC。其支持 5 路高速脈沖輸出\\( 帶兩軸直線、圓弧插補功能\\) 和CAD 運動控制; 帶有高速浮點數運算和 C 語言編輯功能塊，處理速度為 0． 2μs; 采用 NPN 型晶體管輸出，I/O 分配為 18 點 /14 點; 支持 MODBUS 通訊和 CAN 總線通訊。
并聯移栽機構兩主動關節的動力輸入選用松下A4 系列 MDDDT5540 型驅動器驅動的額定功率為1． 5kW 的中等慣量電機 MDMA152P1H。兩條獨立穴盤定位輸送系統也均采用伺服閉環控制來實現穴盤的間歇性精確定量進給。上述伺服電機均帶有增量式編碼器以形成位置反饋。壓盤桿動作氣缸和取苗爪的伸縮運動分別選用 1 個二位三通式電磁閥和 1個二位五通式電磁閥來進行控制。此外，系統還需配有相應的傳感器進行信號檢測。并聯移栽機構兩主動臂的零點位置和極限位置，以及壓桿壓盤到位信號檢測均選用電感式接近開關 LJ8A3－2－Z/BX，檢測距離為 2mm; 供苗盤和植苗盤的輸送到位信號檢測選用松下透過型光電傳感器 CX－411E+CX－411D，檢測距離可達 10m; 有無穴盤信號檢測采用松下回歸反射型\\( 帶偏極濾光器\\) 光電傳感器 CX－491，檢測距離達3m。所有傳感器均為 NPN 輸出。整個系統的硬件構成如圖 6 所示?！緢D6】
3． 2 軟件設計
缽苗移栽機器人控制系統主要由高性能運動控制型 PLC、4 個交流伺服電機、1 個二位三通式電磁閥、1 個二位五通式電磁閥、5 個電感式接近開關和 4個光電傳器等構成，共有 12 個輸入信號和 10 個輸出信號。其 I/O 點分配如表 1 所示?！颈?】
移栽機器人在自動運行模式下的總體協調作業流程如圖 7 所示。系統啟動后，供苗盤、植苗盤開始輸送; 與此同時，可啟動缽苗移栽系統，并依次執行主電路上電、伺服使能打開和回零操作。待供苗盤、植苗盤均輸送到工作位置，壓盤動作氣缸驅動壓盤桿壓好供苗盤，且移栽動平臺回到零點位置時，氣動四針式取苗爪復位\\( 張開回針\\) ，然后開始缽苗移栽作業并計數\\( 每完成 1 次缽苗移栽過程，計數器 C1、C2 便自動加 1\\) 。待取完 1 行時\\( C1 =N1\\) ，供苗盤進給 1 行，并將計數器 C1 清零，計數器 C11 加 1; 待植滿 1 行時\\( C2=N2\\) ，植苗盤進給 1 行，并將計數器 C2 清零，計數器 C12 加 1; 待移完或植滿 1 盤時\\( C11 =L1或 C12= L2\\) ，將對應的計數器 C11 或 C12 清零，并將新的供苗盤或植苗盤輸送至移栽工作平面，進行下一穴盤的移植作業并計數。其中，N1和 N2分別為供苗盤和植苗盤的列數，L1和 L2分別為供苗盤和植苗盤的行數?！緢D7略】
作業過程中，供苗盤輸送單元、植苗盤輸送單元及缽苗移栽系統間通過并行程序結構實現各自的獨立運行，同時將各系統的準備就緒信號\\( 如 M100、M101、M102 和 M103\\) 作為選擇性分支條件，實現彼此間的信息交流，進而實現系統間的協調運行，確保缽苗移栽機器人的連續循環作業。4 結論本文基于平動二自由度并聯機構，設計了一種高速缽苗移栽機器人。該機器人用以實現設施蔬菜、花卉類作物從高密度盤到低密度盤或營養缽的高速移栽; 根據缽苗移栽作業要求和系統工作原理，以 PLC為核心，集自編程序、傳感器、伺服控制等技術為一體，對其控制系統進行了軟硬件設計，實現了系統間的運動協調和自動化移栽。以育苗期為 28 天、缽體含水率為 60% 左右的黃瓜苗為對象，在移栽機構動平臺最大加速度為 45m/s2、最高移栽頻率 45 次/min下，進行 30 盤 128 孔穴盤到 50 孔穴盤的缽苗移栽連續運行試驗。試驗表明，該缽苗移栽機器人控制系統設計合理、系統間運動協調可靠，移栽成功率平均達91． 4% 以上，單爪移栽速率可達 2 700 株 / h，滿足了自動化移栽作業要求。
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