一种高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人及其工作方法与流程

本发明涉及农业装备技术领域，特别涉及一种高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人及其工作方法。

背景技术：

秧苗移栽是多种作物生产的关键环节，劳动者频繁重复性劳动的强度大且费时费力。因而机械化移栽技术已经得到广泛重视和应用，各类秧苗移栽机械已经大量出现并在生产中得到应用。

目前草莓生产以高垄栽培为主，育苗移栽普遍由人工弯腰作业，而现有各类移栽机械均难以满足高垄的草莓苗移栽特殊需要，主要原因为：

(1)高垄结构特殊性

草莓栽培中高垄的宽度和高度通常在50cm和30cm以上，而垄间通道非常狭窄，且不同草莓生产中的高垄规格存在差异；

(2)草莓苗的尺寸特殊性

草莓苗的育苗周期通常在7周以上，根长与苗高分别超过10cm和18cm，大大超过生菜、辣椒、番茄等各类秧苗；

(3)草莓苗的定向栽植要求

草莓苗向高垄移栽后，需保证弓背向外，从而使草莓沿高垄外侧垂挂生长。

目前各类半自动与全自动移栽机与全自动移载机，通常采用人工或机械投苗、重力落苗方式，无法满足秧苗的定向栽植要求；而现有移栽机配合重力落苗的开沟-栽植或一次成穴栽植方式，仅能实现较小型秧苗的移栽，而草莓苗育苗周期长达7周以上，移栽机必须实现深达10cm的打孔和定向栽植。同时，现有移栽机均面向地面的秧苗栽植作业，而无法满足面向高垄的行走与栽植需要。

中国专利(201510307036.9)提出了高架栽培配套的草莓苗移栽装备与方法，但该移栽机器人在高架间行进，并采用向两侧高架的横向先打孔再放苗的间歇式作业方式，无法应用于高垄间更为狭窄通道的行进作业，且作业效率偏低。

技术实现要素：

本发明提供一种高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人及其工作方法，实现高垄上的自动打孔和穴盘草莓苗双行快速定向移栽。

为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：

一种高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人，包括通用底盘、托盘架、取送苗单元、穴盘侧向进给单元、竖直打孔单元、控制系统及测距传感器；

所述通用底盘沿行进方向v₁从前向后依次固定安装测距传感器、竖直打孔单元、托盘架和穴盘侧向进给单元，取送苗单元设置于穴盘侧向进给单元的上方；

所述取送苗单元包括框架、竖直直线移动机构、水平直线移动机构和取苗爪，所述框架为方形框架结构，其底部固定于通用底盘上，所述水平直线移动机构的基座固定于框架的顶部，水平直线移动机构的动台运动方向v₂与v₁平行，所述竖直直线移动机构的基座固定于水平直线移动机构的动台上，取苗爪竖直固定于竖直直线移动机构的动台上；

所述穴盘侧向进给单元包括导向凹槽、压板、侧向直线移动机构、导轨、电动弹顶杆、弹性限位开关和电动顶杆，所述导向凹槽底端通过导轨与通用底盘连接，导向凹槽进给方向v₃前方的通用底盘上固定有电动弹顶杆，导向凹槽外侧面固定有电动顶杆以及控制电动顶杆的弹性限位开关，电动顶杆的动头与压板固定，所述侧向直线移动机构的动台与导向凹槽固定连接。

上述方案中，所述托盘架为水平多层结构。

上述方案中，所述取苗爪为两个，相对通用底盘的纵向中心线对称，且两个取苗爪的中心线距离等于穴盘的穴孔列距e的n倍，n＝1，2，…。

上述方案中，所述竖直打孔单元具有两个竖直的打孔头，两个打孔头相对通用底盘的纵向中心线对称，且两个打孔头的中心线距离等于穴盘的穴孔列距e的n倍，n＝1，2，…。

上述方案中，所述电动弹顶杆与导向凹槽的距离小于穴盘长度的1/2。

一种高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人的工作方法，包含以下步骤：

S1，通过遥控使通用底盘跨在一条高垄A上并以速度v₁自动沿高垄A前进；

S2，测距传感器实时测量高垄A的垄面高度；

S3，竖直打孔单元根据测距传感器所测量的垄面高度确定竖直下降的距离，从而在不同垄面高度或垄面高度有波动时打出相对通用底盘的纵向中心线对称的深度一致的栽植孔；

S4，通用底盘以速度v₁自动沿高垄A前进、竖直打孔单元打孔的同时，取送苗单元以周期T₁完成穴盘内第1列和第n+1列的第1行2株草莓苗的取苗、送苗和栽植，并使所栽植两行草莓苗的弓背朝向高垄A的外侧；

S5，高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人继续行进打孔并顺序完成穴盘内第1列和第n+1列草莓苗的取苗、送苗和栽植，侧向直线移动机构带动第i个穴盘进给1个列距e，继续进行第2列和第n+2列草莓苗的取苗、送苗和栽植，直至第i个穴盘内的草莓苗取完；

S6，侧向直线移动机构带动导向凹槽返回初始位置，同时控制系统命令电动顶杆伸出使压板打开；

S7，操作者将下一盘带苗的穴盘沿导向凹槽推入，上一个空的第i个穴盘被带苗的穴盘(13)推动并跳过弹性限位开关离开导向凹槽；

S8，下一盘带苗的穴盘被推到触发弹性限位开关，使电动顶杆收缩带动压板下压住带苗的穴盘的唇边，实现带苗的穴盘在导向凹槽内的定位；

S9，下一盘带苗的穴盘被推到触发弹性限位开关，同时使电动弹顶杆快速弹出，将上一空的穴盘顶出落入高垄A之间的通道内；

S10，高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人重复上述流程继续作业。

进一步，所述穴盘的穴孔为2n列，n＝1，2，…，其中培育的第1～n列和第n+1～2n列草莓苗的弓背方向对称向外。

进一步，通用底盘前进过程中，竖直打孔单元在高垄的垄面上不断以周期T₁打出行距H等于穴盘的穴孔列距e的n倍、株距为D的栽植孔，即H＝n×e，D＝T₁×v₁。

进一步，所述S4中，竖直打孔单元每一次打孔和相应取放苗完成时刻的间隔为T₂＝L/v₁，其中L为高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人打孔位A和作业位B沿行进方向的距离。

本发明的有益效果是：利用弹性限位开关对压板、电动顶杆的反馈控制实现限位触发自动定位与穴盘空盘调离弹脱，完成手动便捷换盘；通过穴孔列距整数倍的双头打孔、双爪取苗实现高速的高垄上打孔定向移栽，结构与控制简单，机身小巧且仅需进垄、换盘的极少人工介入，实用性强。

附图说明

图1为本发明高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人结构示意图；

图2为穴盘侧向进给单元结构示意图；

图3为本发明高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人作业的俯视关系示意图；

图4为本发明高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人的作业与控制流程图；

图5为高垄自适应仿形底盘结构示意图；

图6为自适应仿形单元的结构示意图。

图中，1.高垄A，2.穴盘侧向进给单元，3.取苗爪，4.竖直直线移动机构，5.水平直线移动机构，6.框架，7.托盘架，8.竖直打孔单元，9.测距传感器，10.通用底盘，11.导向凹槽，12.压板，13.穴盘，14.侧向直线移动机构，15.导轨，16.电动弹顶杆，17.弹性限位开关，18.电动顶杆，19.穴孔，20.栽植孔，101.平台，102.高垄B，103.探测装置，104.纵向车梁，105.辊筒，106.仿形单元机架，107.滑槽板，108.拉伸弹簧，109.直动元件，1010.控制箱，1011.电机，1012.双头丝杠，1013.横移螺母，1014.滑轨，1015.滑块，1016.支撑杆，1017.调高板，1018.减震车叉，1019.内装电机车轮，1020.固定块，1021.圆弧槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人以2n(n＝1，2，…)列的穴盘13内培育的草莓苗为对象，其中培育的第1～n列和第n+1～2n列草莓苗的弓背方向对称向外。

如图1所示，本发明高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人由通用底盘10、托盘架7、取送苗单元、穴盘侧向进给单元2、竖直打孔单元8、控制器(PLC，型号为：XDM-60T10-E)及测距传感器9构成，通用底盘10上沿行进方向v₁从前向后依次固定安装测距传感器9、托盘架7和穴盘侧向进给单元2，测距传感器9固定于通用底盘10的前部，测距传感器9竖直向下进行距离探测；托盘架7为水平多层结构，托盘架7固定于通用底盘10上，穴盘侧向进给单元2横向布置于通用底盘10的后部，取送苗单元位于穴盘侧向进给单元2的上方。竖直打孔单元8具有两个竖直的打孔头，两个打孔头相对通用底盘10的纵向中心线对称，且两个打孔头的中心线距离等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍。

如图2所示，取送苗单元包括框架6、竖直直线移动机构4、水平直线移动机构5和两个取苗爪3，框架6为方形框架结构，框架6的底部固定于通用底盘10上，水平直线移动机构5的基座固定于框架6的顶部，水平直线移动机构5的动台运动方向v₂与通用底盘10的跨垄行进方向v₁平行，竖直直线移动机构4的基座固定于水平直线移动机构5的动台上，竖直直线移动机构4的动台沿竖直方向运动，两个取苗爪3竖直固定于竖直直线移动机构4的动台上，两个取苗爪3相对通用底盘10的纵向中心线对称，且两个取苗爪3的中心线距离等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍。

如图2所示，穴盘侧向进给单元2包括导向凹槽11、两个压板12、侧向直线移动机构14、导轨15、电动弹顶杆16、弹性限位开关17和电动顶杆18，导向凹槽11与侧向直线移动机构14的动台固定连接，导向凹槽11与通用底盘10之间通过导轨15连接，电动顶杆18的本体固定于导向凹槽11的外侧面，电动顶杆18的动头竖直向上，压板12与电动顶杆18的动头固定，并由弹性限位开关17的开合控制电动顶杆18的伸缩。电动弹顶杆16竖直固定于通用底盘10上，电动弹顶杆16位于导向凹槽11进给方向v₃的前方，电动弹顶杆16与导向凹槽11的距离小于穴盘13长度的1/2。

如图3、4所示，利用本发明的高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人对高垄进行草莓穴盘秧苗自动移栽的控制和作业流程如下：

(1)通过遥控使通用底盘10跨在一条高垄A1上并以速度v₁自动沿高垄A1前进；

(2)测距传感器9实时测量高垄A1的垄面高度；

(3)竖直打孔单元8根据测距传感器9所测量的垄面高度确定竖直下降的距离，从而在不同垄面高度或垄面高度有波动时打出相对通用底盘10的纵向中心线对称的深度一致的栽植孔20；通用底盘10行进过程中，竖直打孔单元8在高垄A1的垄面上不断以周期T₁打出行距H等于穴盘13的穴孔19列距e的n倍、株距为D的栽植孔20，即

H＝n×e (1)

D＝T₁×v₁ (2)

(4)通用底盘10以速度v₁自动沿高垄A1前进、竖直打孔单元8打孔的同时，取送苗单元以周期T₁完成穴盘13内第1列和第n+1列的第1行2株草莓苗的取苗、送苗和栽植，并使所栽植两行草莓苗的弓背朝向高垄A1的外侧；为保证草莓苗被准确栽入打好的栽植孔20内，每一次打孔和相应取放苗完成时刻的间隔为：

T₂＝L/v₁ (3)

其中L为高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人打孔位A和作业位B沿行进方向的距离。

(5)高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人继续行进打孔并顺序完成穴盘13内第1列和第n+1列草莓苗的取苗、送苗和栽植，侧向直线移动机构14带动第i个穴盘13进给1个列距e，继续进行第2列和第n+2列草莓苗的取苗、送苗和栽植，依次直至第i个穴盘13内的草莓苗取完；

(6)侧向直线移动机构14带动导向凹槽11返回初始位置，同时控制器命令电动顶杆18伸出使压板12打开；

(7)操作者将下一盘带苗的穴盘13沿导向凹槽11推入，上一个空的第i个穴盘13被带苗的穴盘13推动并跳过弹性限位开关17离开导向凹槽11；

(8)下一盘带苗的穴盘13被推到位触发弹性限位开关17，使电动顶杆18收缩带动压板12下压住带苗的穴盘13的唇边，实现带苗的穴盘13在导向凹槽11内的定位；

(9)下一盘带苗的穴盘13被推到位触发弹性限位开关17，同时使电动弹顶杆16快速弹出，将上一个空的穴盘13顶出落入高垄A1之间通道内；

(10)高垄栽培的穴盘草莓苗移栽机器人重复上述流程继续作业。

本发明的通用底盘10为高垄自适应仿形底盘，其结构示意图如图5、6所示，由平台101、自适应仿形单元、调高轮系单元和探测控制单元组成，自适应仿形单元由纵向车梁104、辊筒105、仿形单元机架106、滑槽板107、拉伸弹簧108、直动元件109(可以为电动推杆、气缸、液缸)、电机1011、双头丝杠1012、横移螺母1013、滑轨1014和滑块1015构成；纵向车梁104与平台101的中心线平行布置，仿形单元机架106竖直固定于纵向车梁4的内侧前部，左右两个仿形单元机架106横向对称布置，左右两个滑槽板107的一端分别固定于左右两个仿形单元机架106的内侧上方，左右两个辊筒105的下端分别铰接于左右两个仿形单元机架106的内侧下方，两个辊筒105的上端分别通过销在两个滑槽板107上开设的圆弧槽1021内滑动，右边的辊筒105上端连接拉伸弹簧108的一端，拉伸弹簧108的另一端与直动元件109的一端相连，直动元件109的另一端与左边的辊筒105上端相连；平台101底部的前、后方分别横向水平固定两滑轨1014，滑轨1014内设有可沿其横向水平滑动的滑块1015，滑块1015固定纵向车梁104两端；双头丝杠1012横向水平布置，双头丝杠1012的两端通过轴承对称安装于水平的平台101上，双头丝杠1012由固定于平台101上的电机1011带动；旋向相反的左右两个横移螺母1013分别与双头丝杠1012上对称两段旋向相反的螺纹连接，横移螺母1013的下端固定于纵向车梁4的中部。滑块1015上4～6个等间距通孔，纵向车梁104上开有水平纵向槽。圆弧槽1021是以辊筒105长度为半径、辊筒105与仿形单元机架106的铰接点为圆心的圆弧。

调高轮系单元由支撑杆1016、调高板1017、减震车叉1018、内装电机车轮1019和固定块1020组成，调高板1017为90°折弯结构，上折弯部分开有与滑块1015通孔间距一致的4～6个等间距通孔，调高板1017的上折弯部分和滑块15通过螺栓螺母连接，调高板1017的下折弯部分固定减震车叉1018的上端，减震车叉1018的下端固定于内装电机车轮1019的轮轴两端，调高板1017的下折弯部分还铰接支撑杆1016的一端，支撑杆1016的另一端与固定块1020铰接，固定块1020和纵向车梁104的水平纵向槽间通过螺栓螺母连接。

探测控制单元包括探测装置103(可以为摄像头、深度传感器、超声传感器)和控制箱1010(核心部件是PLC，型号为：XDM-60T10-E)，探测装置103安装在平台101的前部中间位置，控制箱1010固定于平台1上，探测装置103与控制箱1010相连，实现信号的传输。

利用高垄自适应仿形底盘实现跨高垄自动导航行走的方法如下：

(1)根据高垄B102的垄面高度和作业需要，通过手动调整调高板1017上折弯部分通孔与滑块1015上通孔的对应螺栓螺母安装顺序，调整平台101底部距离高垄B102的垄面间的高度，从而适应不同高垄B102的垄面高度；

(2)手动或自动控制高垄自适应仿形底盘移至高垄B102前并对准高垄B102，平台101前方的探测装置103检测高垄B102两侧垄沟的间距以及高垄B102侧面的倾角；

(3)控制箱1010根据高垄B102两侧垄沟的间距控制电机1011转动，电机1011带动双头丝杠1012回转，使得左右两个横移螺母1013带动纵向车梁4横向对称合拢和扩开，自动调整两侧内装电机车轮1019间的轮距和辊筒105下端的间距，从而自适应不同宽度的高垄B102和高垄B102两侧垄沟的间距；

(4)同时，控制箱1010根据高垄B102侧面的倾角控制直动元件109的伸缩，改变两侧辊筒105上端的间距，实现辊筒105倾角的自动调整，从而自适应不同的高垄B102的垄形；

(5)两侧辊筒105分别贴靠在高垄B102的两个侧面，控制箱1010控制内装电机车轮1019转动，带动可调式高垄自动仿形底盘跨过高垄B102并沿高垄B102的垄向前进，拉伸弹簧108的伸缩使得两侧辊筒105的上端在圆弧槽1021内滑动，从而使辊筒105保持与高垄B102的两个侧面的贴靠，实现高垄自适应仿形底盘在高垄B102的垄体误差下的自动仿形前进。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。