阵列式穴苗移栽机构创新设计与机器视觉判断方法研究

本研究项目旨在探讨用于温室穴苗移栽的阵列式移栽机构创新设计方法，以及在采用该新型机构后，利用机器视觉技术实现穴苗生长状态识别的方法。针对目前国外自动化移栽设备结构复杂、价格昂贵等问题，提出了"以一路驱动输入，获得多路运动输出"的新型机构设计思路，在降低系统机械结构、驱动控制等各方面成本的同时，大大提高单机移栽工作效率，提升整机性价比。对总体功能目标分析求解后，以构型创新、变异/组合设计等机构创新设计方法，结合各种数字化设计技术开展阵列式移栽机构原型方案设计；在完成系统评价量化指标与实施方案后，采用建模仿真技术对原型机构运动学、动力学进行研究评价，通过融合、选优、决策等过程，获得最优原型机构方案。同时，开展单一视觉采集器下，图像的分割、融合算法的研究，解决多目标识别问题。本项目的开展，将为此类自动化农业生产设备高性价比的设计、制造和评价提供科学依据及方法。

项目立项出发点是针对现代温室移栽机存在的机构复杂、价格昂贵的技术矛盾，提出以阵列式移栽机构的创新设计来解决这一问题。项目“以一路驱动输入，获得多路运动输出”的新机构为总体目标，通过机构功能分解、模块化分析、创新理论方法（TRIZ）的结合应用，来探索新机构设计的具体思路和办法。. 在新机构构型这一过程中对原有机构存在问题的分析尤为重要，分析出的问题点越准确，所得出的创新原理的向导和提示作用就越大，就越能提出可行的创新方案。因此为了充分发挥TRIZ创新原理的作用，首先完成整机和关键部件的功能细化分解。基于零件的尺寸特性分析，建立零件的尺寸参数数据库。各个相对独立的模块可以重新参数化设计、拼装，形成新的产品，达到机械模块化设计的目的。该工作的完成不仅仅是为今后模块化机构设计提供了平台，更重要的是建立了TRIZ工程参数与模块化机构设计参数的对应关系。. 采用阵列式机构，16个夹持爪在相对狭小的空间内同时完成展开和收拢动作，对结构稳定性和运行可靠提出了更高要求，因此必须降低整机重量、减轻高速运行冲量，项目进一步开展优化设计，降低夹持爪结构复杂程度，简化双联动机构结构。在夹持过程中采用了凸轮机构，实现了在抱抓过程最后行程向中心聚拢的动作，从而保证整个穴苗提取的完整性。该结构为保证整机高效稳定运行提供了保障。. 为测试新机构各项性能参数，搭建了可测试钢针下落速度、测试气泵压力、钢针抱抓收缩力、钢针对叶片冲击力等参数的计算机数据采集与控制系统，从而为机构性能评测提供依据。. 以上工作的实施和完成，基本上形成了一套基于机构模块化分解、机构性能指标测试、创新原理方法相结合的机构创新设计思路。并通过阵列式机构、夹持爪机构进行了实践检验，证明了该研究过程的可行性。. 项目进展过程中，所产生的新机构在新移栽机中得以应用，获得了行业认可，并获得北京市科技奖三等奖一项。该机型的批量化生产正在进行中。同时，项目中出现夹持爪在夹持不同作业对象时适应性不高，出现多种移栽失败现象，通过调研，该情况在自动化移栽机中是普遍和重要缺陷，因此，在该项目研究基础上，2013年申请获批国家自然科学基金《基于综合性能指标体系的穴盘苗夹持装置创新优化设计方法研究》，继续深入探索机构创新设计的新途径和新方法。