勺形夹持式菊花苗移栽机构的设计与试验

《Frontiers in Plant Science》：Design and experiment of spoon shaped clamping chrysanthemum seedling transplanting mechanism

本研究针对菊花幼苗多须根易损伤、传统夹持式移栽机适应性差、移栽直立度不稳定等问题，设计并优化了一种勺形夹持式菊花苗移栽装置。研究结合菊花移栽农艺要求与幼苗形态特征，建立了机构运动学模型，并基于MATLAB开发了人机交互分析界面，对关键结构参数影响进行了分析以确定最优组合。通过仿真与田间试验验证了移栽轨迹。结果表明，在曲柄转速67 r·min-1、前进速度0.19 m·s-1的作业条件下，移栽角度合格率达84.20%，移栽深度合格率90.0%，株距变异系数(CV)为5.8%，株距稳定、直立度高，满足农艺要求。该研究为多须根类幼苗的机械化移栽装备开发提供了参考。

　　

1 引言

菊花是一种兼具药用与食用的作物，富含多种人体必需的微量元素，具有明目、抗炎等功效。随着健康意识提高，菊花需求量与种植规模不断扩大，中国菊花种植面积已达约5.3万公顷。然而，菊花移栽机械的产业化与市场化尚属空白。目前的人工移栽存在劳动强度大、效率低、成本高、移栽深度不一致等问题，增加了后期管理与采收难度。现有移栽机根据种植机构的抛秧与送秧特点，主要分为链夹式、移栽针式、夹指式和鸭嘴式。例如，采用链夹传动的半自动钵（干土）苗移栽机结构简单、制造成本低，但移栽效率有待提高且漏苗现象明显；移栽针式在土壤中造穴后投苗，对造穴与投苗的同步性要求高，有时会导致直立度不佳；夹指式采用指状夹持器抓取苗钵或茎秆，可能损伤如菊花这类具有须状茎秆植物的嫩茎；鸭嘴式栽植器目前应用广泛，其传动方式主要包括多连杆式和行星轮系式，多连杆式结构简单，但作业时惯性力大会引起机身振动，而行星齿轮回转装置克服了振动问题，但因栽植轨迹影响，直立度合格率不佳。亦有研究通过MATLAB软件分析水稻钵苗移栽装置多姿态运动轨迹，或通过ADAMS运动学仿真优化取苗、植苗位置。集成机器视觉与机械臂的半自动或全自动移栽系统也已应用于幼苗的精准取放，但其高成本与复杂性限制了其在中、小规模作业中的应用。各类移栽机适应不同特征的幼苗，但目前针对菊花机械移栽的研究较少。

本研究聚焦于茶用菊花（以下简称菊花）幼苗。幼苗来源于母株的根状茎或茎秆，通常具有3~5片功能叶和多根系。为保障移栽成活率，需在移栽过程中保持根与叶的完整性。由于夹持式移栽机在种植过程中缺乏对根部的保护，根系易因与土壤或栽植机构的摩擦而受损，影响移栽苗的后续生长。相比之下，勺式机构利用凹面从下方托住并支撑根球，能最大限度地减少对根系的干扰。然而，现有的勺式设计主要侧重于输送根球，往往缺乏对茎秆的主动稳定，可能导致在提取和栽植阶段，对于高大、直立的幼苗出现倾斜或茎叶干涉的问题。因此，有必要开发一种既能保护幼苗根系，又能保证移栽深度、直立度与株距的菊花苗移栽机。

为满足菊花苗移栽轨迹与直立姿态要求，本研究结合菊花移栽农艺与幼苗生物学特性，设计了一种勺形夹持式菊花苗移栽装置。基于MATLAB平台，开发了栽植机构人机交互可视化辅助分析软件界面，用于分析各结构参数对移栽轨迹的影响。通过对移栽轨迹、幼苗位置、移栽角度和深度的优化，确定了最优结构与运动参数，并通过田间试验验证了机构的合理性。该研究可为菊花移栽机的理论研究与创新设计提供参考。

2 材料

2.1 菊花苗移栽的农艺要求

菊花幼苗由须根、茎和叶片三部分组成，总长200~300 mm。主茎直径约5 mm，根系发达且分散，须根长60~100 mm。菊花产量主要受移栽深度、密度和方法影响。菊花苗采用垄作栽培，以贡菊为例，根据土壤肥力条件，垄宽350 mm，移栽株距200 mm。常见的移栽方法有三种：垂直移栽、斜向移栽和水平移栽。垂直移栽有利于缩短缓苗期，无需长时间适应根系姿态，能更快适应土壤。在实际种植中，茎秆与水平面的夹角在80° ± 5°以内即可视为垂直移栽。移栽时，根部需完全埋入土中，深度应适宜。过浅不利于保水，影响成活；过深会导致地温低，阻碍幼苗生长。根据菊花幼苗的生物学特性和移栽方法要求，本研究采用垂直移栽法。参数设定为移栽深度150 mm、移栽角度≥75°、移栽株距200 mm。

2.2 移栽机结构及主要技术参数

勺形夹持式菊花苗移栽机主要由发动机、高度调节装置、两个前支撑轮、两个后驱动轮、栽植装置、控制系统、导苗板、苗盘和变速箱组成。菊花移栽机采用皮带传动将发动机动力传递至变速箱，再通过轮链机构驱动导苗板和栽植装置。作业时，人工将菊花苗放入导苗板上部的橡胶夹中，根部朝外并露出30~40 mm。导苗板通过链传动将幼苗输送至栽植装置，后者夹持幼苗根部将其插入土壤。栽植装置采用曲柄摇杆平行传动机构，其运动轨迹由绕曲柄轴的旋转和夹持装置的开合运动组成，通过调节曲柄转速和杆长可实现多样化轨迹。勺形夹持装置与凸轮机构配合，可精确控制夹持开合角度与幼苗姿态。根据菊花幼苗的茎秆直径、根系形态等特征，确定了栽植装置的开口尺寸，使夹持装置能适应幼苗形态并确保移栽过程中其完整性。通过精确协调供苗机构、曲柄摇杆和勺形夹持装置的动作时序，建立了取苗、夹持和栽植的连续作业流程。勺形夹持式菊花苗移栽机主要技术参数包括：发动机功率4~7 kW，前进速度0.3~1.5 km·h^?1，作业行数1行，适用垄高250~350 mm，机具轮距700 mm，移栽株距160~250 mm，移栽深度100~200 mm。

2.3 移栽装置结构与工作原理

菊花苗移栽包括取苗、夹持和栽植。移栽装置是实现幼苗插入的核心部件，其性能直接影响移栽质量。移栽装置为三维结构，主要包括曲柄摇杆、连接杆、机架、凸轮、摆动推杆、凸轮滚子、开合部件、勺形夹持装置、摆动推杆弹簧和开合弹簧。摆动推杆通过轴与连接框架杆铰接，可绕中心孔旋转。摆动推杆前端和后端分别装有与开合部件接触的滚子。勺形夹持装置由勺形曲面和杆件组成，在摆动推杆、凸轮和开合部件的共同作用下实现开合。勺形曲面的外部直接与土壤接触，内部凹入空间用于容纳和包裹菊花幼苗的根系。

移栽装置的工作性能直接取决于其移栽轨迹特性。移栽时，曲柄顺时针旋转，带动连接杆绕曲柄轴旋转，进而驱动凸轮绕同一轴心旋转并与凸轮滚子产生相对运动。凸轮廓线可根据其与中心距离的差异分为高半径段和低半径段。当凸轮滚子从低半径段旋转接触至高半径段时，摆动推杆后端与凸轮中心的距离增大，迫使摆动推杆绕凸轮中心顺时针旋转，下部弹簧被压缩。同时，摆动推杆前端的滚子向内挤压开合部件，使其绕凸轮中心旋转，从而驱动勺形夹持装置打开，完成抛苗动作；此时，开合部件上的弹簧被拉伸。随着凸轮继续旋转，当凸轮滚子再次接触低半径段时，摆动推杆后端与凸轮中心的距离减小，下端弹簧释放。在开合部件弹簧压缩力的作用下，其反向旋转推动滚子回位，并在三组弹簧的共同作用下，驱动摆动推杆绕凸轮中心逆时针旋转。从而使勺形夹持装置闭合，实现夹苗。凸轮连续旋转，驱动摆动推杆交替进行顺时针和逆时针旋转，使勺形夹持装置周期性地执行开合动作，完成连续移栽作业。图中显示了移栽作业中各阶段对应的夹苗点，其中曲柄旋转一周周期t = 1.05 s，计算得曲柄转速为66.7 r·min^-1。当平均移栽株距为200 mm时，计算机器前进速度为0.19 m·s^-1。

移栽装置包含标准滚子、摆动盘形凸轮，其结构如图所示。根据移栽株距和深度要求，通过可视化程序确定了曲柄在夹苗点和抛苗点的坐标，并结合传动效率和夹持装置底端开口距离，计算了凸轮远休止角、近休止角、推程运动角和回程运动角等参数。具体数值为：基圆半径r₀=25.0 mm，推程运动角δ₁=25°，远休止角δ₂=82°，回程运动角δ₃=25°，近休止角δ₄=227°，行程（摆动推杆最大摆角）ψ=8°，中心距a=79.53 mm，摆杆长度b=70.51 mm。为保证摆动推杆运动的平稳性，推程和回程均采用正弦加速度运动规律。凸轮廓线如图所示。

2.4 运动学建模

移栽装置的运动学模型如图所示。其中A为坐标系原点，X轴为水平方向（X轴正方向与机构前进速度方向相同），Y轴为垂直方向。图中，曲柄OC为驱动件，AO为机架，AB为摇杆，BC为连杆，BCD为孔，CD为延伸杆，DE为夹苗装置。OA与水平方向夹角为θ₁，OA与AB夹角为θ₂，BC与水平方向夹角为θ₃，CD与DE夹角为θ₅，BC与CD夹角为β，DE与垂直方向夹角为δ。曲柄OC长度L₁，机架AO长度L₂，摇杆AB长度L₃，连杆BC长度L₄，连接机构CD长度L₅，夹持机构DE长度L₆。整个机构以速度V_T水平向右移动。

在移栽作业过程中，驱动件曲柄OC顺时针旋转，点O(X_O, Y_O)的位移方程为：

{X_O= L₄·cosθ₁+ νt

Y_O= L₄·sinθ₁}

点C(X_C, Y_C)的位移方程为：

{X_C= x_B+ L₂·cos θ₃

Y_C= y_B+ L₂·sin θ₃}

根据曲柄摇杆机构，建立矢量方程：

{→AO + →OC = →AB + →BC

→OE = →OC + →CD + →DE}

由此得到点B(X_B, Y_B)的位移方程：

{X_B= L₃·cos (θ₁+ θ₂) + νt

Y_B= L₃·sin (θ₁+ θ₂)}

点D(X_D, Y_D)的位移方程为：

{X_D= X_C+ L₅·cos(π ? θ₃? β) = L₃·cos(θ₁+ θ₂) + L₂·cosθ₃+ L₅·cos(π ? θ₃? β)

Y_D= Y_C+ L₅·sin(π ? θ₃? β) = L₃·sin(θ₁+ θ₂) + L₂·sinθ₃+ L₅·sin(π ? θ₃? β)}

点E(X_E, Y_E)的位移方程为：

{X_E= X_D+ L₆·sinδ = X_D+ L₆·sin(θ₅+ π/2 ? θ₃? β)

Y_E= Y_D? L₆·cosδ = Y_D? L₆·cos(θ₅+ π/2 ? θ₃? β)}

3 方法

3.1 移栽轨迹的理论分析

基于建立的运动学模型，基于MATLAB GUI模块开发了移栽装置的人机交互可视化辅助界面，用于分析移栽装置的运动状态和轨迹，以优化求解其结构与运动参数。图形用户界面(GUI)包含机构运动图像显示区、参数输入区、控制面板区、曲柄转速与前进速度分析区以及参数输出区。已知参数包括机架高度、移栽深度和移栽株距，需确定的参数包括曲柄转速、移栽装置前进速度和曲柄摇杆机构条件。显示区可展示特定参数下的机构构型及夹苗点E的运动轨迹。以O点为原点建立坐标系，Y轴和X轴分别为垂直和水平方向。机构中各铰接点在坐标系中的坐标可实时更新显示，便于测量移栽深度、角度和位移等关键参数。用户通过调节曲柄转速，可观察机构在不同相位下的状态，并实时获取各铰接点坐标。通过这些点的坐标和几何关系，可计算机构各杆件间的角度与位置关系，进而判断机构的运动轨迹是否满足农艺要求。

基于MATLAB平台对机构参数进行运动学仿真分析，获得夹苗点E的轨迹，进而探究各参数对轨迹形状的影响规律。在此基础上进行参数优化，获得最优参数组合及其对应的轨迹，为后续结构尺寸优化提供依据。结合移栽装置尺寸、运动特性及移栽农艺要求，确定了参数的初始取值范围。移栽装置需满足以下约束条件：(1)夹苗点E与坐标系原点A的水平距离约为400 mm，垂直距离约为100 mm，以确保幼苗移动到取苗位置时能直立并实现可靠夹持；(2)当夹苗点E到达轨迹最低点时，其与垄面的距离约为100 mm，以保证移栽深度满足要求；(3)当夹苗点E处于最低位置时，夹苗机构DE与Y轴的夹角应保持在80° ± 5°以内，以满足直立度要求；(4)移栽装置与夹苗点E之间应预留足够空间，以便曲柄摇杆机构运动，并避免与供苗机构发生干涉。经初步筛选，获得了各参数的可能取值：曲柄OC长度L₁(50, 60, 70 mm)，机架AO长度L₂(100, 110, 120 mm)，连杆BC长度L₃(120, 130, 140 mm)，摇杆AB长度L₄(90, 100, 110 mm)，延伸杆CD长度L₅(140, 150, 160 mm)，AO与X轴夹角θ₁(15°, 20°, 25°)，BC与CD夹角β (150°, 155°, 160°)，CD与DE夹角θ₅(85°, 90°, 95°)。

通过理论计算与仿真分析，表中所示的8个参数的不同取值可能会影响移栽性能。通过单因素试验分析了移栽装置的8个参数对其相对和绝对运动轨迹的影响。通过观察夹苗轨迹和倾斜角度，探讨了各参数对移栽深度和角度的影响。相对轨迹对应于曲柄转速66.7 r·min^-1、机器前进速度为0时的运行轨迹；绝对轨迹对应于曲柄转速66.7 r·min^-1、机器前进速度0.19 m·s^-1时的运行轨迹。在仿真实验中，每次仅改变一个参数，同时保持其他参数为中间值。下图展示了四个对移栽性能有显著影响的机构参数的分析结果。

根据图中所示的相对轨迹分析可知：(a) 随着曲柄OC长度L₁增加，移栽装置相对运动轨迹最低点与垄面的垂直距离逐渐增大，表明移栽深度相应增加。从绝对运动轨迹可观察到，轨迹与水平方向的夹角随L₁增加而逐渐减小，从而使移栽倾斜角减小。为保证移栽直立度，L₁应取50 mm。(b) 随着摇杆AB长度L₄增加，移栽装置夹苗点相对运动轨迹最低点与垄面的垂直距离逐渐增大，移栽深度相应增加。从绝对运动轨迹分析发现，轨迹与水平方向的夹角随L₄增加而略微减小，从而使移栽倾斜角略有减小。综合考虑移栽深度和角度影响，确定L₄取值为100 mm。(c) 随着β角增大，移栽装置夹苗点的相对运动轨迹呈现顺时针旋转趋势，轨迹最低点与垄面的垂直距离逐渐减小，从而使移栽深度逐渐减小。然而，最低点与最高点之间的距离保持不变，表明机构运动幅度不因β增大而改变，仅整体位移发生变化。从绝对运动轨迹曲线分析可见，轨迹与水平方向的夹角随β增大而略有增加，从而使倾斜角增大。为保证移栽直立度，确定β为160°。(d) 随着θ₅逐渐增大，移栽装置夹苗点相对运动轨迹最低点与垄面的垂直距离略有减小，移栽深度略有下降；从绝对运动轨迹可见，θ₅增大对移栽时的倾斜角影响很小，因此确定θ₅取值为85°。

3.2 移栽机构最优参数组合的求解

通过MATLAB人机交互可视化界面，获得了各参数的最优值。求解依据是：最大移栽深度接近150 mm；轨迹最低点处夹苗点与水平面的夹角α不小于75°，且越接近90°越好；移栽株距尽可能接近200 mm。最终获得满足勺形夹持机构菊花移栽装置的最优参数组合为：L₁= 50 mm, L₂= 110 mm, L₃= 130 mm, L₄= 100 mm, L₅= 150 mm, θ₁= 20°, β=160°, θ₅= 85°。该结果也兼顾了农艺要求，即移栽深度、幼苗位置和移栽株距。求解过程如图所示，其中虚线框表示为获得最优参数组合而进行的参数循环比较。

从最优参数组合对应的轨迹中，可以提取出当E点运动到取苗点和抛苗点时，夹持机构与移栽幼苗的空间相对状态。该状态下关键点的位置和角度数据可为移栽装置核心部件的设计提供依据。

基于可视化界面分析，获得了移栽装置运行至取苗点和抛苗点时，移栽装置与菊花幼苗的关系。取苗时，菊花幼苗与夹持机构DE轴线的夹角为21.71°，勺形装置包裹根部的中心线与DE轴线夹角为158.29°，而实际角度为158°。此时，幼苗与橡胶夹持面充分贴合，橡胶夹持面与水平面夹角为67.1°。当移栽装置移动到抛苗点时，夹持机构DE与水平面的夹角为58.29°。为满足菊花幼苗与水平面成80° ± 5°的要求，菊花幼苗茎秆与DE轴线应保持21.71°的夹角。

4 实验与结果

4.1 移栽轨迹的实验验证

本研究使用Chronos 1.4高速摄像机捕捉并记录移栽装置的相对和绝对运动轨迹。使用i-SPEED Control分析软件处理获取的高速视频，提取夹苗点E的运动轨迹，并通过红色线段连接和标记所标记的点，从而提取出由移栽装置标记点形成的移栽轨迹。如图所示，当移栽装置进行相对运动和绝对运动时，其理论设计轨迹、三维模型仿真轨迹和基于高速摄像机的实际运动轨迹均吻合良好。结果表明，所设计的栽植轨迹能够在实际运动中精确复现，验证了其可行性与可靠性。

4.2 移栽装置的田间试验

为验证勺形夹持式菊花苗移栽装置的操作性能，于2025年3月22日在安徽农业大学进行了田间试验。试验前采用人工起垄，垄尺寸为：高度200 mm，底宽400 mm，面宽300 mm。由于菊花幼苗正常移栽期为4~5个月，届时可供移栽的幼苗尚未达到适宜的移栽标准，因此选择了形态与尺寸相似的辣椒幼苗作为替代试验材料。所选移栽苗平均高度260 ± 21 mm，平均直径5 ± 0.4 mm。为满足移栽株距200 mm的农艺要求，设定机器前进速度为0.19 m·s^-1，曲柄转速为67 r·min^-1。田间移栽试验如图所示。

4.3 实验数据与分析

根据中华人民共和国工业和信息化部发布的机械行业标准《移栽机械作业质量 JB/T T10291-2013》，试验采用每组移栽40株、重复3次的方案。测量指标包括移栽深度、角度和株距，并据此计算移栽深度合格率、移栽角度合格率和移栽株距变异系数(CV)，作为评价移栽性能的主要依据。

测量移栽深度的方法是轻轻挖开幼苗侧面的土壤，避免扰动幼苗原有的空间位置，测量移栽苗最低点至垄平面的垂直距离。测量移栽角度需使用带数字显示的角度尺（量程0~360°）测量移栽苗主茎与垄平面的夹角。使用卷尺（量程1~3m）测量相邻两株移栽苗茎秆插入点的水平距离。移栽后，移栽角度≥75°视为合格，理想为90°。移栽角度合格率S_A的计算公式为：S_A= W_A/ W_Z× 100%，其中W_A为移栽苗中合格的株数，W_Z为移栽总株数。

过深或过浅的移栽均不利于后续生长，因此可接受的移栽深度范围为150 ± 20 mm。移栽深度合格率S_D的计算公式为：S_D= W_D/ W_Z× 100%，其中W_D为移栽深度合格的株数。

移栽株距的变异系数(CV)可以反映株距分布的均匀性。首先需要计算移栽株距的平均值和标准差，然后计算移栽株距的变异系数(CV)：X? = (∑X_i) / n， S_X= √[1/(n-1) ∑(X_i? X?)²]， CV_X= S_X/ X? × 100%，其中X_i为第i次测量的移栽株距值，n为样本数。

移栽实验结果如表所示。当曲柄转速为67 r·min^-1、机器前进速度为0.19 m·s^-1时，移栽深度平均合格率为90.0%，移栽角度平均合格率为84.2%，移栽株距变异系数(CV)为5.8%。结果表明，该移栽机满足了菊花移栽的农艺要求，各项指标基本达到旱地移栽机的作业标准。

从移栽性能表现来看，幼苗足够直立，移栽株距均匀，整体移栽质量较高。

4.4 讨论

与现有移栽机构相比，本文提出的勺形夹持机构在性能上表现出若干显著区别和改进。尽管受实验条件限制，本研究未能提供