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基本信息
- 項目名稱：
- 貼接法自動蔬菜嫁接機器人的研制
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 我國蔬菜瓜果種植過程中嫁接需求量大且因季節(jié)原因集中短期內(nèi)作業(yè)因此勞動強度巨大，在勞動力成本持續(xù)升高的今天機械化自動嫁接已成為趨勢。本項目接合我國蔬果種植特點研制出了適合多種蔬果的嫁接機器人，其嫁接速度最高可達(dá)720株/小時且嫁接成功率大于92%，其速度是手工嫁接的三倍以上，以三倍于人工嫁接的速度計算，自動嫁接可為嫁接環(huán)節(jié)省去60%以上的勞動力。產(chǎn)品目前處于中試階段，其推廣前景優(yōu)良。
- 詳細(xì)介紹：
- 蔬菜嫁接技術(shù)是提高植株抗土傳病害的能力、提高植株抗逆性、提高產(chǎn)量的有效途徑。蔬菜自動嫁接是基于嫁接理論的一種集機械、自動控制與計算機視覺于一體的自動化裝備，是替代人工嫁接的有效途徑。以西瓜為例，2010全國年產(chǎn)量近6600萬噸，以3倍于人工嫁接的速度計算，自動嫁接可為西瓜嫁接環(huán)節(jié)省去60%以上的勞動力。 本項研究針對我國蔬菜種植面積大，機械化作業(yè)程度和裝備水平低這一現(xiàn)狀，在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一臺結(jié)構(gòu)簡單、自動化程度較高、操作方便、成本相對低廉的自動蔬菜嫁接機器人。 本研究以西瓜為對象，對比各種嫁接方法，結(jié)合前期積累的研究基礎(chǔ)，選擇了西瓜的斷根貼接法。團(tuán)隊以嫁接苗入手進(jìn)行研究，包括幾何尺寸分析和力學(xué)性能的測定，這些數(shù)據(jù)為機構(gòu)尺寸的設(shè)計提供了依據(jù)。該嫁接機器人包括一套輔助供苗系統(tǒng)和自動嫁接裝置。輔助供苗系統(tǒng)包括圖像采集等硬件和基于VB開發(fā)的軟件，主要負(fù)責(zé)前期的視覺檢測分析、嫁接苗夾取和搬運工作，其中搬運部分采用了一種二自由度并聯(lián)機構(gòu)，提高了機構(gòu)運動的精度，使得末端執(zhí)行器最大誤差在0.12mm以內(nèi)。自動嫁接裝置主要負(fù)責(zé)砧木夾持、子葉切削、砧木搬運、接穗夾持、接穗切削、接穗搬運、砧木和接穗的接合等工作，機構(gòu)采用氣動和電機混合驅(qū)動的方式，在結(jié)構(gòu)上添加了微調(diào)機構(gòu)，使該機構(gòu)更具有適應(yīng)性。 該機器人采用了三菱的FX系列PLC作為控制部分的核心，實現(xiàn)順序控制，并用GX-Developer進(jìn)行編程。嫁接試驗表明該嫁接系統(tǒng)運行可靠、操作方面，且得到一組最適合嫁接的苗木參數(shù)：砧木子葉展角接近180°，苗莖在3.5-4.5mm，接穗苗莖在2.0-3.0mm，該參數(shù)范圍內(nèi)的嫁接苗嫁接速度可以達(dá)到720株/小時，成功率為92%以上。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 嫁接技術(shù)能夠很好的解決作物連作障礙，因此日本等國已展開并研制了相當(dāng)數(shù)量的嫁接機器人然而其嫁接設(shè)備始終未能大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，究其原因還是歸結(jié)于嫁接機器人對工廠化、機械化育苗的高度依賴，因此針對國內(nèi)農(nóng)場規(guī)模較小，機械化作業(yè)水平低的現(xiàn)狀，研制適合我國國情的嫁接設(shè)備將大大減少農(nóng)民的勞動強度，提高農(nóng)業(yè)機械化水平。 項目立足國內(nèi)嫁接作業(yè)時嫁接苗長勢不一、方向各異等特點，研究的創(chuàng)新點和關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于視覺的嫁接苗測量系統(tǒng)、自適應(yīng)夾持手和自動方向調(diào)整定位機構(gòu)。 作品主要采用貼接嫁接法；采用雙工作臂模式；尺寸小于2000×1500×1500mm；視覺檢測；嫁接苗方向自動調(diào)整；設(shè)計嫁接速度大于500株/時，嫁接成功率大于90%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 由于國內(nèi)嫁接設(shè)備均處于試驗研制階段，本項目將日本嫁接機作為比較對象。 從技術(shù)層面，日本的嫁接機器人技術(shù)較為成熟采用全自動嫁接，嫁接速度大于600株/時，嫁接成功率大于90%，本項目研制的嫁接機器人在速度上稍遜于日本設(shè)備，其原因在與日本高速的嫁接機器人采用多株苗同時嫁接（要求工廠化育苗使其具有高度一致性，國內(nèi)設(shè)備無法配套）。 從實用性方面，日本嫁接機器人主要針對一種或一類嫁接對象，且需要工廠化育苗的前提條件，這是嫁接機器人還沒有在日本國內(nèi)廣泛使用的主要原因。本項目研制的嫁接機器人針對缺乏工廠化育苗而大小各異的嫁接苗研究了包括基于視覺的嫁接苗測量系統(tǒng)，自適應(yīng)夾持手，子葉方向自動調(diào)整機構(gòu)等創(chuàng)新技術(shù)，提高嫁接機器人的實用性。 從經(jīng)濟(jì)角度，日本各類嫁接機器人的價格折合人民幣大概在幾十萬元，有的甚至超過一百萬元，其價格遠(yuǎn)高于國內(nèi)承受力，且日本嫁接設(shè)備尚未對我國出售。本項目研制的嫁接機器人成本低于2.5萬元人民幣，且這個數(shù)字為研究試制的費用，如改進(jìn)量產(chǎn)還可大幅縮減。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- (1)2011“挑戰(zhàn)杯”校決賽特等獎； (2)2011省第十二屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外科技作品競賽特等獎、最佳創(chuàng)意獎； (3)《Development of an improved robotic graft system for gourd type vegetable seedlings》一文被美國機械工程協(xié)會主辦的機械工程領(lǐng)域國際峰會“ASME 2011 International Design Engineering Technical Conferences”所錄用
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、圖片、視頻
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 嫁接機器人的嫁接對象主要包括瓜科作物，包括西瓜、黃瓜、甜瓜等，更換部件也可嫁接茄科作物如西紅柿、辣椒等。 蔬菜嫁接人工作業(yè)技術(shù)要求精細(xì)，費時、費工、費力、工作效率低。據(jù)調(diào)查，一個熟練的工人，在平均勞動強度下，采用靠接法，嫁接效率約為 120 株/小時，以一畝地需苗數(shù) 3300株為標(biāo)準(zhǔn)，則每畝約需 27.5 個工時，而且由于時令要求，需在短期內(nèi)處理大量的苗，為爭取速度，加快進(jìn)度，人們需要通宵達(dá)旦的工作。如果按機器嫁接600株/小時計算，同樣的工作量嫁接時間可以縮短至5.5個工時效率提高了4倍同時可降低勞動強度。 據(jù)初步估計，本項目一套蔬菜嫁接設(shè)備的成本可控制在2.5萬元以內(nèi)，而同水平韓國生產(chǎn)的蔬菜嫁接機進(jìn)口至國內(nèi)的價格高達(dá)16余萬元人民幣，日本自動程度更高的嫁接機器人則要上百萬元。可見本項目研制的蔬菜嫁接機具有廣闊的市場前景和顯著的經(jīng)濟(jì)效益。此外，廣泛采用蔬菜嫁接機符合我國農(nóng)業(yè)機械化和自動化的趨勢，有利于社會主義新農(nóng)村的建設(shè)。
同類課題研究水平概述
- 國內(nèi)外嫁接機的研究主要集中于日本、韓國和中國。 蔬菜嫁接機的研究最早始于1986年的日本，1987年到1991年先后研制出半自動形式1號樣機G871、2號樣機G892和全自動式的嫁接試驗臺架，均采用貼接法和夾子固定。1993年日本井關(guān)公司同生研機構(gòu)協(xié)作推出了商品化GR800B型半自動瓜科作物嫁接機以及GR800T型半自動茄科作物嫁接機，生產(chǎn)率為600株/時。日本洋馬公司同生研機構(gòu)協(xié)作，1994年研發(fā)出AG1000型全自動茄科嫁接機器人，采用貼接法，通用穴盤上下苗，生產(chǎn)率達(dá)1000株/時，但價格高達(dá)140萬元（人民幣）。為降低大型嫁接機的造價，洋馬公司于2003年推出了體積較小、操作方便的T600型半自動瓜科嫁接機。該機采用V型平接法，只能1人操作，操作人員分別將去土砧木和接穗以單株形式送到嫁接機的托苗架上，嫁接機自動完成砧木和接穗的切削、對接和上固定套管作業(yè)。該機生產(chǎn)率可達(dá)600株/h，嫁接成功率為98%。 20世紀(jì)90年代初，韓國開發(fā)出采用靠接法的小型半自動式嫁接機，需人工上下苗和固定夾持，嫁接生產(chǎn)率僅為310株/時，由于結(jié)構(gòu)簡單價格低廉，具有一定的銷量，但是因為砧木接穗徑差大，作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定。2004年韓國Idealsystem公司研制出針式全自動嫁接機，該機采用防回轉(zhuǎn)五角形陶瓷針作為砧木和接穗的固定物，利用穴盤整盤上砧木和接穗苗，操作方便，作業(yè)速度快，生產(chǎn)率可達(dá)1200株/時，適合茄科蔬菜的嫁接作業(yè)，但價格高，尚未見其在市場銷售。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)率先在我國開展了自動化嫁接的研究工作，張鐵中教授于1998年開發(fā)出2JSZ-600型半自動瓜科嫁接機，采用貼接法，生產(chǎn)率可達(dá)600株/時。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)辜松教授于2005年研制出2JC-350型半自動瓜科嫁接機，采用斷根插接法，成本低廉，但嫁接的生產(chǎn)率與國外相比還有很大差距，需要進(jìn)一步改進(jìn)和提高，目前正在進(jìn)行瓜科作物的全自動嫁接機研制，設(shè)計生產(chǎn)率為1200株/時。目前臺灣臺南區(qū)農(nóng)場與臺灣大學(xué)及宜蘭技術(shù)學(xué)院生物產(chǎn)業(yè)機電工程學(xué)系共同合作開發(fā)出套管式茄科嫁接機。
