一种树苗树枝嫁接机器人的设计

抽象

自动树苗嫁接方法和嫁接机器人技术不全面的研究，尽管他们在实践中迫切需要的事实。出于这个原因，树苗嫁接机器人发展到实施树苗嫁接自动。所开发的接枝机器人包括限幅机构，移动机构，切割机构，装订机构，和Arduino的MCU为基础的控制系统，其能够削波，移动，定位，切割，接枝，和结合树苗。实验表明，该股票的切割效率为98.4％，接穗切削效率是98.9％，接枝效率为87.3％，而结合效率为68.9％。

1.简介

幼树嫁接是一项古老的技术，可以帮助培育优良的植物品种，提高其抗病能力，提高果实品质，增强其对恶劣环境的适应能力。最早的关于人工柑橘树苗嫁接技术的文献大约出现在3000年前的中国。

日本是世界上的第一个国家，发达国家蔬菜嫁接机器人。接枝机器人的第一个商业模型（GR800系列，井关＆有限公司，松山，日本），1993年为葫芦变得可用回[1- - - - - -3.]。此后，半自动化或全自动蔬菜嫁接机器人已被一些农业机械公司发明的，一些商业模式在东亚，欧洲面世，以及最近美国[4- - - - - -9]。

然而，树苗嫁接机器人还没有全面的研究。的半自动葡萄嫁接机器人是由CFCL在法国开发，以提高葡萄生产。截至目前，幼树嫁接作品依然遵循在中国传统的手工方法，这是劳动密集型的，但生产力较低。此外，嫁接树苗往往呈现低存活率，且季节性种植的特点，这使得它难以实现工业化养殖树苗生产的自适应能力。

在中国，类似的关于幼树嫁接机器人的文献有以下几个方面。

(1)幼树力特性实验。Li等人。研究的桃树苗和桃力特性进行的实验，例如在垂直的，横向切削阻力，并且压缩力损伤的倾斜切割方式并且还研究了变化[10]。Zhao等以粘枝嫁接的杨树苗为研究对象，研究了切削阻力与切削深度的变化关系，以及接穗直径对切削阻力的影响[11]。

(2）幼树嫁接机制设计。Li等人。设计了一个切割机构开展桃子嫁接树苗实验，而这个机制的平均切割成功率达高达99.14％[12]。Zhao等在杨树幼树研究中建立了接穗扦插机制，成功率为96.5% [13]。江专为棒到棒嫁接方法纯机械的葡萄树苗机制。它的接枝率15-20倍手动工作和嫁接成活率超出85％[14]。

中国林业局哈尔滨林业机械研究所研制了一种基于切割嫁接方法的茶花嫁接机器人[15]。本文作者和课题组还对杨树苗劈接机理及配套的自动嫁接装置进行了初步研究[16]。

本研究开发了一种幼树嫁接机器人，并进行了硬枝嫁接应用实验，旨在研究通用的硬枝嫁接方法及相关嫁接机器人装置。

2.幼树硬枝嫁接方法

2.1。嫁接方法

劈接是幼树硬枝嫁接的重要方法。手动操作流程图如图所示1。首先，将接穗分枝切成双楔形切口，将根砧切成“I”形切口;然后，迫使砧木裂口的横切面紧紧附着在接穗楔形切口的创面上，在顶部和底部不留下空隙，如果松了，则进一步收紧。

为了精确地对齐接穗切面和砧木切面，确保树苗的紧密结合，人们现在使用“形状叶片，直接切断接穗和砧木，如图所示2简化了劈接过程的程序，提高了接枝效率。因此,“”形叶片接枝法在纸被采用。

2.2。幼树嫁接力学特性分析

通过机械冷切割方式，树苗机械接枝特性包括接穗和砧木生长几何参数，切割力特性，切割表面生理学和生物化学特性。特别地，接穗和砧木切割力特性直接与接枝机器人机构变量的设计相关[11]。利用力测量设备，通过100个分支样本可以得到切削力与切削深度的关系，如图所示3.。一些关键参数也使用传感器，如下图中证实[11]。

3.幼树嫁接机器人机械系统设计

3.1。综合树苗嫁接机器人的机械系统的设计

3.1.1。树苗嫁接机器人工作过程

树苗嫁接机器人的工作过程如下：进料接穗和砧木树苗→移动树苗→切割接穗和砧木→移动树苗→附着树苗→结合树苗→拆卸树苗。其中，饲养终于脱离接穗和砧木树苗需要手动操作。树苗嫁接机器人的工作过程示流程图在图4。

3.1.2。树苗嫁接机器人的一体化结构

树苗嫁接机器人的整体结构由一框架，一机器人的手柄砧木，另一个机械手夹紧到接穗，根茎移动机构，接穗移动机构，砧木切割机构，接穗切割机构，以及结合机构。它采用模块化设计概念，使得功能是相对彼此独立的，并利用许多标准件和成熟的产品，如标准铝框，角部件，机械手，和接枝叶片。的例子机器人机器的整体机械结构示于图5。

3.2。在树苗嫁接机器人的关键结构设计

3.2.1。接穗和砧木裁剪机械手

接穗和砧木修剪机器人手结构相同;均包括螺杆和电机、导向轴、直线轴承、机械手等部件，如图所示6。

机械手采用大单转向夹紧致动器，可控制夹紧和释放根砧和接穗，并可调节夹紧力。螺杆电机采用BG42步进电机，控制机械手带动接穗和根茎沿裸轴垂直移动。

3.2.2。砧木和接穗的移动机制

为砧木接穗和移动机构具有基本相同的结构。它们都包括支撑基部，传输马达，螺丝，螺母，如图7。

驱动马达使用57BYG250-76步进电机，连接在螺母剪切机械手沿裸轴水平地移动其中的权力螺杆旋转通过耦合器和驱动器。

3.2.3。砧木与接穗切削机理

接穗和砧木的切割机构结构相同，都包括螺杆电机、裸露的导轴、螺帽和切割部分，如图所示8。

螺杆马达驱动切割刀片通过在叶片安装基座和安装板连接水平移动，以便切割所述切割刀片和所述橡胶垫之间分配的树苗。切割刀片是一个“Ω”形刀在手动工具接枝广泛采用。

切割力测试实验的流程图显示在图9。两个FSR402膜压力传感器固定一个沿伸手持树苗移植装置上，通过电桥电路接线盒形成半桥电路。信号通过一个电阻应变仪，数据采集设备，然后到达PC。然后，Vib'SYS信号的采集，处理和分析系统被用于处理。That testing device was used to measure the cutting forces over 100 poplar branches and grape branches each of 6 mm thickness. The measured results indicated that, using the “Ω” shape blades, the required cutting forces for poplar branches are less than 300 N.

驱动电机所需的功率由 在哪里是所需要的切削力，为剩余系数，是电动机的转矩，是螺杆转速，是螺丝引线，和是螺杆效率。

经计算，采用的螺杆式电机为时代超群型BG42步进电机。

3.2.4。树苗绑定机制

所述绑定机构包括基本组件、运动部件和绑定组件。结构如图所示10。

通过调节该结合装置的运动部件的高度，结合部件的长槽能够与进气树苗喷嘴对齐。捆扎带应围绕齿轮被设置和齿轮和爪之间锁定。电机驱动器推动器移动到发送所述树苗到齿轮的齿隙，然后沿长槽移动。捆扎带包裹树苗端和债券紧紧从卡爪的压力下。然后，电磁驱动器的切割刀片以切断捆扎带。如示于图的工作过程图10（c）。

4.树苗机器人控制系统的设计

4.1。总体控制系统设计

控制对象包括步进马达，伺服马达，液晶显示器，直流电动机，以及电磁铁，而所测量的对象包括微动开关信号和接近开关信号。控制系统图显示在图11。

4.2。控制系统硬件设计

控制器采用Arduino的MCU和硬件设计包括以下。

(1）前通道配置。控制系统的传感器是2个微动开关和2个的方法开关;既包括TTL电平。前声道配置包括4路二进制输入电路。

(2）后信道配置。控制系统中需要2个伺服马达，6个步进电机，1台直流电动机，电磁铁1和1个LCD模块。根据模块化的设计理念，设计采用6路步进电机控制模块，1路直流马达驱动模块，1路继电器控制模块，和1路LCD驱动模块。

(3)交换通道配置。该控制系统被配置为具有2路库存处理器通信和双向接穗处理器通信。

4.3。控制系统软件设计

控制系统软件包括两个部分，它们的根茎处理控制软件和接穗处理控制软件。

4.3.1。对砧木处理器主控制模块的设计

根茎主要控制模块的功能是实现股票处理,其中包括股票机械手剪裁,股票,股票倒生的“Ω”形状的切割,和树苗绑定。rootstock控制软件流程图如图所示12。

4.3.2。Scion处理器主控模块的设计

接穗处理器主控制模块的功能性是实现接穗处理，包括液晶显示器，接穗机器人手裁剪，接穗移动，和“Ω”形的切割。程序图是类似于砧木处理主控制模块程序的。接穗控制软件的流程图显示在图13。

5.实验

所研制的幼树嫁接机器人系统如图所示14。嫁接实验是在实验室环境中进行的。

5.1。实验对象和评价标准

5.1.1。实验对象

The grafting experiment adopted straight poplar branches that have diameter of about 4~6 mm and length around 100 mm. Totally, 100 rootstock samples and 100 scion samples are chosen, paired according to diameter and then divided into 10 groups.

5.1.2中。嫁接评估标准

(1)对于成功的砧木切削的准则包括倒Ω形状的切削横截面，使光滑表面无毛刺。(2)成功的标准接穗切削包括正常Ω形状切割截面,给光滑的表面无毛刺。(3)对于成功的移植的标准包括：（a）良好的砧木和接穗之间的结合;也就是说，两个中心行对齐，在没有偏转砧木和接穗基本上正确绑定良好的接触，（b）中;也就是说，两个中心行对齐但接触可能不处于理想状态或有偏转，以及（c）砧木和接穗受到严重的约束包括坏对准，未能接触，和偏转。这其中，既有（一）和（b）被视为成功的嫁接。(4)捆扎成功的标准:捆扎带将嫁接树苗紧紧包裹，树苗无明显错位。

5.2。实验结果与分析

基于上述的评估标准，实验已经使用发达接枝机器人已经进行。其中树苗成功统计数据显示，43.3％是好的，44％是可以接受的，而12.7％是穷人。因此，接枝效率为87.3％。

砧木切割、接穗切割和装订成功率结果见表1，对应曲线如图所示15。实验表明，该股票的切割效率为98.4％，接穗切削效率是98.9％，而结合效率为68.9％。

幼树嫁接实验消耗时间结果见表2，对应曲线如图所示16。实验表明，对下料的平均时间为2.20秒，对接穗切割的平均时间为2.18秒，对于一个嫁接的平均时间是34.40秒。

实验结果表明，对于砧木接穗和切割的成功率都很高，但由于砧木和接穗样品之间的个体差异，在切割的定位存在误差将它们结合在一起的时候，它会影响移植成功率的表面。当有附近的小树，加入位置弯曲，幼树结合的成功率降低。股票切割，接穗切割，幼树结合过程花费相对短的时间和效率是很高的。然而，由于主移动部件的大型空行程，整体接枝过程具有相对低的效率。

进一步的研究包括自动配对砧木和接穗样品，自动对齐砧木和接穗切割表面，准确包裹树苗，自动地检测接枝树苗的特质，并且自动地检测运动部件运动的准确度。的主要结构的尺寸也应进一步优化。

六，结论

(1)一种自动树苗硬分支接枝机器人已经被开发，其可以实现裁剪，移动，定位，切割，装订，和包裹砧木和接穗树苗。(2)实验结果表明，该机器人的接枝成功率是87.3％，并且所述结合的成功率是68.9％。

利益冲突

作者宣称没有关于本文的发布利益冲突。

致谢

这项工作是由山东省，中国（批准号：ZR2011EL038和ZR2012CQ026）和山东省高等教育科技计划项目（批准号：J11LD16和J12LB63）的自然科学基金的支持。

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