植物工厂自动化物流系统的设计

刘海峰，高 翔，李上振，黄家怿，张璟楣，温翔宇

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.广州市健坤网络科技发展有限公司，广东 广州 510630；3.广州国家现代农业产业科技创新中心，广东 广州 510520）

0 引言

由于人口快速增长、耕地日益减少、土地资源短缺、生物环境污染、农药化肥滥用等问题[1-4]，使得传统粮食作物和蔬菜等生产在产量与安全上都面临着巨大的挑战[5]；另外，随着人们生活水平的不断提高，对食物在卫生、营养、健康、绿色等方面的要求越来越高。解决上述矛盾的最有效方法是建立植物工厂。但是植物工厂设备投资大、耗电多，管理工作多由人工完成，难度大，成本高[6-8]。因此，如何提高生产过程的自动化程度从而降低成本，是植物工厂研究发展的趋势[9]。

近年来植物工厂逐步实现了从播种、育苗到移栽、收获等生产过程的半自动化[10]。通过借鉴一些工业生产自动化技术，开发自动化物流系统，实现移栽和收获工作过程中苗床的自动搬运，有利于减轻劳动人员的工作强度，从而提高生产率，降低成本[11]。但是植物工厂的半自动化仍然没有实现种植作业的无人化[12]。为了减少人员带来的病菌污染，种植的智能化和无人化是植物工厂自动化生产发展的重要方向[13,14]。

本文综合利用传感、控制、驱动等技术，设计低成本的移动式苗床和立体式多层栽培架，以及相应的物流控制系统，将需要灌溉与生长的移动式苗床送入种植区域的指定地点，将需要收获或处理的移动式苗床输送到作业车间，工人集中高效率操作，或者配合其他自动化设备进行处理。

研制的低成本移动式苗床和立体式多层栽培架及其物流控制系统，可实现苗床的精准运送，从而实现种植区域无人化，有效解决由于工人进入栽培室内作业而带来的病菌污染、高空作业安全隐患和劳动力成本上升等问题；通过研发面向植物工厂的智能装备，提高植物工厂的智能化水平，促进植物工厂生产模式及产业发展，为实现植物工厂无人化大规模生产奠定基础。

1 装置组成及工作原理

1.1 装置组成

植物工厂自动化物流系统，以栽培生菜为作业对象，主要结构由输送装置、直角坐标机械臂、末端夹持机构、升降机构、双层栽培架和转向机构组成，如图1 所示。其中，升降机构Ⅰ、双层栽培架Ⅳ、升降机构Ⅳ构成育苗区循环系统，升降机构Ⅱ、双层栽培架Ⅰ、转向机构Ⅰ、双层栽培架Ⅱ、转向机构Ⅱ、双层栽培架Ⅲ、升降机构Ⅲ构成定植区循环系统。

图1 植物工厂自动化物流系统结构示意图Fig.1 Structure diagram of automatic logistics system in plant factory

1.2 工作原理

作业时，将4 叶1 心的生菜幼苗放在输送带上的橡胶圆环中，输送装置将幼苗移至直角坐标机械臂的工作区域，在触发接近开关后，机械臂协同末端夹持机构对幼苗的种植杯执行抓取动作，将幼苗移送至栽培板的定植孔内，栽培板上的定植孔间距为10 cm×10 cm，每板可栽25 株，机械臂将幼苗依次填充到栽培板的25 个定植孔内，待幼苗填充完毕，升降机构Ⅰ上的电机启动，通过皮带将栽培板传送至双层栽培架Ⅳ的上层，此时，升降机构Ⅰ的平台上无栽培板，气缸驱动升降平台下移，双层栽培架Ⅳ下层的电机启动，将空置的栽培板移送至升降平台，接近开关感应到栽培板后，控制气缸驱动升降平台上移，机械臂再次执行移栽作业，依次循环往复，在两个升降平台的配合下，将充满幼苗的栽培板运送至双层栽培架Ⅳ的全部区域，打开营养液循环系统和光源系统进行幼苗的培育。

幼苗培育12 d 后进行分栽，双层栽培架Ⅳ下层的电机启动，将栽培板运送至升降机构Ⅰ的升降平台上，气缸驱动升降平台上移，机械臂进行分栽作业。将菜苗移栽到定植区升降机构Ⅱ上空置的栽培板内，定植区的栽培板尺寸与育苗区一致，但定植孔间距为20 cm×20 cm，每板栽9 株。栽满后，升降机构Ⅱ上的电机驱动皮带将栽培板传送至双层栽培架Ⅰ的上层，然后，升降平台下移，在获取双层栽培架Ⅰ下层推送的空置栽培板后复位，继续进行分栽作业，在转向机构Ⅰ、转向机构Ⅱ和升降机构Ⅲ的配合下，栽培板布满定植区的双层栽培架。本文设计的植物工厂自动化物流系统双层栽培架的布置形式为正四边形，定植区和育苗区所占面积比为3∶1，两区域栽培板上植株数量比为9∶25，即定植区栽培架可以完全容纳育苗区一次培育出的全部幼苗，待分栽作业完毕，打开营养液循环系统和光源系统。

分栽后20 d 进行采收作业，双层栽培架Ⅰ下层的电机启动，将栽培板运送至升降机构Ⅱ的升降平台上，气缸驱动升降平台上移，机械臂依次采收9株生菜至输送装置，运出植物工厂车间，采后空置的栽培板移至双层栽培架Ⅰ上层，升降平台下移获取满载的栽培板后复位，继续进行采收作业，直至定植区所有生菜采收完毕。可在采收期前12 d 将生菜幼苗放至育苗区进行培育，待定植区的生菜采收完成后，提前培育好的幼苗可即刻进行分栽作业，实现全年连续生产，提高植物工厂的设备利用率。

2 关键部件设计及参数确定

2.1 输送装置

为实现幼苗运至植物工厂培育以及果实采收的无人化，设计输送装置如图2 所示。电机选用晟邦电机有限公司的三相减速电机，额定功率为200 W，带刹车功能，采用链传动的方式驱动主动滚筒，从而带动输送带运转。因植物工厂内环境完全密闭，容易腐蚀装置，因此输送带选用耐腐蚀的聚酯材质，输送带宽为250 mm，长为4030 mm，带厚为3 mm，输送带上粘贴橡胶圆环用于固定幼苗的种植杯，防止输送过程中生菜幼苗滑移或者倾倒，利于机械臂定位抓取。两条输送带运动方向相反，一条用于输送幼苗进入植物工厂，一条用于输出培育成熟的生菜。

图2 输送装置结构图Fig.2 Structural drawing of conveying device

2.2 直角坐标机械臂和夹持机构

XYZ 直角坐标机械臂属于笛卡尔运动系统，具有行程大、运行平稳、速度快、精度高的优点。XYZ运动机构由直线运动单元组合构成，由于运动单元是模块结构，可以通过连接件的安装实现多方向多功能的运动要求，3 个运动单元经过组装分别构成XYZ 轴。XYZ 轴分别代表水平、横向及竖直方向的运动轴，X 方向由两个相互平行的直线运动单元组成，Y 方向直线运动单元的两端分别固定在X 轴的两侧导轨上，由伺服电机x 带动Y 轴在X 方向上进行往复运动。Z 方向直线运动单元与Y 轴上的伺服电机y 固定，伺服电机y 带动Z 轴实现Y 方向的往复运动，末端夹持机构固定在Z 轴下端，如图3 所示。

图3 直角坐标机械臂和末端夹持机构Fig.3 Cartesian manipulator and end clamping mechanism

根据行程需要，XYZ 方向上的导轨长度分别为1960、1000、790 mm，电机选用三菱750 W伺服电机，额定转速3000 r/min，匹配PF80-40-P2-S2型行星减速机，减速比40，额定输出扭矩110 N·m，额定输入速度3500 r/min，其中伺服电机x根据空间布置需要，匹配精密直角行星减速机。

末端夹持机构采用亚德客HFT10-30S 气动手指，行程30 mm，即闭合状态下手指间距66 mm，完全张开状态下间距96 mm，加持力为14 N，最高使用频率40 次/min，搭配自制夹爪，实现种植杯的抓取和投放。

2.3 升降机构

立体式多层栽培模式的自动化需要升降机构配合，实现栽培板的上下层搬运，因此，本节对升降机构进行设计，通过气缸驱动升降机构运行，电机采用链传动的方式使输送带运转，实现栽培板的运移，升降机构结构如图4 所示。

图4 升降机构结构图Fig.4 Structural drawing of lifting mechanism

利用SolidWorks 三维建模软件质量测算模块对升降平台进行质量估算，升降气缸选用亚德客SC80-500型，缸径为80 mm，行程为500 mm，使用速度范围30～800 mm/s，使用压力范围0.15～1.00 MPa，满足升降平台的使用需求。气缸推杆端采用F-M20X150F型浮动接头，在平台升降时提供缓冲。直线导轨长度需大于气缸行程与缓冲距离之和，保证使用安全，导轨长度为800 mm。输送带布置在升降机构两侧，输送带材质为聚酯，长度为1280 mm，宽为40 mm，带厚为3 mm。电机选用5IK60 RGU-CF微型调速电机，电机功率为60 W，将动力依次传递给链轮、辊轴、输送带和栽培板。

考虑到直角坐标机械臂对菜苗的抓取和投放均在升降平台上完成，机械臂抓取过程中，种植杯与栽培板之间的摩擦力较大，易导致栽培板异位，影响后续作业，因此在升降平台一侧设有止动气缸，当机械臂执行抓取或投放的动作时，气缸推杆伸出对栽培板施加压力，增大栽培板与升降平台侧壁的摩擦力，机械臂作业时保持栽培板稳定，保证菜苗抓取成功。止动气缸选用亚德客TN25-20S 型双轴气缸，行程20 mm，附磁石，在气缸推杆受到足够的反作用力后，反馈电信号给PLC，控制气缸行程保持不变，待机械臂作业完成后，气缸推杆复位，传送带将栽培板移走。

2.4 双层栽培架

双层栽培架上下两层各配置一套电机减速机组，选用中山市迪威变速机械制造有限公司生产的IF 系列蜗轮蜗杆减速器与减速电机组合，产品型号IF050-50-P71B14/V6-7124(0.37-4)-270°，减速器速比1∶50，电机功率为370 W。每层两侧各配置长6.5 m的2.5倍速链条，在电机、减速机、主从动链轮、倍速链条的驱动下，栽培板可获得倍速于链条的移动速度，保证较高的输送效率，而链条可以低速运行，使链条工作平稳、噪声小、磨损小、寿命长。倍速链条运行的前进方向配置QX-2型阻挡气缸，主要用于双层栽培架上栽培板的止停，由于其工作行程固定，因此也叫定程杆气缸。当压缩空气通过控制阀进入气缸上部，使活塞带动挡杆下降，被挡住的栽培板放行。当控制阀放气，活塞在弹簧作用下复位，使下一栽培板被挡住，双层栽培架结构如图5所示。

图5 双层栽培架结构图Fig.5 Structural drawing of double layer cultivation frame

倍速链下方安装营养液槽，幼苗根系透过栽培板的定植孔侵入营养液中，保持营养液EC 值在1.5～2.0 mS/cm 之间，pH 值在5.5～7.5 之间，定期检测指标，配合光源系统培育20 d 后，生菜成熟进行采收，并将营养液全部排出，此时营养液槽下方两端的换液气缸（亚德客SDA63-30S）开始工作，两气缸的推杆配合，使营养液槽产生倾角，营养液在重力的作用下从槽孔中排出，再充入清水进行清洗以及消毒，而后气缸推杆复位，营养液槽恢复初始位置，重新注入营养液开始新一批生菜的栽培。

2.5 转向机构

栽培板在定植区各双层栽培架上的运移需要转向机构配合完成，转向机构分为上下两层，相互独立，可分别执行栽培板在两个双层栽培架上下层的转移动作，转向机构由转向气缸、转盘齿条、转盘齿轮、限位机构、调速电机、链条、输送带组成，如图6 所示。转向气缸选用亚德客ACQJ63-140-20SB双轴复动行程可调型气缸，缸径为63 mm，行程为140 mm，可调范围20 mm，搭配F-M18-150F浮动接头与转盘齿条链接，转盘齿条、齿轮相互啮合，输送带分别布置在转向机构上下层的两侧，输送带材质为聚酯，长度为1280 mm，宽为40 mm，带厚为3 mm。电机选用5IK60 RGU-CF微型调速电机，电机功率为60 W。

图6 转向机构结构图Fig.6 Structural diagram of steering mechanism

在双层栽培架将栽培板运送至转向机构的输送带后，转向气缸推杆伸出，推动转盘齿条做平移运动，驱动转盘齿轮和栽培板旋转，转盘齿条上固装的探头与限位机构接触后，气缸停止工作，通过调整限位机构的位置，使转向机构旋转角度恰好为90°，与此同时，电机通电，通过链条驱动输送带将栽培板移送至下一双层栽培架对应位置，然后电机停止运行，转向气缸复位，进行重复操作，完成栽培板在不同栽培架上的转移。

3 植物工厂生产效率

封闭式植物工厂长为7.2 m，宽为4.5 m，占地面积32.4 m2，采用双层栽培架对生菜进行培育，栽培架每层放置5 块栽培板，每批可培育生菜250 株，按单株叶鲜质量0.15 kg 进行估算，每批次产出生菜37.50 kg。生菜的培育周期45 d 左右，采用分栽的作业模式将显著节约时间成本，在生菜分栽到植物工厂定植区至成熟采收的20 d 时间内，可进行生菜幼苗的培育。因此，本植物工厂进行连续生产作业时，每批生菜采收的时间间隔仅为20 d 左右，全年不间断生产，产量可达675 kg；且只需增加栽培架的层数，产量就会成比例增加。

4 结语

1）设计一种植物工厂自动化物流系统，与生菜栽培的农艺要求紧密结合，将植物工厂分为育苗区和定植区，幼苗在育苗区培育12 d 后，分栽到定植区，20 d 左右蔬菜成熟进行采收。

2）通过对关键部件输送机构、直角坐标机械臂、末端夹持机构、升降机构、双层栽培架和转向机构进行设计选型，实现移栽和收获工作过程中苗床的自动搬运，种植区域无人化。该系统通用性强，通过对控制系统的程序调整，可适应多种作物的栽培模式。