面向温室沟垄栽培的移栽机器人及路径规划方法
面向温室沟垄栽培的移栽机器人及路径规划方法
在现代农业生产中，穴盘育苗技术被广泛应用，但传统的移栽作业仍以人工为主，效率低下且成本高昂。为解决这一问题，研究人员开发了一种面向温室沟垄栽培的移栽机器人，集成了冲孔、灌溉、移栽和培土等多种功能，实现了自动化移栽过程。本文将详细介绍这种创新的移栽机器人及其路径规划方法。
本发明涉及温室移栽设备，具体涉及一种面向温室沟垄栽培的移栽机器人及路径规划方法。
背景技术
在现代植物工厂中，穴盘育苗技术具有成苗速度快、成本较低、集中管理便捷以及适合机械化移栽等特点。因此，穴盘育苗技术在花卉、蔬菜等经济作物的育苗生产中被广泛应用。在穴盘育苗的不同阶段，通常需要将穴盘钵苗从密度较高的穴盘移栽到密度较低的穴盘或花盆中，有时还要根据农艺的需要，对育苗穴盘中没有出苗的穴孔进行补苗作业。
目前，温室内育苗生产已经实现规模化、工厂化，主要用于甜菜、棉花、油菜、玉米等大田作物的栽培，然而，穴盘育苗技术在实施过程，仍以人工移栽为主。例如，温室中的钵苗移栽作业仍以人工为主，制约了实施温室产业化发展。现有机械化移栽设备在进行机械移栽作业时存在效率低、成本高、伤苗、易漏栽等问题，成为制约移栽机械化发展的关键因素，提高自动化移栽机发展水平迫在眉睫。
现有技术中移栽机器人大都以半自动为主，例如，吉林大学的范云翔等研制了一种温室全自动移栽机器人。该机器人可以将整块秧盘育出的秧苗自动移栽到生长用的塑料大盘或花盆中，移栽过程中穴盘苗与运动部件没有直接接触，保证运动部件不会损伤秧苗。然而，该机器人只适用于移栽蔬菜和花卉等幼苗，适应性较差。
经检索，中国专利文献cn104798516a中公开了一种穴盘苗温室移栽机械多末端执行机构升降方法和装置。其中，该装置旨在穴盘苗温室移栽的过程中，提高移栽速度和移栽精度，提高移栽机械的承载力。该装置采用同步带传动，保证了准确度和速度；同时，利用平衡气缸辅助升降，不仅使得可以在行程中任意位置停止、启动，且减少惯性冲击使运行平稳、振动小、安全可靠性强。
然而，上述移栽装置在实际使用过程中，存在集成度低的问题，难以实现全方位的移栽过程，难以确保移栽程序的规范化，从而影响了移栽后钵苗的存活率。
又如，中国专利文献cn1-10419307a中公开了一种穴盘苗自动移苗机。该移苗机沿着导向槽自动运行到与蔬菜培育床配合的正确位置；一方面输送机构开始动作，将移苗执行手臂移动到育苗穴盘上方的合适位置，移苗执行手臂开始动作，夹取穴盘苗，输送机构再次动作，带着移苗执行手臂移动到蔬菜培育盘上方的合适位置；另一方面托盘机构、伸叉机构和推盘机构相继动作将一层空置的蔬菜培育盘推送至等待移放穴盘苗的过渡机构上；移苗执行手臂再次动作，将穴盘苗放入蔬菜培育盘的合适孔洞内，而后输送机构再次动作，继续完成取苗、放苗的动作，直至整排蔬菜培育盘装载满；推盘机构再次动作，将其推送至蔬菜培育床上。
然而，上述穴盘苗自动移苗机针对温室中的钵苗也仅仅是实现了移苗的操作步骤，并没有完全实现钵苗移栽的过程，限制了自身的使用范围，难以满足温室内育苗生产对规模化、工厂化的需求。
技术实现思路
本发明的目的在于，为温室内钵苗移栽的过程中，提供一种移栽装置，用以集“冲孔、灌溉、移栽、培土”多功能为一体，提高钵苗的移栽作业效率，实现全方位的移栽过程，确保移栽程序的规范化，提升移栽后钵苗的存活率。
为实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种面向温室沟垄栽培的移栽机器人，包括：
- 用于在沟垄田地中行走的自主移动平台，所述自主移动平台包括底盘组件和载体平台，所述载体平台安装在底盘组件上；
- 位于载体平台上的苗盘输送模块，所述苗盘输送模块的输入端设置有用于育苗穴盘上料的上料工位，所述苗盘输送模块的输出端设置有移栽工位，所述苗盘输送模块用于将育苗穴盘从上料工位输送至移栽工位；
- 位于苗盘输送模块上方的灌溉模块，所述灌溉模块包括传输管路，所述传输管路用于向沟垄田地中灌溉水肥液，所述灌溉模块通过水肥液冲击沟垄田地的表面，并在沟垄田地中形成用于放置钵苗的苗坑；
- 位于移栽工位的移栽模块，所述移栽模块用于抓取育苗穴盘中的钵苗，并将钵苗移栽至苗坑中；
- 视觉识别模块，所述视觉识别模块用于识别苗坑的位置信息，并在苗坑与育苗穴盘之间生成用于引导移栽模块运动的移栽轨迹；
- 位于上料工位与移栽工位之间的培土模块，所述培土模块用于将苗坑顶部的土壤回填至苗坑中。
作为优选，苗盘输送模块包括外箱体、滚轴、用于承载育苗穴盘的伸缩架以及用于驱动伸缩架运动的驱动气缸，外箱体的底部设置有用于连接载体平台的支撑杆，外箱体内设置有输送通道，输送通道沿着上料工位至移栽工位的方向布设，滚轴沿着输送通道的延伸方向呈线性排布，伸缩架位于输送通道内，驱动气缸的缸体安装在外箱体上，驱动气缸的活塞杆沿着输送通道的延伸方向布设，驱动气缸的活塞杆与伸缩架相连。
作为优选，灌溉模块包括水箱、肥料箱和调配箱，水箱与调配箱之间设置有第一智能流量计，肥料箱与调配箱之间设置有第二智能流量计，调配水箱中设置有微型增压泵，微型增压泵的出口端与传输管路相连。
作为优选，移栽模块包括机械臂、插针式末端执行器和直线运动机构，直线运动机构垂直于载体平台布设，直线运动机构用于驱动机械臂沿着育苗穴盘的高度方向运动，机械臂安装在直线运动机构的移动端，机械臂用于驱动插针式末端执行器往返于育苗穴盘和苗坑之间，插针式末端执行器用于对钵苗形成夹持，插针式末端执行器安装在机械臂上。
作为优选，培土模块包括连接臂、培土架、培土铲和用于驱动连接臂动作的动力气缸，连接臂安装在载体平台上，培土架与连接臂相连，培土架上设置有用于钵苗穿过的通孔，多个培土铲沿着通孔的轴线呈圆形排布，培土铲安装在培土架的侧壁上。
作为优选，底盘组件包括大梁架、全方位转向轮机构、控制箱和蓄电池，全方位转向轮机构通过减震弹簧对大梁架形成支撑，控制箱和蓄电池位于载体平台的下方，均安装在大梁架上，载体平台安装在大梁架上。
作为优选，传输管路包括依次相连的主管、支管和弧形压力管，主管和支管之间设置有流量计分集水器。
作为优选，插针式末端执行器包括机械夹、夹持板、插针和微型伺服电机，夹持板安装在机械臂上，机械夹与夹持板相连，微型伺服电机安装在夹持板上，用于驱动机械夹的开合，插针用于对钵苗的底部形成夹持，插针安装在机械夹的底部。
本发明还提出一种使用上述面向温室沟垄栽培的移栽机器人的路径规划方法，包括如下步骤：
- 育苗穴盘上料，在上料工位将装载有钵苗的育苗穴盘推送至苗盘输送模块的输入端，苗盘输送模块将育苗穴盘输送至移栽工位，其中，育苗穴盘中的钵苗呈矩形阵列排布，育苗穴盘定义了矩形阵列的列方向和行方向，列方向平行于苗盘输送模块的输送方向排布，行方向垂直于列方向布设；
- 灌溉冲击苗坑，自主移动平台进入沟垄田地中，并行驶至移栽位置，位于苗盘输送模块上方的灌溉模块通过传输管路向沟垄田地中灌溉水肥液，利用水肥液冲击沟垄田地的表面，在沟垄田地中形成用于放置钵苗的苗坑；
- 移栽路径规划，位于载体平台上的视觉识别模块获取苗坑的位置信息，以及育苗穴盘中的钵苗的位置，根据苗坑的位置信息和带移栽的钵苗的位置，在苗坑与育苗穴盘之间生成用于引导移栽模块运动的移栽轨迹，其中，以育苗穴盘最外侧的一列钵苗为移栽起始列，以靠近育苗穴盘的中心线的一行钵苗为移栽起始行，位于移栽起始列且位于移栽起始行的钵苗为移栽起始钵苗，移栽模块从移栽起始钵苗开始在列方向上，逐一抓取距离移栽起始钵苗最近的钵苗，直至完成移栽起始列上所有钵苗的移栽后，移栽模块按照从移栽起始列向中间的方向依次抓取下一列的钵苗，每一列钵苗的抓取顺序与移栽起始列的钵苗抓取顺序保持一致。
作为优选，移栽模块移栽钵苗的步骤包括：
- 移栽模块达到育苗穴盘中钵苗的正上方，控制箱驱动插针式末端执行器抓取钵苗，插针式末端执行器保持夹持状态上升，等待移栽模块到达苗坑位置的正上方，插针式末端执行器下降并释放钵苗。
本发明提供的一种面向温室垄沟栽培的移栽机器人及规划路径方法与现有技术相比，具有如下突出的实质性特点和显著进步：
该面向温室垄沟栽培的移栽机器人集“冲孔、灌溉、移栽、培土”为一体，通过苗盘输送模块、灌溉模块、视觉识别模块、移栽模块和培土模块之间的协调配合，实现在相同时间内高效地完成多项预定工作任务，拓展了移栽机器人的适用范围，增强用户对其的满意度，解决了传统理论上农田机器人功能单一、制造成本高的现状，进而提高了移栽效率，提升了对能源的利用率。
该面向温室沟垄栽培的移栽机器人按照土壤需求营养配方利用调配箱将水箱和肥料箱透过智能流量计定量化混合的有机养料，通过传输管路以较高速度输送至土壤，一方面提供了植株钵苗所需营养元素，实现了土壤养分平衡，另一方面可利用较大的水流冲击力形成苗坑，容纳钵苗生长，实现了水肥资源的高效利用，对于移栽机器人的进一步推广具有较强的市场优势。
该面向温室沟垄栽培的移栽机器人通过机械夹与“v”形插针的有机协作，发挥伺服电机的性能优势，实现插针式末端执行器高精度的位置和速度控制，更好的服务于钵苗的夹持过程，不仅减少了移栽过程中钵苗的损伤率，为植株钵苗全生育周期奠定良好的开端，进一步利用最优夹持角度，延长插针使用寿命，以此来降低机器人后期维护成本。
该面向温室沟垄栽培的移栽机器人通过动力气缸驱动小臂和培土架空间方位不断变换与调整，利用培土架和培土铲的合力作用，在不损伤植株钵苗的前提下，实现钵苗的全方位培土，确保栽种程序的规范化及合理化，进一步提升钵苗成活率，以此来推动设施温室沟垄栽培作业向产业化方向不断迈进。
该面向温室沟垄栽培的移栽机器人采用四驱动全方位转向轮机构作自主移动平台运行载体，通过减震弹簧有力减轻运行过程中机器人主体的剧烈振动及较大摆幅，既可以充分发挥轮式的快速性，又可以利用全方位转向优势适应各类复杂环境工况，在确保运行速度的前提下，提高机器人对转向输入的响应速度，减少转弯半径，最大限度的发挥机器人对于环境的适应性，为设施温室内的钵苗移栽过程提供优质的运动保障。
该面向温室沟垄栽培的移栽机器人移栽模块与苗盘输送模块协调配合，遵循避障空间与输送路径最优原则，通过python按照“最近相邻法”编写算法，实现移栽路径最优化，以确保累计路径长度最短，进一步提升机器人工作效率，对实现高效的沟垄自动移栽具有积极意义。