草莓裸根苗移栽机自动取喂苗装置设计与试验

《Agronomy》：Design and Experimental Study of an Automatic Seedling Picking and Feeding Device for a Strawberry Bare-Root Seedling Transplanter

　　

草莓裸根苗自动化移栽面临高度依赖人工喂苗及缺乏适配装备的挑战，现有取苗机构多局限于穴盘苗而非多茎作物。为克服上述局限，研究人员提出一种协同间歇输送装置与机械手的自动取喂苗系统。首先测定草莓裸根苗物理与力学特性，经径向茎秆压缩试验确定以28 N生物屈服点（bio-yield point）为界的无损夹持安全阈值。其次设计基于变跨度V形支撑（variable-span V-shaped support）的间歇输送装置。进而基于夹持安全阈值与空间运动学建模开发取苗末端执行器，采用“先聚拢后夹持”策略保障抓取精度并通过防止运输脱落确保可靠性。最终搭建系统试验台，以取苗频率、夹持位置、夹持间隙三因素三水平正交试验考察作业质量，在20株/min、夹持位置25 mm、夹持间隙5 mm条件下取喂成功率98%，验证稳定性，为全自动草莓移栽机提供核心装备与理论支撑。

研究背景方面，草莓经济价值高，裸根苗因繁育成本低、储运易、环境适应强而被大规模采用，但农业劳力短缺使自动移栽成为产业瓶颈。当前裸根苗移栽以半自动或人工为主，成熟全自动设备缺失。既有移栽设备如Rain Flo 1600、Driscoll’s所用机型缺自动取苗件且属半自动；国内学者针对穴盘苗设计的取苗装置无法直接用于无基质包裹、根系裸露的裸根苗。甘薯、大葱等无土裸根作物自动供苗方案（预固定苗带、波纹盘夹持）若强加于草莓裸根苗会致根系难解、叶柄断裂。茎秆夹持虽可避根系复杂，但现有机型多为刚性强直释放、面向单茎规则穴盘苗，对草莓多簇茎叶、缺基质支撑特性会产生不可控夹持力与运动冲击伤苗脱落。因此研究人员以“红颜”草莓裸根苗为对象，开展物性测定、机构设计与台架试验，论文发表于《Agronomy》。

关键技术方法上，研究人员选取江苏地区繁育60至70天、具3至5展叶的“红颜”裸根苗100株，用斜面摩擦仪测静摩擦系数，水平悬吊平衡法测重心轴向位置；以TA.XTplus质构仪P/36R探头1 mm·s^?1速度对根冠上方20 mm茎段做径向压缩至80%应变获力-位移曲线定28 N生物屈服点；设计变跨度V形支撑间歇输送装置（跨度110至170 mm可调、V角110°、支撑高10 mm、节距110 mm）与直角坐标式水平伺服+垂直步进+尼龙板四杆V形末端执行器，建滑块曲柄运动学方程与Hertz接触、摩擦自锁力学模型；以信捷XD5-60T10 PLC控步进/伺服，FSR402薄膜压力传感器校夹持力；在江苏大学台架于2026年7月20日做三因素三水平正交试验（取苗频率、夹持位置、夹持间隙），每组50次循环。

研究结果部分，2.1节裸根草莓苗物理特性测定中，形态参数变异系数均超10%，重心偏置显著；径向压缩曲线分弹性段与屈服后段，A点最小生物屈服力28 N，确立夹持力须低于此值。2.3节关键部件设计中，变跨度V形支撑留中央茎区悬空供夹取窗口，几何约束式确保重心稳；末端执行器以尼龙直板铰链四杆机构实现“先聚拢后夹持”，V形闭合产生向上楔推力，推导法向力F_N安全区间结合μ自锁条件tan(θ/2)≤μ与抗倾覆摩擦矩M_f≥M_g得全程夹持界28 N≥F_N≥下限。3.2节部件设计结果显示输送带宽250 mm长560 mm、10组支撑等距排布，S曲线加减速消冲击；机械手水平行程600 mm、垂直50 mm、夹爪开度40 mm、初始开口包络散茎，MATLAB运动学仿真证夹点“斜上汇聚”轨迹。3.2.3节正交试验平均成功率92%，极差R显示影响主次为夹持位置（8.67）＞夹持间隙（4.00）＞取苗频率（3.33）；最优组合A3B1C2（20株/min、25 mm、5 mm）验证50次获98%成功率，目检无表皮破裂，移栽后存活100%。

讨论部分指出，夹持位置近缩短茎减重心偏置倾覆矩是首要因子；间隙过小伤苗过大脱落，存临界优值；频率20株/min内稳。局限为仅“红颜”品种、台架无田间振尘干扰、极弱苗超包络容限需前筛。结论翻译：为解决裸根草莓苗多簇茎根外露致人工喂苗依赖与现夹具不适问题，研究人员开发集成变跨度V形支撑间歇输送与柔性机械手之自动取喂系统；搭建台架行三因素三水平正交试验，因子影响主次为夹持位置＞夹持间隙＞取苗频率，最优20株/min、25 mm、5 mm下成功率98%且无损，满足裸根草莓苗高适应无损全自动移栽需求；提出协同间歇输送与柔性机械手之取喂机制，定时序与三维路径，明整体布局与变跨度V形输送及末端执行器原理；以“红颜”60至70天苗定28 N生物屈服点为无损夹持界，建空间搬运夹持运动学与摩擦自锁力模型，完关键参数设计。