西瓜在我国种植区域广泛,种植面积约200万hm~2。目前国内大多依靠人工或半自动化机型进行栽植,劳动强度大,效率低,短时间内很难大面积种植。由于西瓜幼苗茎秆纤细,根冠较大,且幼苗形状不规整,加上农田恶劣的工作环境,全自动移栽机构在移栽过程中对西瓜幼苗的茎秆和子叶造成损伤,影响后期生长和产量。减少移栽机构在栽植西瓜的过程中对秧苗造成的损伤,成为研制全自动西瓜移栽机构的关键问题之一。针对上述问题,本文设计了一种夹护式移栽机构,由探入式取钵装置和秧苗保护装置组成夹护式末端执行器,该执行器在非圆行星轮系传动机构的驱动下完成取钵、护秧、输送、栽植等一系列动作。该移栽机构能够同时完成对秧苗的夹取与对秧苗茎秆保护动作,确保秧苗与末端执行器的相对位置,减少对秧苗的损伤,从而提高栽植质量,为西瓜的全自动移栽机提供参考依据。本文的主要内容的结论如下:(1)针对西瓜秧苗物理形态,设计一种取钵和护苗同时进行的夹护式末端执行器,并与非圆齿轮轮系结合,采用一套动力源驱动取钵机构和护苗机构,保证取钵和护苗动作的同步运行,实现西瓜秧苗的“夹护移栽”。该机构有效避免了辅助装置对秧苗茎秆和株冠子叶的损伤,保证秧苗与移栽机构的相对位置和土钵的完整性,提高栽植质量,结构简单可靠。(2)根据西瓜移栽的农艺要求,提出西瓜秧苗“夹护移栽”的设计要求,分析夹护式移栽机构的工作原理,建立移栽机构的相关理论模型。(3)根据西瓜移栽的农艺要求和秧苗物理形态,建立“夹护移栽”的数字化优化目标,基于课题组的移栽机构优化设计平台、理论模型和数字化优化目标,完成了西瓜秧苗的夹护式移栽机构优化软件的开发,借助优化软件获得一组满足西瓜秧苗“夹护移栽”要求的结构参数和轨迹。(4)对取钵片的摆动角度(取钵过程)、栽植轨迹和护苗轨迹进行分析,进一步优化移栽机构的结构参数;对取钵齿条和推秧杆的结构进行设计,保证取钵和护苗动作的同步进行。(5)根据验证后的结构参数,通过三维软件对移栽机构进行结构设计和虚拟样机的装配与检查;将虚拟样机导入Adams 2014中进行虚拟运动仿真,将虚拟仿真所得的相关数据与理论数据进行比对,两者基本一致,验证了理论模型和三维模型结构设计的正确性。(6)移栽机构物理样机的零部件通过借助3D打印技术进行加工,并组装成物理样机,借助高速摄像技术和视频追踪技术得到物理样机的工作轨迹,将该轨迹与理论轨迹、仿真轨迹进行对比分析,三者基本一致,验证了移栽机构的可行性。(7)将夹护式移栽机构的物理样机安装在试验台架上,进行常规移栽机构(探入式取钵移栽机构)与夹护式移栽机构的性能对比试验,试验结果表明:夹护式移栽机构较常规移栽机构取苗成功率提高5%,栽植成功率平均提高7.5%,栽植合格率平均提高7.5%,栽植优良率平均提高15%,明显提高栽植质量,进一步验证了夹护式西瓜钵苗移栽机构的移栽优越性。