Minoru TOKIMASA

近文介绍一种自动栽培架运输系统，该系统可完成栽培单元移出栽培架、调整栽培架内栽培单元位置、移出栽培架等作业，工人只需在栽培室入口处装卸定植好的栽培单元即可。此外，该系统还配置了最新的网络和控制系统，不仅可对作业情况进行实时监控，还可远程排除故障。该系统可有效解决由于工人在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，为实现植物工厂大规模生产奠定基础。

搬运系统的结构

图1为自动搬运系统结构简图。该系统主要包括1个穿梭运输机器人和2台升降机。2台升降机分别位于栽培架的收获侧（飘浮板移出侧）和移栽侧（栽培单元移入侧）。穿梭运输机器人可沿着栽培架在水平方向进行自由移动。升降机则可将穿梭机器人从地面抬升至指定位置。在移入栽培单元时，首先在入口处由人工将定植好的栽培单元装到穿梭运输机器人上，然后穿梭机器人进入升降机，并抬升至指定位置，将栽培单元安放在指定位置。在收获时，穿梭运输机器人将栽培单元从栽培架移出，然后由升降机运送回地面后，再将栽培单元放置在传动带上。

图2为自动运输系统将栽培单元移入栽培架的作业过程。开始时，在入口处将栽培单元放置在穿梭运输机器人上，然后穿梭运输机器人进入升降机（步骤1），被提升（步骤2）至指定位置（步骤3）。随后穿梭运输机器人进入栽培架，将栽培单元运送到指定位置（步骤4），并安放在栽培架上（步骤5）。最后，穿梭运输机器人返回升降机，并回到入口处，完成作业（步骤6）。

图3为自动运输系统将栽培单元移出栽培架的作业过程。首先，穿梭运输机器人从下方将要收获的栽培单元托起，然后移动至收获侧升降机（步骤1和2），并将栽培单元卸在升降机上（步骤3），随后穿梭运输机器人返回到栽培架（步骤4），而栽培单元则由升降机运送至地面上的传送带，并运送至加工和包装车间（步骤5）。

穿梭运输机器人的特征

图4是穿梭机器人的运行过程。穿梭机器人不仅能像图1那样水平运动，还配置了短程提升装置，可完成栽培单元的抬升和放置作业。首先，穿梭机器人在栽培单元下方运动，在到达指定位置后停止，然后通过短程提升装置将栽培单元抬升即可载着栽培单元自由移动。由于穿梭运输机器人可随着升降机移动至任何栽培架的任何指定位置。所以，数个栽培架可共用一个穿梭运输机器人。图5所示的穿梭运输机器人有2个驱动系统，可完成垂直提升和水平移动。每套驱动系统包含一个高效无刷直流电动机（24 V），最小输出功率为80 W。穿梭运输机器人动力来自蓄电池，不需要电线。另外，由于电动机的输出功率较低，当故障出现时，如电路短路或碰撞等，可通过人力将其强行停止。

穿梭运输机器人的控制系统

穿梭运输机器人的控制系统、仓储控制系统（WCS）包括：升降机控制器（用于指挥栽培床的装卸过程）、穿梭机器人运行控制器和收获传输带控制器。通过该系统不仅可共享来自办公室终端和工厂终端的信息，对栽培单元的位置和装卸过程进行全程监控，还能及时探测并排除故障。比如在移动栽培单元的过程，必须要停止其营养液循环，若在运输过程中出现震动或撞击的话，栽培单元内的营养液将会洒出。

穿梭机器人运输过程模拟

水平和垂直运输测试装置及其特征

本系统拟应用于位于大阪府立大学的植物工厂。该植物工厂每天拟生产生菜5000株。栽培单元为1200 mm×700 mm，重10 kg。生菜种苗在栽培单元上生长18天。栽培单元装载在6排栽培架中，其中4排栽培架有18层，长25 m；另外2排栽培架有16层，长25 m。每一层有36个栽培单元。该植物工厂每天要移出200个栽培单元，然后对3600个栽培单元进行调整，为新移入的200个栽培单元腾出空间。

在运输过程中，首先要停止栽培单元的营养液循环，排干内部营养液，然后开始运输。运输完成后，再重新启动营养液循环。在上述植物工厂中，停止营养液循环的时间为30 min，营养液排干时间为10 min，栽培单元移出及移入栽培架的时间约31 min，栽培架内栽培床位置调整为

21 min。为了防止营养液洒出、栽培床滑落，穿梭机器人的运行速度设置为2.9 m/min（其最大速度是14 m/min），升降机速度设置为20 m/min。基于上述考虑，该植物工厂总共需要配置28个穿梭机器人。

穿梭机器人的电力消耗

从减少劳动力和能耗的观点出发，需要对标准传送带和穿梭运输机器人的电力消耗进行比较。在本研究中，植物工厂内标准传送带的电力消耗是每天29.3 kW·h，而穿梭运输机器人的电力消耗是每天4.8 kW·h，仅为标准辊子传动带的0.164倍。因此，该穿梭机器人的节能效果明显。

运输装置的安全性

当穿梭机器人发生任何碰撞的时候，传送系统将会被强行停止。本研究使用推拉力计对强行停止穿梭运输机器人所需要的力进行了测量。结果表明，当穿梭运输机器人以20 m/min的速度运动时，强行使其停止所需要的力为110 N。因此，在实际中，穿梭机器人很容易由人工强行停止。

应用前景

该自动运输系统可应用于多层栽培架，从而可以解决植物工厂内病原菌污染、劳动力成本和作业安全的问题。对于每天生产5000株生菜的常规植物工厂，需要雇佣25～33个工人，每天工作8 h，也就是说总工时为200～264 h。其中有63～83 h用于搬运工作，占总工时的31%。使用本系统将则会显著减少劳动强度，降低劳动成本。