旱作移栽缽苗自動取投苗技術研究進展

杜新武，李　燦，李明勇，楊林輝，金　鑫，姬江濤

(河南科技大學，農業裝備工程學院，河南 洛陽　471003)

0　引言

農業生產實踐表明，營養缽育苗移栽具有對氣候補償和提早作物生長發育等綜合作用效果，能減少種子直播產生的出苗率不夠及二次補種現象，并提高作物單位產量。同時，移栽育苗能夠保證苗齊苗壯，便于實現作物生產全程機械化。我國大部分蔬菜和油菜等種植都以育苗移栽為主，種植面積分別達到1 031和700萬hm2，并取得良好經濟效益[1]。

目前，我國旱作缽苗移栽機械以人工取苗、機械投苗的半自動移栽機械為主。與手工移栽相比，半自動移栽能夠降低勞動者強度，但移栽準確率和作業效率難以大幅度提高，尤其針對東北、新疆等地規模化種植，移栽效率和種植規模的矛盾更為突出，對機械取苗、機械裝置的自動移栽技術的研究開發提出了很高要求。為此，本文分析了目前國內外自動取苗、投苗機構的發展狀況，指出了旱作移栽缽苗自動取投苗機構存在的差距和發展方向，為進一步開發自動化移栽裝備提供參考。

1　國內外自動取投苗研究現狀

1.1　國外自動取投苗研究現狀

國外發達國家缽苗自動取、投技術發展較早，從20世紀80年代就已經開始了對自動取苗機構的研究。目前，已有缽苗自動取苗裝置在實際生產中得到廣泛的應用，初步實現了蔬菜、煙草等經濟作物移栽過程的全自動化。盡管如此，國外的自動取投苗技術的研究仍是處于發展階段[2-4]。

1987年，美國奧本大學的L.J.Kutz等[5]以Puma560六自由度機器人為載體，以氣缸和并行的夾取爪組成的平行夾持指夾苗機構為末端執行器，設計研發了一種自動取移苗機器人，如圖1所示。機器人工作時，末端執行機構通過夾苗爪上的夾苗片來對苗缽施加壓力，將缽苗從392孔的育苗盤中取出，并移栽至36孔的生長盤中。實驗表明：該移栽機器人在3.3min內能夠移栽36株幼苗，且移栽后幼苗成活率達到了96%[6]。

圖1　Puma560自動取移苗機器人

1990-1993年，美國伊利諾伊大學的K. C. Ting和Y. Yang等[7]以ADEPT-SCARA工業機器人為平臺，利用壓縮空氣驅動的帶力覺傳感器的滑動針SNS(Sliding-Needles with Sensor)夾持器為末端執行器，研究開發了一種自動取投苗機器人。該機器人工作時，夾持器垂直接近穴盤中的穴孔位，夾取針下移至幼苗一側，以斜插方式進入土缽，由機械臂帶動將缽苗取出；取苗過程采用視覺傳感器來檢測缽苗的位置，底部的力傳感器來檢測加持機構對苗缽施加的夾緊力，以降低夾持器在對缽苗夾持過程中對缽苗造成的損傷[8-9]。

日本對于自動移栽機研究相對較早，移栽機械化程度相對較高。1995年，日本研究開發了PT6000型穴盤苗移栽機器人，主要由苗盤輸送機構、拔苗機構、移栽機械手及漏播分選器等組成。該移栽機器人實現了自動識別穴孔內有無缺苗，并通過控制系統實現了機械手移動和穴苗抓取[10]。

2004年，日本的洋馬公司研究開發出一種自動化程度較高的移栽機PALA，該移栽機具有取苗、植苗、苗盤輸送、栽植深度調節及株距的調節等功能，單行作業，作業效率為40株/min。該移栽機的取苗機構采用的是齒輪-連桿式取苗機構[11]，通過取苗爪的加緊作用來完成對缽苗的取投作業[12-13]。

2001年，韓國的K. H. Ryu等人[14-15]研究開發了一種全自動移栽機，由視覺系統、控制系統和移栽機械手等部分組成。取苗裝置工作時，由控制系統通過控制步進電機的轉動帶動機械手轉至由視覺系統所確定的取苗處，然后通過氣缸來推動機械手插入穴盤中，由氣動卡盤來完成對穴盤苗的夾取、移動和投放，以實現整個取苗過程。對該取苗裝置進行室內試驗，其取苗成功率為90%。為了進一步提高取苗成功率，K.H.Ryu等人對該取苗裝置的末端執行器做了進一步優化，該末端執行器由兩個夾角為15°的夾指來完成對缽苗的夾取，同時在每個夾指上各裝了一個氣缸，以驅動夾指進行伸縮運動來完成對缽苗的夾取。對改進后的取苗裝置進行室內取苗試驗，結果發現：取苗成功率可達98%，具有明顯的改善[16-17]。

美國RAPID Automated Systems公司生產的RTW系列全自動移栽機[18]，如圖2(a)所示。其自動取苗機械手具有體積小、多自由度的優點，能夠對不同高度缽苗進行移栽。該全自動移栽機以寬輥道輸送和氣缸推送相結合組成輸送系統，實現了4盤秧苗同時移栽，大大提高了移栽速度。該公司生產的RTW-500S2型移栽機取苗機械手，如圖2(b)所示。其采用由片狀夾指、楔形塊及噴水管等組成的片狀夾持具，并利用氣壓驅動方式實現機械手對缽苗的夾取，具有結構簡單、可靠性高等優點。

圖2　RTW全自動移栽機

荷蘭飛梭國際貿易與工程公司研究開發了系列自動化移栽機，如圖3所示。其不僅能夠進行多穴盤秧苗同時傳送及調整末端執行器的數目，還能夠通過CCD來對健壯苗及空穴孔進行識別[19]。該公司生產的PIC-O-MatPC-16型自動移栽機能夠通過簡單編程使操作者輸入新的移栽方案，夾持指可以適應多種穴盤規格，能夠輕松地集成到新的或現有的生產系統，如圖4所示。

澳大利亞的Transplant system公司開發的XT616型茶葉穴盤苗專用移栽機，如圖5所示。該移栽機被稱為開放式農業機器人的典型，主要體現在通過PLC可編程邏輯控制器來實現對驅動裝置的控制，并在具有足夠接口的情況下控制足夠自由度的機械部分或接收多路傳感器檢測信號；通過改寫控制程序來調整移栽機取苗裝置末端執行器的動作幅度；通過在移栽機取苗裝置上配備不同型號的末端執行器，來對不同規格的穴盤苗進行取苗作業，大大增加了移栽機對農藝的適應性；將輸送平臺做成可折疊形式，以節省機器制造成本及減少作業空間[20]。該公司生產的HD系列全自動移栽機可進行4～8行移栽作業，如圖6所示。其采用氣缸驅動取苗末端執行器直接將缽苗以從苗盤正面扎取的方式來完成取苗動作，此后末端執行器進行翻轉同時橫移至各導苗管處，將缽苗投至導苗管式栽植器內，以完成對缽苗的移栽[11]。

圖3　荷蘭飛梭國際貿易與工程公司生產的系列自動化移栽機

圖4　PIC-O-Mat PC-16型自動移栽機

圖5　XT616型移栽機

圖6　HD系列8行全自動移栽機

意大利Urbinati公司設計生產了RW系列無線聯動和單植型全自動移栽機，其RW系列移栽機工作過程如圖7所示。該系列移栽機采用無線電驅動，直接終端可進行編程，并能夠進行自我診斷，大大減少了使用過程中對機器的維護次數，每個取苗機械手作業效率為可移栽1 000株/h[9]。

圖7　RW系列移栽機工作過程

1.2　國內自動取苗研究現狀

我國從20世紀60年代開始對旱地移栽技術開展研究，但是發展較為緩慢[21]。目前，我國的旱地移栽機械多以半自動為主，全自動移栽機還處于起步研發階段[22]，并未在實際中得到推廣應用。近年來，鑒于人工成本增加及政府為推動農業機械發展采取了一系列優惠政策等原因，各大院校、科研院所和高新企業紛紛展開了對全自動移栽機械的研究。

東北農業大學趙勻等[23]研制了一種能夠一次性完成自動取苗、送苗、栽植動作，以變性橢圓齒輪、正圓齒輪和共軛凸輪為傳動機構的反轉式蔬菜缽苗移栽機構，該機構采用彈簧片夾取式取苗方式通過夾取靠近基質的缽苗莖稈來完成對缽苗的夾取，每行移栽效率可達120株/min。

江蘇大學毛罕平等[24]研制了一種門型取苗機構，如圖8所示。

1.機架　2.門形導桿　3.曲柄軸　4.凸輪　5.曲柄　6.滾子A 7.拉絲架A　8.門形橫梁　9.拉絲　10-1.拉絲架B10-2.推桿　10-3.爪座　10-4.爪銷　10-5.夾苗針11.仿形滑槽 　12.滾子B 　13.穴盤 　14.凸輪擺桿　15.凸輪滾子

該取苗機構主要由曲柄門型導桿和凸輪仿形滑槽組成的額軌跡執行機構、取苗爪、苗爪開合凸輪控制機構等部分組成。進行取苗時，由曲柄帶動門型導桿做往復擺動，進而帶動取苗爪在取苗和投苗點進行往復運動；門形橫梁上方的滾子通過在仿形滑槽內的運動來使門形導桿和取苗爪按照一定的軌跡進行運動；曲柄軸和凸輪固結在一起，利用凸輪的特性來通過擺桿帶動拉絲和取苗爪內的彈簧來控制推桿做伸縮運動，進而使取苗爪完成取苗、送苗和投苗的動作。

江蘇大學毛罕平、胡建平等[25]還選用二針式夾持方式開發了一套機械式取苗系統，該自動移栽機的自動取苗機械手由取苗爪、回轉箱驅動機構及槽形凸輪機構組成，以一定的軌跡運動實現從穴盤中取苗和向植苗機構投苗的動作。

北京工業大學高國華[26]等人把自動化穴盤苗移栽機分為夾持機構、控制機構、移栽機支架、橫向平移機構、傳送裝置和間隔調整機構六大模塊，以對其進行模塊化設計。其中，夾持機構集合了氣動技術和自動控制技術來對移栽爪進行了設計，并通過雙氣缸聯動的方式控制取苗爪的移動和取苗、放苗動作，該研究主要是針對溫室內穴盤苗的移栽作業。

沈陽農業大學邱立春等[27]對指針加緊式穴盤苗移栽爪進行了研制，該移栽爪主要由驅動氣缸、夾持指針、移栽爪安裝定位塊等組成，工作時采用氣缸驅動指針來控制進行缽苗的夾取、移動與缽苗的釋放等過程。同時，對穴盤苗的夾持過程進行苗坨與夾持指針受力分析，建立了移栽爪夾持力與指針入土角間的關系模型。

新疆農業大學韓長杰等[28]設計了多組氣缸驅動的翻轉擺位式取苗機械手，利用扎苗、放苗氣缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻轉氣缸和擺位氣缸控制機械手在取苗位和投苗位的姿態變換；通過室內取苗試驗得出，系統取喂苗總可靠率達98.92%，平均基質損失質量9.26%，取喂速度達70株/min。

浙江大學蔣煥煜、任燁等[29]研究了基于機器視覺的設施農業移栽機器人，包括視覺系統、控制系統及機器臂等。機器臂由步進電機驅動，氣缸驅動末端執行器，并對針式、鏟式和錐形3種手指的取苗效果進行了對比試驗，認為鏟式效果最好。

中國農機院李樹君、金鑫[30]等人研制了一種五桿-定軸輪系組合式自動取苗機構，并對該取苗機構進行了運動學及動力學分析，獲得了結構參數對機構的影響規律及最佳參數組合。該機構具有良好的取苗效果和動力學性能，且取苗工作效率達到了60～90株/min。

浙江理工大學趙勻、俞高紅等[31-32]人采用回轉式取苗機械手在行星減速箱內配置非圓齒輪和不完全齒輪，形成插值臂末端特定的運動軌跡，從而完成取苗和向栽植部件投苗的動作。

2　存在的問題

2.1　育苗農藝與移栽機械不配套

我國幅員遼闊，不同地域的光熱資源和耕作環境也不相同，與之配套的穴盤規格、移栽苗齡和缽苗尺寸等直接影響機械化移栽的農藝參數差異巨大，導致目前在研的自動取投苗技術裝備適應性差，難以大面積推廣應用。

2.2　設施農業自動化移栽發展緩慢

溫室大棚蔬菜種植經濟效益高于露地蔬菜，并且國家鼓勵發展設施農業，因此很多蔬菜產區廣泛推廣大棚蔬菜種植；但是，溫室大棚農機作業環境受到很大限制，對自動取投苗機構作業空間和運動軌跡提出嚴格要求，目前國內對于溫室大棚缽苗移栽的自動取投苗技術研究尚未全面開展。

2.3　高速取、投苗機構研究缺乏

國內外旱作移栽缽苗自動取投的研究水平已接近單行90株/min，但對機械手式高速自動取苗技術的研究還有欠缺，尤其單行取苗速率超過90株/min后機構振動造成的作業不穩定及慣性力對取投苗效果的影響均未涉及。

3　結論

國外缽苗移栽自動取投苗技術相對較為成熟可靠，但價格高昂，且國外自動移栽取投苗機構設計時并未考慮中國農業特點，導致大部分國外先進機型難以在國內推廣應用。目前，國內自動移栽技術有了較大發展，但多數仍處在理論研究階段，開發應用還注意以下問題：

1)國內缽苗的育苗規格、機械性能、基質成分等指標尚無國家統一標準，導致即使同一作物的缽苗，差異性也十分明顯，而自動取投苗裝置對于作業對象一致性要求較高，因此在開展自動取投苗技術研究時，必須考慮配套的育苗農藝要求。

2)進一步融合苗缽力學特性、機構運動學和動力學性能進行多目標復雜非線性優化研究，并將送苗、分苗、取苗、投苗技術綜合分析，從以往的運動軌跡研究提升為動力學、損傷力學研究。

3)在發展自動移栽技術的同時，應當引入作業狀態監控及智能控制等先進技術，實現智能移栽、精準移栽。