穴盤苗自動化移栽機取苗機構研究進展

摘要：自動化移栽機取苗機構對蔬菜穴盤苗移栽自動化、機械化、智能化具有重要意義。通過開發高性能的取苗機構，可以大幅提高穴盤苗移栽的質量和效率。綜述國內外自動化移栽機取苗機構的最新成果，對其工作原理進行歸納總結。根據取苗方式的不同將其分為夾取式、插拔式、頂出—夾取結合式等，并對比分析各自的優缺點。其中，夾取式取苗裝置結構簡單、取苗效率低；插拔式取苗裝置結構緊湊、傷苗率高；頂出—夾取結合式取苗成功率高，但是裝置復雜、操作不便。指出現有的取苗機構普遍存在傷苗率高、通用性低、運動部件之間不協調等問題，并提出改進機械結構、移栽農藝標準化、引進先進技術等建議。協助相關科研和工程人員了解我國自動化移栽機的發展現狀和趨勢，全面調查研究行業中存在的問題，進而研發出取苗效率高、可靠性強、損傷率低的自動化移栽機的取苗機構。

關鍵詞：穴盤苗；移栽機；取苗機構；自動取苗

中圖分類號：S223.9" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0022?07

Research progress on taking mechanism of automatic transplanter for pothole seedling

Peng Zehui Yang Fazhan Zhao Shuo Song Quan Xu Guoli Shen Xitong

（1. School of Mechanical and Automotive Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao， 266520， China;

2. Key Laboratory of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Control， Ministry of Education，

Qingdao University of Science and Technology， Qingdao， 266520， China）

Abstract： The seedling?taking mechanism of automated transplanting machines plays a crucial role in advancing the automation， mechanization， and intelligence of vegetable hole tray seedling transplanting. Enhancing the quality and efficiency of hole tray seedling transplanting relies heavily on the development of high?performance seedling?taking mechanisms. This paper reviews the latest advancements in seedling?taking mechanisms for automated transplanting machines in China and globally， and provides a detailed summary of their working principle. Based on different seedling extraction methods， these mechanisms are categorized into clip type， plug type， ejector?clip type， et al， with a comparative analysis of their respective advantages and disadvantages. Among them， the clip type device has simple structure and low efficiency. The plug device has compact structure and high injury rate. The ejector?clip type device has high success rate， but the device is complicated and the operation is inconvenient. Common issues identified in existing seedling?taking mechanisms generally include a high seedling injury rate， limited versatility， and lack of coordination among moving components. To address these challenges， the paper proposes several strategies for future development， including optimizing mechanical structures， standardizing transplanting agronomy， and integrating advanced technologies. These recommendations aim to resolve existing problems and guide the design of seed?taking mechanisms that exhibit high seedling?taking efficiency， high reliability， and minimal injury rate of seedlings. This review provides valuable insights for researchers and engineers to understand the current status and developmental trends in automated transplanters within China， thereby enabling the creation of innovative and efficient solutions for the industry.

Keywords： pothole seedling; transplanter; seedling pick?up mechanism; automatic seedling pick?up

0 引言

蔬菜生產的機械化和智能化對提高作物的種植效率以及提升土地的利用率具有重要意義。目前，我國蔬菜種植機械自動化水平較低，傳統的種植模式在作業中存在勞動強度大、效率低、成本高等問題[1]。

目前，我國大部分的蔬菜以移栽種植為主，移栽種植能最大程度上利用現有的土地資源，又可以避免種子浪費，其作業中主要用到的裝備是各類移栽機。移栽機是指一種用于移植幼苗的農業機械，分為手動、半自動、全自動等，手動移栽機主要依靠手工完成，工作人員使用鏟子、吸盤等工具移植，效率低且容易對幼苗產生傷害；相比傳統的人工移栽方式，半自動移栽機（人工輔助移栽機）可以大幅減輕人工勞動強度，節省時間和成本，提高種植的精度和效率，缺點是受人工影響，不能進行高速移栽作業；全自動移栽機全過程不需要人工參與，并可以精準定位栽植位置，進行快速移栽作業，極大地提高生產效率，大大提升作物的產量和品質[2]。國外的移栽機發展較早也比較完善，自動化程度高，歐美等國主要以氣—液—電聯合協作大型移栽機為主；日韓等國由于種植面積小，多以機械結構為主。而我國地勢遼闊，氣候復雜多樣，農藝需求也存在較大的差異，不能完全照搬國外的機械設備[3]，鑒于我國特定的農藝需求，自主研發適合我國農業條件的移栽機械已成為必然趨勢。目前，市場上多以半自動移栽機為主，全自動移栽機還處于研發階段，未能得到推廣普及[4， 5]。

取苗機構是區分全自動移栽機和半自動移栽機的關鍵部件，也是全自動移栽機作業不可或缺的重要工作部件，承擔著缽苗從穴盤中移送到栽植機構或投苗杯中的任務，取苗質量的高低直接決定移栽機整體的工作質量。但目前也存在通用性差、效率低、損苗率高等問題，因此，本文闡述國內外目前最新的取苗機構的種類，分析其工作特點并進行對比，分析取苗機構的發展現狀以及未來的發展趨向，為后續研發全自動移栽機的取苗機構提供參考。

1 國內外取苗機構的研究現狀

不同作物缽苗的物理特性以及取苗方式均有一定的差異，取苗機構結合兩者特點進行分類，主要分為夾取式、插拔式、頂出夾取結合式等。

1.1 夾取式

為提高蔬菜移栽機取投苗的穩定性和高效性，袁挺等[6]設計了一種全自動曲柄搖桿—導軌組合式取投苗裝置（圖1），并利用解析法等優化各個結構的參數，使其保證取投苗準確率高。該裝置具有結構簡單，動力要求較小以及取投苗動作平滑的優點。試驗表明該裝置取投苗成功率達95.14%，傷苗率達1.39%，效果良好。但是，高速取苗時該裝置性能較差，損傷基質的概率大大增加。

趙曉琪等[7]設計了一種氣動翻轉夾取式取苗機構。該機構與直動式分苗機構相互配合使用，機構簡單，生產效率得到提高，并減少機器對秧苗的沖擊振動，投苗的成功率為95.83%，適用于多種缽苗，滿足自動化移栽的要求。該機構優點是適應多種類缽苗作業，但隨著栽植頻率的增加，機械振動加劇，導致取苗的成功率下降。俞高紅等[8]設計了一種基于橢圓—不完全非圓齒輪傳動的行星系蔬菜缽苗取苗機構，該機構由5個齒輪和2個取苗臂組成，通過優化各齒輪之間的參數，使其配合達到最佳，傳動箱轉一圈可以取兩次苗，取苗效率得到提高，結構簡單。缺點是不能快速取苗，長時間運轉會造成齒輪之間的磨損，降低取苗的準確性。葛榮雨等[9]設計了一種齒輪—凸輪式連桿組合式取苗機構，減小普通連桿機構的尺寸，通過Adams分析工作軌跡并不斷優化凸輪槽的輪廓線，使其取苗末端能以特定的軌跡運動，從而完成取苗，該機構取苗靈活，有效解決半自動移栽機作業強度大、效率低等問題。尹大慶等[10]設計了一種探出取推缽式蔬菜缽苗取苗機構，采用不等速行星輪系驅動，用取推一體式取苗末端執行器代替傳統單一取苗或推苗的取苗末端執行器，可以實現快速取苗，縮短推苗時間，投苗的準確性得到提高，達到96.87%。周恩權等[11]設計了一種平動滑移式取苗機構，由直線模組系統構成的水平滑移裝置和無桿氣缸驅動多針取苗末端執行器構成的豎直提升夾苗裝置兩部分組成，可以實現自動取苗，具有響應速度快、定位精度高、本體質量輕等優點。賈畢清等[12]設計了一種齒輪—連桿組合式取苗機構，由凸輪擺桿機構、雙搖桿機構及擺桿滑塊機構組成，通過設計合理的凸輪輪廓曲線，再經過雙搖桿機構運動傳遞和放大來控制擺桿滑塊的運動規律，從而調整取苗、投苗的姿態來完成作業，并試制樣機進行自動取苗性能測試，結果表明，在取苗頻率為40株/min時，成功率為92.03%，能較好地替代人工作業，取苗效果較好。李華等[13]針對夾莖取苗方式，提出一種基于二階橢圓齒輪行星齒輪以及凸輪擺桿機構的夾莖式缽苗取苗機構，工作時，中心軸傳遞動力至行星架，圍繞中心橢圓齒輪做勻速運動，伴隨著齒輪的配合轉動，夾苗器也隨之轉動形成取苗軌跡，完成取苗。運用Adams軟件進行運動仿真，仿真結果與試驗軌跡幾乎一致，機構性能穩定，在取苗頻率為80株/min時，取苗成功率為92%。Islam[14]針對辣椒取苗，研究一種可以取多棵幼苗的夾取式連桿組合取苗機構，由夾鉗式取苗器、機械手、曲柄、齒輪、凸輪等組成，輸送裝置將育苗盤送到指定位置并有一段停留期來保證取苗作業，然后機械手在齒輪以及曲柄滑塊的相互配合下，落在苗盤的上方，在凸輪的作用下，取苗器夾住幼苗，完成取苗。

綜上，夾取式取苗機構的優缺點如表1所示。

1.2 插拔式

陳斌等[15]設計了一種對稱布置可彎曲秧盤的交替式取投苗機構，由曲柄搖桿和直線氣缸共同驅動，取苗夾在取苗位置夾住秧苗并垂直拔起，然后水平運動到投苗位置，松開苗夾，秧苗落入分批落苗裝置中，然后按一定的時間間隔，依次落入下方的栽植機構中，完成栽植。該裝置結構復雜，要求精密，有效解決夾持過程中秧苗破損的問題，總體成功率達到88%。謝守勇等[16]提出一種斜插夾缽式取投苗機構（圖2），由電機驅動桿件在斜面移盤裝置配合下進行往復運動，完成取苗，取投苗成功率為94.44%，裝置可靠性較高。

馬曉曉等[17]研制了一種番茄缽苗自動取苗裝置，利用行星輪系—連桿機構與不規則滑道驅動，凸輪控制取苗針的開合動作，工作時，行星軸沿滑道向下運動到取苗位置，同時滑桿調整好苗針姿態，凸輪推動撥桿使苗針插入缽苗中，經過轉動凸輪處于回程階段，使苗針打開并帶動推苗環往下運動，從而完成1次取苗。經過不斷優化凸輪的各個角度，取苗針的長度等系數，得到最優參數組合，田間試驗取苗成功率達94.27%。Li等[18]提出一種凸輪全排取苗機構，穴苗盤水平放置，電機驅動凸輪長軸克服彈簧力，在推頂梢的推動下，使取苗針插入基質。整個機構安裝多個取苗爪由凸輪旋轉控制，可以實現多排取苗，并利用VisualBasic 6.0等計算機輔助軟件，優化出最佳參數，取苗成功率可達95%。崔巍等[19]在齒輪—五桿機構的基礎上設計了一種自動取苗裝置，取苗爪在雙曲柄、連桿以及取苗爪臂的帶動下，到達取苗位置時，插入穴盤苗并將其取出，取苗末端按照一定的特殊軌跡運動，并在運動中來回變換姿態，實現取苗和投苗，通過運動仿真調整各項參數獲得最理想的取苗軌跡，并通過試驗驗證該機構的合理性和可行性。Khadatkar等[20]設計了一種機器人插拔式移栽機的取苗機構，主要由機械手、末端執行器、光電傳感器和控制單元組成，通過計算機編程設計，在伺服電機的驅動下，機械手到達秧盤的上方，安裝在末端執行器的抓取器抓取并拔出秧苗運動到導苗管的位置，然后釋放幼苗，完成1次取苗。放置在輸送管中的光電傳感器檢測到幼苗后，信號傳送到控制器，然后驅動機械手移動到下一個取苗位置，直到最后1株秧苗被取出，從而完成取苗。

綜上，插拔式取苗裝置的優缺點如表2所示。

1.3 頂出—夾取結合式

胡建平等[21]提出了一種頂夾拔組合式的取苗方式，并設計一種裝置，該裝置由翻轉機構、插拔機構、取苗爪等部分組成，通過翻轉機構帶動取苗爪快速精準到缽苗上方，插拔機構通過控制插拔氣缸進行取苗，解決缽體與穴盤之間黏附力和盤根影響造成的取苗成功率低、缽體破損率高的問題，試驗結果表明，取苗成功率為94.12%，苗缽完整率為94.12%。王東洋等[22]設計了一種缽苗體底部先頂出后夾取式自動取苗裝置，在縱向輸送機構的運動下將穴盤苗運送至頂桿機構的上方，短暫停留，頂桿機構將缽苗頂出，再由取苗機構進行夾取，輸送到導苗管中，完成栽植，試驗結果表明，取苗成功率超過95%。王品隆等[23]設計了一種頂出—夾取結合式自動取苗裝置，整套取苗流程由各個不同的氣缸有序驅動完成。工作時，首先頂苗氣缸伸出，頂桿把幼苗頂出，然后氣缸控制取苗機械手進行夾苗動作，取苗完成后，擺動氣缸縮回，取苗機械手夾持幼苗回到投苗位置，完成投苗，在送盤電機的轉動下，將下一次待取缽苗輸送到指定位置，從而進行反復取苗。該機構取苗頻率達到120株/min，符合高速取苗標準。

綜上，頂出—夾取式取苗裝置的優缺點如表3所示。

1.4 其他形式取苗

王超等[24]設計了一種氣動下壓式高速取苗裝置，該裝置要與其配套的組合式穴盤工作，主要由供盤機構、送苗機構、氣動取苗機構、投苗錐斗和控制系統等組成。工作時機構在氣缸的壓力下將在無底穴盤中的穴苗向下壓出，完成取苗。與向上取苗原理的夾取式機構對比而言，該裝置能夠滿足高速取苗的要求，并且取苗成功率得到提高，但是對基質的破損率達到22.64%，但研究發現并未對缽苗的根莖造成嚴重傷害，不影響正常的生長發育。王蒙蒙[25]設計了一種氣動下壓式取苗機構（圖3），采用特定的上下開口的正四棱形穴苗盤，空氣壓縮機提供動力，推動氣缸克服彈簧彈力向下運動，帶動取苗頂桿帶往下壓，缽苗受到壓力從而脫落，繼而實現取苗。該機構具有體積較小、布置靈活、適應性強、取苗效率高等優點。

姚思博等[26]設計了一種夾取振動復合式取苗機構，由夾取苗機構和振動裝置兩部分組成，先由振動裝置通過振動產生的慣性力來克服穴苗間的黏附力，達到松脫狀態，之后經過夾苗板將缽苗豎直拔起，運動到投苗機構的上方，完成一次取苗。廖慶喜等[27]設計了一種油菜紙缽苗移栽機嵌入式氣動取苗機構，工作時各個氣缸相互配合，氣缸推動取苗針到達穴盤苗上方并插入缽苗基質中，經過臺架試驗取苗成功率為93.0%。張敏等[28]設計了一種曲柄滑道連桿式頂出機構，采用全自動間歇式水平方向送秧方式，穴盤水平放置在輸送裝置上，鏈輪驅動向前行進，頂出機構在間歇軸的帶動下，頂出小軸來回反復頂出秧苗，秧苗在被頂出后在重力的作用下落入到接苗箱內，完成取苗。該機構設計簡單、可靠、對缽苗損傷小，但對精度要求較高，需要配備自制的苗盤，直立度不高。

綜上，自動化移栽機的取苗機構多種多樣，面對不同的作物有不同的取苗機構，其優缺點如表4所示。

通過分析夾取式、插拔式、頂出—夾取結合式和其他形式取苗機構的優缺點，總結各種形式的優缺點及適用范圍，如表5所示。

2 存在問題

2.1 針對性問題

1） 夾取式取苗機構依靠夾具將缽苗緊緊固定，由于是純機械機構組成，在夾苗過程中夾持力的大小很難精確控制，易造成缽苗莖稈夾斷，取苗效率低，在運行時間較長的情況下，易出現機構磨損嚴重等情況。

2） 插拔式取苗機構工作時，是由取苗針按照一定的角度插入到缽苗基質中進行固定，從而完成取苗過程，相比夾取式，插拔式取苗機構存在一些問題。首先，取苗效率低，原因是每次取苗都需插入和拔出穴盤苗，增加操作時間。其次，基質損傷大，取苗過程中會對基質進行擠壓和摩擦，容易導致變形或破碎。此外，機構相對復雜，需更多的零部件，增加了制造成本。

3） 頂出—夾取結合式是將頂出式與夾取式的優點相互結合的一種取苗形式，首先通過頂桿將缽苗從底部頂出，使其脫離穴盤，然后取苗末端執行器或機械手再將缽苗進行夾取，從而實現取苗、投苗的動作，該過程大大降低對缽苗基質的損傷，取苗穩定可靠。但需各部件高精度配合，對苗盤定位控制要求高，以確保缽苗準確地被頂出和夾取，裝置復雜，價格較高。

4） 其他形式的取苗機構，如氣動下壓式、夾取振動復合式等，對穴盤的要求較高，需特制的穴盤，通用性差且對缽苗直立度等要求較高。

2.2 普遍性問題

1） 缽苗的損傷率高。目前市面上所有取苗機構，取苗時都由末端執行器直接作用在缽苗的基質中，然后將幼苗取出，此時要克服缽苗之間的黏聚力以及缽苗與穴盤之間的黏附力，才能完整地把幼苗取出。由于是機械裝置作業，無法控制力的大小，易造成缽苗損傷、缽體變形、基質松散等情況，損傷較小可能會影響幼苗的長勢，損傷較大可能直接導致幼苗死亡。

2） 取苗裝置通用性低。在不斷研究下，取苗裝置取得了諸多實質性進展，而且種類繁多，但是其通用性較差，導致移栽作業成本增加。我國地勢遼闊，各地氣候差異較大，對應的農作物不同，所以用于育苗的穴苗盤以及秧苗尺寸等有所不同，它們會直接影響移栽機械的參數。目前來看，取苗裝置在面對不同的幼苗時適應性較低，難以一機多用，通用性差。

3） 育苗、取苗環節不匹配。制缽與育苗，育苗與移栽等環節沒有相互匹配，各自研發，穴盤大小、深度以及開孔的尺寸缺乏統一的標準，導致穴盤種類多種多樣，沒有形成標準化、統一化，不利于育苗和自動取苗技術的研究和推進。

4） 缺乏創新性，仿制國外機型居多。近幾年我國在自動化取苗技術中取得很大進展，但大部分還停留在樣機試驗階段，沒有真正投入到市場中，研發的取苗裝置只針對特定的作物幼苗，幼苗根部受到傷害，損壞基質現象突出。目前而言，我國市面上存在的全自動移栽機大部分是仿制國外的產品機型，工作特點以及工作模式不適宜我國的農藝要求[29]。

5） 各個運動部件之間動作銜接不夠，不協調。大多數取苗機構為傳統的機械結構，設計復雜，取苗機構由多個零部件構成，若想達到預期的運動軌跡，各部件需按照指定的順序進行，動作連貫協調，需多種零部件精密配合，從而完成取苗動作，但受工作環境條件惡劣的影響，各零部件之間配合不協調，磨損較大導致使用壽命減少。

3 發展建議

1） 提高取苗裝置的通用性。針對取苗機構通用性差的問題，可以通過研究各類穴盤苗的力學特性，分析并找出其存在的共性特點，總結歸納出不同方式的取苗裝置在工作時對缽苗產生損傷的共性。從而設計合理的機械機構，在面對不同種類、不同規格的穴盤苗時，可以通過調整工作參數（取苗間距、運動軌跡），改變或更換某些零部件，來達到對不同方式取苗的目的，從而提高取苗裝置的通用性。

2） 自動化移栽機取苗裝置智能化。針對在實際生產中取苗裝置工作時傷苗率高，基質損傷嚴重、定位不準等問題，將智能技術應用到取苗裝置的研發中。利用計算機視覺技術，引進更先進的圖像處理算法和深度處理模型，通過對穴盤苗的外形、顏色、高度等特征進行識別，提高對不同蔬菜種類的識別準確性和速度。同時，引入多種傳感器，如光電傳感器、激光傳感器等，以獲取苗盤進給的準確位置，實現對穴盤苗的自動定位和精確抓取。

3） 開發新理念取苗技術。研發新取苗技術，鼓勵創新設計，夾取式、插拔式等傳統機械結構形式的取苗機構裝置復雜，取苗效率低，不利于機械化種植。相比之下，采用氣動技術的頂出—夾取結合式，傷苗率低，在不改變取苗頻率的情況下，能夠整排取苗，分散投苗，優化路徑軌跡，減少取苗時間，效率大大提高。借鑒國外先進技術，結合我國的種植模式和農藝要求，總結取苗技術的優缺點，采用頂出—夾取結合式的取苗形式，用程序編輯控制氣缸運動的自動化取苗方式，并通過電腦終端根據農作物的種植要求進行調節取苗速度以及間距，以達到高效、低成本、輕簡化的智能取苗目標。

4） 促進農機與農藝相互配合。根據各地的氣候等自然條件結合當地政府的相關標準，建立育苗、制缽、取苗、投苗等環節技術體系，制定統一的穴盤規格、育苗等標準，為進一步研發自動化取苗裝置提供有力的依據。做到統一化、規范化，實現資源利用最大化，防止浪費，減少人工成本，有助于提高農業生產的自動化水平。

4 結語

取苗機構是區分全自動移栽機和半自動移栽機的關鍵部件，也是全自動移栽機作業不可或缺的重要工作部件，優良的取苗機構可以提高移栽的準確度和取苗效率。近年來，國內自動化移栽機取苗裝置發展迅速，針對不同穴盤苗研發出不同的取苗機構，主要分為夾取式、插拔式、頂出—夾取結合式等。分析各類取苗機構的特點，發現普遍存在取苗效率低、傷苗率高、適用性低等突出問題。隨著自動取苗技術不斷發展，未來的發展趨勢是傳統農業機械與傳感器定位技術、機器視覺技術結合PLC編程控制等先進技術相互配合，制造機—電—氣一體化的高端智能農機裝備，通過設置合理的時間間隔，優化路徑軌跡，減少卡苗、漏苗現象，提高取苗精度，加快取苗速度，實現精準快速投苗，逐步向智能化、可視化方向發展。

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