旱作移栽钵苗自动取投苗技术研究进展

杜新武，李　灿，李明勇，杨林辉，金　鑫，姬江涛

(河南科技大学，农业装备工程学院，河南 洛阳　471003)

0　引言

农业生产实践表明，营养钵育苗移栽具有对气候补偿和提早作物生长发育等综合作用效果，能减少种子直播产生的出苗率不够及二次补种现象，并提高作物单位产量。同时，移栽育苗能够保证苗齐苗壮，便于实现作物生产全程机械化。我国大部分蔬菜和油菜等种植都以育苗移栽为主，种植面积分别达到1 031和700万hm2，并取得良好经济效益[1]。

目前，我国旱作钵苗移栽机械以人工取苗、机械投苗的半自动移栽机械为主。与手工移栽相比，半自动移栽能够降低劳动者强度，但移栽准确率和作业效率难以大幅度提高，尤其针对东北、新疆等地规模化种植，移栽效率和种植规模的矛盾更为突出，对机械取苗、机械装置的自动移栽技术的研究开发提出了很高要求。为此，本文分析了目前国内外自动取苗、投苗机构的发展状况，指出了旱作移栽钵苗自动取投苗机构存在的差距和发展方向，为进一步开发自动化移栽装备提供参考。

1　国内外自动取投苗研究现状

1.1　国外自动取投苗研究现状

国外发达国家钵苗自动取、投技术发展较早，从20世纪80年代就已经开始了对自动取苗机构的研究。目前，已有钵苗自动取苗装置在实际生产中得到广泛的应用，初步实现了蔬菜、烟草等经济作物移栽过程的全自动化。尽管如此，国外的自动取投苗技术的研究仍是处于发展阶段[2-4]。

1987年，美国奥本大学的L.J.Kutz等[5]以Puma560六自由度机器人为载体，以气缸和并行的夹取爪组成的平行夹持指夹苗机构为末端执行器，设计研发了一种自动取移苗机器人，如图1所示。机器人工作时，末端执行机构通过夹苗爪上的夹苗片来对苗钵施加压力，将钵苗从392孔的育苗盘中取出，并移栽至36孔的生长盘中。实验表明：该移栽机器人在3.3min内能够移栽36株幼苗，且移栽后幼苗成活率达到了96%[6]。

图1　Puma560自动取移苗机器人

1990-1993年，美国伊利诺伊大学的K. C. Ting和Y. Yang等[7]以ADEPT-SCARA工业机器人为平台，利用压缩空气驱动的带力觉传感器的滑动针SNS(Sliding-Needles with Sensor)夹持器为末端执行器，研究开发了一种自动取投苗机器人。该机器人工作时，夹持器垂直接近穴盘中的穴孔位，夹取针下移至幼苗一侧，以斜插方式进入土钵，由机械臂带动将钵苗取出；取苗过程采用视觉传感器来检测钵苗的位置，底部的力传感器来检测加持机构对苗钵施加的夹紧力，以降低夹持器在对钵苗夹持过程中对钵苗造成的损伤[8-9]。

日本对于自动移栽机研究相对较早，移栽机械化程度相对较高。1995年，日本研究开发了PT6000型穴盘苗移栽机器人，主要由苗盘输送机构、拔苗机构、移栽机械手及漏播分选器等组成。该移栽机器人实现了自动识别穴孔内有无缺苗，并通过控制系统实现了机械手移动和穴苗抓取[10]。

2004年，日本的洋马公司研究开发出一种自动化程度较高的移栽机PALA，该移栽机具有取苗、植苗、苗盘输送、栽植深度调节及株距的调节等功能，单行作业，作业效率为40株/min。该移栽机的取苗机构采用的是齿轮-连杆式取苗机构[11]，通过取苗爪的加紧作用来完成对钵苗的取投作业[12-13]。

2001年，韩国的K. H. Ryu等人[14-15]研究开发了一种全自动移栽机，由视觉系统、控制系统和移栽机械手等部分组成。取苗装置工作时，由控制系统通过控制步进电机的转动带动机械手转至由视觉系统所确定的取苗处，然后通过气缸来推动机械手插入穴盘中，由气动卡盘来完成对穴盘苗的夹取、移动和投放，以实现整个取苗过程。对该取苗装置进行室内试验，其取苗成功率为90%。为了进一步提高取苗成功率，K.H.Ryu等人对该取苗装置的末端执行器做了进一步优化，该末端执行器由两个夹角为15°的夹指来完成对钵苗的夹取，同时在每个夹指上各装了一个气缸，以驱动夹指进行伸缩运动来完成对钵苗的夹取。对改进后的取苗装置进行室内取苗试验，结果发现：取苗成功率可达98%，具有明显的改善[16-17]。

美国RAPID Automated Systems公司生产的RTW系列全自动移栽机[18]，如图2(a)所示。其自动取苗机械手具有体积小、多自由度的优点，能够对不同高度钵苗进行移栽。该全自动移栽机以宽辊道输送和气缸推送相结合组成输送系统，实现了4盘秧苗同时移栽，大大提高了移栽速度。该公司生产的RTW-500S2型移栽机取苗机械手，如图2(b)所示。其采用由片状夹指、楔形块及喷水管等组成的片状夹持具，并利用气压驱动方式实现机械手对钵苗的夹取，具有结构简单、可靠性高等优点。

图2　RTW全自动移栽机

荷兰飞梭国际贸易与工程公司研究开发了系列自动化移栽机，如图3所示。其不仅能够进行多穴盘秧苗同时传送及调整末端执行器的数目，还能够通过CCD来对健壮苗及空穴孔进行识别[19]。该公司生产的PIC-O-MatPC-16型自动移栽机能够通过简单编程使操作者输入新的移栽方案，夹持指可以适应多种穴盘规格，能够轻松地集成到新的或现有的生产系统，如图4所示。

澳大利亚的Transplant system公司开发的XT616型茶叶穴盘苗专用移栽机，如图5所示。该移栽机被称为开放式农业机器人的典型，主要体现在通过PLC可编程逻辑控制器来实现对驱动装置的控制，并在具有足够接口的情况下控制足够自由度的机械部分或接收多路传感器检测信号；通过改写控制程序来调整移栽机取苗装置末端执行器的动作幅度；通过在移栽机取苗装置上配备不同型号的末端执行器，来对不同规格的穴盘苗进行取苗作业，大大增加了移栽机对农艺的适应性；将输送平台做成可折叠形式，以节省机器制造成本及减少作业空间[20]。该公司生产的HD系列全自动移栽机可进行4～8行移栽作业，如图6所示。其采用气缸驱动取苗末端执行器直接将钵苗以从苗盘正面扎取的方式来完成取苗动作，此后末端执行器进行翻转同时横移至各导苗管处，将钵苗投至导苗管式栽植器内，以完成对钵苗的移栽[11]。

图3　荷兰飞梭国际贸易与工程公司生产的系列自动化移栽机

图4　PIC-O-Mat PC-16型自动移栽机

图5　XT616型移栽机

图6　HD系列8行全自动移栽机

意大利Urbinati公司设计生产了RW系列无线联动和单植型全自动移栽机，其RW系列移栽机工作过程如图7所示。该系列移栽机采用无线电驱动，直接终端可进行编程，并能够进行自我诊断，大大减少了使用过程中对机器的维护次数，每个取苗机械手作业效率为可移栽1 000株/h[9]。

图7　RW系列移栽机工作过程

1.2　国内自动取苗研究现状

我国从20世纪60年代开始对旱地移栽技术开展研究，但是发展较为缓慢[21]。目前，我国的旱地移栽机械多以半自动为主，全自动移栽机还处于起步研发阶段[22]，并未在实际中得到推广应用。近年来，鉴于人工成本增加及政府为推动农业机械发展采取了一系列优惠政策等原因，各大院校、科研院所和高新企业纷纷展开了对全自动移栽机械的研究。

东北农业大学赵匀等[23]研制了一种能够一次性完成自动取苗、送苗、栽植动作，以变性椭圆齿轮、正圆齿轮和共轭凸轮为传动机构的反转式蔬菜钵苗移栽机构，该机构采用弹簧片夹取式取苗方式通过夹取靠近基质的钵苗茎秆来完成对钵苗的夹取，每行移栽效率可达120株/min。

江苏大学毛罕平等[24]研制了一种门型取苗机构，如图8所示。

1.机架　2.门形导杆　3.曲柄轴　4.凸轮　5.曲柄　6.滚子A 7.拉丝架A　8.门形横梁　9.拉丝　10-1.拉丝架B10-2.推杆　10-3.爪座　10-4.爪销　10-5.夹苗针11.仿形滑槽 　12.滚子B 　13.穴盘 　14.凸轮摆杆　15.凸轮滚子

该取苗机构主要由曲柄门型导杆和凸轮仿形滑槽组成的额轨迹执行机构、取苗爪、苗爪开合凸轮控制机构等部分组成。进行取苗时，由曲柄带动门型导杆做往复摆动，进而带动取苗爪在取苗和投苗点进行往复运动；门形横梁上方的滚子通过在仿形滑槽内的运动来使门形导杆和取苗爪按照一定的轨迹进行运动；曲柄轴和凸轮固结在一起，利用凸轮的特性来通过摆杆带动拉丝和取苗爪内的弹簧来控制推杆做伸缩运动，进而使取苗爪完成取苗、送苗和投苗的动作。

江苏大学毛罕平、胡建平等[25]还选用二针式夹持方式开发了一套机械式取苗系统，该自动移栽机的自动取苗机械手由取苗爪、回转箱驱动机构及槽形凸轮机构组成，以一定的轨迹运动实现从穴盘中取苗和向植苗机构投苗的动作。

北京工业大学高国华[26]等人把自动化穴盘苗移栽机分为夹持机构、控制机构、移栽机支架、横向平移机构、传送装置和间隔调整机构六大模块，以对其进行模块化设计。其中，夹持机构集合了气动技术和自动控制技术来对移栽爪进行了设计，并通过双气缸联动的方式控制取苗爪的移动和取苗、放苗动作，该研究主要是针对温室内穴盘苗的移栽作业。

沈阳农业大学邱立春等[27]对指针加紧式穴盘苗移栽爪进行了研制，该移栽爪主要由驱动气缸、夹持指针、移栽爪安装定位块等组成，工作时采用气缸驱动指针来控制进行钵苗的夹取、移动与钵苗的释放等过程。同时，对穴盘苗的夹持过程进行苗坨与夹持指针受力分析，建立了移栽爪夹持力与指针入土角间的关系模型。

新疆农业大学韩长杰等[28]设计了多组气缸驱动的翻转摆位式取苗机械手，利用扎苗、放苗气缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻转气缸和摆位气缸控制机械手在取苗位和投苗位的姿态变换；通过室内取苗试验得出，系统取喂苗总可靠率达98.92%，平均基质损失质量9.26%，取喂速度达70株/min。

浙江大学蒋焕煜、任烨等[29]研究了基于机器视觉的设施农业移栽机器人，包括视觉系统、控制系统及机器臂等。机器臂由步进电机驱动，气缸驱动末端执行器，并对针式、铲式和锥形3种手指的取苗效果进行了对比试验，认为铲式效果最好。

中国农机院李树君、金鑫[30]等人研制了一种五杆-定轴轮系组合式自动取苗机构，并对该取苗机构进行了运动学及动力学分析，获得了结构参数对机构的影响规律及最佳参数组合。该机构具有良好的取苗效果和动力学性能，且取苗工作效率达到了60～90株/min。

浙江理工大学赵匀、俞高红等[31-32]人采用回转式取苗机械手在行星减速箱内配置非圆齿轮和不完全齿轮，形成插值臂末端特定的运动轨迹，从而完成取苗和向栽植部件投苗的动作。

2　存在的问题

2.1　育苗农艺与移栽机械不配套

我国幅员辽阔，不同地域的光热资源和耕作环境也不相同，与之配套的穴盘规格、移栽苗龄和钵苗尺寸等直接影响机械化移栽的农艺参数差异巨大，导致目前在研的自动取投苗技术装备适应性差，难以大面积推广应用。

2.2　设施农业自动化移栽发展缓慢

温室大棚蔬菜种植经济效益高于露地蔬菜，并且国家鼓励发展设施农业，因此很多蔬菜产区广泛推广大棚蔬菜种植；但是，温室大棚农机作业环境受到很大限制，对自动取投苗机构作业空间和运动轨迹提出严格要求，目前国内对于温室大棚钵苗移栽的自动取投苗技术研究尚未全面开展。

2.3　高速取、投苗机构研究缺乏

国内外旱作移栽钵苗自动取投的研究水平已接近单行90株/min，但对机械手式高速自动取苗技术的研究还有欠缺，尤其单行取苗速率超过90株/min后机构振动造成的作业不稳定及惯性力对取投苗效果的影响均未涉及。

3　结论

国外钵苗移栽自动取投苗技术相对较为成熟可靠，但价格高昂，且国外自动移栽取投苗机构设计时并未考虑中国农业特点，导致大部分国外先进机型难以在国内推广应用。目前，国内自动移栽技术有了较大发展，但多数仍处在理论研究阶段，开发应用还注意以下问题：

1)国内钵苗的育苗规格、机械性能、基质成分等指标尚无国家统一标准，导致即使同一作物的钵苗，差异性也十分明显，而自动取投苗装置对于作业对象一致性要求较高，因此在开展自动取投苗技术研究时，必须考虑配套的育苗农艺要求。

2)进一步融合苗钵力学特性、机构运动学和动力学性能进行多目标复杂非线性优化研究，并将送苗、分苗、取苗、投苗技术综合分析，从以往的运动轨迹研究提升为动力学、损伤力学研究。

3)在发展自动移栽技术的同时，应当引入作业状态监控及智能控制等先进技术，实现智能移栽、精准移栽。