温室智能装备系列之一百二十三国内外植物工厂蔬菜植株移栽智能装备研究进展*

张梅 邹承俊

植物工厂通过人工方式营造一个适合植物生长的最佳环境，将农作物与外界环境隔离，通过多层立体栽培、智慧管控等方式，避免外界环境对植物生长产生干扰，达到确保农作物周年连续生产的目的。植物工厂作为高效农业系统，核心因素包括高精度的LED补光、营养液按需调控和温湿度的恒定管理等。由于上述特点，实际生产中为了提高生产效率，植物工厂大多采用功能分区，每个功能区通过流水作业，订单生产和规模采收提高生产效率。

蔬菜移栽工作原理

植物工厂中的育苗功能区是一个重要的组成部分，该功能区可以规模化、集约化、标准化的供应植物工厂需要的种苗。面向蔬菜生产的植物工厂育苗区要解决标准化种苗的问题，育苗过程中蔬菜移栽是重要的环节，和传统的间苗和疏苗有显著区别，自动化的蔬菜移栽是作物育苗过程中按照控制软件设定的参数，一次或多次的对种苗位置进行摆放。

蔬菜移栽是指将密集育苗方式的种苗根据需要取出，放入一个间距更大的育苗盘，或放入漂浮栽培泡沫板的孔中，通过蔬菜移栽工艺流程，使得种苗植株可以获得更大的生长空間，进一步促进种苗健壮成长，达到种苗长势均一化的目的，提高种苗的商品合格率。

种苗在播种到移栽之间的时间可以分成两个时间段，一是种苗的发芽和生根时间段，二是种苗的加速育壮时间段。这种精细划分时间段做法有利于种子发芽、成本降低，适合植物工厂中使用，原因如下：第一个时间段种子发芽需要精心呵护，环境参数的控制要求更高，集约化播种有利于管理难度的下降，同时采用128穴以上的苗盘，能在尽可能少的空间里放置更多的种苗，显著的节省空间，达到成本降低的目的。第二个时间段根据育苗长势及时调节苗的生长位置，给每个苗足够的生长空间。但这个环节属于劳动密集型作业，采用人工的传统方式显然无法满足这个环节的劳动需求。如何将蔬菜移栽的环节标准化、机械化，借助装备降低劳动强度，是一个必须要解决的问题。

植株移栽智能装备主要是针对分阶段育苗开发的专用装备，通过定位、抓苗、分苗、对准、放苗5个步骤实现育苗植株的精准调节作业。定位是指播种用到的苗盘要到达指定的基准位置，无论是以行、以盘或者每次多盘为单位进行作业，不同规格的苗盘在基准位置都满足苗盘没有偏移量，连续作业上千小时后，系统误差不会累计，定位要在上万次的苗盘输送之后依然能非常准确;抓苗是指在定位完成之后，机械手下降要能准确到达种苗的根部，机械手被驱动抓苗动作，能稳定地抓住秧苗从育苗盘中取出。传统基质育苗要确保机械手的冲击力不会损坏种苗的根和基质块，水培育苗要确保直接抓苗不会损坏苗;分苗是指成组的机械手抓住种苗后，各个机械手相对运动分离，间距增大，并准确达到指定位置，使每一个机械手的位置对准一个新的穴孔，且没有误差;放苗是指机械手对准穴孔后下降，并准确地把苗放入新的穴孔中央，避免苗被放歪或者放倒。通过农机和农艺结合的方式，能实现植株移栽智能装备的高效作业，为移栽工艺提供装备支撑。

国外植株移栽智能装备研究现状

工程机理研究

国外植株移栽智能装备研究重视装备的工程机理分析，这对于推动全自动植株移栽智能装备在设施园艺发达的国家得到广泛应用发挥重要作用。这些基础研究为温室移栽装备持续发展提供了理论指导，包括通过测试方法来分析不同取苗爪进行穴盘苗移栽的工作能力和适应性等。近年来，国外的温室植株移栽智能装备研究围绕智能化方向发展，主要是移栽机器人成套技术。

移栽和嫁接一体化研究

移栽和嫁接同时进行，实现一体化的复合作业，这是该领域装备发展的另一个新的发展趋势。嫁接技术的工艺流程可以和移栽工艺合并。嫁接是移栽配套的一项重要技术，高速和精准的嫁接流水线系统是研究的热点，目前欧洲有多家企业生产嫁接作业生产线产品，如意大利Techmek公司和Mosa公司等。荷兰Visser公司生产出了自动化装备较完善的蔬菜岩棉块种苗生产线产品，并在蔬菜育苗企业生产中大规模应用。这些蔬菜岩棉块种苗生产线属于大型集成装备，部分工位作业高度超过2 m，生产线宽度在1.5 m以上，长度可达30 m。

移栽配套技术装备研究

移栽配套装备还包括专用搬运车等。移栽用苗和完成移栽的种苗均采用搬运车运输。丹麦 Container Centralen 公司专门生产穴盘搬运车。

国内植株移栽智能装备研究现状

国外温室全自动移栽装备存在结构复杂，价格昂贵，使用维护困难等缺陷，而且与中国的育苗技术及其他移栽辅助作业不配套，从而降低了种苗成功率和效率。因此，针对中国的国情开发植株移栽智能装备非常必要。

移栽系统研究

近年来，国内学者积极开展移栽技术装备研究，在关键技术上有一些突破，报道了一些新成果。综合有关报道，目前存在的问题是所研制的移栽机工作效率偏低，作业效率的范围为500～800株/h，主要问题是移栽成功率低，关键指标苗钵崩坏率达到10%左右。因此需要进一步开展温室穴盘苗移栽针对性研究，推动穴盘育苗产业快速高效和可持续发展，提高设施园艺机械化水平。

移栽机器人研究

国内开发了一种结合自动化输送装置的并联移栽机器人，具有刚度大、精度高且累积误差小的特点。将128孔穴盘黄瓜苗移栽至72孔穴盘中且移栽加速度高于20 mm/s时，仍能保证较好的移栽精度。江苏大学孙梦涛研制出了一款新型的空间三自由度并联移栽机器人，移栽效率为1865株/h，移栽成功率在95.3%。江苏大学还设计了一种轻简型自动移栽机，利用成熟的直线模组和无杆气缸组合设计出自动移栽机械臂，移栽效率分别达到1221株/h和1025株/h，多种穴盘苗移栽成功率平均达到90.70%，苗钵夹取破碎率低于5%，自动取苗移栽效果较好。

移栽和选苗一体化研究

移栽的工艺流程和选苗的工艺结合起来，实现一体化复合作业。移栽作业过程中，同时完成穴盘苗筛选。首先对苗的质量在线进行识别后，自动化地完成种苗的剔补，在经过上述2个环节后，直接进行移栽，3个环节由一套装备一次性完成。国内研发的一种集图像在线识别和处理、穴盘运输、穴盘苗剔补移栽于一体的多功能全自动移栽机，该机配备的图像识别系统可识别穴盘幼苗优劣并进行剔补移栽，平均苗株生产效率可达到1098.2株/h，平均苗盘生产效率可达89.2盘/h。温室多叶钵苗健康识别与移栽路径优化方面，浙江理工大学开发了一种能实现倾斜穴盘校正和幼苗健康评估的算法及移栽路径优化方法，研究905个稀疏穴盘和密集穴盘的样本，可缩短移栽路径16.5%以上。

植物工厂移栽智能装备的思考

植物工厂的移栽技术装备在近二十年中得到了迅猛的发展，国内在该领域的某些关键技术居于领先地位。但是，该领域在中国从植物工厂开始应用，也就是三十年的时间，相比传统的大田作业机械，还属于新兴的装备技术，存在诸多发展问题：

装备的工程机理研究还不深入。移栽技术装备需要和穴盘精确地对准，误差的累计、系统的震动、穴盘的倾斜、种苗的倒伏等问题都会引发机器毁苗的问题，由于高速运动和大规模作业，装备发生一次故障就会引发大批的种苗被毁坏，同时还导致整个流水线停工，耽误育苗作业整体进度。这些问题都需要植株移栽智能装备工程机理的深入探究，提高装备的适应性、达到标准化、普适化和规模化的技术要求。

整排高速嫁接和移栽一体化研究有待完善。高速嫁接的技术难点是种苗长势差异和高速切接种苗之间的矛盾。这一问题的解决可以通过农艺和结构两个路子分别解决，农艺方面通过加强水肥等田间管理实现种苗长势的整齐均一，减少由于种苗生长因素导致的种苗损失;结构方面可以通过增设扶苗的装置，将种苗限定在一个相对固定的区域，满足高速整排调节同时嫁接的复合操作的生产需求。

移栽智能机器人的规模化应用条件还不成熟。株调节智能机器人的规模化应用需要具备的一些条件还很欠缺：针对植物工厂的机器人的视觉及光谱等关键传感器研究不深入，稳定性有待提高;机器人的成本还偏高，农业生产中存在用不起的问题，亟待降低机器人系统的成本，使之与农业生产匹配;机器人操控人才还很欠缺，具备一定知识结构，热爱植物工厂的年轻人需要进行培养，形成完整的人才梯队;移栽智能机器人售后维护成本还偏高，生产中不能及时解决出现的故障和问题，影響后续的生产。

植物工厂发展建议

植物工厂是个快速发展的新兴领域，该领域的植株移栽智能装备的研究和产业化应发挥“产学研”一体化模式的优势，调动更多资源构建产业生态圈，促进该领域装备技术的可持续发展。

引入更多的企业参与到技术创新。企业在技术消化和市场推广上应成为主体，通过大规模的技术应用促进该领域的相关装备产品的加速熟化;企业在利用技术优势开拓市场，获取利润后，有动力、有资金继续开展的相关的技术创新，推进产业生态链条的构建。

在国家层面推进都市农业研究。技术的原始创新应依托学科的发展，通过学科带动研究的深入，通过研究的创新带动产品的迭代，通过产品的完善促成整个产业的完整。科技计划应重点布局都市农业领域的重点任务，推进该领域系统化、深入化和产业化的发展，最终形成合力，共同构建植物工厂全程机械化体系的完善。

总的来说，植物工厂相关装备的研究建立在栽培模式科学化、设施结构产业化、创新人才团队化的前提下，在信息大发展的时代浪潮中，植物工厂全程机械化是一个必然的趋势，这一领域的发展将会对中国的现代农业产生深远的影响，必将使得中国成为该领域全球的领先者和引导者。

*项目支持：成都地方财政专项资金项目NASC2020KR05。

[引用信息]张梅，邹承俊.温室智能装备系列之一百二十三国内外植物工厂蔬菜植株移栽智能装备研究进展[J].农业工程技术，2020，40（25）：47-49.