子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器設計與試驗

梁喜鳳，肖璽澤，朱宇豪，王永維※，武傳宇

（1. 浙江理工大學機械與自動控制學院，杭州 310018；2. 浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，杭州 310058；3. 中國計量大學機電工程學院，杭州 310018）

0 引 言

中國是世界最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國，2015年全國蔬菜播種面積21 999.67×103hm2[1]，占世界蔬菜播種面積的43%[2]。但蔬菜產(chǎn)業(yè)是一項勞動密集型產(chǎn)業(yè)，我國蔬菜生產(chǎn)綜合機械化水平約為20%[3-4]，且機械化作業(yè)主要集中在耕整地和田間管理環(huán)節(jié)，種植、收獲等作業(yè)環(huán)節(jié)的機械化率極低，嚴重制約著蔬菜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。由于蔬菜育苗移栽的種植方式可充分利用光熱資源、提高產(chǎn)量等優(yōu)勢，是當前蔬菜生產(chǎn)的主要種植方式，全球大約60%的蔬菜品種采用育苗移栽[5]。目前，法國、德國、荷蘭、西班牙、意大利和丹麥等國多數(shù)蔬菜生產(chǎn)實現(xiàn)了全自動移栽[6-7]，國內(nèi)研發(fā)和應用的旱地移栽機主要有鉗夾式[8-9]、撓性圓盤式栽植器[10-11]、導苗管式[12-13]、吊杯式[14-15]、連桿式[16]等半自動移栽機，栽植性能良好，由于受到人工送苗速度的限制，單行移栽頻率小于40株/min[17]，作業(yè)效率低，中國蔬菜種植對高速、全自動移栽機的需求十分迫切。但全自動移栽需要供給健壯、無空穴的秧苗才能保證移栽質(zhì)量。如果采用符合國家標準要求發(fā)芽率高于 85%[18]的蔬菜種子進行精量播種育苗，使用達到國家標準規(guī)定栽植合格率大于 90%的全自動移栽機進行移栽[19]，移栽定植后田間有效苗也可能低于 80%，顯然穴盤缺苗是影響全自動移栽質(zhì)量的主要因素之一。

為了減少由于種子質(zhì)量、基質(zhì)環(huán)境等引起穴盤出現(xiàn)無苗空穴而影響移栽作業(yè)質(zhì)量，須在移栽過程或育苗階段對穴盤無苗穴孔進行補苗。移栽過程中補苗多是通過缺苗檢測系統(tǒng)檢測到穴盤的無苗空穴，再通過控制系統(tǒng)控制補苗裝置進行補苗，主要研究如Tai等[20]開發(fā)了一種機器視覺移缽系統(tǒng)，檢測空穴孔的準確率達95%；金鑫[21]開發(fā)的自動識別取苗系統(tǒng)通過對幼苗莖桿進行識別，判斷穴盤穴格有無苗；蔣煥煜等[22]開發(fā)了穴盤缽苗健康狀態(tài)信息檢測，利用機器視覺技術獲取穴盤缽苗的健康信息等；劉姣娣等[23]開發(fā)了自動補苗裝置并通過PID控制實現(xiàn)了大田移栽時缺苗的補苗；賀磊盈[24]、童俊華等[25]針對溫室內(nèi)缽苗從高密度到低密度穴盤稀植移栽進行了利用貪心遺傳算法優(yōu)化穴盤苗移栽路徑研究，但現(xiàn)有研究成果主要集中在基于視覺成像的成苗檢測與識別，對枝葉茂盛的成苗檢測成功率會降低，自動移栽過程增加補苗系統(tǒng)也會增加移栽機的復雜性。如果在育苗早期或中期對穴盤空穴補苗，可以在苗床上批量、集中、高效地開展補苗工作，特別是子葉期幼苗枝葉相互無遮擋，圖像識別成功率高，補苗部件不損傷周圍的幼苗，不影響成苗后根坨與穴孔壁粘附力，將為全自動移栽提供無空穴、長勢整齊、健康的缽體苗，提高自動移栽的作業(yè)質(zhì)量。但子葉期幼苗莖葉細小、脆嫩，根系尚未與基質(zhì)形成相對結(jié)實的根坨，取苗時幼苗易受到損傷、培養(yǎng)基質(zhì)易松散，而現(xiàn)有移栽機的取苗機構(gòu)如頂出式[26]、頂出夾取式[27]、夾取式[28-29]、四針鉗夾式[30]、兩針鉗夾式[31-32]等，均是針對成苗取苗開發(fā)的，適用于根系發(fā)達已形成結(jié)實根坨的缽體苗取苗，對于子葉期穴盤苗采用上述方式直接取苗會使根坨潰碎，無法完整無損地取出松散的子葉期缽體苗或無苗基質(zhì)。因此，完整無損地取出子葉期缽苗是育苗早期補苗的關鍵技術難題之一。

為了實現(xiàn)將子葉期缽體苗或無苗基質(zhì)完整取出并為補苗機械手提供性能優(yōu)良的末端執(zhí)行器，本文設計并試制了包裹式子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器及試驗臺，試驗研究了補苗末端執(zhí)行器取出不同基質(zhì)配比、不同含水率和不同苗齡缽體幼苗時的取苗性能，以及基質(zhì)配比與含水率、苗齡對取苗性能的影響，確定較佳的取苗參數(shù)，為育苗階段子葉期補苗系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎。

1 子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器設計

為了能夠?qū)⒆尤~期缽體苗完整無損地取出，針對子葉期缽體苗植株脆嫩、根系不發(fā)達、根坨松散易碎等特點，設計了子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)形機架與底臺固定組成E字形結(jié)構(gòu)，滾珠絲桿機構(gòu)的絲桿通過軸承安裝在底臺和機架上，X形壓桿中心與絲桿螺母固定并可沿垂直導軌升降，底臺 4個均布的傾斜面安裝傾斜導軌，4只苗鏟固定在傾斜導軌的滑塊上，苗鏟通過X形壓桿推壓固定在苗鏟上的導向板和滑輪完成運動方向的改變并上下移動，4只苗鏟同步傾斜向下運動時逐漸形成接近封閉的包裹式梯臺結(jié)構(gòu),能夠伸入穴孔內(nèi)將子葉期缽體苗四周包圍后取出；苗鏟向上運動時逐漸橫向擴大，直到4只苗鏟底部與穴孔4個角重合，完成補苗[33]。

圖1 子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

1.1 補苗方法

子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器取苗、補苗方法如圖2所示，具體過程如下：

1）取苗初始時，子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器在備用苗正上方，4只苗鏟在上極限位置；

2）末端執(zhí)行器整體垂直下降到備用苗穴孔上方，4只苗鏟下邊緣與穴孔4個角相對,此時子葉期植株地上部分位于底臺下方空間且不受壓；

3）控制步進電動機正轉(zhuǎn)，滾珠絲桿機構(gòu)帶動X形壓桿向下運動，X形壓桿的 4支傾斜桿壓向?qū)虬迳系幕?，導向板帶動苗鏟沿傾斜導軌向下運動，4只苗鏟插入穴孔基質(zhì)中并在最大深度處形成四周接近封閉的包裹式結(jié)構(gòu)，待取缽體苗的外側(cè)便被4只苗鏟包裹；

4）子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器整體垂直上移，取出待取缽體苗；然后平移至待補苗穴盤的穴孔正上方；

5）子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器垂直下降，直到 4只苗鏟到達補苗穴孔最深處；

6）控制步進電動機反轉(zhuǎn)，X形壓桿、苗鏟做相反的運動，以傾斜導軌下端作為擋土板反推缽體苗，4只苗鏟傾斜上升，苗鏟退出待補苗穴孔，完成備用苗釋放至目標穴孔的補苗過程；

7）子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器上升，完成1次取出備用苗并補入目標穴孔的動作。

從目標穴盤取出無苗穴孔中的基質(zhì)過程同上述1）～3），然后將子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器平移到預定位置，控制步進電動機反轉(zhuǎn)工作，去除被取出的無苗基質(zhì)，為補苗穴孔清空原始的基質(zhì)。

1.2 結(jié)構(gòu)設計

缽體苗補苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)要依據(jù)育苗采用的穴盤穴孔形狀與尺寸以及取苗要求進行設計?，F(xiàn)有育苗穴盤的穴孔形狀多為梯臺形，圖 3為苗鏟插入穴孔缽體苗后苗鏟與穴孔壁的位置關系。取苗要求：1）不得損傷植株地上部分；2）盡量多取出基質(zhì)，保持根坨形狀以避免對根系的損傷。為了能夠完整無損地取出子葉期缽體苗，采用分別與穴孔4個傾斜壁面平行的4塊平板插入基質(zhì)中，形成包裹式結(jié)構(gòu)將根坨側(cè)面包圍，平板在插入、拔出根坨過程中其垂直面不對基質(zhì)形成擠壓，從而防止了對根坨的破壞和根系的損傷。由預試驗知，穴孔中根坨的 4角最易破裂，不易取出，同時考慮提高苗鏟的剛度，苗鏟設計為角形結(jié)構(gòu)，兩角面寬約為穴孔傾斜臺面的 50%，分別與穴孔兩傾斜面平行；為了防止損傷脆嫩的植株莖葉，底臺與穴孔上口平面的距離大于子葉期后期植株高度。由圖 3知，補苗機械手末端執(zhí)行器的幾何約速條件為式（1）

式中M為苗鏟頂部半角面寬，mm；N為苗鏟底部半角面寬，mm；H為苗鏟在穴孔壁面插入長度，mm；h為穴孔深度，mm；L為苗鏟插入穴孔時底臺下表面與穴孔上口平面的距離，mm；m為穴孔上口內(nèi)部尺寸，mm；n為穴孔底部內(nèi)部尺寸，mm；l為子葉后期幼苗高，mm；α為穴孔縱向?qū)ΨQ面半錐角，（°）。

圖2 子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器取苗補苗過程Fig.2 Process of seedling picking and supplementing of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

圖3 苗鏟插入缽體后苗鏟與穴孔壁位置關系Fig.3 Position relationship while seedling shovels inserting into the pot hole

式中τ為泥炭土抗剪強度，Pa；c為泥炭土粘聚力，Pa；k為泥炭土內(nèi)摩擦系數(shù)；σ為正應力，Pa。

苗鏟插入缽苗是苗鏟剪切穴孔中基質(zhì)的過程，可按式（3）計算

式中F為苗鏟插入缽苗的阻力，N；S為苗鏟面積，m2。

因苗鏟插入缽苗時在垂直于苗鏟壁無正壓力，苗鏟插入缽苗的阻力主要由基質(zhì)黏聚力引起，根據(jù)泥炭土剪切試驗結(jié)果取粘聚力c=3.4 MPa[34]，依據(jù)4個苗鏟實際插入缽體苗的最大面積計算，苗鏟插入缽苗阻力為8.54 N，并依此力計算配置滾珠絲桿機構(gòu)、步進電動機等，集成

常用 72孔穴標準穴盤的穴孔規(guī)格尺寸為上口徑38 mm × 38 mm，底部 19 mm × 19 mm，深 45 mm。根據(jù)式（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件，同時考慮補苗機械手末端執(zhí)行器移動時的精度，按苗鏟外壁面與穴孔保持1 mm的間隙計算結(jié)構(gòu)參數(shù)并圓整得 M=16.5 mm、N=8.0 mm、H=40.0 mm、L=60.0 mm、α=12°，為降低苗鏟插入基質(zhì)時的阻力，苗鏟下緣為弧形并加工成銳邊。

苗鏟插入缽體苗時的阻力為苗鏟剪切基質(zhì)的剪切力，從穴孔中取出苗時阻力只有苗鏟外壁與基質(zhì)的摩擦力，補苗至已取出無苗基質(zhì)穴孔后苗鏟收縮時，阻力主要是苗鏟內(nèi)外壁面與基質(zhì)的摩擦力，可見苗鏟插入穴孔時阻力最大。育苗時基質(zhì)主要成份為泥炭土，而泥炭土抗剪強度符合摩爾破壞理論并按式（2）計算[34]：了子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所選缽苗為浙雜 809番茄苗，育苗穴盤為標準蔬菜育苗72孔穴穴盤。育苗基質(zhì)采用德國維特泥炭、蛭石和珍珠巖，按照不同基質(zhì)成分體積比配置。穴盤苗于2016年3月25日在浙江大學農(nóng)業(yè)試驗站玻璃溫室內(nèi)播種培育，采用噴淋式灌溉。

為了對子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器的性能進行試驗，試制了能夠升降、平移的二維運動工作平臺，并與子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器組成補苗試驗臺，如圖 4所示。試驗臺控制系統(tǒng)由計算機、控制軟件、單片機以及步進電機驅(qū)動器等組成，如圖 4a，計算機通過控制軟件輸入命令至單片機，單片機發(fā)出控制信號控制各步進電機工作，從而完成子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器升降、平移、取苗、放苗等動作。

圖4 子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器補苗控制系統(tǒng)與試驗臺Fig.4 Control system and test-platform of seedling supplementing of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

2.2 試驗方案

子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器主要功能是在蔬菜缽體苗育苗子葉期將穴盤穴孔中無苗的基質(zhì)取出，將備用的同齡苗及其培育基質(zhì)整體移入待補苗的穴孔中，為全自動機械化移栽提供無空穴盤苗。取苗過程中，子葉期幼苗與基質(zhì)構(gòu)成的缽體苗的機械力學特性直接影響子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器的性能，因此需在不同缽苗性狀時試驗研究子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器性能以及缽苗特性如基質(zhì)組成與含水率、苗齡等對子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器性能的影響。

2.2.1 試驗評價指標

取苗時保持子葉期缽體苗完整性的重要指標是取苗過程中基質(zhì)散落比例，但目前尚無相關評價指標。為了客觀評價子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器的取苗、補苗性能，以穴孔基質(zhì)取凈率、無苗基質(zhì)取出成功率、缽苗取苗成功率和補苗成功率作為主要評價指標，并作如下定義：子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器為包裹式結(jié)構(gòu)，損失的基質(zhì)主要是取苗鏟外側(cè)與穴孔間的基質(zhì)、穴孔底部未取出基質(zhì)和取苗后移動過程中從 4個苗鏟間漏出的基質(zhì)，定義基質(zhì)取凈率為子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器由子葉期備用苗穴孔取出后缽苗的質(zhì)量占取苗前缽體苗總質(zhì)量的百分比

式中P為基質(zhì)取凈率，%；ma為取出前缽苗的總質(zhì)量，g；mb為取出后缽苗的質(zhì)量，g。

缽苗取出成功與否和整體取出基質(zhì)量密切相關，由于子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器苗鏟與穴孔四周有一定的間隙，使無苗待補苗穴孔、備用苗穴孔在取苗時苗鏟外側(cè)的基質(zhì)均未取出，這部分基質(zhì)不影響補苗質(zhì)量；另外，子葉期幼苗較小且十分細弱，根系主要分布于缽苗的中上部，試驗時未取出基質(zhì)集中在穴孔底部以及苗鏟外側(cè)的穴孔壁上，同時參考缽體散落試驗結(jié)果番茄成苗缽體跌落后基持損失22.73%仍保持形狀[35]，因此，子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出缽苗、無苗基質(zhì)時基質(zhì)取凈率大于 75%時判為取苗成功，并以此標準定義取苗成功率為子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出缽苗時基質(zhì)取凈率大于 75%穴孔數(shù)占取缽苗穴孔總數(shù)的百分比

式中ks為取苗成功率，%；Xss為取缽苗時取凈率大于75%穴孔數(shù)；Xst為取缽苗穴孔總數(shù)。

定義無苗基質(zhì)取出成功率為子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出無苗基質(zhì)時基質(zhì)取凈率大于75%穴孔數(shù)占取空穴穴孔總數(shù)的百分比

式中kn為無苗基質(zhì)取出成功率，%；Xns為取出空穴基質(zhì)時基質(zhì)取凈率大于75%的穴孔數(shù)；Xnt為取空穴穴孔總數(shù)。

備用穴盤苗由穴孔中取出并移動、補入目標穴孔的過程中缽苗的基質(zhì)均可能發(fā)生損失，將備用缽苗補入目標穴孔后的質(zhì)量占取出前缽苗總質(zhì)量的百分比定義為基質(zhì)保持率

式中λ為基質(zhì)保持率，%；mc為補入目標穴孔后缽體苗的質(zhì)量，g。

參考番茄成苗缽體跌落后基持損失22.73%仍保持形狀[35]，定義補苗成功率為子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器將缽苗取出、移動并補入目標穴孔后缽苗基質(zhì)保持率大于75%穴孔數(shù)占總補苗穴孔數(shù)的百分比

式中kb為補苗成功率，%；Xbs為補苗后基質(zhì)保持率大于75%的穴孔數(shù)；Xbt為補苗總穴孔數(shù)。

2.2.2 試驗因素與水平

影響子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器的取苗性能主要因素為缽苗自身物理機械特性，而基質(zhì)配比、含水率和幼苗苗齡通過影響基質(zhì)孔隙性、彈塑性、幼苗根系與基質(zhì)結(jié)合狀態(tài)而影響缽體苗自身物理機械特性。因此，選擇基質(zhì)配比、基質(zhì)含水率和幼苗苗齡為試驗因素。

1）基質(zhì)配比?；|(zhì)配比直接影響基質(zhì)孔隙性、彈塑性、密度，從而影響缽體苗的彈性、塑性，依照標準NY/T 2118-2012的蔬菜育苗基質(zhì)要求，育苗基質(zhì)是泥炭、蛭石、珍珠巖的混合物，參考適宜番茄育苗常見的基質(zhì)配比[35-37]，泥炭、蛭石、珍珠巖的體積比為配比1（2∶2∶1）、配比2（6∶3∶1）、配比3（7∶2∶1），因此選以上3個配比并作為3個水平。

2）基質(zhì)含水率?；|(zhì)含水率影響基質(zhì)的粘結(jié)力和幼苗生長發(fā)育，由于含水率過低缽苗易干枯死亡，長時間的飽和含水率也不利于幼苗生長發(fā)育，取苗時缽苗基質(zhì)含水率應在適宜的范圍內(nèi)。相關研究缽苗力學特性時基質(zhì)含水率在60%～90%之間[33-34]，因缽苗基質(zhì)含水率難以精確控制和提前預知，所以通過控制灌溉后間隔的時間進行取苗試驗，以取苗時實測基質(zhì)含水率為準，對每種基質(zhì)配比的缽苗分別測定基質(zhì)含水率 3次并取平均值，選取3個平均含水率水平。

3）苗齡。缽苗是幼苗根系與基質(zhì)纏繞形成的基 質(zhì)-根系復合體，而缽苗根系生長情況與幼苗苗齡密切相關。由于子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器的補苗在子葉期進行，試驗用番茄苗在苗齡16 d時進入子葉期，苗齡 26 d時為子葉期未2葉期初，故分別取16、21、26 d為3個苗齡水平。

綜上確定試驗因素與水平如表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

2.2.3 試驗方法

為了研究子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器取出不同性狀缽體苗的取凈率，同時獲得缽體苗的基質(zhì)配比、含水率、苗齡對取凈率的影響，按表 1進行三因素三水平的L934正交試驗，共9次試驗，每次試驗重復取苗24株，測定基質(zhì)取凈率，取平均值。

基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率測定方法：對子葉期蔬菜缽苗補苗末端執(zhí)行器取出缽苗的整體質(zhì)量、殘留在培養(yǎng)穴孔中基質(zhì)質(zhì)量、補入目標穴孔中缽苗質(zhì)量分別利用MW-6000C電子天平（精度：0.01 g）稱量，并分別按式（4）、式（7）計算基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率。

基質(zhì)含水率測定：對每種基質(zhì)配比的缽苗隨機取 3株，采用干濕質(zhì)量法測量分別測定基質(zhì)含水率，平均值。

試驗時，通過計算機設定子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器苗鏟插入、退出缽體苗的速度為30 mm/s；同時設定子葉期缽苗補苗末端執(zhí)行器整體升降速度為720 mm/s、平移速度800 mm/s。因末端執(zhí)行器整體升降、平移時苗鏟與缽體苗無相對運動，且實際補苗時未端執(zhí)行器安裝在機械手上因路徑不同而移動速度也不同，所以末端執(zhí)行器升降、平移速度未進行測試；而苗鏟插入、退出缽體苗時對缽體苗直接接觸且影響缽體苗的完整性，故對苗鏟插入、退出缽體苗時速度進行采用speedtro-50激光測距測速儀（精度：±1 mm/s）測定，測取10次取苗時苗鏟插入、退出缽體苗時的苗鏟速度，并分別計算平均值。

以基質(zhì)取凈率試驗結(jié)果為基礎，選擇最適宜子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器子葉期取苗的缽體苗條件進行取苗試驗，測定基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率并統(tǒng)計計算無苗基質(zhì)取出成功率、取苗成功率、補苗成功率。

3 結(jié)果與分析

試驗于2016年4月10日至20日在浙江大學進行，為了能夠定量測定取苗前后缽苗的質(zhì)量，待補穴孔采用空穴，取苗、補苗試驗過程如圖5。實測取苗時苗鏟插入與退出缽體苗時的苗鏟平均速度分別為29.85、31.12 m/s。

圖5 子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器補苗過程Fig.5 Process of seedling supplementing of the pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

3.1 缽苗性狀對取凈率的影響

按照 L934正交試驗表，不同基質(zhì)配比、含水率和苗齡組合時的進行9次試驗結(jié)果如表2。由表2可知，在基質(zhì)配比（6∶3∶1）、基質(zhì)含水率67.1%、苗齡21 d時平均基質(zhì)取凈率為71.52%，主要是由于基質(zhì)中蛭石含量高同時含水率低導致基質(zhì)粘結(jié)性差引起的，隨著基質(zhì)含水率升高，平均基質(zhì)取凈率明顯升高并大于 75%；其余試驗條件下子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器對穴孔基質(zhì)的平均基質(zhì)取凈率基本大于 75%，取出后缽體苗保持完整，滿足子葉期無苗基質(zhì)和備用缽缽苗取出的要求，且基質(zhì)配比（2∶2∶1）、基質(zhì)含水率79.2%、苗齡26 d時平均基質(zhì)取凈率最高，為89.45%?？梢?，在常見的基質(zhì)配比、適宜幼苗生長的基質(zhì)含水率條件下子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器對苗齡16～26 d的番茄穴盤苗基本均能完整、無損地取出。

表2 正交試驗結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

對表2數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果如表3，基質(zhì)配比和苗齡對取凈率的影響均為顯著（P<0.05），含水率對取凈率的影響為不顯著（P>0.05）。

表3 取凈率方差分析Table 3 Variance analysis of net rate

對表2數(shù)據(jù)進行極差分析，結(jié)果如圖6。極差最大的為苗齡，其值為8.3%，其在子葉期苗齡越大幼苗根系越發(fā)達，有利于提高取凈率。其次是基質(zhì)配比，其值為7.6%，采用水平1（2∶2∶1），可有效提高取凈率；極差最小的因素為含水率，基質(zhì)含水率為74.1%左右時，缽體粘結(jié)力和可塑性最好。根據(jù)以上 L934正交試驗分析可得，使取凈率最大的較優(yōu)組合為C3A1B2，即苗齡為26 d、基質(zhì)配比2∶2∶1、含水率74.1%，此時移植后缽苗能夠較完整的保持其形狀和體積，適于機械化補苗作業(yè)。

圖6 指標因素圖Fig.6 Index factors

3.2 缽苗取出、補苗成功率試驗結(jié)果與分析

選取基質(zhì)配比2∶2∶1、苗齡26 d的子葉期未6盤番茄幼苗，共 432穴，進行取出無苗基質(zhì)和取苗、投苗試驗，結(jié)果如表4。取苗后測定平均基質(zhì)含水率為75.5%。由表 4知，子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器的無苗基質(zhì)取出成功率、取苗成功率、補苗成功率均達100%，能夠?qū)崿F(xiàn)對植株脆嫩、根坨易松散的子葉期缽體苗整體取出并完整補入目標穴孔，取苗、補苗性能良好。

表4 取苗-補苗試驗結(jié)果Table 4 Test results of seedling taking and supplementing

4 結(jié) 論

1）設計了一種用于育苗過程中對穴盤無幼苗穴孔在子葉期進行補苗的子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器，在取出穴孔中無苗基質(zhì)或備用缽體苗時，4只苗鏟同步沿穴孔壁插入無苗基質(zhì)或備用缽體苗中，對根坨四周形成接近包裹式結(jié)構(gòu)并整體取出缽體苗，移至目標穴孔后收回苗鏟將備用苗移入待補苗穴孔，實現(xiàn)了對植株柔嫩、根系不發(fā)達、根坨易松散的子葉期缽體苗整體取苗并補入目標穴孔。

2）幼苗苗齡、基質(zhì)配比對子葉期缽體苗補苗末端執(zhí)行器取出無苗基質(zhì)或子葉期缽體苗的取凈率影響顯著，在子葉期隨著苗齡的增長，取凈率逐漸增大，子葉期未、2真葉期補取凈率最高為 89.45%；育苗基質(zhì)中泥炭、蛭石、珍珠巖配比為 2∶2∶1時取凈率較高；基質(zhì)含水率在67.1%～79.2%時對基質(zhì)取凈率影響不顯著，但基質(zhì)含水率74.1%時，缽體粘結(jié)力和可塑性好，取凈率較高；取凈率最大的較優(yōu)組合苗齡為26 d、基質(zhì)配比2∶2∶1、基質(zhì)含水率74.1%，此時補苗缽苗能夠完整地保持其形狀和體積。對常見的基質(zhì)配比、基質(zhì)含水率67.1%～79.2%、苗齡16-26 d的番茄穴盤苗子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器基本均能完整、無損地取出。

3）對子葉期26 d番茄缽體苗，基質(zhì)配比2∶2∶1、基質(zhì)含水率75.5%，子葉期蔬菜缽體苗補苗末端執(zhí)行器的取出無苗基質(zhì)成功率、取苗成功率、補苗成功率均為100%，補苗成功率為100%。

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