旱作移栽缽苗自動(dòng)取投苗技術(shù)研究進(jìn)展

杜新武，李　燦，李明勇，楊林輝，金　鑫，姬江濤

(河南科技大學(xué)，農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽　471003)

0　引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐表明，營養(yǎng)缽育苗移栽具有對(duì)氣候補(bǔ)償和提早作物生長發(fā)育等綜合作用效果，能減少種子直播產(chǎn)生的出苗率不夠及二次補(bǔ)種現(xiàn)象，并提高作物單位產(chǎn)量。同時(shí)，移栽育苗能夠保證苗齊苗壯，便于實(shí)現(xiàn)作物生產(chǎn)全程機(jī)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(dá)到1 031和700萬hm2，并取得良好經(jīng)濟(jì)效益[1]。

目前，我國旱作缽苗移栽機(jī)械以人工取苗、機(jī)械投苗的半自動(dòng)移栽機(jī)械為主。與手工移栽相比，半自動(dòng)移栽能夠降低勞動(dòng)者強(qiáng)度，但移栽準(zhǔn)確率和作業(yè)效率難以大幅度提高，尤其針對(duì)東北、新疆等地規(guī)?；N植，移栽效率和種植規(guī)模的矛盾更為突出，對(duì)機(jī)械取苗、機(jī)械裝置的自動(dòng)移栽技術(shù)的研究開發(fā)提出了很高要求。為此，本文分析了目前國內(nèi)外自動(dòng)取苗、投苗機(jī)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r，指出了旱作移栽缽苗自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)存在的差距和發(fā)展方向，為進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)化移栽裝備提供參考。

1　國內(nèi)外自動(dòng)取投苗研究現(xiàn)狀

1.1　國外自動(dòng)取投苗研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家缽苗自動(dòng)取、投技術(shù)發(fā)展較早，從20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始了對(duì)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的研究。目前，已有缽苗自動(dòng)取苗裝置在實(shí)際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，初步實(shí)現(xiàn)了蔬菜、煙草等經(jīng)濟(jì)作物移栽過程的全自動(dòng)化。盡管如此，國外的自動(dòng)取投苗技術(shù)的研究仍是處于發(fā)展階段[2-4]。

1987年，美國奧本大學(xué)的L.J.Kutz等[5]以Puma560六自由度機(jī)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(jī)構(gòu)為末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種自動(dòng)取移苗機(jī)器人，如圖1所示。機(jī)器人工作時(shí)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過夾苗爪上的夾苗片來對(duì)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(shí)驗(yàn)表明：該移栽機(jī)器人在3.3min內(nèi)能夠移栽36株幼苗，且移栽后幼苗成活率達(dá)到了96%[6]。

圖1　Puma560自動(dòng)取移苗機(jī)器人

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

日本對(duì)于自動(dòng)移栽機(jī)研究相對(duì)較早，移栽機(jī)械化程度相對(duì)較高。1995年，日本研究開發(fā)了PT6000型穴盤苗移栽機(jī)器人，主要由苗盤輸送機(jī)構(gòu)、拔苗機(jī)構(gòu)、移栽機(jī)械手及漏播分選器等組成。該移栽機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)識(shí)別穴孔內(nèi)有無缺苗，并通過控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手移動(dòng)和穴苗抓取[10]。

2004年，日本的洋馬公司研究開發(fā)出一種自動(dòng)化程度較高的移栽機(jī)PALA，該移栽機(jī)具有取苗、植苗、苗盤輸送、栽植深度調(diào)節(jié)及株距的調(diào)節(jié)等功能，單行作業(yè)，作業(yè)效率為40株/min。該移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)采用的是齒輪-連桿式取苗機(jī)構(gòu)[11]，通過取苗爪的加緊作用來完成對(duì)缽苗的取投作業(yè)[12-13]。

2001年，韓國的K. H. Ryu等人[14-15]研究開發(fā)了一種全自動(dòng)移栽機(jī)，由視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和移栽機(jī)械手等部分組成。取苗裝置工作時(shí)，由控制系統(tǒng)通過控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械手轉(zhuǎn)至由視覺系統(tǒng)所確定的取苗處，然后通過氣缸來推動(dòng)機(jī)械手插入穴盤中，由氣動(dòng)卡盤來完成對(duì)穴盤苗的夾取、移動(dòng)和投放，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)取苗過程。對(duì)該取苗裝置進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，其取苗成功率為90%。為了進(jìn)一步提高取苗成功率，K.H.Ryu等人對(duì)該取苗裝置的末端執(zhí)行器做了進(jìn)一步優(yōu)化，該末端執(zhí)行器由兩個(gè)夾角為15°的夾指來完成對(duì)缽苗的夾取，同時(shí)在每個(gè)夾指上各裝了一個(gè)氣缸，以驅(qū)動(dòng)夾指進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)來完成對(duì)缽苗的夾取。對(duì)改進(jìn)后的取苗裝置進(jìn)行室內(nèi)取苗試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：取苗成功率可達(dá)98%，具有明顯的改善[16-17]。

美國RAPID Automated Systems公司生產(chǎn)的RTW系列全自動(dòng)移栽機(jī)[18]，如圖2(a)所示。其自動(dòng)取苗機(jī)械手具有體積小、多自由度的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Σ煌叨壤徝邕M(jìn)行移栽。該全自動(dòng)移栽機(jī)以寬輥道輸送和氣缸推送相結(jié)合組成輸送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了4盤秧苗同時(shí)移栽，大大提高了移栽速度。該公司生產(chǎn)的RTW-500S2型移栽機(jī)取苗機(jī)械手，如圖2(b)所示。其采用由片狀?yuàn)A指、楔形塊及噴水管等組成的片狀?yuàn)A持具，并利用氣壓驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)缽苗的夾取，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

圖2　RTW全自動(dòng)移栽機(jī)

荷蘭飛梭國際貿(mào)易與工程公司研究開發(fā)了系列自動(dòng)化移栽機(jī)，如圖3所示。其不僅能夠進(jìn)行多穴盤秧苗同時(shí)傳送及調(diào)整末端執(zhí)行器的數(shù)目，還能夠通過CCD來對(duì)健壯苗及空穴孔進(jìn)行識(shí)別[19]。該公司生產(chǎn)的PIC-O-MatPC-16型自動(dòng)移栽機(jī)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(yīng)多種穴盤規(guī)格，能夠輕松地集成到新的或現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖4所示。

澳大利亞的Transplant system公司開發(fā)的XT616型茶葉穴盤苗專用移栽機(jī)，如圖5所示。該移栽機(jī)被稱為開放式農(nóng)業(yè)機(jī)器人的典型，主要體現(xiàn)在通過PLC可編程邏輯控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)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(jī)械部分或接收多路傳感器檢測(cè)信號(hào)；通過改寫控制程序來調(diào)整移栽機(jī)取苗裝置末端執(zhí)行器的動(dòng)作幅度；通過在移栽機(jī)取苗裝置上配備不同型號(hào)的末端執(zhí)行器，來對(duì)不同規(guī)格的穴盤苗進(jìn)行取苗作業(yè)，大大增加了移栽機(jī)對(duì)農(nóng)藝的適應(yīng)性；將輸送平臺(tái)做成可折疊形式，以節(jié)省機(jī)器制造成本及減少作業(yè)空間[20]。該公司生產(chǎn)的HD系列全自動(dòng)移栽機(jī)可進(jìn)行4～8行移栽作業(yè)，如圖6所示。其采用氣缸驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器直接將缽苗以從苗盤正面扎取的方式來完成取苗動(dòng)作，此后末端執(zhí)行器進(jìn)行翻轉(zhuǎn)同時(shí)橫移至各導(dǎo)苗管處，將缽苗投至導(dǎo)苗管式栽植器內(nèi)，以完成對(duì)缽苗的移栽[11]。

圖3　荷蘭飛梭國際貿(mào)易與工程公司生產(chǎn)的系列自動(dòng)化移栽機(jī)

圖4　PIC-O-Mat PC-16型自動(dòng)移栽機(jī)

圖5　XT616型移栽機(jī)

圖6　HD系列8行全自動(dòng)移栽機(jī)

意大利Urbinati公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)了RW系列無線聯(lián)動(dòng)和單植型全自動(dòng)移栽機(jī)，其RW系列移栽機(jī)工作過程如圖7所示。該系列移栽機(jī)采用無線電驅(qū)動(dòng)，直接終端可進(jìn)行編程，并能夠進(jìn)行自我診斷，大大減少了使用過程中對(duì)機(jī)器的維護(hù)次數(shù)，每個(gè)取苗機(jī)械手作業(yè)效率為可移栽1 000株/h[9]。

圖7　RW系列移栽機(jī)工作過程

1.2　國內(nèi)自動(dòng)取苗研究現(xiàn)狀

我國從20世紀(jì)60年代開始對(duì)旱地移栽技術(shù)開展研究，但是發(fā)展較為緩慢[21]。目前，我國的旱地移栽機(jī)械多以半自動(dòng)為主，全自動(dòng)移栽機(jī)還處于起步研發(fā)階段[22]，并未在實(shí)際中得到推廣應(yīng)用。近年來，鑒于人工成本增加及政府為推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展采取了一系列優(yōu)惠政策等原因，各大院校、科研院所和高新企業(yè)紛紛展開了對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)械的研究。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)趙勻等[23]研制了一種能夠一次性完成自動(dòng)取苗、送苗、栽植動(dòng)作，以變性橢圓齒輪、正圓齒輪和共軛凸輪為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的反轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗移栽機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用彈簧片夾取式取苗方式通過夾取靠近基質(zhì)的缽苗莖稈來完成對(duì)缽苗的夾取，每行移栽效率可達(dá)120株/min。

江蘇大學(xué)毛罕平等[24]研制了一種門型取苗機(jī)構(gòu)，如圖8所示。

1.機(jī)架　2.門形導(dǎo)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(jī)構(gòu)主要由曲柄門型導(dǎo)桿和凸輪仿形滑槽組成的額軌跡執(zhí)行機(jī)構(gòu)、取苗爪、苗爪開合凸輪控制機(jī)構(gòu)等部分組成。進(jìn)行取苗時(shí)，由曲柄帶動(dòng)門型導(dǎo)桿做往復(fù)擺動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)取苗爪在取苗和投苗點(diǎn)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)；門形橫梁上方的滾子通過在仿形滑槽內(nèi)的運(yùn)動(dòng)來使門形導(dǎo)桿和取苗爪按照一定的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)；曲柄軸和凸輪固結(jié)在一起，利用凸輪的特性來通過擺桿帶動(dòng)拉絲和取苗爪內(nèi)的彈簧來控制推桿做伸縮運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使取苗爪完成取苗、送苗和投苗的動(dòng)作。

江蘇大學(xué)毛罕平、胡建平等[25]還選用二針式夾持方式開發(fā)了一套機(jī)械式取苗系統(tǒng)，該自動(dòng)移栽機(jī)的自動(dòng)取苗機(jī)械手由取苗爪、回轉(zhuǎn)箱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及槽形凸輪機(jī)構(gòu)組成，以一定的軌跡運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗機(jī)構(gòu)投苗的動(dòng)作。

北京工業(yè)大學(xué)高國華[26]等人把自動(dòng)化穴盤苗移栽機(jī)分為夾持機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、移栽機(jī)支架、橫向平移機(jī)構(gòu)、傳送裝置和間隔調(diào)整機(jī)構(gòu)六大模塊，以對(duì)其進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。其中，夾持機(jī)構(gòu)集合了氣動(dòng)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)來對(duì)移栽爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過雙氣缸聯(lián)動(dòng)的方式控制取苗爪的移動(dòng)和取苗、放苗動(dòng)作，該研究主要是針對(duì)溫室內(nèi)穴盤苗的移栽作業(yè)。

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)邱立春等[27]對(duì)指針加緊式穴盤苗移栽爪進(jìn)行了研制，該移栽爪主要由驅(qū)動(dòng)氣缸、夾持指針、移栽爪安裝定位塊等組成，工作時(shí)采用氣缸驅(qū)動(dòng)指針來控制進(jìn)行缽苗的夾取、移動(dòng)與缽苗的釋放等過程。同時(shí)，對(duì)穴盤苗的夾持過程進(jìn)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(guān)系模型。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長杰等[28]設(shè)計(jì)了多組氣缸驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機(jī)械手，利用扎苗、放苗氣缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻轉(zhuǎn)氣缸和擺位氣缸控制機(jī)械手在取苗位和投苗位的姿態(tài)變換；通過室內(nèi)取苗試驗(yàn)得出，系統(tǒng)取喂苗總可靠率達(dá)98.92%，平均基質(zhì)損失質(zhì)量9.26%，取喂速度達(dá)70株/min。

浙江大學(xué)蔣煥煜、任燁等[29]研究了基于機(jī)器視覺的設(shè)施農(nóng)業(yè)移栽機(jī)器人，包括視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)器臂等。機(jī)器臂由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，氣缸驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器，并對(duì)針式、鏟式和錐形3種手指的取苗效果進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，認(rèn)為鏟式效果最好。

中國農(nóng)機(jī)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(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，并對(duì)該取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)的影響規(guī)律及最佳參數(shù)組合。該機(jī)構(gòu)具有良好的取苗效果和動(dòng)力學(xué)性能，且取苗工作效率達(dá)到了60～90株/min。

浙江理工大學(xué)趙勻、俞高紅等[31-32]人采用回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)械手在行星減速箱內(nèi)配置非圓齒輪和不完全齒輪，形成插值臂末端特定的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而完成取苗和向栽植部件投苗的動(dòng)作。

2　存在的問題

2.1　育苗農(nóng)藝與移栽機(jī)械不配套

我國幅員遼闊，不同地域的光熱資源和耕作環(huán)境也不相同，與之配套的穴盤規(guī)格、移栽苗齡和缽苗尺寸等直接影響機(jī)械化移栽的農(nóng)藝參數(shù)差異巨大，導(dǎo)致目前在研的自動(dòng)取投苗技術(shù)裝備適應(yīng)性差，難以大面積推廣應(yīng)用。

2.2　設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化移栽發(fā)展緩慢

溫室大棚蔬菜種植經(jīng)濟(jì)效益高于露地蔬菜，并且國家鼓勵(lì)發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，因此很多蔬菜產(chǎn)區(qū)廣泛推廣大棚蔬菜種植；但是，溫室大棚農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境受到很大限制，對(duì)自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)作業(yè)空間和運(yùn)動(dòng)軌跡提出嚴(yán)格要求，目前國內(nèi)對(duì)于溫室大棚缽苗移栽的自動(dòng)取投苗技術(shù)研究尚未全面開展。

2.3　高速取、投苗機(jī)構(gòu)研究缺乏

國內(nèi)外旱作移栽缽苗自動(dòng)取投的研究水平已接近單行90株/min，但對(duì)機(jī)械手式高速自動(dòng)取苗技術(shù)的研究還有欠缺，尤其單行取苗速率超過90株/min后機(jī)構(gòu)振動(dòng)造成的作業(yè)不穩(wěn)定及慣性力對(duì)取投苗效果的影響均未涉及。

3　結(jié)論

國外缽苗移栽自動(dòng)取投苗技術(shù)相對(duì)較為成熟可靠，但價(jià)格高昂，且國外自動(dòng)移栽取投苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)并未考慮中國農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，導(dǎo)致大部分國外先進(jìn)機(jī)型難以在國內(nèi)推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)自動(dòng)移栽技術(shù)有了較大發(fā)展，但多數(shù)仍處在理論研究階段，開發(fā)應(yīng)用還注意以下問題：

1)國內(nèi)缽苗的育苗規(guī)格、機(jī)械性能、基質(zhì)成分等指標(biāo)尚無國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致即使同一作物的缽苗，差異性也十分明顯，而自動(dòng)取投苗裝置對(duì)于作業(yè)對(duì)象一致性要求較高，因此在開展自動(dòng)取投苗技術(shù)研究時(shí)，必須考慮配套的育苗農(nóng)藝要求。

2)進(jìn)一步融合苗缽力學(xué)特性、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行多目標(biāo)復(fù)雜非線性優(yōu)化研究，并將送苗、分苗、取苗、投苗技術(shù)綜合分析，從以往的運(yùn)動(dòng)軌跡研究提升為動(dòng)力學(xué)、損傷力學(xué)研究。

3)在發(fā)展自動(dòng)移栽技術(shù)的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)引入作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控及智能控制等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能移栽、精準(zhǔn)移栽。