穴盤苗移栽機自動取苗技術研究現(xiàn)狀與展望*

王寧，任玲，李江全，胡海鵬，汪博文，尚晉

(1. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832003； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆石河子，832003)

0 引言

穴盤育苗移栽具有提高幼苗質(zhì)量，延長作物生長期，避開幼苗的冷凍、干燥時期等優(yōu)點[1-2]。2018年我國蔬菜種植面積達到20 439 khm2，蔬菜產(chǎn)量達70 347.72 萬t[3]，育苗移栽已成為蔬菜花卉生產(chǎn)的主要種植方式[4]。在20世紀穴盤育苗技術就得到了比較廣泛運用，集中育苗和規(guī)?；a(chǎn)成為主要方式，育苗商品化已形成趨勢[5-6]。

近些年來我國農(nóng)業(yè)機械水平逐步提高，我國農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐步從手工作業(yè)漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械自動化作業(yè)[7]。目前我國移栽作業(yè)主要以人工操作和半自動機械操作為主，移栽勞動強度大、效率低、成本高，機械化效益不明顯[8-9]。

全自動移栽機能很好地解決勞動力不足、勞動強度大、作業(yè)效率低等問題。目前國外已有全自動移栽機應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，而國內(nèi)還未見推廣使用，還以半自動移栽機為主。全自動移栽機采用自動取苗機構(gòu)，利用自動取苗技術替代人工喂苗，取苗機構(gòu)是區(qū)分移栽機是全自動還是半自動的關鍵，也是全自動移栽機的核心裝置。由于全自動移栽機的取送苗機構(gòu)較為復雜，而自動取苗技術也隨著取苗機構(gòu)的不同而變化。自動取苗技術的研究，對于全自動移栽機的發(fā)展起著積極的推動作用。

本文綜述了穴盤苗自動取苗技術研究現(xiàn)狀，對目前的自動取苗方式進行分類，針對每一類的控制方法進行闡述，指出了目前穴盤苗機械化移栽中，自動取苗技術存在的問題，對取苗技術及移栽機的發(fā)展提出建議，為今后全自動移栽機研制提供參考。

1 穴盤苗自動取苗技術現(xiàn)狀

國外移栽機發(fā)展較早，早在20世紀20年代，歐洲、日本等一些國家在開始研發(fā)秧苗栽植機械，經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，國外對移栽機的研究己進入自動化階段。如日本幾大主要農(nóng)機企業(yè)研制出了多款穴盤苗自動移栽機[10-13]。如荷蘭PC21型全自動移栽機[14]，還有美國TEA XP404N型移栽機[15]；美國RTW系列穴盤苗全自動移栽機等。

我國生產(chǎn)的移栽機主要以半自動移栽機為主，如：新疆農(nóng)科院獨立研制的2ZT-2型移栽機、中國農(nóng)業(yè)大學研制的2ZDF型半自動導苗管式移栽機、安徽滁州農(nóng)機研究所完成研制的2ZY-2型油菜移栽機等[16]。通過對國內(nèi)外移栽作業(yè)和取苗作業(yè)相關參數(shù)的研究對比(表1)，我國移栽機的自動化水平還處于起步階段，國內(nèi)全自動移栽機研究與國外還有一定的差距。

表1 國內(nèi)外取苗技術研究對比

從穴盤中自動取苗作為全自動移栽機最為核心的部分，取苗的成功與否直接影響到后續(xù)工作的能否正常運行。目前穴盤取苗主要采用的是機械手或苗針手夾取式取苗，后來出現(xiàn)利用頂桿從苗盤底部小孔頂出式取苗，又出現(xiàn)利用氣流通過苗盤底部小孔氣吹式取苗。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的自動取苗控制方式大致有五種方式：(1)移動苗盤供苗，固定取苗手定點取苗，稱為移盤固手型；(2)苗盤固定，移動取苗手全盤取苗，稱為固盤移手型；(3)移動苗盤供苗，同時移動取苗手取苗，稱為移盤移手型；(4)移動苗盤供苗，頂桿頂苗取苗，稱為移盤頂苗型；(5)移動苗盤供苗，噴嘴吹苗取苗，稱為移盤吹苗型。

1.1 移盤固手型取苗控制

通過苗盤進給機構(gòu)控制苗盤供苗到達取苗位置，后由取苗手定點從苗盤將缽苗取出，取苗手位置固定，一般采用機械連桿機構(gòu)帶動機械手在取苗點與放苗點擺動，將這樣一種控制方式稱為移盤固手型。如果取苗手是單株取苗，需要苗盤S形進給苗盤，則需要控制苗盤在橫縱兩個方向的移動；如果取苗手是整排取苗，只需要苗盤在一個方向上的進給[17]。

這種取苗方式也比較常見，單株取苗的如洋馬推出的PF2R型乘坐式全自動蔬菜移栽機[18](圖1)，該移栽機需要控制苗盤橫縱兩個方向的進給，使每一顆缽苗到達取苗點，采用取苗手旋轉(zhuǎn)臂帶動取苗針定點取苗，旋轉(zhuǎn)一定角度后定點投苗到栽植器中，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)兩行同時作業(yè)。還有周瑩等設計的旱地穴盤苗自動移栽機[19]，PLC作為核心控制器，各部件利用位置傳感器，實時監(jiān)測位置信號。采用兩個步進電機控制移箱橫縱向移動，使苗盤準確到達取苗點，機械手固定，機械連桿配合定點取苗，定點投苗，到達投苗位將缽苗釋放到接苗杯中。

圖1 PF2R型取苗機構(gòu)

整排取苗的例如美國RTW型秧苗移栽機[20](圖2)，該機通過控制苗盤的橫向進給，配合整排機械手定點取苗，取苗速度快，適應性強。石河子大學崔財豪等設計的移栽機整排取送苗機構(gòu)，使苗盤第一排與輸送接苗帶相互垂直，擺位氣缸控制整排取苗手在苗盤與接苗帶位置轉(zhuǎn)換，傳感器模塊采集各部件的信息信號反饋給控制器；取苗時，步進電機控制苗盤每次進給一排，取苗氣缸控制整排取苗手插入穴盤中，夾苗氣缸實現(xiàn)缽苗的夾持，取苗動作由取苗氣缸和夾苗氣缸共同作用完成。

圖2 RTW型取苗機構(gòu)

1.2 固盤移手型取苗控制

苗盤固定，通過控制取苗手到達苗盤取苗位置后由取苗手從苗盤將缽苗取出，將這樣一種控制方式稱為固盤移手型。如果取苗手是單株取苗，需要取苗手S形移動到每個缽苗的位置上方后立向移動取苗，則需控制取苗手橫向、縱向、立向三個方向的移動；如果取苗手是整排取苗，需要取苗手橫向移動到每排缽苗的位置上方后立向移動取苗，則需取苗手在縱向、立向兩個方向上的移動[21]。

采用單株取苗由于需要控制取苗手三個方向的移動，控制較復雜且效率低，所以采用這種方式的較少，采用整排取苗的較多。例如澳大利亞XT616型自動移栽機[22]是茶樹苗專用移栽機，采用 PLC實現(xiàn)對步進電機、氣缸等驅(qū)動裝置的自動控制，該機采用整排指針式結(jié)構(gòu)取苗爪，移栽作業(yè)時，控制整排取苗手縱向移動至穴盤第一排，立向移動取苗手抓取缽苗基質(zhì)塊，依次縱向移動至下一排整排取苗直至取完整盤。如李樹峰等設計的整排取送苗裝置[23](圖3)，采用PLC實現(xiàn)對步進電機、氣缸的控制，加入自適應模糊PID控制算法對機械手水平定位控制。移栽作業(yè)時，通過送苗直線模組和取苗直線模組帶動整排取苗機械手，實現(xiàn)縱向和立向兩個方向的移動。取苗機械手配合夾苗氣缸、退苗氣缸完成夾苗和退苗過程。

圖3 整排取送苗裝置

1.3 移盤移手型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，同時控制取苗手到達取苗位置后從苗盤將缽苗取出，將這樣一種控制方式稱為移盤移手型。當苗盤一排一排進給后，如果取苗手是單株取苗，取苗手直線移動到每個缽苗的位置取苗，則需控制取苗手橫向、立向兩個方向的移動；如果取苗手是整排取苗，取苗手在取苗位置整排取苗，只需取苗手在立向一個方向上的移動[24]。

移盤移手型將取苗手動作簡化分配到苗盤動作，苗盤和取苗手同時動作節(jié)省了時間，簡化了控制過程，也是現(xiàn)在采用較多的取苗方式。由于單株取苗效率不高等原因，采用單株取苗較少，而采用整排取苗的較多。

采用單株取苗的有，韓綠化等設計了一種全自動溫室缽苗移栽機[25]，采用激光光電開關和接近開關檢測位置信號，傳輸給TOP5530R型三軸運動控制器，電動機轉(zhuǎn)動帶動鏈輪鏈條，控制目標盤輸送機構(gòu)一排一排進給苗盤，電動機驅(qū)動直線模組的滑塊使得取苗手實現(xiàn)橫向的位移，利用無桿氣缸進氣、回氣實現(xiàn)取苗手立向的位移，實現(xiàn)缽苗從苗盤到栽植盆的自動化工作，效率較高。如魏新華等設計了全自動移栽機控制系統(tǒng)[26]，采用PLC(可編程邏輯控制器)為系統(tǒng)控制器，與繼電器相結(jié)合實現(xiàn)對移栽機動作的協(xié)調(diào)控制，利用到位傳感器對機械手苗盤位置進行標定，零位傳感器對行星輪架的初始位置進行標定，編碼器測量行星輪架的轉(zhuǎn)速和累計轉(zhuǎn)角。苗盤固定平放，由步進電機驅(qū)動鏈條傳動機構(gòu)控制苗盤橫向一排一排進給。機械手采用四指夾鉗式，氣動部件驅(qū)動機械手整體下行、出針、苗針夾緊完成取苗。機械手橫向、立向兩個移動實現(xiàn)單株取苗，與移盤裝置配合完成整盤喂取。

采用整排取苗的有，美國的西紅柿自動移栽機[27]，整機結(jié)構(gòu)較為復雜，取苗爪采用雙平板苗莖夾持式取苗，工作時苗盤進給機構(gòu)缽苗成排進給，夾持式取苗后氣動取苗爪二次夾取，取苗機構(gòu)整排取出缽苗。荷蘭Packplanter 型自動移栽機[27](圖4)，整機的系統(tǒng)運行由微機控制，操作簡單。取苗機構(gòu)由整排取苗爪構(gòu)成，取苗爪采用4指式結(jié)構(gòu)，每個都單獨的氣缸驅(qū)動，工作時，整排氣缸驅(qū)動取苗爪取苗，性能良好。

圖4 荷蘭Packplanter型自動移栽機

1.4 移盤頂苗型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，缽苗到達取苗位置時，整排頂桿從苗盤底部小孔頂出式取苗，將這樣一種控制方式稱為移盤頂苗型。采用這種方式的都是整排頂苗，效率較高，被頂出的缽苗一般會由傳送帶輸送到栽植機構(gòu)，或者采用夾持機構(gòu)夾取缽苗后送到栽植機構(gòu)。

移盤頂苗型可以很好地解決取苗手從苗盤夾取缽苗時夾不出、傷苗等問題，缽苗頂出苗盤后有利于提高取苗的成功率。例如意大利Futura系列自動移栽機，移栽機采用PLC作為核心控制器，取苗過程分為缽苗頂出和夾取兩部分。工作時，苗盤進給到頂苗位置，氣缸驅(qū)動頂桿將整排缽苗頂出，后氣缸驅(qū)動取苗手夾持缽苗基質(zhì)將缽苗成排取出，利用頂桿頂苗和取苗手夾苗配合，實現(xiàn)取苗控制。意大利Checchi & Magli自動移栽機[28](圖5)，工作時，該機型是利用苗盤進給機構(gòu)使缽苗一排一排到達取苗位置，整排頂桿將缽苗的基質(zhì)塊部分頂出，然后取苗爪通過側(cè)面抓取基質(zhì)塊取出缽苗，完成取苗控制。

圖5 意大利Checchi & Magli自動移栽機

國內(nèi)的例如倪有亮等[29]設計的全自動移栽機，該移栽機采用PLC作為核心控制器，PP17-1觸摸面板作為上位機，到位傳感器檢測各部件位置信號。苗盤縱向移動氣缸控制苗盤一排一排進給，采用集排式頂苗機構(gòu)在氣缸作用下向前驅(qū)動頂苗桿并將缽苗成排頂出，取苗機構(gòu)苗夾夾片開合相向轉(zhuǎn)動夾住缽體，完成取苗控制。王東洋、金鑫等設計的穴盤苗自動輸送裝置[30](圖6)，該裝置采用機械傳動控制，由移栽機地輪提供動力，苗盤在縱向輸送機構(gòu)的作用下有序、精準進給缽苗到達取苗位置，利用頂苗桿穿過苗盤底部小孔將缽苗完全頂出，與此同時夾苗機構(gòu)將缽苗夾持住，完成取苗控制。

圖6 穴盤苗自動輸送裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1.5 移盤吹苗型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，缽苗到達取苗位置時，氣吹式噴嘴向苗盤底部小孔噴射一定氣壓范圍內(nèi)的氣流實現(xiàn)將缽苗吹出或吹松式取苗，將這樣一種控制方式稱為移盤吹苗型。采用這種方式的都是整排或多個氣嘴同時吹苗，被吹出的缽苗一般會由傳送帶輸送到栽植機構(gòu)，或者利用氣嘴吹松后采用夾持機構(gòu)夾取缽苗后送到栽植機構(gòu)。

移盤吹苗型一般會在吹苗前進行打破缽苗與苗盤之間粘結(jié)力的作用后進行吹苗成功率較高，采用這種方式可以簡化取苗過程，提高工作效率。也有將氣體吹苗不用于取苗作用，而用于缽苗吹松作用，吹松后的缽苗再配合夾持機構(gòu)完成取苗過程，缽苗吹松后有利于提高取苗手取苗的成功率。

例如高捷[31]設計的氣動取苗系統(tǒng)(圖7)，采用型號為LPC1114的微控制器，利用電磁鐵和復位彈簧，控制推桿式氣嘴撞擊苗盤底部破結(jié)，后通過控制電磁閥控制噴嘴噴出射流氣體沖擊缽苗底部，將缽苗吹出穴盤，進入缽苗輸送裝置，完成取苗控制。郭警偉等[32]設計的氣吹式落苗試驗裝置，該裝置利用位移滑道使整排氣吹裝置進給移動，每次移動至每一排苗盤底部，使氣嘴對準底部小孔，通過氣動裝置氣嘴噴出氣流將穴盤中的缽苗吹出，缽苗在重力和空氣阻力的作用下落入排苗輸送帶，完成取苗。還有韓綠化等[33]設計的蔬菜穴盤育苗氣吹式缽體松脫裝置(圖8)，該裝置采用TC5510型單軸運動控制器，采用磁性開關檢測氣缸氣桿的位置信息。工作時，將整盤缽苗固定，控制系統(tǒng)驅(qū)動直線模組，控制氣嘴排一排一排進給到穴盤底部的穴孔排水口，后控制氣動回路從氣嘴排里瞬間噴射高壓空氣，由此產(chǎn)生的氣流沖擊力頂吹缽苗，然后驅(qū)動氣嘴排移動至下一排缽苗底部，直到完成整盤缽苗吹松工作。

圖7 氣動取苗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 蔬菜穴盤育苗氣吹式缽體松脫裝置結(jié)構(gòu)簡圖

2 我國自動取苗技術存在的問題

目前，我國在全自動移栽機自動取苗技術的研究尚在實驗室階段，大部分相關樣機還是單株取苗為主，有關整排取苗的以試驗臺架為主，市場上未見較為成熟的產(chǎn)品。

1) 取苗工作效率較低，傷苗率較高。大部分樣機采用單株取苗，這種方式的取苗速度限制整機的工作效率，使整機的工作效率較低。關于整排取苗的試驗臺可以一定程度的提高移栽效率，但由于苗盤缽苗距離較近，對于取苗手的機構(gòu)、取苗成功率以及取苗后的分苗、投苗、植苗過程又提出了更高的要求。采用單株取苗的如馬曉曉等[34]進行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化的番茄缽苗移栽機自動取苗裝置，其取苗頻率在57株/min左右，采用整排取苗的如王東洋等設計的自動頂-夾式蔬菜穴盤苗取苗裝置，其取苗頻率可以達到140株/min左右。

關于取苗執(zhí)行機構(gòu)，較多采用取苗手夾取式或取苗針扎取式取苗。取苗時，由于取苗手需插入苗盤中夾取基質(zhì)對可能會傷及缽苗根部，整排取苗時由于缽苗距離較近，可能對缽苗的葉片及苗桿有所傷害。采取苗桿頂苗時，如果不進行破結(jié)過程，可能造成基質(zhì)被頂碎傷及苗根部或苗體。傷及缽苗造成缽苗成活率低，栽植后死亡，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2) 取苗成功率較低。單株取苗成功率相對較高，整排取苗過程中，由于多個取苗手或取苗針同時取苗，且取苗手之間距離較小，相互之間有所干擾，影響取苗成功率。采用單株取苗的如李華等[35]設計的辣椒穴盤苗自動取苗機構(gòu)，其取苗成功率高達98.6%。取苗時，取苗手夾持力過小，缽苗脫落，夾持力過大，基質(zhì)夾碎，造成取苗失?。徽湃∶缡侄ㄎ徊粶蚀_，取苗時沒有到達取苗位置，造成取苗失敗。頂苗、吹苗前不進行破結(jié)工作，可能造成缽苗吹不出苗盤，缽苗頂不出苗盤或者基質(zhì)被頂穿，造成取苗失敗。所以優(yōu)化取苗方式、提升系統(tǒng)的控制性能、提高定位精度，對于提高取苗成功率有著積極的作用。

3) 缽苗種類、苗盤規(guī)格繁多。移栽作物種類繁多，每種作物的移栽要求有所不同，苗盤的規(guī)格各異，對于移栽設備、取苗技術又提出不同的要求。目前移栽機種類繁多，取苗方式各異，移栽設備通用性較低，對于不同種類移栽機的研發(fā)，投資較大，造成資源浪費。

3 自動取苗技術發(fā)展建議

3.1 高速取苗機構(gòu)的研發(fā)

國外的蔬菜全自動移栽機自動取苗技術較為成熟，意大利FUTURA型蔬菜移栽機的效率高達130株/min，國內(nèi)移栽機缽苗自動取投的研究水平僅能接近單行70株/min，工作效率較低[20]，因此提高我國自動取苗技術的工作效率較為關鍵。參照目前國內(nèi)自動取苗技術現(xiàn)狀，移栽速率的提高勢必會影響取苗質(zhì)量，出現(xiàn)漏苗傷苗等情況。

取苗控制方式上采用苗盤進給的整排頂苗夾苗結(jié)合的取苗控制方式，采用這種方式可以簡化單一苗盤進給和單一取苗手移動的控制過程，整排取苗，簡化單株取苗的過程重復，減少取苗時間，提高工作效率；整排頂夾結(jié)合的方式可以解決夾苗夾不出、傷苗等問題，提高工作效率，減小傷苗率。

3.2 一體化智能移栽裝備

利用智能控制算法提高取苗手、苗盤定位精度，增加夾持力監(jiān)控系統(tǒng)，對取苗手夾持力實時控制，頂苗、吹苗取苗前進行破結(jié)工作都可以在一定程度上提高取苗成功率。對于提高取苗成功率，國內(nèi)一些學者將控制算法、機器視覺、監(jiān)控系統(tǒng)等技術應用于取苗手的定位、缽苗位置的定位等。如任玲等[36]針對整排穴盤苗取苗裝置，將模糊PID控制應用在整排取苗機械手定位控制中，實現(xiàn)機械手的精確定位、提高取苗成功率。胡飛等[37]將機器視覺圖像處理應用于缽苗的識別與定位，實現(xiàn)對缽苗位置的精度定位。王俊等[38]設計苗缽夾持力檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)測取苗爪對苗缽夾持力的變化情況，減少對苗缽的損傷、提高取苗成功率。

對于自動移栽機在控制系統(tǒng)上存在著很多問題，如系統(tǒng)不穩(wěn)定，電氣化程度低，操作較為復雜等。對于全自動移栽機控制系統(tǒng)的研發(fā)，性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)可以提高整機的工作效率。隨著人機界面控制、智能控制等技術的發(fā)展，全自動移栽機的研發(fā)也將朝著智能化、可視化、便捷化的方向發(fā)展。如賀磊盈等[39]利用機器視覺獲取穴盤苗信息，將貪心遺傳算法應用于規(guī)劃補栽路徑，減少補苗時間，提高移栽效率。如王寧等人將三菱人機界面應用于移栽機控制系統(tǒng)中，簡化了操作過程，實現(xiàn)了移栽信息的實時顯示監(jiān)控。

3.3 多功能的通用型移栽機

在不同的國家，氣候、環(huán)境、蔬菜種植種類的不同，不同的作物移栽需要不同的移栽機械，不同的環(huán)境下對于移栽要求也是不一樣的，因此需要數(shù)量類型眾多的全自動移栽機。對于整機控制系統(tǒng)，每一種機型配套控制系統(tǒng)都不一樣，需要研發(fā)與某種機型配套的控制系統(tǒng)。由于移栽機種類各異，呈現(xiàn)出多系列、多品種的局面，所以提高移栽機的通用性，研發(fā)多功能聯(lián)合的通用型移栽機是非常必要的。

規(guī)范化育苗，采用統(tǒng)一規(guī)格的苗盤，集中統(tǒng)一育苗管理，可以節(jié)約種子、肥料、農(nóng)藥等，提高成苗率高，缽苗素質(zhì)好，易成活。規(guī)范化育苗便于良種推廣和規(guī)范管理，成苗便于遠距離運輸和機械化移栽等優(yōu)點。規(guī)范化研發(fā)，提高制造標準，注重移栽機標準件的研發(fā)，注重多移栽種類，多環(huán)境下適用的一體化移栽機研發(fā)。規(guī)范化研發(fā)可以減少不必要的投資與資源浪費，對于綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。

4 結(jié)論

1) 國外發(fā)達國家對移栽機的研發(fā)較早，歷經(jīng)長期的發(fā)展，自動取苗技術較為成熟，自動化程度較高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了廣泛的應用。國內(nèi)對自動取苗技術的研發(fā)與國外相比還有很大差距，研究尚處在初級階段，研究的相關裝置大部分處于實驗室階段，并未投入生產(chǎn)中。

2) 對于自動取苗技術的五種方式中，國外成型的全自動移栽機較多采用移盤移手型和移盤頂苗結(jié)合的整排取苗手夾持型。相較兩種方式，移盤頂苗結(jié)合整排取苗手夾持型可以解決夾缽苗夾不出、傷苗等問題，提高取苗成功率，減少傷苗率。國內(nèi)較多采用移盤固手型取苗，通過取苗手翻轉(zhuǎn)式換位，實現(xiàn)取苗位與投苗位的轉(zhuǎn)換。

3) 隨著我國自動取苗技術的發(fā)展，未來全自動移栽裝備將以高速取苗機構(gòu)的研發(fā)為主要方向。實現(xiàn)智能化、可視化、便捷化控制的從取苗、送苗、分苗、到植苗整個栽植過程的多功能一體化全自動移栽機。逐步規(guī)范農(nóng)機農(nóng)藝生產(chǎn)標準，提高全自動移栽機的通用性。