蔬菜穴盤苗移栽自動(dòng)取苗技術(shù)現(xiàn)狀與分析

文永雙 張俊雄 袁 挺 譚豫之

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

我國是蔬菜生產(chǎn)和消費(fèi)大國, 2018年蔬菜種植面積達(dá)20 438.9 khm2，產(chǎn)量7.03 億t，人均占有量0.5 t，均居世界之首[1]。穴盤育苗技術(shù)和穴盤苗的機(jī)械化移栽對(duì)促進(jìn)我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。蔬菜機(jī)械化移栽與傳統(tǒng)手工移栽相比具有以下優(yōu)勢(shì)：1)顯著提高移栽效率，保證作物在最佳移栽期內(nèi)移栽；2)降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本；3)提高移栽質(zhì)量，提升蔬菜產(chǎn)量和品質(zhì)；4)為移栽后的除草、施藥、澆水和收獲等環(huán)節(jié)的機(jī)械化提供便利[2-4]。

目前，我國蔬菜移栽以人工移栽和半自動(dòng)移栽為主，半自動(dòng)移栽對(duì)穴盤苗適應(yīng)能力強(qiáng)，但需要人工進(jìn)行取苗、喂苗，移栽機(jī)僅完成自動(dòng)栽植動(dòng)作[5]。人工取苗存在以下缺點(diǎn)：1)機(jī)器在前進(jìn)過程中由于機(jī)身晃動(dòng)、送苗裝置轉(zhuǎn)動(dòng)等，人工取苗、投苗不方便；2)人手直接作用于柔嫩的幼苗時(shí)，由于穴盤苗缽體與穴盤的黏結(jié)性，易造成幼苗莖葉斷裂，導(dǎo)致傷苗率高；3)人工成本高，效率低，當(dāng)移栽機(jī)行走速度較高時(shí)，會(huì)出現(xiàn)人工取苗、投苗不及時(shí)，增大漏苗率；4)工人工作一段時(shí)間后，易出現(xiàn)疲勞、眩暈，加重漏栽、傷苗等情況的發(fā)生。隨著蔬菜需求量的不斷上升，勞動(dòng)力的短缺及工廠化育苗技術(shù)的發(fā)展，極大促進(jìn)了穴盤苗全自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展[6]。全自動(dòng)移栽機(jī)在半自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)供苗、取苗、送苗和收盤等機(jī)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)共同完成蔬菜穴盤苗的自動(dòng)移栽作業(yè)，移栽效率是半自動(dòng)移栽的2～4倍。

自動(dòng)取苗是將缽苗從穴盤中取出、輸送并投入到送苗裝置或栽植器內(nèi)，取苗機(jī)構(gòu)性能好壞直接決定自動(dòng)移栽機(jī)的定植質(zhì)量、效率和穩(wěn)定性[7-9]。對(duì)自動(dòng)取苗技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，有利于使自動(dòng)移栽領(lǐng)域的應(yīng)用人員和研究人員更快速和系統(tǒng)地了解國內(nèi)外自動(dòng)取苗技術(shù)，合理選取和設(shè)計(jì)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)。本研究擬對(duì)當(dāng)前蔬菜自動(dòng)取苗技術(shù)進(jìn)行分類梳理與歸納，并對(duì)我國自動(dòng)取苗技術(shù)面臨的問題和應(yīng)對(duì)措施進(jìn)行總結(jié)，以期為相關(guān)人員快速系統(tǒng)了解自動(dòng)取苗技術(shù)，把握取苗技術(shù)的發(fā)展方向提供參考。

1 自動(dòng)取苗技術(shù)的分類分析

1.1 頂出式、頂夾結(jié)合式取苗

頂出式、頂夾結(jié)合式取苗利用頂桿穿過穴盤底部的排水口，將穴盤苗從穴盤頂入接苗機(jī)構(gòu)或輸送帶，接苗機(jī)構(gòu)夾持缽體，并移送至栽植機(jī)構(gòu)，或輸送帶將穴盤苗有序輸送到栽植機(jī)構(gòu)[10]。該取苗方式只需頂桿作直線往復(fù)移動(dòng)即可將穴盤苗頂出，具有動(dòng)作簡(jiǎn)單、取苗效率高、傷苗率低的特點(diǎn)。利用缽苗盤根由上向下逐漸稠密的缽苗特性[8, 11]，頂桿直接作用在根系密集的缽體底部，因此對(duì)缽體盤根效果和頂桿直徑有一定要求，如果缽體不緊實(shí)或頂桿過細(xì)，則頂桿易刺入苗缽，造成缽體損傷或取苗失敗[12]。

1.1.1凸輪式頂苗機(jī)構(gòu)

凸輪式頂苗機(jī)構(gòu)送盤底板下側(cè)背面安裝帶有一排頂桿的頂桿支架，頂桿間距與穴盤苗的株距相同，凸輪驅(qū)動(dòng)頂桿支架沿導(dǎo)軌方向頂出，再由兩側(cè)復(fù)位彈簧推回，在供苗底板前下方設(shè)有接苗機(jī)構(gòu)[13-14]。頂桿將整排缽苗從穴盤頂入前方的接苗機(jī)構(gòu)，接苗機(jī)構(gòu)繞定軸旋轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，穴盤苗落入正下方分苗機(jī)構(gòu)的承接筒內(nèi)(圖1[13])。為避免凸輪機(jī)構(gòu)與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉，劉大慶等[15]設(shè)計(jì)了一種凸輪柔索式蔬菜穴盤苗頂出機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)鋼絲繩一端，鋼絲繩另一端拉動(dòng)取苗頂桿，彈簧驅(qū)動(dòng)頂桿頂出，凸輪柔索機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)頂桿收回，鋼絲繩傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)凸輪機(jī)構(gòu)與頂桿機(jī)構(gòu)分離。

1.分苗機(jī)構(gòu)；2.接苗機(jī)構(gòu)；3.頂苗機(jī)構(gòu)；4.供苗機(jī)構(gòu)；5.彈簧；6.凸輪；7.頂桿1. Seeding separation mechanism; 2. Seeding carry mechanism; 3. Seedling ejecting mechanism; 4. Feeding mechanism; 5. Spring; 6. Cam; 7. Mandrel圖1 取送苗機(jī)構(gòu)(a)和凸輪頂苗機(jī)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)Fig.1 Seedling pick-up mechanism (a) and cam ejecting seedling mechanism (b)

1.1.2曲柄滑塊式頂苗機(jī)構(gòu)

曲柄滑塊式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)頂桿將穴盤苗頂出[16-18]，由接苗機(jī)械手夾取、移送頂出的穴盤苗并進(jìn)行投苗，其動(dòng)作可分解為供苗、頂苗、送苗和投苗，金鑫等[17]等設(shè)計(jì)了頂夾式取苗機(jī)構(gòu)(圖2)，通過運(yùn)動(dòng)建模、仿真和精度綜合分析等方法，優(yōu)選出最佳取苗參數(shù)：曲柄頂苗機(jī)構(gòu)初始相位角φd=108°，曲柄長度a=78 mm，連桿長度b=112 mm，偏距e=20 mm，頂苗曲柄轉(zhuǎn)速范圍10～30 r/min。以番茄穴盤苗為取苗對(duì)象，該自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)取苗效率可達(dá)140 株/min，取苗成功率超過95%。

A，B，C，D分別表示供苗、頂苗、送苗、投苗動(dòng)作。a為曲柄長度；b為連桿長度；e為滑塊移動(dòng)導(dǎo)路中心線與曲柄回轉(zhuǎn)中心之間的偏置；ω為曲柄角速度。A, B, C and D are the operations of sending trays, ejecting seedlings, sending seedlings, and throwing seedlings, respectively.a is crank length; b is connecting rod length; e is eccentricity; ω is crank angular velocity.圖2 取苗機(jī)構(gòu)(a)和曲柄頂苗機(jī)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)圖及取苗過程原理Fig.2 Seedling pick-up mechanism (a) and crank ejection mechanism (b) and seedling process

1.1.3伺服推桿式頂苗機(jī)構(gòu)

楊傳華[19]等采用高速伺服電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)頂桿進(jìn)行取苗，伺服電動(dòng)缸具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)速度快、易控制等特點(diǎn)，簡(jiǎn)化了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)的頂苗機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)頂桿精準(zhǔn)的推出和退回，為防止缽體破損和提高取苗效率，伺服電動(dòng)缸采取慢速推出穴盤苗，快速退回的方式。該自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)可降低秧苗移栽的損傷率，有利于快速緩苗，對(duì)番茄穴盤苗進(jìn)行取苗試驗(yàn)，取苗成功率達(dá)90%以上。

1.1.4氣動(dòng)式頂苗機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)式頂苗機(jī)構(gòu)采用氣缸作為動(dòng)力元件，驅(qū)動(dòng)頂桿將整排穴盤苗頂出，由穴盤苗前方的機(jī)械手將整排穴盤苗轉(zhuǎn)送至輸送帶，輸送帶再將穴盤苗送至栽植機(jī)構(gòu)[20-22]，類似機(jī)型的生產(chǎn)廠家有意大利Ferrari公司、法國Picador公司、英國Pearson公司等。韓長杰等[20]設(shè)計(jì)了硬質(zhì)穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，由橫向移位氣缸驅(qū)動(dòng)穴盤卡盤架沿直線導(dǎo)桿橫向移動(dòng)，縱向移位氣缸驅(qū)動(dòng)穴盤實(shí)現(xiàn)縱向移動(dòng)，由氣缸驅(qū)動(dòng)的頂桿將穴盤中的穴盤苗推出至接苗板，翻轉(zhuǎn)氣缸驅(qū)動(dòng)接苗板至豎直位置時(shí)進(jìn)行投苗，取苗速度為72株/min，頂出可靠率達(dá)100%。

1.1.5頂桿與射流組合式取苗

高捷等[23]采用頂桿與射流組合式取苗，推桿頂入缽腔，打破穴盤與缽體之間的粘結(jié)力，利用氣流非接觸取苗。但此種取苗方式僅適于盤根效果好的穴盤苗，且功耗較大。Shaw[24]先利用高壓氣流松脫苗缽，再利用頂桿將穴盤苗頂出(圖3)，頂桿末端設(shè)有若干斜向前方的噴嘴，取苗時(shí)噴嘴靠近缽體并噴射高壓氣體使缽體與缽腔分離，再用頂桿將穴盤苗頂出。試驗(yàn)證明，取苗成功率從不使用氣流輔助沖擊的65%提高到95%。

v為頂桿運(yùn)動(dòng)方向。1.頂桿；2.穴盤底孔；3.穴盤苗；4.缽體；5.穴盤；6.噴嘴；7.進(jìn)氣口。v is the moving direction of the mandrel.1.Mandrel; 2.Tray hole; 3.Plug seedling; 4.Plug body; 5.Tray; 6.Nozzle; 7.Air inlet port.圖3 頂桿與射流組合式取苗結(jié)構(gòu)Fig.3 Piston and jet combination type pick-up mechanism

1.2 指鉗式取苗

指鉗式取苗可分為插入夾持式和直接夾持式。1)插入夾持式取苗末端執(zhí)行器利用1對(duì)或多個(gè)取苗針插入并夾緊缽苗缽體，在自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下將穴盤苗從穴盤取出，移送至送苗機(jī)構(gòu)或栽植機(jī)構(gòu)正上方，取苗針?biāo)砷_并推出缽苗，完成1次取苗[25-27](圖4(a)[28])。該取苗方式利用缽體的基質(zhì)-根系復(fù)合特性[29-32]，成功率高、送苗過程可靠，應(yīng)用廣泛，但在取苗針在插入、夾持和移動(dòng)缽苗過程中，取苗針可能破壞莖葉或缽體、刺穿莖葉，特別是對(duì)于西蘭花、甘藍(lán)等展幅較大的葉菜類穴盤苗。另外，插入式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)對(duì)取苗針運(yùn)動(dòng)軌跡、取苗和投苗的位姿有較高要求，送苗穩(wěn)定性還需進(jìn)一步研究。2)直接夾持式取苗機(jī)構(gòu)利用末端執(zhí)行器的機(jī)械手指夾持缽苗莖部進(jìn)行取苗、投苗[33-36]，如寧津金利達(dá)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的田耐爾自動(dòng)秧苗移栽機(jī)夾莖式取苗機(jī)械手(圖4(b))。由于穴盤苗展寬、莖粗、苗高以及苗在缽腔的生長位置都具有隨機(jī)性，缽體與穴盤具有一定粘結(jié)力，機(jī)械手在夾持拔拉過程中易造成秧苗莖葉損傷，使穴盤苗移栽后的緩苗期增長，所以，夾莖式取苗適合直立度較好、莖部粗壯的缽苗，如番茄、辣椒等。

圖4 插入夾持式(a)和直接夾持式(b)取苗末端Fig.4 Insert clamping type (a) and direct clamping type (b) manipulator

1.2.1滑道式取苗機(jī)構(gòu)

以滑道機(jī)構(gòu)作為取苗運(yùn)動(dòng)軌跡的取苗機(jī)構(gòu)，可完成復(fù)雜的取苗和輸送動(dòng)作，但存在取苗效率低、機(jī)構(gòu)振動(dòng)和沖擊較大、滑道磨損導(dǎo)致取苗精度下降等問題[38-43]。Choi等[38]研發(fā)了多桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的滑道式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，由固定滑道、曲柄(驅(qū)動(dòng)桿)、連桿、搖桿和滑塊等組成(圖5(a))，取苗針安裝在滑塊上，搖桿和滑道控制取苗針的位置和姿態(tài)。取苗裝置由2個(gè)取苗針、2個(gè)推苗環(huán)、活塞桿和導(dǎo)向板組成。取苗針固定在導(dǎo)向板上，活塞桿在兩導(dǎo)向板之間往復(fù)移動(dòng)，使取苗針插入夾緊缽體或放松推出缽體(圖5(b))，取苗效率為30 株/min，取苗成功率為97%。李華等[44]設(shè)計(jì)了行星輪系驅(qū)動(dòng)的滑道式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率為62 株/min，移栽合格率為93.4%。胡敏娟等[45]設(shè)計(jì)了不完全齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的滑道式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，取苗效率為80 株/min，成功率為80.4%。

ω3為曲柄角速度。A1，B1，C1，D1分別為準(zhǔn)備、夾苗、提苗、推苗過程。1.搖桿；2.滑道；3.滑塊；4.連桿；5.曲柄；6.導(dǎo)向板；7.活塞桿；8.取苗針；9.推環(huán)。ω3 is crank angular velocity. A1, B1, C1 and D1 are the preparation, clamping, lifting, and pushing states, respectively.1.Rocker; 2.Slideway; 3.Slider; 4.Connecting rod; 5.Crank; 6.Guide plate; 7.Piston rod;8.Plug seedling picking-up needle; 9.Push ring.圖5 滑道式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(a)和機(jī)械手取苗過程(b)Fig.5 Chute type seedling mechanism (a) and manipulator pick-up seedling process (b)

1.2.2直線滑臺(tái)式取苗機(jī)構(gòu)

直線滑臺(tái)式取苗機(jī)構(gòu)由多個(gè)滑臺(tái)組合而成，驅(qū)動(dòng)取苗機(jī)械手完成預(yù)定軌跡[46-50]。韓綠化等[46]研發(fā)了溫室穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，采用直角坐標(biāo)式移動(dòng)滑臺(tái)來驅(qū)動(dòng)兩指四針鉗夾式末端取苗執(zhí)行器完成取苗和送苗，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸送裝置進(jìn)行間歇供苗(圖6(a))。取苗末端執(zhí)行器主要由微型氣缸、彈簧、橡膠氣囊、叉形夾取針等組成，利用橡膠氣囊和外圍收緊彈簧撐開和收緊兩根氣缸機(jī)械手指，橡膠氣囊和彈簧均具有一定柔性，該機(jī)械手依據(jù)缽苗物理力學(xué)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕取苗過程對(duì)缽苗的損傷(圖6(b))，以西蘭花、辣椒、番茄、黃瓜穴盤苗為移栽對(duì)象進(jìn)行取苗試驗(yàn)，取苗成功率大于90%。Ryu, K H[51]、Feng等[52]研制的直線滑臺(tái)式氣動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)整盤穴盤苗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，取苗機(jī)械手只抓取正常穴盤苗進(jìn)行移栽。

圖6 直線滑臺(tái)式取苗機(jī)構(gòu)(a)和取苗末端執(zhí)行器(b)Fig.6 Linear slide table type seedling mechanism (a) and seedling manipulator (b)

1.2.3旋轉(zhuǎn)升降式取苗機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)升降式取苗機(jī)構(gòu)的機(jī)械手固定在可旋轉(zhuǎn)和升降的機(jī)架上，機(jī)械手活動(dòng)范圍為一圓柱體內(nèi)。嚴(yán)霄月等[53]借鑒日本井關(guān)PVHR2型旋轉(zhuǎn)托杯式半自動(dòng)移栽機(jī)，設(shè)計(jì)了一種“一”型旋轉(zhuǎn)升降式取苗機(jī)構(gòu)的全自動(dòng)移栽機(jī)(圖7(a))。凸輪驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)取苗執(zhí)行器取苗和投苗，以黃瓜穴盤苗為移栽對(duì)象，實(shí)現(xiàn)整排取苗間隔投苗功能。旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)用于協(xié)助取苗末端執(zhí)行器完成下降夾苗、上升、順時(shí)針轉(zhuǎn)90°至投苗位置投苗、逆時(shí)針轉(zhuǎn)90°回到取苗位置一系列動(dòng)作。以黃瓜苗為取苗對(duì)象，當(dāng)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)取苗效率為90株/min時(shí)，取苗成功率為75%，當(dāng)取苗效率為60 株/min時(shí)、取苗成功率可達(dá)95%。另外，張俊雄等[54]提出了“十”型旋轉(zhuǎn)升降式取苗機(jī)構(gòu)(圖7(b))，宋琦等[55]提出了“口”型旋轉(zhuǎn)升降式雙排取苗機(jī)構(gòu)，均通過減少空行程使取苗效率進(jìn)一步提高。

圖7 “一”型(a)和“十”型(b)旋轉(zhuǎn)升降式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.7 “一” type (a) and “十” type (b) rotary lifting type seedling pick-up mechanism structure

1.2.4多桿驅(qū)動(dòng)式取苗機(jī)構(gòu)

多桿驅(qū)動(dòng)式取苗采用平面多桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取苗機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取苗[56-60]。曲柄為主動(dòng)桿，通過連桿帶動(dòng)搖桿擺動(dòng)，取苗針固定在連桿上，多桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取苗針插入并夾緊穴盤苗缽體，穴盤苗隨連桿移動(dòng)，當(dāng)穴盤苗到達(dá)投苗口的正上方時(shí)，排苗桿將穴盤苗撥下，穴盤苗豎直落入栽植機(jī)構(gòu)中，完成一次取苗(圖8(a)[56])。謝守勇等[61]設(shè)計(jì)了斜插式夾持式取投苗裝置(圖8(b))，由雙曲柄多桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取苗機(jī)械手完成取投苗，主動(dòng)桿轉(zhuǎn)速為12 r/min，苗盤傾斜角度為45°時(shí)，取投苗效果最佳，此時(shí)基質(zhì)破碎率為3.13%，取投苗成功率為94.44%。

1.排苗桿；2.苗指；3.缽苗；4.支架；5.搖桿；6.連桿；7.曲柄。AB為機(jī)架；AD為主動(dòng)桿；BC為從動(dòng)桿。D為鉸接點(diǎn)；E1為取苗點(diǎn)；E2為投苗點(diǎn)；Ei為取投苗過程中的任意一點(diǎn)。ω0為曲柄角速度；ω1為向取苗點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)主動(dòng)桿角速度；ω2為向投苗點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)主動(dòng)桿角速度。1. Seedling pushing rod; 2. Seedling finger; 3. Plug seedling; 4. Rack; 5. Rocker; 6. Connecting rod; 7.Crank.AB is the frame; AD is the active rod; BC is the driven rod. D is the hinge point; E1 is the seedling pick-up point;E2 is the seedling injection point; Ei is any point in the process of pick-up seedlings.ω0 is the crank angular velocity; ω1 is the angular velocity of the active rod when theseedling clamping mechanism moves to the seedling pick-up point; ω2 is the angular velocityof the active rod when the seedling clamping mechanism moves to the seedling throwing point.圖8 曲柄搖桿式(a)和雙搖桿式(b)多桿自動(dòng)取苗原理Fig.8 Crank rocker type (a) and double rocker type (b) multi-rod automatic seedling pick-up mechanism schematic diagram

1.2.5旋轉(zhuǎn)行星系式取苗機(jī)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)式行星系式自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)將橢圓齒輪機(jī)構(gòu)或偏心齒輪-非圓齒輪機(jī)構(gòu)和非圓齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行組合，是一類新型高速自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，行星輪系自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)每旋轉(zhuǎn)1周可進(jìn)行2次取投苗，實(shí)現(xiàn)高速取苗[62-71]，但旋轉(zhuǎn)式行星系取苗臂為高速平面復(fù)合運(yùn)行，具有較大的慣性力。葉秉良等[72]設(shè)計(jì)了偏心齒輪-非圓齒輪行星系自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)(圖9)，并對(duì)該取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性分析，優(yōu)選出最佳的參數(shù)組合方案。

P為取苗針尖；B—A—C—D為取苗軌跡；D—E—B為空回程軌跡。P is the tip of seedling actuator; B-A-C-D is the seedling pick-up trajectory; D-E-B is the empty return trajectory.圖9 偏心齒輪-非圓齒輪行星系取苗(a)和取苗末端結(jié)構(gòu)圖(b)Fig.9 Seedling pick-up mechanism of planetary gear train with eccentric gear and non-circular gear (a) and seedling manipulator structure (b)

1.3 直落式取苗

空氣整根營養(yǎng)缽育苗相對(duì)于普通穴盤育苗，可顯著提高蔬菜產(chǎn)量，空氣整根營養(yǎng)缽的缽腔為底大上小的錐臺(tái)體，只能采用缽苗從穴盤直接落下的取苗方式。取苗時(shí)，穴盤苗以豎直姿態(tài)從穴盤脫落，直接落入送苗裝置或栽植機(jī)構(gòu)。直落式取苗可分為機(jī)械下壓式、負(fù)壓式、氣吹式等，其機(jī)構(gòu)布置較靈活，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)有序取苗，可同時(shí)完成取苗和投苗[73]，缺點(diǎn)是需要定制特殊穴盤，穴盤苗在下落過程中容易對(duì)幼苗莖葉造成損傷，該取苗方式只適合生長均勻，且幼苗展寬小于穴盤缽腔尺寸的穴盤苗。

1.3.1機(jī)械下壓式取苗

馬旭等[74]研制了機(jī)械下壓式空氣整根穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，撥指套沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)撥指套與杠桿右端接觸時(shí)，杠桿右端上升左端下降，杠桿左端將投秧爪架壓下，安裝在投秧爪架上的投秧爪將穴盤苗壓下，完成投苗，雙導(dǎo)柱起導(dǎo)向作用，投苗結(jié)束后回位彈簧將投苗抓架拉回，等待下一周期取苗(圖10)。

1.3.2負(fù)壓式取苗

負(fù)壓式取苗利用電磁鐵或氣缸驅(qū)動(dòng)的活塞產(chǎn)生真空度進(jìn)行取苗，由真空筒、導(dǎo)苗管、電磁鐵、活門等組成。當(dāng)穴盤苗到達(dá)投苗口時(shí)，電磁鐵帶動(dòng)真空筒內(nèi)的活塞移動(dòng)使與真空筒連通的導(dǎo)苗管內(nèi)形成負(fù)壓，外部大氣壓使導(dǎo)苗管的活門關(guān)閉，當(dāng)導(dǎo)苗管內(nèi)的真空度增大到一定值時(shí)，穴盤苗在大氣壓力和自身重力的作用下落入導(dǎo)苗管，此時(shí)導(dǎo)苗管內(nèi)的氣壓與大氣壓相等，活塞門張開，完成取苗[75-77]。

α為壓苗角；ω為轉(zhuǎn)盤角速度。1.導(dǎo)柱；2.投秧爪架；3.回位彈簧；4.杠桿；5.撥指套；6.投秧爪。α is the seedling pressure angle;ω is the angular velocity of the turntable.1.Guide pillar; 2.Frame for throwing seedling claw; 3.Returnspring; 4.Lever; 5.Driving lever sleeve; 6.Throwing seedling claw.圖10 機(jī)械下壓式取苗原理Fig.10 Mechanical pressure type pick-up mechanism schematic diagram

孫廷琮等[78]設(shè)計(jì)了負(fù)壓水流式取苗裝置，利用風(fēng)機(jī)在投苗管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，穴盤苗在負(fù)壓、水流沖擊和穴盤苗重力的聯(lián)合作用下，落入投苗管內(nèi)，完成取苗。Huang[79]設(shè)計(jì)了可采用水流噴射下壓取苗的可拆卸苗盤，利用高壓水流進(jìn)行取苗，取苗效率高，但移栽機(jī)長時(shí)間工作時(shí)需攜帶大量水，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。

1.3.3氣吹式取苗和氣缸推出式取苗

王蒙蒙[73]根據(jù)下壓式取苗方案的原理，提出氣吹式取苗和氣缸推出式取苗2種取苗方案(圖11)，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，氣吹式取苗對(duì)秧苗傷害小，但對(duì)缽體傷害大，僅適用于根系發(fā)達(dá)的穴盤苗，并且氣吹式取苗動(dòng)力消耗大，吹氣時(shí)有噪音。氣缸推出式取苗相對(duì)于氣吹式取苗，動(dòng)力消耗小，對(duì)缽體傷害較小，對(duì)作物種類適應(yīng)性強(qiáng)，但容易對(duì)穴盤苗的莖葉造成損傷。

1.待取穴盤苗；2.噴嘴；3.穴盤；4.穴盤苗；5.輸送帶；6.機(jī)架；7.氣缸；8.頂桿；9.J形導(dǎo)軌1. Plug seedling for picking-up; 2. Nozzle; 3. Tray; 4. Plug seedling; 5. Conveyer belt; 6. Frame; 7. Air cylinder; 8. Mandril; 9. J-shaped guide圖11 氣吹式取苗(a)和氣缸推出式取苗(b)方案Fig.11 Air blowing type (a) and cylinder push type (b) seedling pick-up mechanism

通過對(duì)各自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，頂出式、頂夾式取苗機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，取苗效率高，不易傷苗；指鉗式取苗性能穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)；直落式取苗機(jī)構(gòu)布置靈活，可同時(shí)完成取苗和投苗，但需特制的穴盤，僅適合小苗移栽(表1)。

表1 主要取苗方式優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 The advantages and disadvantages of the main method of seedling pick-up mechanism

2 自動(dòng)取苗技術(shù)面臨的問題與應(yīng)對(duì)措施

2.1 存在的主要問題

2.1.1制缽、育苗、取苗等環(huán)節(jié)不匹配

穴盤苗自動(dòng)移栽是一個(gè)系統(tǒng)工程，它需要以下設(shè)備：制缽設(shè)備、播種設(shè)備、育苗管理設(shè)備、穴盤苗運(yùn)輸設(shè)備和移栽設(shè)備等[80]。過去幾十年里，我國蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)相互分離，自成體系，如中國穴盤一般采用聚苯乙烯、聚氯乙烯加工制成，屬于軟質(zhì)穴盤，難以實(shí)現(xiàn)高精度定位。穴盤穴數(shù)已實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，但缽腔大小、深度及底孔尺寸缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，造成穴盤種類繁多，缽體也多種多樣，不利于工廠化育苗和自動(dòng)取苗技術(shù)的發(fā)展[81]。同時(shí)，在引進(jìn)國外先進(jìn)移栽設(shè)備的同時(shí)，也引進(jìn)了其配套的穴盤，如洋馬蔬菜移栽機(jī)配套的軟質(zhì)十字底孔穴盤，F(xiàn)errari移栽機(jī)配套的泡沫穴盤等。蔬菜的品種、營養(yǎng)土配方、育苗方式、移栽農(nóng)藝等在不同區(qū)域和不同氣候環(huán)境存在較大區(qū)別，阻礙了自動(dòng)取苗技術(shù)的發(fā)展。

2.1.2蔬菜利潤降低，勞動(dòng)者兼職化老齡化嚴(yán)重

隨著國內(nèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場(chǎng)趨于飽和，而蔬菜生產(chǎn)成本不斷增加，利潤逐漸降低。發(fā)展穴盤育苗和自動(dòng)化移栽，從長遠(yuǎn)看可有效降低蔬菜生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率，但前期投入較大，后期需要對(duì)自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，降低了蔬菜生產(chǎn)企業(yè)引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備的積極性。調(diào)查表明，大中城市郊區(qū)菜農(nóng)平均年齡約為60歲，農(nóng)村菜農(nóng)平均年齡約55歲，蔬菜生產(chǎn)勞動(dòng)力短缺、勞動(dòng)力老齡化嚴(yán)重。另外，大多數(shù)蔬菜生產(chǎn)基地雇請(qǐng)的勞動(dòng)力多為兼職農(nóng)民，存在生產(chǎn)技能低、不能快速接受新技術(shù)等問題[82]。

2.1.3缺乏高性能取苗技術(shù)

近年來，我國全自動(dòng)移栽機(jī)及自動(dòng)取苗技術(shù)得到快速發(fā)展，相關(guān)論文和專利較多，但仍停留在實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)試制階段。所研制的自動(dòng)取苗裝備往往針對(duì)特定作物、特定取苗條件，整體上存在通用性和適應(yīng)性較差，傷苗率高、取苗效率較低等問題，嚴(yán)重制約了全自動(dòng)移栽技術(shù)的發(fā)展。目前，市場(chǎng)上的全自動(dòng)移栽機(jī)以仿制國外型移栽機(jī)為主，不適合我國蔬菜生產(chǎn)農(nóng)藝。

2.1.4研發(fā)條件高、周期長、投入大

研發(fā)自動(dòng)取苗技術(shù)需要科研單位具有較高的科研水平、生產(chǎn)能力和良好的試驗(yàn)條件，科研人員應(yīng)熟悉制缽、育苗、移栽等農(nóng)藝，還應(yīng)具備一定機(jī)械設(shè)計(jì)、建模仿真、試驗(yàn)分析等能力?？蒲性核蒲袟l件好，人員綜合素質(zhì)高，但制造水平較弱，而農(nóng)機(jī)企業(yè)生產(chǎn)能力強(qiáng)，科研能力較弱。取苗技術(shù)研發(fā)周期長，難度大，投入高，影響企業(yè)的持續(xù)研發(fā)的積極性。

2.2 應(yīng)對(duì)措施

2.2.1制缽、育苗、取苗等環(huán)節(jié)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)我國蔬菜種植農(nóng)藝和自動(dòng)取苗要求，統(tǒng)一穴盤規(guī)格，制定穴盤詳細(xì)技術(shù)參數(shù)，結(jié)合各地方氣候條件，依據(jù)現(xiàn)有行業(yè)、國家、地方標(biāo)準(zhǔn)，制定蔬菜育苗、移栽的詳細(xì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，使研發(fā)制缽、育苗、取苗設(shè)備時(shí)有章可循[83]。蔬菜生產(chǎn)各環(huán)節(jié)需緊密配合，技術(shù)上相互支持。例如，為防止取苗時(shí)發(fā)生散坨，缽體應(yīng)具有一定粘結(jié)度；缽上播種時(shí)應(yīng)盡量播到穴孔的中心位置，以提高穴盤苗均勻度；采用潮汐式水肥供應(yīng)以提高穴盤苗的直立度；穴盤苗生物學(xué)特性和物理特性應(yīng)均勻一致，避免穴盤苗之間莖葉發(fā)生纏繞。建立育種、制缽、育苗、取苗等環(huán)節(jié)技術(shù)體系，各環(huán)節(jié)、各學(xué)科技術(shù)人員進(jìn)行聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)，才能實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝有機(jī)結(jié)合。

2.2.2采用新理念開發(fā)取苗技術(shù)

借鑒國外先進(jìn)取苗技術(shù)，充分了解蔬菜缽苗力學(xué)特性和我國蔬菜種植農(nóng)藝，總結(jié)現(xiàn)有取苗技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，開放思路，采用新理念對(duì)取苗技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[84]，包括取苗方式、驅(qū)動(dòng)方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新等，并通過仿真、試驗(yàn)等手段不斷優(yōu)化。在滿足農(nóng)藝要求、提高自動(dòng)化程度的前提下，兼顧取苗裝備的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，提高自動(dòng)取苗效率、精度和穩(wěn)定性。對(duì)取苗效果好、適應(yīng)能力強(qiáng)的取苗技術(shù)進(jìn)行推廣。加快科研單位科技成果轉(zhuǎn)化，使科研更好的服務(wù)于實(shí)際生產(chǎn)。另外，要注重基礎(chǔ)研究，如營養(yǎng)土配比、缽體規(guī)格、缽苗力學(xué)特性等，為自動(dòng)取苗技術(shù)的研究提供理論依據(jù)[85-86]。

2.2.3農(nóng)業(yè)部門引導(dǎo)，國家宏觀調(diào)控

穴盤育苗和蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化的可行性和經(jīng)濟(jì)性已得到論證，但菜農(nóng)知識(shí)水平和對(duì)新技術(shù)的認(rèn)知能力普遍較低，對(duì)機(jī)械化生產(chǎn)和新技術(shù)的應(yīng)用不能快速接受，為加快蔬菜工廠化育苗、機(jī)械化生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)部門應(yīng)適時(shí)進(jìn)行積極引導(dǎo)。促使家庭小規(guī)模生產(chǎn)經(jīng)營方式轉(zhuǎn)變?yōu)榇笠?guī)模集約化生產(chǎn)管理，充分發(fā)揮工廠化育苗和機(jī)械化作業(yè)優(yōu)勢(shì)。適當(dāng)提高農(nóng)機(jī)購置補(bǔ)貼，降低蔬菜移栽機(jī)械價(jià)格，加快全自動(dòng)移栽技術(shù)的推廣[80]。另外，加強(qiáng)自動(dòng)取苗技術(shù)的研發(fā)投入，制定相關(guān)政策，鼓勵(lì)育苗單位、科研院所和農(nóng)機(jī)生產(chǎn)企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)，以提高研發(fā)積極性。

我國全自動(dòng)移栽目前發(fā)展不成熟，自動(dòng)取苗技術(shù)還需進(jìn)一步完善，因此，現(xiàn)階段應(yīng)對(duì)半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)并重發(fā)展，在加快研制自動(dòng)取苗技術(shù)的同時(shí)，加強(qiáng)推廣中小型半自動(dòng)移栽機(jī)，以提高我國蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化水平。

3 自動(dòng)取苗技術(shù)發(fā)展方向探討

為快速實(shí)現(xiàn)蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗，要從制缽、育苗、取苗等多方面進(jìn)行系統(tǒng)完善，根據(jù)國內(nèi)外全自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用情況，對(duì)當(dāng)前自動(dòng)取苗技術(shù)總結(jié)分析，提出以下發(fā)展建議：

1)提高取苗速率，降低缽苗損傷率，提高取苗速率和取苗精度、降低缽苗損傷率一直是自動(dòng)取苗技術(shù)研究的關(guān)鍵，取苗效率直接決定著自動(dòng)移栽效率，因此，高速低損傷取苗一直是自動(dòng)取苗技術(shù)的發(fā)展方向。

2)向簡(jiǎn)單型和智能型發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，性能好的取苗技術(shù)優(yōu)先推廣使用。同時(shí)，結(jié)合傳感器、視覺伺服控制、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)，在完成取苗送苗作業(yè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)秧苗識(shí)別、缺苗補(bǔ)償?shù)裙δ?，提高系統(tǒng)可靠性[87-92]；

3)向機(jī)-電-液-氣一體式和機(jī)械式發(fā)展，機(jī)-電-液-氣一體式取苗機(jī)構(gòu)取苗效率和自動(dòng)化程度高，主要應(yīng)用在大型寬幅移栽機(jī)上，適合平原地區(qū)大面積移栽。機(jī)械式單株取苗機(jī)構(gòu)，靈活穩(wěn)定，多用在小型移栽機(jī)上，適用于丘陵、溫室等小面積移栽。

4)取苗機(jī)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，并向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和規(guī)格化方向發(fā)展，根據(jù)不同取苗要求便于更換。通過對(duì)現(xiàn)有半自動(dòng)機(jī)型進(jìn)行少量改造，即可安裝自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)移栽機(jī)改造為全自動(dòng)移栽機(jī)，從而提升半移栽機(jī)的自動(dòng)化水平。

5)制缽、育苗、取苗、栽植一體式發(fā)展，基質(zhì)配比、缽體尺寸、穴盤規(guī)格、工廠化育苗等環(huán)節(jié)統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有利于實(shí)現(xiàn)蔬菜全程機(jī)械化作業(yè)，提高作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率。