蔬菜嫁接機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

付月勝，宋 健，，解福祥，高 鵬

（1.山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590；2.濰坊學院機電與車輛工程學院，山東濰坊 261061）

0 引言

截至到2019 年7 月，中國蔬菜種植面積已突破0.2億hm2，產(chǎn)量在7億t以上，產(chǎn)值約兩萬億元[1]。除馬鈴薯之外的茄科蔬菜和瓜科蔬菜種植面積約占總種植面積的1/3。在蔬菜的種植推廣階段，由于蔬菜的病害率、果實品質(zhì)、耐寒性等因素導致產(chǎn)量低下，無法進行規(guī)模化、商業(yè)化種植，直到上世紀80年代，現(xiàn)代蔬菜嫁接技術(shù)開始在日韓歐美中等國普及[2]，蔬菜種植商業(yè)化的萌芽才開始逐漸形成。

嫁接是無性繁殖中的營養(yǎng)生殖的一種，是一種通過使砧木與接穗緊密結(jié)合，使兩者接觸處輸導組織的相鄰細胞分化成同型組織，從而使輸導組織相連成新個體的技術(shù)[3]。通過嫁接技術(shù)可以有效的防止病蟲害的發(fā)生，改善果實品質(zhì)，提高耐寒性，克服連作危害[4]，提高蔬菜根系吸收能力。

傳統(tǒng)嫁接方式多采用人工嫁接，這種方式作業(yè)速度緩慢，不利于商業(yè)化的蔬菜嫁接，而且，由于嫁接人員技術(shù)的差異化，嫁接成活率略低，大大增加了蔬菜嫁接的商業(yè)成本，而蔬菜嫁接機可以有效提高蔬菜嫁接的速率和成活率，因此，研發(fā)集成化、自動化、商業(yè)化的嫁接機迫在眉睫。

1 國內(nèi)外蔬菜嫁接機研究現(xiàn)狀

1.1 國外蔬菜嫁接機研究狀況

日本、韓國農(nóng)業(yè)比較發(fā)達，特別是瓜類、茄類蔬菜種植面積較為廣泛，是最早一批進行蔬菜嫁接機研發(fā)的國家。

1986年，日本開始對蔬菜嫁接機進行研究。1987年，日本農(nóng)林水產(chǎn)省特定產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究推進機構(gòu)聯(lián)合多家企業(yè)推出瓜科蔬菜半自動嫁接機G871[5-11]，該機操作比較復雜且嫁接成活率較低。1989年與1991年，在G871的基礎(chǔ)上成功研制出了G892和G913。其中，G892對蔬菜幼苗的損傷過大，成活率普遍不高。G913是全自動形式嫁接機，通過傳感器自動定位識別幼苗，以此實現(xiàn)全自動的蔬菜嫁接。

1992年，三菱公司開發(fā)了MGM600[13]型自動嫁接機，嫁接速度為600株/h。1993年，日本全國農(nóng)協(xié)聯(lián)合會攜手小松公司共同推出茄科蔬菜用KGM0128型嫁接機，生產(chǎn)率可達1000株/h，但該機型采用平接法，需要專門的生物粘接劑，因此推廣受限。

1994年，日本井關(guān)公司分別針對茄科蔬菜和瓜科蔬菜推出了GR800系列蔬菜嫁接機，生產(chǎn)率達800株/h，成活率高達95%。2011年，該公司又研制出了GRF800系列瓜科蔬菜嫁接機，該系列嫁接機可視化程度比較高，員工可以通過觸屏操作實現(xiàn)對嫁接機的相關(guān)操作，極大釋放了操作員工的柔性工作。

洋馬公司于1994年和2003年分別推出AG1000型和T600型蔬菜嫁接機[14]，嫁接成活率都在97%以上。AG1000能同時對6株苗木進行嫁接作業(yè)，處理速度相對較快，但體積龐大。T600型蔬菜嫁接機因需人工單株上苗，雖操作簡單，但也導致嫁接速度過低。2017年，日本的SOP-JAG800-U[12]型自動嫁接機登入中國，處理能力為800株/h。

雖然日本早期的蔬菜嫁接機自動化程度在當時處在世界先進行列，但受科技發(fā)展水平的限制，僅能對單一某科目蔬菜進行嫁接作業(yè)，適用范圍較窄，且當時集成化程度較低，體積臃腫，同時因價格原因無法大面積推廣。

韓國嫁接機的研發(fā)始于上世紀90年代。第一款為小型化的半自動蔬菜嫁接機，最高生產(chǎn)率為310株/h。由于韓國特殊的國情，該嫁接機在設(shè)計之初對標成本與體積，因此，上市后在韓日中等國有一定投放，但受嫁接方法的影響，無法大面積普及。2004年Helper Robotech公司推出的AFGR-800CS型超精密嫁接機器人系統(tǒng)[14]，生產(chǎn)率可達800株/h，該機能對多種科目蔬菜幼苗進行嫁接，處理精度在1 mm以內(nèi)，自動化程度處在當時世界一流水準。

除了亞洲國家外，歐洲各國也在21世紀初期開始加入蔬菜嫁接機研發(fā)的行列。荷蘭ISO Group公司[15]是歐洲最早研發(fā)嫁接機的公司，于2007年開發(fā)出Graft1000全自動嫁接機，生產(chǎn)效率可達1000株/h，嫁接成功率為99%。之后在2010年又研制成功Graft1200型自動嫁接機[16]（圖1），生產(chǎn)率可達1050株/h。這兩種機型自動化程度相對較高，但價格較昂貴，為了降低銷售價格，又在2014年又推出Graft1100型茄科蔬菜半自動嫁接機[17]（圖2），該機型價格相對于前兩種機型有很大的動作空間，但嫁接速度絲毫不遜于前兩種機型。除了荷蘭，西班牙Conic System公司和意大利Atlantic Man.SRL公司相繼研制出EMP-300[18]型半自動嫁接機（圖3）和GR300[19-21]系列嫁接機（圖4）。

圖1 Graft1200型自動嫁接機

圖2 Graft1100型茄科蔬菜半自動嫁接機

圖3 EMP-300 型半自動嫁接機

圖4 GR300型嫁接機

1.2 國內(nèi)蔬菜嫁接機研究現(xiàn)狀

我國對蔬菜嫁接機的研究晚于日、韓等國。我國第一臺蔬菜嫁接機是山東省濰坊市農(nóng)業(yè)機械研究所于1997年研制的SJZ-1型蔬菜自動嫁接機[22]，該機型自動化程度不高且成活率較低，生產(chǎn)效率僅為310株/h。第二年，中國農(nóng)業(yè)大學的張鐵中教授推出適用于瓜科蔬菜的2JSZ-600型[23]蔬菜嫁接機。該機型也是被國內(nèi)各高校研究所最為熟知的一款機型，但該機型每小時僅能嫁接600株，成活率與同期的日韓等國成產(chǎn)的嫁接機有不小差距。2009年，張鐵中團隊又在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，推出雙臂蔬菜嫁接機[24]，嫁接速度為854株/h。

2005年東北農(nóng)業(yè)大學的辜松教授推出2JC-350型瓜科果蔬嫁接機[25]，該機型有意提升砧木穗木對接成功率，采用雙銷定位，但成活率仍低于世界同期水準，且嫁接速度約為同期世界水平的1/3。但該嫁接機，價格、成本以及操作難易程度比較符合國內(nèi)需求。之后在此基礎(chǔ)上推出2JC-450、2JC-500、2JC-600等新型嫁接機[26-28]。

2010年，國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心設(shè)計研發(fā)了整穴盤嫁接的瓜科全自動嫁接機[29]，可以同時對5株苗木進行嫁接，是國內(nèi)首款大批量嫁接的機型。

2012年，天津市農(nóng)業(yè)機械研究所針對葫蘆科蔬菜研發(fā)出便攜式蔬菜自動嫁接機[30]，工作效率為人工作業(yè)的6倍。同年，北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心基于“貼接法”推出了雙工位上苗的蔬菜嫁接機[31]，其嫁接效率處在國內(nèi)頂尖水平，比同期國內(nèi)平均嫁接效率高18個百分點，約為884株/h。2013年浙江大學推出斜插式蔬菜嫁接機。

2014年，褚佳等人基于“貼接法”嫁接技術(shù)設(shè)計出葫蘆科營養(yǎng)缽苗單人操作嫁接機器人[32]，該機型僅需一人完成上苗即可，大大解放勞動生產(chǎn)率，但嫁接速率僅為人工的1.36倍，考慮成本因素，相對于人工嫁接的優(yōu)勢并不明顯。2015年，北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心與北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心聯(lián)手推出茄果類蔬菜嫁接機[33]。2018年，青島農(nóng)業(yè)大學與山東中天盛科自動化設(shè)備有限公司聯(lián)合推出JS-6型蔬菜嫁接機。

2020年，劉凱等人提出流水線作業(yè)模式[34]并研發(fā)出基于“流水線”的茄果類種苗半自動嫁接機，該機型將夾持、切削、對接、下苗分成不同工位，大大提高了作業(yè)速度，是國內(nèi)首款嫁接速率追平世界先進水平的機器。

2 蔬菜嫁接機關(guān)鍵機構(gòu)總結(jié)

蔬菜嫁接機一般由自動供苗系統(tǒng)、夾持機構(gòu)、切削機構(gòu)、苗木對接機構(gòu)、自動下苗系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。其中，控制系統(tǒng)一般以PLC或者單片機為核心，技術(shù)已經(jīng)相當成熟。自動下苗系統(tǒng)的技術(shù)核心與供苗系統(tǒng)類似，在這里也不多做贅述。苗木嫁接的方法有很多，但在自動嫁接領(lǐng)域一般以貼接法、針接法和套管法為主，針對不同嫁接方法，苗木對接機構(gòu)相對單一。因此，在這里僅對自動供苗系統(tǒng)、加持機構(gòu)和切削機構(gòu)剖析其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

2.1 自動供苗系統(tǒng)

自動供苗系統(tǒng)主要用于苗木的運輸，一般由穴盤輸送裝置、苗木檢測裝置、苗木拾取裝置和控制系統(tǒng)組成。

圖5為西北農(nóng)林科技大學研發(fā)的瓜科嫁接機自動供苗系統(tǒng)[35]。苗木輸送裝置將穴盤輸送到苗木拾取裝置附近，苗木檢測裝置檢測到幼苗后，輸送帶停止，苗木拾取裝置撿拾幼苗到夾持機構(gòu)，撿拾裝置每撿拾一株幼苗，移動一個苗間距，撿拾完預(yù)設(shè)位次后復位，苗木輸送裝置運送穴盤一個苗間距。

圖5 瓜科嫁接機自動供苗系統(tǒng)

2JT-1600B型高速茄果類嫁接機是在華南農(nóng)業(yè)大學在2JT-1600型嫁接機基礎(chǔ)上研發(fā)的高速嫁接機（圖6）。通過增設(shè)上苗裝置[36]，可實現(xiàn)2000株/h的嫁接速率。首先，由人工將砧木從穴盤中取出放置到傳送鏈的苗座上，由傳送鏈將苗木運送到機械手拾取位置后出發(fā)光電傳感器，之后機械手動作，拾取砧木到夾持機構(gòu)。

圖6 2JT-1600B型高速茄果類嫁接機上苗裝置

2.2 夾持機構(gòu)

夾持機構(gòu)主要起引導幼苗方向，矯正幼苗彎曲程度，固定幼苗并方便后續(xù)切削的作用。

2JC-500型自動嫁接機的加持機構(gòu)[38]呈“L”型，分動、定兩夾，由電磁鐵提供動力，電磁鐵得電，夾持機構(gòu)動夾動作，失電后，由復位彈簧控制夾持機構(gòu)動夾復位。

頂芽斜插瓜類嫁接機[39]的夾持機構(gòu)由夾持與壓苗機構(gòu)組成，此機構(gòu)需要人工去除生長點后放入機械夾頭內(nèi)，經(jīng)氣缸驅(qū)動完成砧木夾持，然后壓苗片落下，完成對砧木子葉的壓平。

2018年，青島農(nóng)業(yè)大學針對穴盤整盤嫁接過程中夾持定位精度過差、損傷率較高等因素推出了適用于整盤嫁接的夾持機構(gòu)[40]。該機構(gòu)可以實現(xiàn)單株幼苗的橫向夾持和穴盤內(nèi)整行苗木的縱向夾持。針對因幼苗彎曲導致嫁接質(zhì)量不佳問題，浙江大學開發(fā)了一款凹凸形夾持機構(gòu)[41]，其夾持厚度與夾持力可以根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)（圖7）。

圖7 浙江大學斜插式嫁接機砧木夾持機構(gòu)

2.3 切削機構(gòu)

切削機構(gòu)主要用于對幼苗的切削。2JC-500型自動嫁接機的切削機構(gòu)[38]由電磁鐵提供動力，電磁鐵得電后控制中間桿推動切刀切斷幼苗，失電后，由復位彈簧控制切刀復位。頂芽斜插瓜類嫁接機的切削機構(gòu)[39]。該機構(gòu)操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，僅需將穗木苗放入切刀槽內(nèi)，然后驅(qū)動氣缸，即可完成切削過程。

瓜科全自動嫁接機砧木苗夾持切削機構(gòu)[43]可以在夾持砧木的同時完成切削作業(yè)。整個機構(gòu)由攏苗桿、切刀夾、切刀、壓苗片、砧木夾和導苗板組成。首先，攏苗桿向下、向前動作，待砧木進入砧木夾后完成預(yù)夾緊過程，延時后，切刀完成第一次切削，氣缸控制砧木夾、切刀夾、切刀和壓苗片整體上移，到達設(shè)定高度后壓苗片下壓，切刀完成第二次切削，使砧木根部平齊，砧木夾完全夾緊，為后續(xù)打孔作業(yè)做準備。

2012年，北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心根據(jù)“貼接法”的嫁接機理專門設(shè)計了蔬菜嫁接機的切削裝置[44]。該切削裝置包括砧木切削裝置和穗木切削裝置，砧木切削采用自下而上的旋轉(zhuǎn)切削設(shè)計，穗木切削采用自上而下的切削方案。

為了提升嫁接的效率，江蘇省農(nóng)業(yè)科學院在2019年研制了蔬菜嫁接苗的高速切割裝置[45]（圖8）。此裝置可以對嫁接苗進行整盤流水線式切削，切削速率達3700株/h。高速切割裝置主要由傳送帶、電機、偏心輪、刀架、刀具和分苗器構(gòu)成，刀具安裝在刀架上，刀架與偏心輪連接，電機驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)動，進而帶動刀具做往復切割運動。驅(qū)動電機，傳送帶運輸穴盤，苗木經(jīng)分苗器梳理后，被刀具切割。

圖8 高速切割裝置

3 存在問題及未來趨勢

3.1 相關(guān)輔助因素的限制

由于育苗方式及天然苗木生長的差異化，導致同種科目的幼苗形態(tài)差異巨大，為了能夠提高嫁接的成功率，只得開發(fā)相應(yīng)的輔助機構(gòu)對幼苗進行定位夾持，這無形中增加了嫁接機的操作難度。為了便于嫁接機的夾持切削，應(yīng)該針對不同科目蔬菜幼苗開發(fā)統(tǒng)一的精量化播種設(shè)備，制定統(tǒng)一的育苗培養(yǎng)機制，盡可能培養(yǎng)形態(tài)差異不大的幼苗。除此之外，識別定位技術(shù)已經(jīng)相當成熟，對于物體識別成功率幾乎可以做到99%。通過識別定位技術(shù)可以大大提高蔬菜嫁接加持定位的工作效率，但對于在嫁接機上的應(yīng)用，考慮成本因素并沒有得到大面積普及。因此，對降低識別定位技術(shù)在嫁接機上應(yīng)用的成本需要深入研究。

3.2 國內(nèi)農(nóng)業(yè)人員主體的限制

國外嫁接機經(jīng)過30多年的發(fā)展，相關(guān)設(shè)備、技術(shù)已經(jīng)相當成熟。普遍上來說，國外的嫁接機操作方便，自動化程度較高，注重人機交互，用戶體驗好，可以有效釋放勞動生產(chǎn)力。但國內(nèi)的農(nóng)業(yè)工作人員多以農(nóng)民為主，知識學習水平受限，對于這種注重人機交互的嫁接機短時間內(nèi)難以適應(yīng)且無法承擔高昂的成本費用，這也是國內(nèi)嫁接機為何經(jīng)過20多年發(fā)展，自動化程度不如國外高的原因之一。針對國內(nèi)農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的具體情況，國內(nèi)各高校研究院只得開發(fā)成本低廉、操作簡單的機型。但是隨著科技水平的進步、設(shè)施農(nóng)業(yè)的擴大、人口老齡化的加劇，蔬菜嫁接機的自動化、數(shù)字化是必然趨勢。為了應(yīng)對這種趨勢，我們需要建立完整的培訓機制，努力提升農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的專業(yè)素養(yǎng)。

3.3 嫁接速率受限

國內(nèi)外相對成熟的蔬菜嫁接機成活率都在98%以上，工作效率在1000株左右。國內(nèi)雖然有機構(gòu)開發(fā)出多株、整盤的切削裝置且切削速度達3000株，但多株、整盤的嫁接機型仍在1000株左右。未來隨著老齡化的加劇，這種高速嫁接機的研發(fā)應(yīng)當提上日常議程。