旱地作物機(jī)械化移栽關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)*

張妮，張國(guó)忠，王姣，李碩，盧麗君，董昭

(1. 武昌首義學(xué)院機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，武漢市，430064； 2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢市，430070)

0 引言

移栽又稱移植，是將已培育好的幼苗移栽到大田的一種農(nóng)藝，可增加土地復(fù)種指數(shù)，大幅提高作物產(chǎn)量及品質(zhì)，機(jī)械化移栽可提高種植質(zhì)量且降低生產(chǎn)成本[1]。采用移栽方式種植的旱地作物有糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物和藥用作物等三類，其中糧食作物有玉米等，經(jīng)濟(jì)作物主要有棉花、蔬菜、煙草、油菜等，藥用作物有丹參等。以上三類相比而言，移栽種植方式在經(jīng)濟(jì)作物的運(yùn)用最為廣泛。

中國(guó)現(xiàn)階段機(jī)械化移栽技術(shù)的研究起步較晚，目前市場(chǎng)上尚沒有成熟的機(jī)型應(yīng)用。以蔬菜種植為例，中國(guó)蔬菜產(chǎn)量約占世界蔬菜總產(chǎn)量的60%，2020年設(shè)施蔬菜種植面積達(dá)4 200 khm2，約有60%的蔬菜是采用育苗移栽種植，但機(jī)械化程度不高，目前仍以人工移栽為主。現(xiàn)有機(jī)械大多引進(jìn)或仿制國(guó)外產(chǎn)品，其總體保有量較少，主要原因在于采用機(jī)械移栽作業(yè)時(shí)存在效率低、成本高、傷苗、易漏栽等問題，成為制約移栽機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵因素，提高自動(dòng)化移栽機(jī)發(fā)展水平迫在眉睫[2-4]。

機(jī)械化移栽主要包括前期的育苗準(zhǔn)備階段，苗盤輸送、夾苗取苗、補(bǔ)苗與栽植等環(huán)節(jié)，文章闡述機(jī)械化移栽環(huán)節(jié)中這些環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀以及吊杯式、導(dǎo)苗管式、鏈夾式及撓性圓盤式移栽機(jī)的研究現(xiàn)狀及市場(chǎng)應(yīng)用情況，對(duì)旱地作物機(jī)械化移栽技術(shù)與裝備研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析，可為機(jī)械化移栽的深入研究和進(jìn)一步發(fā)展提供參考。

1 機(jī)械化移栽關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 育苗質(zhì)量及秧苗移栽特性

育苗是移栽的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，目前育苗方式主要有穴盤缽體苗、裸苗、毯狀苗和基質(zhì)塊苗[1]。為給機(jī)械化移栽提供理論基礎(chǔ)依據(jù)和解決送取苗過程中存在的問題，專家和學(xué)者針對(duì)不同作物幼苗的生長(zhǎng)質(zhì)量、力學(xué)物理特性參數(shù)以及與送取苗裝置的適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

在幼苗生長(zhǎng)質(zhì)量研究方面，對(duì)不同幼苗的長(zhǎng)勢(shì)參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)有苗株高、株干鮮重、莖粗、莖葉鮮重、葉片理化性，根系根長(zhǎng)、活力、體積質(zhì)等[5-8]。張碩等[5]分別通過試驗(yàn)得出黃瓜苗的株高、莖粗和植株干鮮重受基質(zhì)成分和配比影響顯著；黃瓜苗的根系根長(zhǎng)、根體積受基質(zhì)類型、配比、壓實(shí)度影響大；黃瓜苗的株高、莖粗和莖葉鮮重與施肥時(shí)營(yíng)養(yǎng)液濃度相關(guān)。朱傳霞等[8]研究油菜生長(zhǎng)過程中葉片理化性質(zhì)和根系活力受不同硼硒營(yíng)養(yǎng)液濃度影響大。

在秧苗力學(xué)物理特性參數(shù)方面，為提高取苗機(jī)構(gòu)抓取可靠性，童俊華等[9]研究得出適當(dāng)?shù)睦徝鐘A持角度、取苗爪結(jié)構(gòu)以及基質(zhì)成分配比可提高抓取成功率。金鑫等[10-12]研究得出機(jī)械移栽時(shí)缽體破損率、取苗成功率主要受缽苗的基質(zhì)配比和力學(xué)性能、取苗裝置取苗角度、速度及夾取力影響。針對(duì)油菜方形壓縮基質(zhì)塊苗的基質(zhì)易出現(xiàn)破損問題，胡喬磊等[13]進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出基質(zhì)塊苗在特定的成分配比、壓實(shí)度、營(yíng)養(yǎng)液濃度以及特定的傳送速度和取苗頻率的條件下移栽效果最佳。韓綠化等[14]以黃瓜穴盤苗對(duì)象，針對(duì)夾缽過程中缽體的力學(xué)特性開展試驗(yàn)研究，得出缽體抗壓能力隨夾取的深入越來越強(qiáng)，夾緊力的最佳取值可超過生物屈服點(diǎn)；夾取部位應(yīng)位于根系緊密區(qū)，可減少缽體破損率。

綜上，基質(zhì)成分配比、壓實(shí)度及營(yíng)養(yǎng)液濃度等是影響缽苗力學(xué)特性及幼苗生長(zhǎng)質(zhì)量的主要因素，從而顯著影響移栽質(zhì)量。缽苗力學(xué)物理特性的試驗(yàn)研究可利用質(zhì)地分析儀和測(cè)力裝置，開展夾持力試驗(yàn)、碰撞試驗(yàn)和基質(zhì)壓縮等試驗(yàn)，分析力學(xué)規(guī)律或構(gòu)建力學(xué)模型，如：苗莖稈破斷力，缽體Burgers模型蠕變特性，缽體抗壓特性，缽體脫盤阻力特性等，并根據(jù)移栽的夾取方式不同(夾缽式或夾苗式)，選取不同的試驗(yàn)方式，通過試驗(yàn)優(yōu)化獲取移栽機(jī)末端夾取器的形狀、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、夾取部位、角度和深度等參數(shù)。

1.2 苗盤輸送技術(shù)

苗盤輸送是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化移栽的重要技術(shù)環(huán)節(jié)[15]，目前國(guó)內(nèi)研究略顯不足，現(xiàn)有研究分三類：機(jī)械式、機(jī)電氣聯(lián)動(dòng)、機(jī)器視覺。其中較多地采用機(jī)械式，利用橫向和縱向間歇送盤，同步協(xié)調(diào)工作，定位精度受制于零部件累計(jì)誤差[16]。機(jī)電氣控制聯(lián)動(dòng)式，一般由步進(jìn)電機(jī)或步進(jìn)氣缸，PLC控制系統(tǒng)、位置傳感器，輔助定位機(jī)構(gòu)、同步帶或傳動(dòng)鏈等組成，靠步進(jìn)電機(jī)或氣缸驅(qū)動(dòng)同步帶移動(dòng)，產(chǎn)生的脈沖信號(hào)控制苗盤移動(dòng)。機(jī)器視覺可識(shí)別空穴，但由于成本較高且對(duì)振動(dòng)敏感，主要應(yīng)用于溫室穴盤的平面二維定位。

國(guó)內(nèi)研究多集中在第二類機(jī)電氣聯(lián)動(dòng)。崔魏等[17]基于齒輪五桿機(jī)構(gòu)獲得取苗爪運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)出精準(zhǔn)橫向、縱向間歇送苗機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取苗。國(guó)外生產(chǎn)的RTW系列移栽機(jī)[18]，其輸送系統(tǒng)采用寬輥道，可同時(shí)移栽四盤秧苗，由氣缸驅(qū)動(dòng)方式推送苗盤，輸送系統(tǒng)效率較高。日本研制PT6000型移栽機(jī)器人[19]，苗盤輸送裝置將幼苗輸送到拔苗器下方，光電傳感器可檢測(cè)識(shí)別是否缺苗，控制系統(tǒng)為單點(diǎn)觸摸式控制面板，且?guī)в凶栽\斷裝置，若無缺苗則進(jìn)行幼苗定點(diǎn)取放，該移栽機(jī)器人智能化程度較高。

綜上所述，為提高效率，整排式取苗為今后研究趨勢(shì)；輸送過程中的精準(zhǔn)定位、準(zhǔn)確供苗是實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)送苗自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，特別是大田試驗(yàn)中由于機(jī)構(gòu)本身和行走振動(dòng)，對(duì)持續(xù)精準(zhǔn)定位和供苗是較大的考驗(yàn)。國(guó)外移栽機(jī)智能化程度較高，但結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本高，較難適應(yīng)我國(guó)的中小型種植規(guī)模。

1.3 夾苗取苗技術(shù)

國(guó)內(nèi)對(duì)夾苗取苗機(jī)構(gòu)的研究較多集中在取苗執(zhí)行機(jī)構(gòu)和夾苗末端執(zhí)行器兩方面。

許博等[20-21]針對(duì)油菜紙缽苗移栽機(jī)開發(fā)出氣動(dòng)插入，多桿式聯(lián)動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，如圖1所示，末端執(zhí)行器采用兩根取苗針插入式，臺(tái)架試驗(yàn)的取苗成功率為92%。王蒙蒙等[22-23]設(shè)計(jì)的蔬菜移栽機(jī)采用了曲柄擺桿式夾苗機(jī)構(gòu)，性能試驗(yàn)結(jié)果為缽體破碎率為4.2%，綜合取苗成功率為95.8%。童俊華等[9, 24]穴盤移栽末端執(zhí)行器的選擇上分別采取了指針式和指鏟式兩種方式對(duì)苗缽基質(zhì)進(jìn)行抓取。并通過離散元模擬基質(zhì)在穴盤孔中的自然沉降，通過仿真試驗(yàn)分析不同含水率和基質(zhì)配比下受力的變化情況。試驗(yàn)得出最佳含水率為60%、基質(zhì)配比為6∶3∶1時(shí)對(duì)劣苗的缽體基質(zhì)平均剔凈率為70.8%。

圖1 油菜紙缽苗移栽機(jī)Fig. 1 Rape paper pot seedling transplanter1.旋耕裝置 2.取苗末端執(zhí)行器 3.缽苗放置裝置 4.栽植機(jī)構(gòu) 5.取苗機(jī)構(gòu) 6.空壓機(jī) 7.懸掛裝置 8.機(jī)架

蔣卓華等[25]鑒于常規(guī)插拔式和夾取式設(shè)計(jì)出插拔夾取式末端執(zhí)行器，采用單氣缸驅(qū)動(dòng)，通過試驗(yàn)得出一定的基質(zhì)配比、含水率、單株基質(zhì)質(zhì)量下，移栽成功率達(dá)到100%，基質(zhì)塊的損傷率為17%。梁喜鳳等[26]設(shè)計(jì)的補(bǔ)苗末端執(zhí)行器工作對(duì)象為嫩小子葉缽苗，取苗和補(bǔ)苗成功率均為100%。潘杰等[27]設(shè)計(jì)指夾式取苗爪，基于EDEM-RecurDyn進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)得出取苗成功率96%以上，缽體破碎率為0。韓綠化等[28]設(shè)計(jì)出用于鉗夾式移栽機(jī)的兩指四針取苗末端執(zhí)行器，試驗(yàn)得出苗缽含水率水平顯著影響根土破壞，而入缽角度、深度及根系等因素對(duì)根土破壞無顯著性影響。韓豹等[29]設(shè)計(jì)的針式末端執(zhí)行器采用四根插入針，針之間間距可調(diào)，由直流電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，以缽體完整性為目標(biāo)用離散元模擬仿真試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)了脫落在穴孔內(nèi)的顆粒質(zhì)量，分析了加速度、穴盤規(guī)格、邊距比對(duì)基質(zhì)顆粒脫落的影響，試驗(yàn)得到缽體完整率為97.97%，取苗失敗率為0.81%。上述文獻(xiàn)中，童俊華等[9， 24]運(yùn)用離散元仿真，分析取苗過程中苗缽體的物理特性，為夾苗取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了較為深入的理論基礎(chǔ)，其研究手段值得借鑒。

國(guó)外夾苗取苗機(jī)構(gòu)的研究起步較早[30]，Choi等[31]研發(fā)的自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)為固定滑道式，驅(qū)動(dòng)方式采用多桿機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)桿為曲柄，連桿帶著穴盤苗移動(dòng)，滑塊上安裝有2個(gè)取苗針，取苗針的位置和姿態(tài)由搖桿和滑道控制，取苗成功率為97%；Ryu等[32]研制的取苗機(jī)構(gòu)為直線滑臺(tái)式，采用氣缸驅(qū)動(dòng)，取苗成功率為98%左右。

綜上所述，現(xiàn)有夾苗末端執(zhí)行器，根據(jù)夾取部位分夾缽式和夾苗式兩種；根據(jù)夾取末端結(jié)構(gòu)有針式、鏟式等；根據(jù)取苗動(dòng)作可分為夾取式、插拔式、頂出式及復(fù)合式，其中插拔式一般是插入到缽體基質(zhì)深處，動(dòng)作的選取對(duì)于缽苗的損傷至關(guān)重要，應(yīng)結(jié)合取苗機(jī)構(gòu)，分析其受力原理選取適合的方式[33]。取苗中存在的主要問題在于取苗裝置對(duì)缽苗損傷率高，作業(yè)效率不夠高，通用性和自適應(yīng)性差。臺(tái)架試驗(yàn)性能效果較好，但由于田間環(huán)境復(fù)雜得多，田間試驗(yàn)性能往往不夠穩(wěn)定，故研發(fā)周期拉長(zhǎng)，市場(chǎng)應(yīng)用開發(fā)進(jìn)展較慢。

1.4 補(bǔ)苗及栽植技術(shù)

溫室苗盤自動(dòng)補(bǔ)苗環(huán)節(jié)的研究主要集中在缽苗視覺識(shí)別和作業(yè)路徑規(guī)劃。吳儉敏等[34]進(jìn)行了苗盤缽苗自動(dòng)識(shí)別研究，將移栽機(jī)的漏栽率降到了12%；賀磊盈等[35]基于貪心遺傳算法對(duì)穴盤苗補(bǔ)苗路徑進(jìn)行優(yōu)化，得出該算法所規(guī)劃的補(bǔ)苗路徑比全遺傳算法可縮短33.8%～41.3%；楊振宇等[36]利用機(jī)器視覺檢驗(yàn)缽苗的直立度和高度，用以判斷是否適栽；童俊華等[37]針對(duì)溫室穴盤缽苗稀植移栽分別作了基于遺傳算法和貪心算法的移栽路徑優(yōu)化。王永維等[38-39]通過獲取穴盤苗的圖像并進(jìn)行缺苗檢測(cè)，判定正確率為100%。

栽植機(jī)構(gòu)按原理可分為開苗溝式、打穴式和鴨嘴栽插式。開苗溝式和打穴式分別需要提前開溝和打穴，再進(jìn)行栽植。開苗溝式一般利用鏟形開溝器提前開出一條溝壑，再將秧苗均勻地輸送至溝內(nèi)，最后進(jìn)行掩埋固定，垂直率難保證，且易掛苗。相比之下打穴式可提高移栽質(zhì)量，但打穴和栽植兩個(gè)動(dòng)作需精準(zhǔn)并協(xié)同配合，對(duì)控制系統(tǒng)要求高，結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，目前鮮少應(yīng)用。目前鴨嘴栽插式栽植器應(yīng)用較多。

2019年許春林等[40]設(shè)計(jì)出Hermite插值非圓齒輪行星輪系草莓缽苗移栽機(jī)構(gòu)，用一套回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)完成取苗、輸送、挖穴與栽植4個(gè)工序，取苗成功率92%，移栽成功率85%。萬霖等[41]對(duì)水稻插秧機(jī)改進(jìn)了送秧機(jī)構(gòu)、分插機(jī)構(gòu)、植苗和定苗機(jī)構(gòu)以及行走機(jī)構(gòu)，研制出小型蔬菜移栽機(jī)。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的自動(dòng)移栽機(jī)，取苗裝置通過氣動(dòng)控制取苗作業(yè)，每個(gè)取苗單元由一排取苗指組成，取苗指與苗盤缽苗間隔對(duì)應(yīng)，通過夾取缽苗莖稈方式取出缽苗。與該取苗方式相似的還有山東金利達(dá)公司的田耐爾牽引式自動(dòng)穴盤移栽機(jī)，使用PLC電氣控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)苗盤的自動(dòng)連續(xù)輸送，采用的是吊杯式栽植器，自動(dòng)化程度較高[41-42]。

歐美自動(dòng)移栽技術(shù)較為成熟，機(jī)型偏大型化和智能化，其主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)形式大部分為氣動(dòng)，以及電液驅(qū)動(dòng)。意大利Fabrizio等[43]基于DGNSS-RTK技術(shù)與液壓裝置結(jié)合研制出全自動(dòng)葡萄移栽機(jī)，該機(jī)經(jīng)半懸掛圓盤移栽機(jī)改造而成，特點(diǎn)是適用性強(qiáng)，可在丘陵和山區(qū)作業(yè)無需預(yù)先整地，效率較高。控制系統(tǒng)配備內(nèi)置激光器(以保持行距相等)和連續(xù)線纜系統(tǒng)(作為同步集)，通過DGNSS-RTK控制端計(jì)算葡萄樹的移栽位置，由電液元件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。

綜上，自動(dòng)補(bǔ)苗和路徑規(guī)劃是提升移栽機(jī)智能化水平的關(guān)鍵技術(shù)：(1)利用視覺檢測(cè)，替代智能化程度不高的光電傳感器檢測(cè)，采用圖像識(shí)別苗高、直立度判別秧苗的合格率以及計(jì)算漏栽率；(2)補(bǔ)苗取苗的路徑規(guī)劃，優(yōu)化計(jì)算機(jī)算法。中國(guó)這方面的研究尚處于初級(jí)階段，與移栽機(jī)的配合程度及應(yīng)用性有待提高，需進(jìn)一步探索實(shí)用性。

可借助的現(xiàn)代手段和方法：在前期建模設(shè)計(jì)完成后，可以優(yōu)先針對(duì)秧苗取出和栽植兩個(gè)關(guān)鍵過程，利用Matlab通過數(shù)學(xué)模型公式計(jì)算得到某點(diǎn)的理論軌跡曲線，結(jié)合ADAMS分析其機(jī)構(gòu)原理，進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，得到秧苗運(yùn)動(dòng)軌跡仿真工作軌跡，提取秧苗的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)行物理樣機(jī)虛擬仿真，對(duì)部件機(jī)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；后期研制出樣機(jī)后，借助高速攝影錄像采集，結(jié)合圖像分析軟件，得到實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡，與仿真模擬出的軌跡，以及理論軌跡曲線三者進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真理論及仿真試驗(yàn)的真實(shí)度，并進(jìn)一步利用虛擬實(shí)驗(yàn)得到的最佳因素組合，進(jìn)行樣機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，得到樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)論和移栽成功率、株距合格率、漏栽率、深度合格率、直立度合格率等移栽質(zhì)量參數(shù)。

此外可利用有限元仿真軟件EDEM分析，機(jī)械化移栽中兩個(gè)關(guān)鍵過程：(1)取苗時(shí)，苗缽體與工作部件如夾苗爪相互作用關(guān)系下，缽體內(nèi)基質(zhì)顆粒的完整性或損失率；(2)落苗時(shí)，缽體落入穴孔土壤中，缽體基質(zhì)顆粒于土壤顆粒之間的相互作用機(jī)理，及其對(duì)栽植質(zhì)量的影響，例如栽植深度和垂直率。目前針對(duì)取苗過程的物料特性研究較多，但對(duì)缽體苗落入土中過程的物料特性對(duì)移植質(zhì)量影響因素的研究較少?？衫肊DEM軟件，仿真模擬缽體入穴的過程，探究秧苗或缽體內(nèi)基質(zhì)等對(duì)象與土壤間相互作用機(jī)理，分析苗缽與田地土壤相互作用，從而分析其特性因素對(duì)秧苗狀態(tài)的影響，如直立度及栽深，為裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 移栽機(jī)裝備現(xiàn)狀

移栽機(jī)按栽植器的結(jié)構(gòu)形式不同可分為吊杯式、導(dǎo)苗管式、鏈夾式及撓性圓盤式，其適用性及特點(diǎn)對(duì)比見表1，部分代表機(jī)型的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表1 4種半自動(dòng)移栽方式的特點(diǎn)Tab. 1 Characteristics of four transplanting methods

表2 部分代表機(jī)型技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Parameters of partial representative equipments

2.1 吊杯式和鉗夾式移栽機(jī)

吊杯式移栽機(jī)在市場(chǎng)上應(yīng)用最廣泛，根據(jù)栽植器結(jié)構(gòu)不同可分為轉(zhuǎn)盤式、行星齒輪式和多連桿式[44]。鉗夾式有圓盤夾式和鏈條夾式移栽機(jī)[45]。兩者工作原理均是秧苗隨栽植器作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，高處人工喂苗，低處植入土壤，不同的是，吊杯式秧苗是靠自重落入苗穴[46-47]。鴨嘴式和吊杯式移栽機(jī)的栽植器較相似，鴨嘴式的驅(qū)動(dòng)分?jǐn)[臂式和行星輪式兩種。鴨嘴的張合可通過帶復(fù)位彈簧的彎頭和凸輪控制，凸輪的推程輪廓接觸彎頭壓縮彈簧，使鴨嘴張開，回程時(shí)彈簧復(fù)位鴨嘴閉合。

吊杯式和鉗夾式兩大類代表機(jī)型國(guó)內(nèi)外最多，如圖2所示，日本PVHR2型[48]雙行膜上栽植機(jī)為擺臂鴨嘴式移栽，采用投苗杯下方的齒輪驅(qū)動(dòng)8個(gè)苗杯圓周運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合凸輪多桿件傳動(dòng)使鴨嘴按“腰果形”的軌跡做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，可延長(zhǎng)接苗時(shí)間，實(shí)現(xiàn)零速投苗保證直立度，當(dāng)苗杯轉(zhuǎn)動(dòng)到鴨嘴栽植器上方時(shí)，苗杯的下端蓋打開，幼苗落入栽植器中，兩個(gè)栽植器上下交替接苗和植苗，移栽的直立度較好，栽植器形成的穴口小，可避免地膜被刮破。

圖2 PVHR2型蔬菜移栽機(jī)Fig. 2 PVHR2 vegetables transplanter

HOTECH的鴨嘴式四行移栽機(jī)如圖3所示，人工將幼苗投入栽植器中，每行6個(gè)栽植器圓周均布，由鏈條驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，鴨嘴轉(zhuǎn)到最下方由撥桿打開，依次旋轉(zhuǎn)植苗。

吊杯式和鉗夾式移栽機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一在于實(shí)現(xiàn)零速植苗，可借助ADAMS模型對(duì)栽植器的位移軌跡和速度進(jìn)行分析，分析鴨嘴式栽植器的水平運(yùn)動(dòng)速度為0的時(shí)刻，此刻植苗，破土面積最小，直立率也最高[49-52]。

此外，入土之前缽苗在栽植器的運(yùn)動(dòng)過程是先與內(nèi)壁面接觸碰撞下滑，期間還有平面運(yùn)動(dòng)，對(duì)栽植質(zhì)量有較大影響，該過程的理論分析是栽植器的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

(a) 四行人工乘坐投苗

(b) 6個(gè)栽植器圓周運(yùn)動(dòng)圖3 HOTECH鴨嘴式四行移栽機(jī)Fig. 3 HOTECH four rows transplanter with duckbill

2.2 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)

多功能導(dǎo)苗管式移栽機(jī)，由人工將苗盤架上的苗盤移放至輸送帶，工作時(shí)，由移栽機(jī)前方的推土鏟平地，開溝器開出苗溝，攪拌好的肥料由肥箱經(jīng)下方管道排入苗溝。與此同時(shí)，上方輸送帶已將缽苗運(yùn)送到導(dǎo)苗管管口，苗體在自重下沿管內(nèi)壁滑落，由導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)直接栽植，或苗下落到導(dǎo)苗管最下端時(shí)，支架轉(zhuǎn)動(dòng)使栽植器到達(dá)最高位置，接到苗體后往下轉(zhuǎn)動(dòng)到最低位置時(shí)在彈簧裝置的作用下打開植苗。栽植器在上升過程中，彈簧收縮，將栽植器末端合攏，最后覆土，注水器灑水，完成移栽[53]。

國(guó)外對(duì)于導(dǎo)苗管式移栽機(jī)機(jī)型研制較為成功，代表機(jī)型多，均已推廣使用。例如英國(guó)Florida移栽機(jī)，美國(guó)Model 6000移栽機(jī)，意大利FAST系列移栽機(jī)等。國(guó)內(nèi)導(dǎo)苗管式移栽機(jī)機(jī)型較少，且停留在試制階段，市場(chǎng)化應(yīng)用較少。主要有黑龍江農(nóng)墾科學(xué)院研制的2ZB型移栽機(jī)和中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)研制的2DF導(dǎo)苗管式移栽機(jī)等。

2.3 撓性圓盤式移栽機(jī)

撓性圓盤式移栽機(jī)由人工將幼苗擺放至送苗裝置，在傳送帶作用下送苗裝置夾持幼苗垂直向下運(yùn)動(dòng)，兩片柔性圓盤在上端時(shí)張開夾持幼苗，至地面溝槽內(nèi)時(shí)放苗移栽。該類移栽機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)為宜栽區(qū)間的確定，可借助Adams軟件編寫撓性圓盤投苗過程的仿真腳本，驗(yàn)證其仿真過程與實(shí)際過程是否吻合。同時(shí)對(duì)栽植過程中幼苗的運(yùn)動(dòng)軌跡方程及曲線，幼苗軌跡為余擺線，兩個(gè)零速栽苗點(diǎn)形成的區(qū)間為宜栽區(qū)間，田間試驗(yàn)的檢驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)為幼苗直立度、栽苗合格率、傷苗率[54-55]。

上述4種半自動(dòng)移栽機(jī)部分代表機(jī)型如表2所示。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)業(yè)可連續(xù)耕作地塊面積大，其移栽機(jī)偏向大型智能化聯(lián)合作業(yè)，融合電控、液壓、氣壓等技術(shù)，機(jī)型適于在大塊田地多行作業(yè)，其制造成本較高，不符合中國(guó)國(guó)情，引進(jìn)較少[56-58]。日本三大品牌小型移栽機(jī)在中國(guó)占據(jù)市場(chǎng)份額多，作業(yè)行數(shù)有1～6行不等，性能穩(wěn)定，但價(jià)格較高。半自動(dòng)移栽機(jī)械化技術(shù)在國(guó)內(nèi)外研究較為成熟，機(jī)型多樣。國(guó)內(nèi)仍以半自動(dòng)移栽為主，工作效率較低，功耗相對(duì)較大，依賴人工手動(dòng)喂苗，易造成漏栽，且效率較低，不足國(guó)外的一半。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求大，但移栽機(jī)研制成本高，且多以機(jī)械結(jié)構(gòu)為主，性能不夠穩(wěn)定。

3 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

3.1 存在問題

由于中國(guó)種植模式多樣，標(biāo)準(zhǔn)化低，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合度有待提高，研制出的自動(dòng)移栽機(jī)較少，實(shí)際應(yīng)用較少，且移栽機(jī)械化技術(shù)缺乏一定創(chuàng)新性，關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要突破，自動(dòng)化移栽技術(shù)的研究急需推進(jìn)。

1) 農(nóng)藝沒有考慮宜機(jī)化，重視程度低。機(jī)械化移栽本身對(duì)農(nóng)藝的要求較高，我國(guó)旱地作物的播種、育苗等機(jī)械化程度不高，農(nóng)藝不規(guī)范，例如溝寬、壟矩、起壟方式以及溫室大棚的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等沒有考慮宜機(jī)化，這對(duì)移栽機(jī)的適應(yīng)能力提出較高的要求。

2) 中大型移栽機(jī)推廣較慢，研發(fā)制造成本高。由于國(guó)外農(nóng)業(yè)多為大農(nóng)場(chǎng)模式，尤其是歐美國(guó)家，設(shè)計(jì)的移栽機(jī)體型龐大，制造成本高，價(jià)格昂貴。從研發(fā)制造情況看，移栽機(jī)研發(fā)周期長(zhǎng)且人力和資金投入高，影響農(nóng)機(jī)企業(yè)研發(fā)投入的積極性，而科研院所的研發(fā)與市場(chǎng)并沒有很好地結(jié)合起來。從市場(chǎng)推廣情況來看，我國(guó)多為小農(nóng)戶種植，分布廣而散，一般農(nóng)民負(fù)擔(dān)不起，小型號(hào)的機(jī)型更適宜于我國(guó)作物的種植模式。

3) 易破損，幼苗損傷大。損傷主要集中在取苗和栽植兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是取苗機(jī)構(gòu)作為移栽機(jī)最核心的部件之一，其主要問題為取苗成功率低、漏取、幼苗受傷、缽體易破損等，直接影響了整機(jī)移栽質(zhì)量。幼苗的損傷率以及栽后長(zhǎng)勢(shì)一直是評(píng)價(jià)種植機(jī)械性能的重要指標(biāo)，移栽傷苗、漏栽不可避免，可以采取補(bǔ)苗措施，將損失降低至可接受范圍之內(nèi)。

4) 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能化程度低。傳統(tǒng)的移栽機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較多地采用復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)方式，易造成幼苗損傷問題。農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜多變、作業(yè)對(duì)象差異性較大使得其移栽質(zhì)量下降。隨著電子電氣技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)等將使移栽機(jī)械向著智能化的方向發(fā)展。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)

1) 農(nóng)藝、農(nóng)機(jī)與農(nóng)信融合發(fā)展。隨著農(nóng)業(yè)信息化、智慧農(nóng)場(chǎng)和“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)傳感器技術(shù)、精細(xì)農(nóng)業(yè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等綜合應(yīng)用于作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)、種植檢測(cè)、系統(tǒng)決策等環(huán)節(jié)，提高了資源利用率和工作效率。實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)信息技術(shù)的深度融合，能有效提高種植機(jī)械的智能化水平。

2) 現(xiàn)代技術(shù)的運(yùn)用。離散單元法、虛擬樣機(jī)技術(shù)、高速攝像技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的運(yùn)用為自動(dòng)化移栽機(jī)的取苗、送苗、栽植等過程研究及其機(jī)理闡釋提供了很好的手段。研究人員除開展機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論分析外，還可利用上述仿真軟件開展虛擬試驗(yàn)研究，同時(shí)配合高速攝影技術(shù)對(duì)虛擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，從而優(yōu)化機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，提高裝備的可靠性和移栽作業(yè)質(zhì)量。

3) 移栽關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)缽苗的生物學(xué)特性和力學(xué)特性的深入研究可為移栽的夾取苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，此外可開展幼苗植入土壤過程的試驗(yàn)研究，從而對(duì)栽植器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前取苗機(jī)構(gòu)研究較多，但對(duì)送苗環(huán)節(jié)研究不足，整排式取苗及移栽可以大幅提高移栽效率，配合整排是多株缽苗同時(shí)栽植的送苗機(jī)構(gòu)急需推進(jìn)，是將來的研究趨勢(shì)。

4) 機(jī)型創(chuàng)新性、通用性待突破。移栽關(guān)鍵技術(shù)過于依賴國(guó)外現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，缺乏創(chuàng)新性。目前典型的吊杯式、導(dǎo)苗管式、鏈夾式及撓性圓盤式成熟的移栽機(jī)型，各有利弊，適用性差別較大，可考慮融合這些機(jī)型已有機(jī)構(gòu)，或結(jié)合某些環(huán)節(jié)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，從而研制出通用性更高的機(jī)型。

5) 移栽的高效化。為加速移栽機(jī)高效化、自動(dòng)化進(jìn)程，中國(guó)開始探索式地進(jìn)行整排式穴盤苗移栽機(jī)的研究，但多集中于整排式多株缽苗的取送苗研究，對(duì)于與栽植器的配合工作欠考慮，且鮮少考慮苗盤更換機(jī)構(gòu)，相關(guān)的控制系統(tǒng)往往在室內(nèi)試驗(yàn)效果好，大田復(fù)雜環(huán)境下缺乏可靠性。提高移栽高效化且穩(wěn)定性是移栽機(jī)將來發(fā)展趨勢(shì)。

6) 移栽機(jī)的智能化。視覺檢測(cè)和圖像處理等先進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展較快，將其運(yùn)用于移栽前缽苗的質(zhì)量判別、移栽的路徑規(guī)劃，以及移栽后作業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)方面如果可以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)性質(zhì)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)調(diào)整，提高機(jī)型智能化也是一大趨勢(shì)。

7) 移栽機(jī)器人技術(shù)。移栽機(jī)器人技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)和趨勢(shì)，但是相比嫁接、采摘除草機(jī)器人的發(fā)展仍滯后。目前難點(diǎn)在于自動(dòng)取苗、送苗、投苗等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的集成設(shè)計(jì)。控制系統(tǒng)可采用單片機(jī)程序、PLC程序及Fuzzy-PID控制等，配合氣動(dòng)系統(tǒng)、行程開關(guān)、輸送裝置的協(xié)同，利用傳送帶、圖像采集相機(jī)和機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)，這些部分的集成和技術(shù)的深入研究，都將推動(dòng)移栽機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展。

8) 移栽作業(yè)無人化。自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)與移栽機(jī)結(jié)合，該技術(shù)在大面積作業(yè)的水田已經(jīng)得到應(yīng)用，水稻插秧機(jī)無人駕駛技術(shù)相對(duì)已經(jīng)成熟，但旱地移栽對(duì)象一般為非經(jīng)濟(jì)型作物，應(yīng)用少，相關(guān)的研究也鮮少有人開展，隨著自動(dòng)導(dǎo)航以及無人駕駛技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)移栽無人化作業(yè)是未來發(fā)展趨勢(shì)。