摘要：為幫助科研人員開(kāi)闊移栽機(jī)械研發(fā)思路，系統(tǒng)了解溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，從 而 查 漏補(bǔ)缺，著力提升我國(guó)溫室缽苗機(jī)械化移栽水平。采用文獻(xiàn)綜述和歸納總結(jié)的方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外溫室穴盤(pán)苗移栽現(xiàn)狀和代表性裝備進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)對(duì)穴盤(pán)苗移栽關(guān)鍵技術(shù)部件研究進(jìn)展進(jìn)行梳理。結(jié) 果 表 明：當(dāng)前我國(guó)穴盤(pán)苗移栽領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失引起的栽培模式、裝備作業(yè)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等因素的不確定性，導(dǎo)致移栽機(jī)研發(fā)難以為繼;已有裝備功能單調(diào)，智能化程度低，無(wú)法自動(dòng)完成缽苗質(zhì)量檢測(cè)、分 級(jí)、計(jì) 數(shù)、補(bǔ)苗等一機(jī)多用功能;移栽機(jī)設(shè)計(jì)缺乏整體布局規(guī)劃和移栽策略、工藝流程優(yōu)化，致使機(jī)器體積龐大，適 用 性 不 強(qiáng)。針對(duì)上述問(wèn)題提出以下建議：盡快制定溫室穴盤(pán)苗移栽標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范行業(yè)發(fā)展;加速以機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為代表的高新技術(shù)應(yīng)用，提升機(jī)器功能和智能化程度;加 強(qiáng) 移 栽機(jī)整體設(shè)計(jì)和作業(yè)流程優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞 溫室;穴盤(pán)苗;移栽機(jī);現(xiàn)狀分析

　　溫室是我國(guó)反季節(jié)蔬菜的主要生產(chǎn)方式。2018年全國(guó)溫室蔬菜產(chǎn)量占當(dāng)年蔬菜總產(chǎn)量的30%[1]，溫室蔬菜穴盤(pán)育苗技術(shù)應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大。與傳統(tǒng)育苗方式相比，穴盤(pán)育苗抗逆性強(qiáng)，具有發(fā)芽率高、占地面積小、育苗周期短、便于機(jī)械化統(tǒng)一管理等優(yōu)點(diǎn)[2]。當(dāng)幼苗長(zhǎng)到一定程度時(shí)，為滿(mǎn)足其進(jìn)一 步 生長(zhǎng)發(fā)育要求，需要將高密度穴盤(pán)培育的幼苗移植到低密度穴盤(pán)，以縮短作物生長(zhǎng)發(fā)育期，錯(cuò)開(kāi)成熟期，提高產(chǎn)量[3]。人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，栽植質(zhì)量難以保證[4]。這種粗放的生產(chǎn)方式已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代育苗工廠(chǎng)作業(yè)精準(zhǔn)化、集約化的發(fā)展要求。另一方面，隨著農(nóng)村人口向城市大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺，雇傭成本上升[5]。

　　因此，穴盤(pán)苗機(jī)械化移栽是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)外溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)已非常成熟，基于先進(jìn)工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)的移栽機(jī)不僅效率高，作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，而且可以對(duì)缽苗品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)篩選，對(duì)移栽數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。相比之下，我國(guó)溫室移栽機(jī)發(fā)展起步較晚，但研究熱度不減。科研人員先后開(kāi)展了大量的探索和研發(fā)工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但由于作物栽培品種和模式不一，致使移栽機(jī)發(fā)展較為緩慢。本研究擬采用文獻(xiàn)綜述和歸納總結(jié)的方法，對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)代表性產(chǎn)品和最新研究進(jìn)展進(jìn)行對(duì)比，對(duì)移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)部件進(jìn)行歸納，分析國(guó)內(nèi)移栽機(jī)械當(dāng)前發(fā)展所面臨的主要問(wèn)題，并提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，以期為科研人員研發(fā)移栽機(jī)提供思路，同時(shí)幫助相關(guān)從業(yè)人員準(zhǔn)確把握移栽機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)了解行業(yè)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，從而查漏補(bǔ)缺，提高我國(guó)溫室缽苗機(jī)械移栽水平和推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化育苗工廠(chǎng)發(fā)展。

　　1 移栽機(jī)技術(shù)特征

　　1.1 栽機(jī)分類(lèi)缽苗栽培模式較多，針對(duì)不同的栽培模式移栽方法也有差異。溫室生產(chǎn)中采用機(jī)械化移栽的缽苗按照不同栽培方式主要分為基質(zhì)培種苗、水培種苗、扦插無(wú)根苗以及組培種苗等[6]。基質(zhì)培種苗在不同規(guī)格的穴盤(pán)中培育，一般基質(zhì)由泥炭、蛭石和珍珠巖等組成，這種方式更接近大田種苗生長(zhǎng)環(huán)境，取苗器通常需要插入基質(zhì)塊進(jìn)行取苗。水培種苗則利用專(zhuān)用的定植籃或海綿將種苗固定在栽培板上，通過(guò)板下的營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培育，移栽時(shí)需要設(shè)計(jì)特殊的取苗器抓取定植籃。近年來(lái)，無(wú)性繁殖育苗在種苗生產(chǎn)中的規(guī)模不斷發(fā)展壯大。無(wú)性繁殖主要指扦插、嫁接及組織培養(yǎng)。扦插苗有一個(gè)非常大的特點(diǎn)，即幼苗均是不帶基質(zhì)的裸苗。對(duì)于裸苗而言，直接觸碰柔嫩苗體極易造成損傷，這給機(jī)械夾持、移載作業(yè)帶來(lái)挑戰(zhàn)。為此國(guó)外有公司研發(fā)了一種可降解的扦插苗條帶，人工剪下苗后扦插在條帶上，然后通過(guò)機(jī)械進(jìn)行移 栽，這種扦插苗條帶方便運(yùn)輸和計(jì)數(shù)。

　　組培苗是指對(duì)植物組織進(jìn)行培養(yǎng)，使其通過(guò)部分組織再生出完整植株的過(guò)程。瓊脂常被用來(lái)作為組培基質(zhì)，這種苗對(duì)移栽機(jī)的要求更高，作業(yè)動(dòng)作需要十分輕盈。按照移栽穴盤(pán)孔數(shù)區(qū)分，移栽機(jī)有多穴-多穴和多穴-單穴2種。多穴-多穴一般指將高密度穴盤(pán)培育的缽苗移植到具有低密度孔穴的穴盤(pán)繼續(xù)培養(yǎng)。而多穴-單穴指將高密度的缽苗移植到單孔容器中，主要針對(duì)盆栽花卉生產(chǎn)和移栽。按照取苗器數(shù)量不同移栽機(jī)可分為2種：一種是單個(gè)取苗器每次只移栽單株缽苗;另一種則由整排取苗器同時(shí)對(duì)多株缽苗進(jìn)行移栽[7]。

　　1.2 苗移栽過(guò)程盡管缽苗栽培模式多種多樣，目前基質(zhì)培種苗依舊在市場(chǎng)上占比最大，絕大部分移栽機(jī)也是針對(duì)基質(zhì)苗研發(fā)的[8]。以基質(zhì)種苗為例，常見(jiàn)針式 移 栽機(jī)作業(yè)過(guò)程可分解為8個(gè)關(guān)鍵步驟：

　　1)根據(jù)缽苗空間坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)取苗器移動(dòng)到供苗穴盤(pán)及靶標(biāo)缽苗正上方的預(yù)定位置;2)取苗器下降直至其貼近基質(zhì)表面;3)末端的鋼針伸出并插入基質(zhì)塊內(nèi)部;4)整個(gè)取苗器開(kāi)始上升，完成取苗動(dòng)作;5)取苗器移動(dòng)到目標(biāo)穴盤(pán)及靶標(biāo)孔穴正上方的特定位置;6)取苗器下降將缽苗精準(zhǔn)投放到靶標(biāo)孔穴中;7)鋼針縮回，利用針筒端面的反推力將基質(zhì)塊從針上捋下，完成缽苗釋放動(dòng)作;8)取苗器上升，移動(dòng)到下一個(gè)待移栽的缽苗上方。如此重復(fù)1)～8)步驟。移栽過(guò)程中，取苗器的移動(dòng)路徑需要根據(jù)機(jī)器布局、穴盤(pán)位置、缽苗生長(zhǎng)狀況等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，一方面可以縮短路徑長(zhǎng)度，提高效率;另一方面能夠避免其與缽苗和機(jī)器部位發(fā)生碰撞。

　　1.3 栽質(zhì)量評(píng)價(jià)方法

　　目前，有關(guān)溫室缽苗移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)尚無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。已有研究中對(duì)于移栽機(jī)的質(zhì)量評(píng)價(jià)主要集中在移栽合格率、幼苗損傷率、基質(zhì)破損率、移栽倒伏率、取苗成功率、成活率等指標(biāo)。這些報(bào)道中，針對(duì)一些指標(biāo)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)也有差異，例如基質(zhì)破損程度因主觀因素影響每個(gè)文獻(xiàn)中判斷結(jié)果有所不同。相對(duì)而言，大田蔬菜幼苗移栽質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較 為 完 善。DB36/T1360—2020《茄果 類(lèi) 蔬 菜機(jī)械化移栽作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定了茄果類(lèi)蔬菜大田機(jī)械化移栽的漏載率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等術(shù)語(yǔ)，并指明了作業(yè)要求，檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。地方標(biāo)準(zhǔn) DB62/T2974—2019《蔬菜移栽機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》[10]針對(duì)導(dǎo)苗管式移栽機(jī)和鉗夾式、鏈 夾 式移栽機(jī)的立苗率、埋苗率、傷苗率、露苗率、漏栽率等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。由此可見(jiàn)，溫室缽苗移栽質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)亟需頒布，以指導(dǎo)行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

　　2 國(guó)內(nèi)外溫室缽苗移栽發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 外移栽機(jī)械現(xiàn)狀

　　國(guó)外溫室缽苗移栽機(jī)研究起步較早，最早的報(bào)道始于美國(guó)普渡大學(xué)的 Kutz[11]。早期移栽機(jī)通常以工業(yè)機(jī)器人為主體，通過(guò)安裝不同的末端執(zhí)行器完成移栽作 業(yè) 任 務(wù)。90年代 初，日 本、英 國(guó) 一 些 院校針對(duì)穴盤(pán)苗和組培苗移植技術(shù)展開(kāi)研究[12-13]。21世紀(jì)初荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)企業(yè) Visser、TTA 等公司開(kāi)始 生 產(chǎn) 穴 盤(pán) 苗 移 植 機(jī) 械。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，歐洲目前已涌現(xiàn)出 Flier、Ubinati和 Tea等一批設(shè)施移栽機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。在功能方面，這些移栽機(jī)已由簡(jiǎn)單的缽苗移植、剔苗、補(bǔ)苗向分級(jí)移植和裸苗移植等方向擴(kuò)展。

　　同時(shí)為滿(mǎn)足多元化的機(jī)械移植作業(yè)要求，一些輔助裝置，例如紙缽苗、塑料穴盤(pán)、可降解扦插苗條帶等得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，這不僅提高了移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且?guī)��?dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)升級(jí)。隨著機(jī)器視覺(jué)等最新工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，近年來(lái)這些移栽機(jī)智能化程度明顯提升，可通過(guò)觸摸屏完成數(shù)據(jù) 監(jiān) 測(cè)，作 業(yè) 參 數(shù) 設(shè) 置 及 故 障 診 斷。美 國(guó) 的AgriNomix 公 司 研 發(fā) 的 RW2100Twin 移 栽 機(jī)每小時(shí)可移栽6.1萬(wàn)株 苗。這 款 裝 備 雙臂同時(shí)移栽，種植 深 度 和 穴 盤(pán) 高 度 可 調(diào)，同 時(shí) 能 針對(duì)5個(gè) 穴 盤(pán) 進(jìn) 行 作 業(yè)[14]。意 大 利 UrbinatiS.r.l.公司研發(fā) 的 RW64 移 栽 機(jī) 作 業(yè) 效 率 為5.6萬(wàn)株/h，該機(jī)多個(gè)電動(dòng)取苗器采用獨(dú)立無(wú)線(xiàn)控制方式，可雙排同時(shí)移栽，并通過(guò)觸摸屏能進(jìn)行機(jī)器編程和自我診斷[15]。

　　荷蘭老牌設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備公司眾多，其設(shè)施園藝相 關(guān) 技 術(shù) 也 處 于 世 界 領(lǐng) 先 地 位。Visser HortiSystems公司自1967年以來(lái)，一直聚焦于園藝苗圃作業(yè)機(jī)器和生產(chǎn)線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)。其生產(chǎn)的 Pic-O-MatVision移栽機(jī)基于視覺(jué)系統(tǒng)可以剔除穴盤(pán)中的空穴 和 品 質(zhì) 差 的 苗，保 證 移 栽 苗100%優(yōu)質(zhì)，每小時(shí)最 多 可 移 栽1.92萬(wàn)株 缽 苗[16]。

　　針對(duì) 扦插苗機(jī)械化移栽的廣泛需求，Visser公司研發(fā)了一種可降解 AutoStix? 插條。這種插條使用時(shí)人工將剪下的苗扦插在條帶上，然后通過(guò) AutoStix移栽機(jī)切下條帶單體并進(jìn)行移植，插條能夠無(wú)損夾持不同莖稈粗細(xì)的缽苗，還能促進(jìn)幼苗生根，移栽效率為1.2萬(wàn)株/h[17]。TTA 公司創(chuàng)立 于1996年，開(kāi)發(fā) 了 多 款 缽 苗 移栽機(jī)，其中 MidiVision視覺(jué)選苗移栽機(jī)作業(yè)效率為0.5～4萬(wàn)株/h。該裝備移栽時(shí)能夠自動(dòng)跳過(guò)空 穴，極 大 降 低 了 漏 栽 率[18]。除 了 土 壤 基 質(zhì)外，瓊脂常被用來(lái)作為基質(zhì)對(duì)植物組織進(jìn)行培養(yǎng)，使其通過(guò)部分組織再生出完整植株。

　　組培苗生長(zhǎng)后期需要將其移栽到穴盤(pán)或盆中，幫助植物發(fā)育出更繁茂的根系。TTA 公司針對(duì)瓊脂較軟、不易抓取的特點(diǎn)開(kāi)發(fā)了 MidiFlat移栽機(jī)，針對(duì)組培植物該裝備作業(yè)效率為1.5萬(wàn)株/h[19]。除了上述代表性的移栽機(jī)以外，本研究還針對(duì)國(guó)外其他移栽裝備的關(guān)鍵參數(shù)及性能特征進(jìn)行對(duì)照。這些裝備無(wú)論在作業(yè)質(zhì)量、效 率，還是在功能、機(jī)器設(shè)計(jì)等方面都十分成熟。同時(shí)，價(jià)格也很昂貴，對(duì)于國(guó)內(nèi)中小型設(shè)施蔬菜生產(chǎn)企業(yè)而言難以承受其引進(jìn)成本。此外，這些機(jī)器都是按照國(guó)外的設(shè)施種植模式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)法適應(yīng)國(guó)內(nèi)溫室缽苗移栽場(chǎng)景。

　　2.2 內(nèi)移栽機(jī)械現(xiàn)狀

　　我國(guó)大田移栽機(jī)械研究開(kāi)展相對(duì)較早，20世紀(jì)60年代就成功研制了裸根苗插秧機(jī)，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，大田缽苗移栽裝備相對(duì)成熟，已有一定程度的推廣和應(yīng)用[20]。但溫室缽苗移栽機(jī)起步較晚，20世紀(jì)90年 代 初 國(guó) 內(nèi) 才 開(kāi) 始 相 關(guān) 機(jī) 械 的 研 究。1991—1999年，吉林工業(yè)大學(xué)范云翔等[21]針對(duì)空氣整根營(yíng)養(yǎng)缽育苗開(kāi)展了一系列研究，包括穴盤(pán)設(shè)計(jì)、播種裝置和移栽裝置的研發(fā)。2000年以后，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了一批具有龍門(mén)架式結(jié)構(gòu)的溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)[22]，其中典型代表為2005年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)強(qiáng)麗慧等[23]設(shè)計(jì)的生菜自動(dòng)移栽機(jī)。

　　近些年，移栽機(jī)發(fā)展速度明顯變快。2012年，北京智能農(nóng)業(yè)裝備研究中心馮青春等[24]研制了一種基于三坐標(biāo)平移串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的花卉幼苗自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)基于視覺(jué)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幼苗和空穴的識(shí)別，然而機(jī)器仍以人工移栽和半自動(dòng)移栽為主。半自動(dòng)移栽需要人工進(jìn)行取苗、喂苗，移栽機(jī)僅完成自動(dòng)移植動(dòng)作;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(pán)等機(jī)構(gòu)[25]。2007—2017年，浙江大學(xué)童俊華等[26]研發(fā)了一款帶有視覺(jué)檢測(cè)功能的溫室缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)流水線(xiàn)產(chǎn)品，可實(shí) 現(xiàn) 劣 質(zhì) 苗 識(shí) 別 并 將 其 剔 除。江蘇大 學(xué) 周 昕[27]2019年基 于 RGB-D 相機(jī) 提 出 穴盤(pán)苗智能檢測(cè)方案和智能分選-移栽-補(bǔ)栽一體機(jī)整體方案 ，所 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 器 當(dāng) 移 栽 循 環(huán) 為1000 次/h時(shí)作 業(yè) 效 果 最 佳，補(bǔ) 栽 后 成 苗 率 達(dá) 到99.33%，對(duì)應(yīng)的換盤(pán)移栽效率為5000株/h。

　　上述探索為溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)的研發(fā)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，但與國(guó)外移栽技術(shù)相比依舊存在較大差距。其原因主要在于國(guó)內(nèi)設(shè)施園藝裝備總體發(fā)展起步晚，技術(shù)積累薄弱。同時(shí)溫室種植模式因缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)而差異明顯，導(dǎo)致裝備開(kāi)發(fā)難以推進(jìn)。另外，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合欠佳，種植方對(duì)移栽技術(shù)要領(lǐng)不了解，非標(biāo)準(zhǔn)化的種植模式和栽培裝置無(wú)法適應(yīng)機(jī)械化移栽要 求;而移栽機(jī)生產(chǎn)方對(duì)溫室種植現(xiàn)狀缺乏全面調(diào) 研 和 理 解，大 部 分 裝 備 是 根 據(jù) 某 一 具 體生產(chǎn)流程 和 模 式 定 制 的，產(chǎn) 品 難 以 推 廣 至 其 他 種植企業(yè)，因此研發(fā)、推 廣 積 極 性 不 足。這 些 因 素 嚴(yán)重阻礙了我國(guó)溫室 穴 盤(pán) 苗 移 植 技 術(shù) 發(fā) 展 和 裝 備 的升級(jí)。

　　3 移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　成熟的移栽機(jī)是集上苗、移栽、取苗等功能于一身的流水線(xiàn)產(chǎn)品。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，上苗和取苗工藝很容易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)輸送帶、傳感器、PLC控制器即可完成穴盤(pán)的精準(zhǔn)定位和運(yùn)輸。相比之下，作為移栽對(duì)象的幼苗具有易損傷和難抓取的特點(diǎn)，移栽機(jī)構(gòu)柔性作業(yè)的同時(shí)還要保證效率，因此在整個(gè)移栽機(jī)研發(fā)中移栽部件和工藝是難點(diǎn)，這一步驟的關(guān)鍵技術(shù)部件包括取苗機(jī)構(gòu)和移栽執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)較優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，提高作業(yè)質(zhì)量和效率，路徑規(guī)劃也是一個(gè)研究重點(diǎn)。

　　3.1 苗機(jī)構(gòu)取苗機(jī)構(gòu)

　　作為移栽機(jī)的末端執(zhí)行部件，將缽苗從穴盤(pán)中拔取出來(lái)，夾持，然后在目標(biāo)孔穴中釋放。其設(shè)計(jì)合理性直接影響移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率。缺乏科學(xué)論證的取苗機(jī)構(gòu)在抓取過(guò)程中容易造成基質(zhì)塊破損和缽苗損傷、移栽過(guò)程中缽苗提前掉落或缽苗釋放不流暢等問(wèn)題。為此，研究人員針對(duì)這一關(guān)鍵機(jī)構(gòu)做了大量研究。一般而言，取苗機(jī)構(gòu)分為兩指式和四指式。Wang等[28]提出的兩指式取苗器末端 增 加 了 梯 形 夾 片，并 通 過(guò) EDEM 軟件對(duì)夾片形狀和取苗加速度進(jìn)行離散元仿真分析。結(jié)果表明，采用拔苗加速度為0.3m/s2 時(shí)孔穴內(nèi)基質(zhì)殘留最少。但由于抓取平衡性較差，兩指式的取苗器較為少見(jiàn)，國(guó)外成熟移栽機(jī)大多采用四指式取苗器。韓綠化 等[29]采用鑷子型兩指四針鉗夾式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種取苗器，兩指末端的夾取針為叉子型，在雙作用微型氣缸作用下4根夾取針伸出并插入基質(zhì)，兩指合攏夾取針夾緊基質(zhì)塊，放苗時(shí)通過(guò)橡膠氣囊撐開(kāi)機(jī)械手指放松夾持，夾取針收縮放苗。

　　上述這些取苗器均采用向上拔取的取苗方式，拔取缽苗時(shí)加持過(guò)力大容易造成基質(zhì)塊破損，夾持力過(guò)小而又無(wú)法順利將缽苗從穴盤(pán)中拔出，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)移栽機(jī)構(gòu)移動(dòng)過(guò)程中缽苗掉落問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，王超等[30]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)下壓式高速“U”型取苗裝置，該裝置以向下剁的方式取苗，可實(shí)現(xiàn)7200株/h的高 速 取 苗 任 務(wù)，但其只能針對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)底穴盤(pán)，普適性不強(qiáng)。

　　四指取苗器因其作業(yè)穩(wěn)定性好而被廣泛采用，Choque等[31]設(shè)計(jì)的電動(dòng)四針式取苗器通過(guò)舵機(jī)和絲桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)移栽針在針筒中完成下降和上升動(dòng)作。針筒上端為鉸連接方式，作業(yè)時(shí)可以向內(nèi)擺動(dòng)引導(dǎo)移栽針夾緊基質(zhì)。該設(shè)計(jì)通過(guò)一根螺桿即可控制4根針的動(dòng)作，同步性較好，但通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿來(lái)控制鋼針升降速度較慢。為提升移栽機(jī)取苗 速 度，Jiang 等[32]設(shè)計(jì)了原理類(lèi)似的取 苗 器，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)更改為氣缸驅(qū)動(dòng)，并在取苗器上安裝了傳感器系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)分析基質(zhì)與孔穴壁的粘附力和取苗時(shí)基質(zhì)所受的擠壓力。試驗(yàn)表明該取苗器的總移植成功率為 100%，根 插 損 傷 率 低 于17%。Jorg等[33]完成了用于蔬菜缽苗移栽的雙指夾和針夾的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試。這2種取苗器抓取方向與孔穴棱角不平行，移栽試驗(yàn)表明雙指夾和針型指的平均移植成功率分別為95%和81.75%。雖然兩種取苗器類(lèi)型都不影響移植后幼苗的 生 長(zhǎng)，但 兩 指 夾 對(duì) 萵 苣 和 菊 苣 更 可 靠。而針夾只適合具有更高硬度和凝聚力的基質(zhì)塊，同時(shí)取苗過(guò)程需要借助頂苗器，因此缽苗基質(zhì)塊完整率不高。

　　3.2 栽執(zhí)行機(jī)構(gòu)移栽

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的另一核心部件，在取苗機(jī)構(gòu)拔取動(dòng)作完成后負(fù)責(zé)缽苗的平穩(wěn)運(yùn)輸。趙雄等[36]設(shè)計(jì)了一種混合驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)花卉 穴 盤(pán) 苗 的 單 株 移 栽，并 基 于 遺 傳 算 法 和ADAMS軟件優(yōu)化了機(jī)構(gòu)參數(shù)，該 機(jī) 構(gòu) 移 栽 平 均 成功率為87.16%。并聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 具 有 運(yùn) 動(dòng) 速 度 快、精 度高、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)高速移栽作業(yè)的需求。周昕等[37]從框架結(jié)構(gòu)、移栽部件及輸送裝置3部分設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)移栽機(jī)器人，這款裝置只有一個(gè)取苗機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)黃瓜苗從128孔穴盤(pán)到72孔穴盤(pán)的移栽。試驗(yàn)表明移栽加速度超過(guò)20mm/s時(shí)，缽苗破損 數(shù) 量、掉 落數(shù)量增 加，移 栽 合 格 率 極 大 降 低。為 消 除 這 種 并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作環(huán)境中由于裝配誤差、柔 性 變形、構(gòu)件質(zhì)量等引 起 的 運(yùn) 動(dòng) 誤 差，科 研 人 員 提 出 了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué) 模 型，對(duì) 并 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 軌 跡 進(jìn) 行 仿 真，然后對(duì)其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，平均誤差由7.6mm 降低到1.2mm[38]。

　　Rahul等[39]提出了一種完整的5R2DOF機(jī)電一體化移栽機(jī)械臂用于花盆苗移栽。該機(jī)械臂具有兩個(gè)自由度和五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，文獻(xiàn)重點(diǎn)分析了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和工作空間。經(jīng)測(cè)試，機(jī)械臂從116.6 mm 的 距 離 取 下 缽 苗 時(shí) 耗 時(shí) 2.1～2.4s，最大功耗為20.47W。但是機(jī)械臂只能實(shí)現(xiàn)左右搖擺和 夾 取-松開(kāi) 動(dòng) 作，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際移栽需求。研究人員在此基礎(chǔ)上采用實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了一種4DOF并行機(jī)械臂，增加 了上下移動(dòng)工作空 間。通過(guò)拾取和放置紙盆幼苗測(cè)試，得 出 每 個(gè) 幼 苗 操 作 時(shí) 間 為 3.5s，成 功 率 為93.3%[40]。分栽機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另一特殊形式。通過(guò)分栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，使得整排取苗器在取苗時(shí)相鄰間距縮小，與供苗穴盤(pán)相鄰孔穴間距一致;在放苗時(shí)取苗器相鄰間距增大，均勻分散，與目標(biāo)穴盤(pán)相鄰孔穴間距一致，從而滿(mǎn)足高密度穴盤(pán)向低密度穴盤(pán)移栽的要求。

　　國(guó)外移栽機(jī)大都采用多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，使每個(gè)取苗器作為獨(dú)立個(gè)體實(shí)現(xiàn)分散和聚集位移。這種設(shè)計(jì)每個(gè)取苗器獨(dú)立可控，移栽時(shí)能有效回避空穴，保證移栽質(zhì)量，同時(shí)能進(jìn)行補(bǔ)栽作業(yè)，但成本較高。為適應(yīng)國(guó)內(nèi)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀，節(jié)省機(jī)器成本，絕大多數(shù)分栽機(jī)構(gòu)均采用聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)器完成所有取苗器的控制。朱春燕等[41-42]設(shè)計(jì)了一種分配盤(pán)，工作時(shí)氣缸推動(dòng)取苗器沿著分配盤(pán)上的導(dǎo) 軌 槽 向 下 運(yùn) 動(dòng)，增 大 相 鄰 取 苗 器 間 距。釋放缽苗后，氣缸收縮，取苗器則沿著分配盤(pán)導(dǎo)軌槽向上運(yùn)動(dòng)，從而縮小相鄰間距。

　　4 存在問(wèn)題與應(yīng)對(duì)措施

　　4.1 存在的主要問(wèn)題

　　近幾年國(guó)內(nèi)科研人員在溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)械方面的研究日益增多，這為行業(yè)的發(fā)展積累了不少數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。盡管如此，國(guó)內(nèi)移栽機(jī)在作業(yè)效率、功能等方面與國(guó)外裝備相比還存在較大的差距。而引起這些差距的主要原因在于：

　　1)溫室移栽領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)缺乏。檢索相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，LY/T2234—2013《林業(yè) 機(jī)械林業(yè)工廠(chǎng)化育苗育苗穴盤(pán)》[63]只規(guī)定了林業(yè)工廠(chǎng)化育苗用穴 盤(pán) 的 術(shù) 語(yǔ)、型 號(hào) 編 制、試 驗(yàn) 與 檢 驗(yàn) 規(guī) 則等。其中育苗穴盤(pán)系列型譜中最多只有128孔，且未對(duì)單個(gè)孔穴的尺寸參數(shù)進(jìn)行說(shuō)明。就移栽作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)而言，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T3486—2019《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[64]定義了裸地和膜上蔬菜機(jī)械化移栽的幼苗參數(shù)、相關(guān)術(shù)語(yǔ)、作業(yè)條件、行距株距檢測(cè)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。江西地方標(biāo)準(zhǔn) DB36/T1360—2020《茄果類(lèi)蔬菜機(jī)械化移栽作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定了茄果類(lèi)蔬菜大田機(jī)械化移栽的漏栽率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等術(shù)語(yǔ)，作業(yè)要求，檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。甘肅地方標(biāo)準(zhǔn) DB62/T2974—2019《蔬菜 移栽機(jī)作業(yè)質(zhì) 量》[10]針對(duì) 導(dǎo) 苗 管 式 移 栽 機(jī) 和 鉗 夾 式、鏈夾式移栽機(jī)的立苗率、埋苗率、傷苗率、露苗率、漏栽率等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

　　由此可見(jiàn)，我國(guó)缽苗移栽領(lǐng)域的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)林業(yè)或大田作物缽苗移栽技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，而針對(duì)溫室穴盤(pán)苗移栽的標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白狀態(tài)。溫室穴盤(pán)苗移栽和大田作業(yè)工況完全不同，裝備差異明顯，已有標(biāo)準(zhǔn)顯然無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代溫室的高標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求。這就導(dǎo)致目前市場(chǎng)上存在的穴盤(pán)尺寸參數(shù)不一，種植模式各異，裝備開(kāi)發(fā)不規(guī)范、作業(yè)質(zhì)量評(píng)價(jià)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐?wèn)題，致使行業(yè)發(fā)展緩慢。以200孔的穴盤(pán)為例，因缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，目前市場(chǎng)上已有產(chǎn)品生產(chǎn)不規(guī)范，四棱臺(tái)型的孔穴規(guī)格(上孔尺寸×下孔尺寸×深度)從(23×23)mm×(11×11)mm×40mm、(25×25)mm×(10×10)mm×30mm 到(24×24)mm×(10×10)mm×43mm 都有涉及。

　　4.2 應(yīng)對(duì)措施與建議

　　1)制定溫室穴盤(pán)苗移栽標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范行業(yè)健康、快速發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”和“指路燈”。面對(duì)溫室穴盤(pán)移栽領(lǐng)域穴盤(pán)規(guī)格不統(tǒng)一、種植模式多樣等亂象，亟需發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一穴盤(pán)規(guī)格，規(guī)范術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)、編制型譜、制定技術(shù)參數(shù)。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)有行業(yè)、國(guó)家、地方標(biāo)準(zhǔn)，制定溫室穴盤(pán)育苗、栽培、移栽等過(guò)程的詳細(xì)技術(shù)要求，嚴(yán)格規(guī)范移栽機(jī)作業(yè)評(píng)價(jià)體系，明確具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)、試驗(yàn)與檢驗(yàn)規(guī)則等，從而使育苗輔助裝置生產(chǎn)、栽培模式、移栽機(jī)研發(fā)等各項(xiàng)環(huán)節(jié)有章可循。這是促進(jìn)溫室穴盤(pán)苗機(jī)械化移栽快速發(fā)展的關(guān)鍵一步。

　　2)加速高新技術(shù)應(yīng)用。先進(jìn)工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)裝備注入了新的活力，農(nóng)用無(wú)人機(jī)，無(wú)人駕駛拖拉機(jī)等智能農(nóng)機(jī)裝備相繼問(wèn)世。溫室移栽機(jī)研發(fā)時(shí)也有必要借鑒這些高新技術(shù)，從而使其形成一個(gè)集成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)因其能夠以非入侵方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，具有無(wú)損、實(shí)時(shí)、低成本的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于溫室機(jī) 器 人 路 徑 規(guī) 劃[67]、目 標(biāo) 識(shí) 別[68]、病 蟲(chóng) 害 檢測(cè)[69]、果蔬品質(zhì)分級(jí)[70]等方面。TTA，Visser等公司基于機(jī)器視覺(jué)技 術(shù) 開(kāi) 發(fā) 的 移 栽 機(jī) 極 大 提 高 了 智能化水平。這些移 栽 機(jī) 可 以 完 成 缽 苗 計(jì) 數(shù)、分 級(jí)、剔苗、補(bǔ) 苗、故 障 檢 測(cè) 等 功 能。因 此，在 移 栽 機(jī) 研發(fā)方面，應(yīng)建立標(biāo) 準(zhǔn) 化 穴 盤(pán) 苗 數(shù) 據(jù) 庫(kù)，開(kāi) 發(fā) 魯 棒 性良好的識(shí) 別 算 法，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升機(jī)器智能化水平。

　　3)加強(qiáng)移栽機(jī)整 體 設(shè) 計(jì)。著眼于移栽機(jī)整體設(shè)計(jì)，優(yōu)化 移 栽 工 藝，改 善 移 栽 策 略，注 重 研 究 持續(xù)性和技術(shù)延續(xù) 性。積 極 吸 收 已 有 研 究 中 的 較 優(yōu)技術(shù)方案，攻克未 解 關(guān) 鍵 技 術(shù) 難 題，將 技 術(shù) 點(diǎn) 連 成技術(shù)面。同 時(shí) 根 據(jù) 國(guó) 內(nèi) 市 場(chǎng) 現(xiàn) 狀 和 需 求，開(kāi) 發(fā) 符合國(guó)情的移栽機(jī) 器，降 低 成 本，提 高 移 栽 機(jī) 性 能 和效率，以其良好的普適性和較高的性?xún)r(jià)比加速推廣與應(yīng)用。

　　References

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　　作者：田志偉1，2 馬 偉1* 楊其長(zhǎng)1 姚 森1，2 張 梅3 段發(fā)民1 徐海東1，4