蔬菜自動嫁接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

張凱良 褚 佳 張鐵中 尹 權(quán) 孔艷山 劉 展

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

蔬菜自動嫁接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析

張凱良 褚 佳 張鐵中 尹 權(quán) 孔艷山 劉 展

(中國農(nóng)業(yè)大學工學院， 北京 100083)

嫁接在提高作物抗病能力、生長速度、單位產(chǎn)量，減少施肥、施藥等方面具有積極作用，是多類蔬菜大規(guī)模生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，而自動化嫁接能夠有效提高嫁接效率和嫁接苗成活率，正在成為蔬菜商業(yè)化生產(chǎn)的剛性需求。本文對中國、日本、荷蘭、西班牙、意大利等國蔬菜自動嫁接技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)進行了分析；歸納出5項蔬菜自動化嫁接關鍵技術(shù)：幼苗機械化抓取技術(shù)，幼苗自動輸送技術(shù)，砧、穗木切削技術(shù)，砧、穗木接合固定技術(shù)，自動嫁接系統(tǒng)控制技術(shù)，并逐一進行了闡述；最后對目前本領域的研究特點和發(fā)展趨勢進行了總結(jié)和展望，認為蔬菜嫁接自動化程度將進一步提高，單機嫁接規(guī)模將進一步擴大，農(nóng)藝、人工智能、人因工程等間接因素將為自動嫁接機未來的性能提升帶來助力。

蔬菜; 自動嫁接; 機器人

引言

嫁接栽培可以利用砧木根系發(fā)達、抗病、耐熱和吸肥力強的優(yōu)勢，是克服設施瓜菜連茬病害和低溫障礙的重要途徑，能夠有效增強蔬菜的抗逆性和抗病能力，在減少肥料施用的同時促進幼苗健壯生長和提早收獲，對于蔬菜作物的增產(chǎn)效果顯著[1]。嫁接技術(shù)最早出現(xiàn)于2000多年前的中國，日本于1925年開始將其用于瓜類蔬菜生產(chǎn)，中國在20世紀70年代中期出現(xiàn)將黃瓜嫁接于南瓜之上的栽培技術(shù)，20世紀80年代后蔬菜嫁接栽培技術(shù)已經(jīng)遍及中國、日本和歐美各國[2]。自動嫁接技術(shù)是指將傳統(tǒng)的人工嫁接過程由機械自動化的方式替代，實現(xiàn)嫁接過程中取苗、供苗、嫁接貼合、排苗栽植等作業(yè)全部或部分自動化甚至智能化，從而提高嫁接工作效率和嫁接苗成活率。

隨著現(xiàn)代社會人類生活的節(jié)奏加快和品質(zhì)提高，人們對蔬菜的需求量和質(zhì)量要求也在逐步增加[3]，嫁接成為蔬菜生產(chǎn)中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的人工嫁接對勞動者技術(shù)要求較高且費時、費力、工作效率低；在某些時令要求下，常需要在短期內(nèi)處理大量嫁接苗，從而進一步增加了人工勞動強度，在農(nóng)業(yè)勞動力成本日益增加的今天，采用自動化嫁接方式更顯得必要[4]。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

對于蔬菜自動嫁接機的研究，在日本、韓國、荷蘭、意大利以及中國等設施農(nóng)業(yè)較為發(fā)達的國家得到的關注和取得的成果較多[5-12]。目前較為典型的蔬菜嫁接機及其相關信息見圖1和表1。

圖1 國內(nèi)外典型嫁接機機型Fig.1 Typical vegetable grafting machines表1 國內(nèi)外典型嫁接機信息Tab.1 Information of typical vegetable grafting machines

國家研發(fā)機構(gòu)型號自動化程度嫁接效率/(株·h-1)成功率/%人數(shù)嫁接方法夾持物適用對象日本井關農(nóng)機株式會社GRF800-U全自動800951貼接法嫁接夾葫蘆科穴盤苗日本井關農(nóng)機株式會社GR803-U半自動900953貼接法嫁接夾葫蘆科穴盤苗荷蘭ISOGroupISOGraft1200半自動1050991平接法橡膠夾茄科穴盤苗荷蘭ISOGroupISOGraft1100半自動1000952平接法橡膠夾茄科穴盤苗荷蘭ISOGroupISOGraft1000全自動1000952平接法三角套管夾茄科穴盤苗西班牙ConicSystemEMP-300半自動300951貼接法套管夾茄科穴盤苗意大利AtlanticMan.SRLGR300/3手動300981貼接法嫁接夾葫蘆科穴盤苗意大利AtlanticMan.SRLGR300手動300981貼接法嫁接夾茄科穴盤苗韓國HelperRobotechGR-800CS半自動800952貼接法嫁接夾葫蘆科、茄科穴盤苗中國中國農(nóng)業(yè)大學2JSZ-600半自動600952貼接法嫁接夾葫蘆科幼苗中國中國農(nóng)業(yè)大學BMJ-500II半自動300921貼接法嫁接夾葫蘆科營養(yǎng)缽苗中國華南農(nóng)業(yè)大學2JC-600B半自動600922插接法無需葫蘆科幼苗中國北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心2TJ-800半自動800952貼接法嫁接夾葫蘆科、茄科穴盤苗

1.1 國外研究現(xiàn)狀

日本對蔬菜嫁接機的研究始于20世紀80年代，經(jīng)過30多年的研究發(fā)展，先后由不同機構(gòu)研制出多種自動嫁接機，其中井關農(nóng)機株式會社研制的自動嫁接機最具代表性。1994年，井關農(nóng)機株式會社與日本生研機構(gòu)共同合作推出了GR800B型葫蘆科半自動嫁接機和GR800T型茄科半自動嫁接機，其生產(chǎn)效率可達800株/h，嫁接成功率為95%。2011年，井關公司研制出GRF800-U型葫蘆科全自動嫁接機以及GRF803-U型葫蘆科半自動嫁接機[13-14]。該類機型適用于瓜科蔬菜嫁接貼接法嫁接，通過嫁接夾固定貼合面。GRF800-U能夠完成嫁接于砧穗木的自動取苗、上苗、嫁接及排苗過程，還設有幼苗子葉定向裝置。其嫁接效率可達800株/h，嫁接成功率達95%。GR803-U是半自動機型，它將機械自動取苗功能改為2名工人分別供應砧穗苗，因供苗速度比機械快，因此嫁接速率提升至900株/h[15]。這兩款機型都采用了人機交互技術(shù)，工人可通過顯示屏進行觸控操作，對機器進行相關調(diào)試與操作，機器在嫁接過程中也可自動對嫁接作業(yè)進行數(shù)據(jù)記錄，以便合理管控。韓國對蔬菜嫁接機的研究相對晚于日本，但產(chǎn)品有其獨自的特色。20世紀90年代初，韓國開始對嫁接機展開研究，開發(fā)出小型半自動式嫁接機[1]。該機采用靠接法進行嫁接，依靠凸輪傳遞動力，完成砧穗木的夾持、切削以及對接等動作，嫁接效率最高可達310株/h，嫁接成功率為90%。因其結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、價格低廉，在韓國、日本及我國有一定使用，但是，由于采用靠接法嫁接，推廣受到一定限制。韓國Helper Robotech公司開發(fā)了GR-800CS型自動嫁接機[16]，該機有兩名操作人員，可進行茄科和瓜科蔬菜的嫁接，嫁接效率可達800株/h。

荷蘭近幾年在自動嫁接機領域也有一定發(fā)展，主要是ISO Group Machinebouw公司研制的幾種機型，包括ISO Graft 1000、1100、1200型，這3種機型都是針對茄科幼苗進行嫁接作業(yè)。ISO Graft 1000型自動嫁接機是一套茄科幼苗嫁接作業(yè)流水線，主要采用平接法嫁接，固定方式使用三角耳套管，由相應的機械在嫁接時打開套管開口[17]，使苗株直接插入接合后嫁接，整個生產(chǎn)流水線由1～2名工人進行全程操作，它還采用圖像處理技術(shù)，在嫁接前期可對幼苗進行初步判別，剔除不合格的幼苗，采用的計算機技術(shù)亦可對嫁接過程進行數(shù)據(jù)記錄與處理，從而更好地對嫁接作業(yè)進行管理。2013年， ISO Group Machinebouw公司又研制出針對茄科苗的ISO Graft 1200型半自動嫁接機[18]。該機采用貼接法嫁接，利用一端開口的套管夾進行砧穗木的貼合固定。該機配有砧木預處理機構(gòu)，主要對砧木進行前期的粗切，去除上部枝葉。該機的穗木部分由一個轉(zhuǎn)盤構(gòu)成，分成可容納12株穗木的穗木夾持機構(gòu)，穗木的搬運機構(gòu)采用關節(jié)機械臂。工作時，需要由操作人員將穗木放到穗木夾持轉(zhuǎn)盤內(nèi)，其余工作過程由機器自動完成，砧木留盤嫁接。其嫁接效率可達1 050株/h以上，成功率可達99%。2014年，ISO Group Machinebouw又開發(fā)出ISO Graft 1100型半自動茄科蔬菜嫁接機[19]。該機需要操作人員將砧木和穗木同時上苗，砧木部分由平均分成12個工位的轉(zhuǎn)盤進行連續(xù)作業(yè)，嫁接作業(yè)自動完成，其嫁接效率可達1 000株/h。對于單株嫁接方式來說，ISO Graft 1200與ISO Graft 1100效率都較高。

西班牙Conic System公司研制的EMP-300型半自動嫁接機[20]采用單人操作模式，適用于茄科幼苗的嫁接作業(yè)，嫁接時，穗木和砧木由單人分別左右手持供苗，再由機械進行自動切苗、貼合，最后完成套管夾嫁接接合作業(yè)，其作業(yè)效率可達300株/h以上，其操作相對比較簡單。

意大利Atlantic Man.SRL公司研發(fā)出GR300/3型和GR300型嫁接機[21]，前者是針對葫蘆科幼苗的嫁接，采用單子葉貼接法進行嫁接，后者在切削機構(gòu)上有一定的改變，適用茄科幼苗的嫁接。嫁接過程中，由單人進行供苗，自動完成的作業(yè)主要是切削及貼合過程，采用人工進行固定，嫁接速度為300株/h左右。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

中國對蔬菜嫁接機的研究相對國外起步較晚。但近年來，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自動化需求的不斷增加，蔬菜嫁接機也有了一定的發(fā)展，其研究主要集中在高校及科研院所。中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中教授率先在國內(nèi)開展蔬菜嫁接機研究，1998年成功研制出2JSZ-600型蔬菜半自動嫁接機[22]，嫁接機采用單子葉貼接法，實現(xiàn)了砧穗木的取苗、切削、接合、嫁接夾固定、排苗作業(yè)的自動化。嫁接時砧木可直接帶土進行嫁接，嫁接效率可達600株/h，成功率可達95%，適用于西瓜、甜瓜、黃瓜等瓜科蔬菜苗的自動化嫁接作業(yè)。其后，在此基礎上，研制出采用雙臂方式嫁接的機型[23]，嫁接效率提高了30%。此后，中國農(nóng)業(yè)大學繼續(xù)對蔬菜嫁接機展開了不同程度的研究，分別針對瓜科、茄科等不同育苗形式的幼苗展開不同機型的研究，包括針對營養(yǎng)缽苗的茄科嫁接機、營養(yǎng)缽苗的瓜科嫁接機、穴盤苗的茄科嫁接機以及穴盤苗的瓜科嫁接機[24-26]。2012年，中國農(nóng)業(yè)大學開發(fā)出單人操作的針對穴盤葫蘆科苗的嫁接機[27]。該機砧穗木的上苗作業(yè)可由單人操作完成，其余作業(yè)皆由機械自動完成，由熟練的操作人員操作嫁接效率可達600株/h，成功率可達95%。隨后，中國農(nóng)業(yè)大學又于2013年開發(fā)出單人操作的針對營養(yǎng)缽葫蘆科苗的嫁接機[24]。該機砧穗木的上苗作業(yè)可由單人操作完成，其余作業(yè)皆由機械自動完成，已嫁接完的營養(yǎng)缽苗由自動排列裝置能夠進行一定行列的排列擺放，操作便捷，熟練的操作人員操作其嫁接效率可達400株/h，成功率可達92%。

華南農(nóng)業(yè)大學研制的2JC-600B型半自動嫁接機采用插接法進行自動嫁接作業(yè)，主要針對葫蘆科幼苗的嫁接[28]。該機為半自動嫁接機，由2人操作，分別完成砧穗木幼苗的供苗作業(yè)，砧木子葉采用氣吸式固定，并由相應的砧木打孔機構(gòu)、穗木切削機構(gòu)、砧穗木對接機構(gòu)、自動卸苗機構(gòu)完成嫁接作業(yè)的自動化，嫁接效率可達600株/h。

北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心于2012年研制出采用雙臂嫁接方式的蔬菜嫁接機[29]。該機與韓國GR-800CS型嫁接機類似，只是采用雙臂，提高了作業(yè)效率，其作業(yè)效率可達800株/h，成功率為95%，可用于茄科及葫蘆科苗的嫁接作業(yè)。

2 蔬菜自動化嫁接技術(shù)的研究對象和嫁接機分類

茄科蔬菜幼苗和葫蘆科(瓜科)幼苗的自動化嫁接方法是當前各國自動化嫁接技術(shù)的主要研究對象。由于茄科苗和葫蘆科苗在植物構(gòu)造特性上的差異，采用的嫁接方法也不同[1]。茄科蔬菜幼苗嫁接主要有貼接法、針接法、套管法等方法，而葫蘆科蔬菜幼苗嫁接主要有靠接法、插接法、貼接法等方法，如圖2所示。

圖2 各類嫁接方法示意圖Fig.2 Grafting methods

靠接法是在砧木與穗木的胚軸上對應切成舌形，將兩切口相互靠在一起，再用嫁接夾或其它固定物進行固定，如圖2a所示；此方法由于愈合期保留穗木的根，成活率較高，但是作業(yè)比較繁瑣，一般用于葫蘆科幼苗的嫁接作業(yè)。插接法一般用于葫蘆科幼苗的嫁接，嫁接過程中，在砧木上用打孔簽打孔，將穗木去根并切成楔形，再插入砧木所打的孔中，如圖2b所示；該方法作業(yè)簡單，應用比較廣泛。貼接法是將砧木與穗木都切削成斜面，隨后將切削好的斜面貼靠一起，再用相應的嫁接夾進行固定，如圖2c、2d所示；該方法可用于茄科和葫蘆科蔬菜幼苗的嫁接作業(yè)，其中葫蘆科幼苗嫁接作業(yè)中較常見的為單子葉貼接法，即將葫蘆科砧木生長點處的一片子葉隨同生長點進行切除，留下一片子葉，在生長點處形成斜面切口，與穗木的斜面切口進行貼合；而茄科幼苗嫁接采用貼接法時，一般保留砧木子葉，并在砧木子葉上方處進行斜面切削。針接法一般用于茄科幼苗的嫁接，嫁接過程中，采用針形物固定對接在一起的砧木和穗木，嫁接苗成活后不去除針形物，如圖2e所示；該方法作業(yè)速度快，但針形物不能重復使用，成本相對較高。套管法也一般用于茄科幼苗的嫁接，是在貼接法的基礎上演變而成，即將貼接法中的嫁接夾改為塑料或橡膠套管，如圖2f所示。

目前自動嫁接機存在多種分類方式。

按自動化程度，可分為全自動嫁接機、半自動嫁接機、手動嫁接機。全自動嫁接機是指嫁接過程全程自動化，包括供苗、切削、嫁接、排苗等過程。半自動嫁接機是指部分嫁接過程的自動化，主要是嫁接動作的自動化實現(xiàn)，供苗或其他過程還需要人工輔助進行。而手動嫁接機是指嫁接動作需要手動完成，而其他輔助過程部分采用機械完成，如切削等過程。

按作業(yè)對象分，自動嫁接機可分為茄科幼苗自動嫁接機、葫蘆科幼苗自動嫁接機以及茄科葫蘆科通用自動嫁接機。由于茄科幼苗與葫蘆科幼苗植物學特性的差異，所對應的嫁接機也有一定差別。

按嫁接實現(xiàn)方法分，自動嫁接機可分為貼接法自動嫁接機、針式自動嫁接機、套管式自動嫁接機、插接法自動嫁接機等。顧名思義，貼接法自動嫁接機主要采用嫁接夾作為固定物，針式自動嫁接機主要采用針形固定物，而套管式自動嫁接機則采用塑料或橡膠套管作為貼合固定物。

3 蔬菜自動化嫁接關鍵技術(shù)

自動嫁接技術(shù)關鍵在于解決嫁接過程中取苗、供苗、切削、嫁接、排苗等作業(yè)的自動化實現(xiàn)，國內(nèi)外眾多研究機構(gòu)或企業(yè)普遍將以下幾項核心關鍵技術(shù)作為蔬菜自動嫁接機的研究重點：幼苗機械化抓取技術(shù)、幼苗自動輸送技術(shù)、砧/穗木切削技術(shù)、嫁接苗接合固定技術(shù)和自動嫁接系統(tǒng)控制技術(shù)。

3.1 幼苗機械化抓取技術(shù)

采用機械裝置將蔬菜嫁接所需的砧木幼苗和穗木幼苗從各自所生長的培養(yǎng)容器中取出，在保證可靠夾持幼苗的過程中不損傷嬌嫩幼苗是嫁接苗機械抓取技術(shù)的主要研究內(nèi)容，并且，在某些場合還需在整個取苗過程中保持幼苗子葉統(tǒng)一朝向特定方向，以便于后續(xù)工位上的自動化操作。

井關農(nóng)業(yè)株式會社研制的GRF800-U型葫蘆科全自動嫁接機的自動取苗裝置如圖3所示[30]。

圖3 GRF800-U型自動取苗裝置Fig.3 Automatic seedlings taking mechanism of GRF800-U

該裝置主要包括幼苗分苗扶持和切根取苗兩部分。取苗時，首先借助由氣缸帶動的分苗拔桿和輔助拔桿，使幼苗可以以直立的狀態(tài)進入到有效取苗區(qū)域，隨之吊持手爪和切根手爪在氣缸的帶動下朝取苗區(qū)域前進，吊持手爪前進的同時將幼苗頂至穴盤邊緣，然后閉合將幼苗夾持，切根手爪閉合將幼苗切下，完成自動取苗過程，再之后在輸送機構(gòu)的動作下將幼苗移送至其他機構(gòu)進入之后的作業(yè)流程。該裝置可將倒伏的幼苗進行直立扶持并拾取，取苗成功率高。

荷蘭的ISO Graft 1200型蔬菜嫁接機中，砧木部分采用了自動化取苗設備[18]，如圖4所示。砧木置于一定規(guī)格的穴盤中，該穴盤底部開孔，工作時，由置于空盤底部的一系列取苗頂爪將相應的砧木細苗頂出，起到自動取苗的作用，后將取出的細苗懸置，等待機械臂將穗木幼苗搬運完成嫁接作業(yè)。而該機的穗木部分則采用人工上苗的方式進行作業(yè)。

圖4 ISO Graft 1200 型自動嫁接機自動取苗裝置Fig.4 Automatic seedlings taking mechanism of ISO Graft 1200

為滿足葫蘆科嫁接苗夾持困難及夾持易損傷的問題，負壓氣吸技術(shù)被應用于自動取苗供苗裝置[31-32]，如圖5所示。

圖5 負壓氣吸式自動取苗裝置Fig.5 An automatic seedlings taking mechinism using negative pressure

該裝置結(jié)合機器視覺與機電一體化技術(shù)，工作時取苗手爪將幼苗切斷夾持后，機器視覺系統(tǒng)自動判別幼苗子葉展開方向，之后旋轉(zhuǎn)電動機會根據(jù)差別的子葉展開方向旋轉(zhuǎn)特定的角度，子葉吸嘴吸附兩片子葉，后將其回旋至初始位置，達到幼苗子葉定向的效果。

3.2 幼苗自動輸送技術(shù)

幼苗輸送環(huán)節(jié)是將機械夾持裝置連同幼苗以特定姿態(tài)準確輸送到既定工位，以使后續(xù)的砧、穗木切削任務得以可靠進行。嫁接效率、整體機構(gòu)尺寸等嫁接機的整體參數(shù)均受此關鍵技術(shù)的影響。總結(jié)目前各類機型，由于嫁接機空間結(jié)構(gòu)的關系，普遍采用的是旋轉(zhuǎn)氣缸與直推氣缸結(jié)合作為驅(qū)動的幼苗輸送搬運方式[33-35]，如圖6所示[24]。

圖6 幼苗輸送搬運機構(gòu)Fig.6 Seedling transporting mechanism

另外，也可直接采用現(xiàn)有的工業(yè)機械臂作為幼苗輸送搬運裝置，如荷蘭ISO Graft 1200機型中，設計者采用12個供苗位的分度盤和4自由度的機械手配合完成瓜科苗木的搬運[18]，作業(yè)精度較高，如圖7所示。其中采用分度盤結(jié)構(gòu)的輸送方式也是較為高效的方式，國內(nèi)也有不少研究機構(gòu)采用此機構(gòu)進行輸送，以提高嫁接效率。

圖7 ISO Graft 1200型自動嫁接機輸送搬運機構(gòu)Fig.7 Seedling transporting mechanism of ISO Graft 1200

日本、韓國、西班牙等國家采用的苗木輸送方法與中國農(nóng)業(yè)大學、西北農(nóng)林科技大學以及東北農(nóng)業(yè)大學等采用的方法相同，包括人工輔助送苗、輸送帶配合線性模組送苗、機械臂送苗等。尤其瓜科、茄科等自動化嫁接技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，出現(xiàn)了適合規(guī)模化生產(chǎn)的自動化嫁接作業(yè)的設備，能夠?qū)崿F(xiàn)苗木的自動輸送、整形、拔取、輔助轉(zhuǎn)向等過程[36-37]。而嫁接苗木輸送的自動化，極大地提高了嫁接作業(yè)效率。

3.3 砧、穗木切削技術(shù)

砧、穗木切削是蔬菜嫁接過程中特有的一道工序，涉及切削速度、角度、入刃位置、切削刃的幾何形狀等多項因素；切削裝置的設計直接影響嫁接的成功率、嫁接苗的成活率以及嫁接機的品質(zhì)。因此，可靠切削技術(shù)也是自動嫁接關鍵技術(shù)的重中之重。目前采用較多的切削技術(shù)主要有旋轉(zhuǎn)切削[38-40]、斜切和平切等方式[41-42]。

中國農(nóng)業(yè)大學在20世紀90年代末設計了一種旋轉(zhuǎn)切削機構(gòu)[43]，通過一個旋轉(zhuǎn)氣缸帶動一個兩端安裝切刀的刀架同時完成對砧木和穗木的切削，經(jīng)過計算機模擬及試驗，確定了較為合適的旋轉(zhuǎn)切削的切削半徑和切削角度，其切削原理如圖8所示，這種機構(gòu)僅需一個旋轉(zhuǎn)切削部件就可同時完成對砧木和穗木的切削，減少了工作部件和控制部件，整體結(jié)構(gòu)緊湊。

圖8 旋轉(zhuǎn)切削示意圖Fig.8 Cycle cutting principle

除了旋轉(zhuǎn)切削方式外，直切方式也得到較為普遍的使用，直切方式又分為斜切和平切兩種。如圖9所示是一種斜切的切削方式[24]，切削時，切刀在切削氣缸的帶動下進行切削作業(yè)，幼苗置于切削支點處，切刀經(jīng)過切削支點可將幼苗順利切下，幼苗莖稈形成斜面切口。該切削方式簡單方便，切削效果也較為理想，在日本、中國、韓國等不少國家研制的嫁接機中都有應用。

圖9 斜切方式Fig.9 Slanting cutting

有些情況下，為了考慮嫁接對象的特殊性，以及嫁接機的結(jié)構(gòu)布局，需要采用平切的切削方式。平切的原理與斜切類似，只是切削運動方向與幼苗莖稈呈垂直關系進行直線運動切削。該切削方式一般用于茄科幼苗平接法或劈接法的自動嫁接過程中，如荷蘭的ISO Group生產(chǎn)的系列嫁接機都是采用平切法的切削方式。而華南農(nóng)業(yè)大學研制的劈接式茄科嫁接機中也采用了平切的切削方式[44]，其穗木采用V型平切切削方式，而砧木則采用了十字型平切切削方式。

3.4 砧、穗木接合固定技術(shù)

嫁接機的嫁接成功率體現(xiàn)在嫁接苗的成活率上，砧木、穗木接合情況直接決定著嫁接苗的成活率，砧、穗木接合固定技術(shù)也在整個自動化嫁接過程中占有關鍵地位。根據(jù)不同的嫁接方法，接合固定的方式不同，在自動嫁接領域，普遍采用的是貼接法、針接法、套管法等嫁接方法，各自采用的接合固定方式略有不同。

貼接式嫁接機砧木穗木接合后主要利用嫁接夾進行固定。為便于嫁接作業(yè)自動化，需要對嫁接夾按嫁接流程自動出夾、打開、閉合等工序。一般首先采用振動盤方式將嫁接夾進行定向排列，然后通過相關的送夾出夾裝置進行出夾[45-46]，圖10是中國農(nóng)業(yè)大學研制的蔬菜嫁接機使用的一種出夾裝置[24]。工作時，送夾推桿在送夾氣缸的推動下，將嫁接夾經(jīng)由送夾滑槽推出，與此同時，兩側(cè)的壓夾滑塊推塊在送夾氣缸與連接件的帶動下伸出，并在斜面配合的作用下，壓夾滑塊壓向內(nèi)側(cè)，使嫁接夾張開；隨后送夾氣缸帶動送夾推桿及壓夾滑塊推塊退回， 嫁接夾在彈簧的作用下閉合并夾合砧穗木，2個壓夾滑塊也在嫁接夾回閉的過程中返回原位。當砧木和穗木都處理完畢被搬送至嫁接區(qū)域時，嫁接夾在自動送夾器的作用下推出并夾合砧穗木，完成嫁接作業(yè)。

圖10 自動送夾器Fig.10 Automatic clip sending mechanism

而對于針接法嫁接機來說，需要配套相應的出針裝置。浙江大學研制了針對針接式自動嫁接機的出針裝置和對接機構(gòu)，對砧、穗木進行接合固定[47]。出針裝置及原理如圖11所示，該裝置采用彈夾的原理，通過彈簧卡住插針，利用頂針機構(gòu)沿導針槽推出插針。而出針之后，嫁接針已經(jīng)插入砧木莖稈，與穗木接合時，需要將穗木插入針，此時需要相應的對接機構(gòu)，在砧木夾持手部件中安裝錐形定位銷，相應地在接穗夾持手和出針裝置的導針槽設置銷孔，在接穗夾持收和出針裝置通過直線導軌到達相對應位置，向下動作時，能夠精確定位，這樣就可完成針式嫁接的嫁接作業(yè)。

圖11 出針裝置Fig.11 An automatic pin sending mechanism

此外, 中國農(nóng)業(yè)大學針對套管式嫁接機研制出相應的套管出套裝置[48]。與嫁接夾類似，前期也是通過振動盤將套管進行定向有序排列，之后再利用相關的出套裝置進套管的自動出套，自動出套裝置如圖12所示。該出套裝置是針對專門一種套管工作的，工作時，在不同氣夾的協(xié)同工作下，可將套管根據(jù)嫁接流程逐次送出，之后再配合其他裝置完成嫁接作業(yè)。

圖12 出套裝置Fig.12 Automatic tube sending mechanism

3.5 自動嫁接系統(tǒng)控制技術(shù)

蔬菜的自動化嫁接作業(yè)涉及多工位、多執(zhí)行機構(gòu)的協(xié)調(diào)作業(yè)，整個嫁接過程對于機構(gòu)運動的時間精度、空間精度和同步性均要求高，控制系統(tǒng)性能直接關系到自動嫁接系統(tǒng)的嫁接效率、嫁接成功率、整機魯棒性等多項指標。目前，蔬菜自動嫁接控制系統(tǒng)通常是以單片機、PLC或PC機作為控制器，一方面獲取包括光電開關、電磁開關、編碼器以及攝像頭等傳感信息，另一方面通過繼電器、驅(qū)動器、電磁閥等執(zhí)行設備對執(zhí)行機構(gòu)(包括馬達、氣缸等)進行直接或間接控制，控制嫁接機系統(tǒng)各組成單元高效協(xié)調(diào)工作[49-53]，其構(gòu)成如圖13所示。

圖13 典型的控制系統(tǒng)構(gòu)成Fig.13 Common used control system

自動嫁接技術(shù)得到研究關注以來，其控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了一個不斷發(fā)展的歷程，由最初的繼電器控制型發(fā)展為現(xiàn)在的主要以PLC和單片機為控制單元的控制系統(tǒng)。由于PLC適用于復雜的工控環(huán)境[25,54-55]，性能穩(wěn)定，因此在設計研究機構(gòu)較為復雜的嫁接機時多采用PLC作為控制單元；而對于一些小型的嫁接機控制系統(tǒng)，主要考慮到其價格低廉，功能集成度高，多選擇單片機作為控制單元。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，為提高嫁接機的可操作性和智能化程度，越來越多的傳感手段和操控手段被應用于控制系統(tǒng)，同時控制系統(tǒng)的集成程度也在提高：ISO Group Machinebouw公司通過對控制系統(tǒng)的高度集成，開發(fā)出了基于PLC的全自動嫁接機[56]；華南農(nóng)業(yè)大學率先將可視化觸摸屏技術(shù)應用于嫁接機上[57-58]，中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中團隊率先將圖像識別技術(shù)應用于嫁接技術(shù)，將PLC及PC系統(tǒng)進行了整合，使兩種類型的控制器協(xié)同作業(yè)，同時發(fā)揮了PLC的高可靠性和PC機的復雜數(shù)據(jù)處理能力[58]。未來實現(xiàn)嫁接機控制系統(tǒng)的功能復雜化，系統(tǒng)集成化，易操作等是市場所需。

4 蔬菜自動化嫁接輔助技術(shù)

除上述的各項關鍵技術(shù)外，某些生物生產(chǎn)自動化技術(shù)雖然不是實現(xiàn)蔬菜自動化嫁接的必要技術(shù)，但其能夠促進蔬菜自動嫁接研究進程，并顯著提高嫁接機的性能表現(xiàn)，其中，計算機視覺技術(shù)和定向播種技術(shù)是近年來研究關注較多的兩項輔助技術(shù)。

4.1 嫁接苗木的計算機視覺檢測技術(shù)

近年來，隨著自動化嫁接技術(shù)的迅猛發(fā)展，為提高嫁接技術(shù)的精度和裝備智能化程度，國內(nèi)外在研究自動化嫁接技術(shù)中，已經(jīng)將機器視覺技術(shù)用于處理嫁接苗木子葉展開的自動定向、生長點高度自動檢測、蔬菜幼苗特性檢測、分級處理、育苗穴盤定位等問題[59-65]。

相比于視覺圖像處理，嫁接技術(shù)上應用視覺技術(shù)沒有圖像處理后輸出的環(huán)節(jié)，只是將所采集的基本圖像信息經(jīng)過內(nèi)部處理之后直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。一般嫁接機器視覺系統(tǒng)由光源、光學鏡頭、攝像機、圖像采集卡、圖像處理系統(tǒng)、機器視覺軟件模塊、輸入輸出和控制執(zhí)行機構(gòu)組成[66-67]。

目前將機器視覺技術(shù)成熟應用到實際中的主要是孟加拉農(nóng)業(yè)部、沈陽農(nóng)業(yè)大學和日本京都大學聯(lián)合研究的3D影像技術(shù)，它比較了插接法、斜切法、劈接法3種嫁接方法在作業(yè)后5～40 d對嫁接苗嫁接位置的愈合情況，得出嫁接苗在愈合期間插接法更有利于苗木的生長[68-70]。荷蘭ISO Group Machinebouw公司在嫁接機中使用視覺技術(shù)實時檢測瓜科接穗的生長狀況，采集苗木數(shù)據(jù)信息。2011—2013年由日本京都大學和孟加拉農(nóng)業(yè)大學研究了基于機器視覺的番茄苗分級的嫁接機器人[71]，利用以發(fā)光二極管為背光的機器視覺系統(tǒng)采集幼苗圖像，通過識別圖像中子葉與莖干的節(jié)點，來分級判斷苗的類別，試驗成功率達到97%[65]。

在中國，2003年由中國農(nóng)業(yè)大學率先將機器視覺技術(shù)應用于蔬菜嫁接機的砧木苗自動定位中，通過圖像處理技術(shù)將營養(yǎng)缽體苗砧木子葉展開方向和高度生長點進行自動檢測，應用PC機研發(fā)控制算法，通過執(zhí)行機構(gòu)對蔬菜嫁接苗砧木進行準確定位與切割，推動我國全自動嫁接技術(shù)的發(fā)展[50]。同樣臺灣的現(xiàn)代科學與工程協(xié)會研究了基于LabVIEW 7和視覺輔助系統(tǒng)的嫁接幼苗檢測裝置，通過該裝置監(jiān)測和分析番茄嫁接苗(接穗和砧木)的高度和寬度來分析幼苗的生長狀況和生理特征，以便選取優(yōu)質(zhì)的嫁接苗木[72]。此外，沈陽農(nóng)業(yè)大學采用機器視覺圖像處理對砧木苗外形輪廓的識別來判斷子葉生長點位置，通過驅(qū)動切苗系統(tǒng)對砧木苗準確劈切，提高切苗作業(yè)準確度，進而提高嫁接苗成活率；湖南農(nóng)業(yè)大學以及西北農(nóng)林大學等在嫁接技術(shù)中也使用了機器視覺技術(shù)來完成蔬菜苗砧木的自動定向問題[32,73]；同時為滿足蔬菜苗嫁接移栽，上海交通大學機器人研究所楊揚等也研發(fā)了基于視覺的育苗穴盤定位與檢測系統(tǒng)，能夠識別輸送帶上苗木穴盤空間信息，為嫁接苗木移栽提供了自動化的基礎[74-76]。

4.2 面向蔬菜自動化嫁接的定向播種技術(shù)

某些自動化嫁接裝備對苗木子葉的生長形態(tài)有一定要求，如瓜科全自動嫁接機作業(yè)過程中，為了使切削機構(gòu)準確切除砧木苗的子葉，要保證將砧木子葉展開的方向朝向嫁接機切刀刀口，這對砧木子葉張開方向的一致性具有較高的要求，即需要砧木子葉的展開方向基本一致；而影響砧木子葉生長方向的關鍵因素是播種時種子在穴盤中的方向[77-79]。

中國農(nóng)業(yè)大學設計了一種大粒種子定向播種機構(gòu)，此機構(gòu)采用弧線仿形結(jié)構(gòu)，一套種盤搭配兩套種子定向機構(gòu)，實現(xiàn)了往復式無空行程播種，用于調(diào)整播種時種子長軸的排列方向， 以達到長出的幼苗葉片方向一致的目的[80]。華南農(nóng)業(yè)大學開發(fā)了一種播種裝置，基于直線振動器定向送種、氣缸驅(qū)動種穴轉(zhuǎn)向及負壓針式播種技術(shù)，可實現(xiàn)大粒種子 45°定向精量播種[81]。西北農(nóng)林科技大學設計了一種大粒種子調(diào)向排種機構(gòu)[82]，其主要由調(diào)向板、進種導向板和出種導向管構(gòu)成，利用圖像處理方法自動判斷種子出芽點所在的方向，通過調(diào)向板正反轉(zhuǎn)帶動種子調(diào)向使發(fā)芽口朝下落入導向管，種子在導向管引導下落入穴孔，可實現(xiàn)對大粒種子長軸保持45°方向、種子發(fā)芽口朝向一致并位于穴孔中心位置定向定位排種。東北農(nóng)業(yè)大學設計的大粒種子調(diào)向精量播種機構(gòu)主要由種子定向送種盤、導向滑槽、整列定位種槽和吸嘴等組成，利用種盤的高頻振動在特殊軌道上定向輸送種子，使種子的長軸方向一致，一次循環(huán)動作可自動完成種子定向、種子定位、吸種、落種和穴盤的輸送等工作過程[83]。

5 結(jié)論與討論

(1)嫁接機自動化程度方面

現(xiàn)階段的各種類型自動嫁接機基本上都是嫁接作業(yè)實現(xiàn)自動化,需要由操作工進行人工輔助操作，但人工輔助的操作過程也已經(jīng)越來越薄弱。目前，嫁接過程中切削自動化已經(jīng)普遍實現(xiàn)，自動取苗、供苗、嫁接苗自動栽植、后期管理等操作過程的自動化正在得到更多的研究關注，自動嫁接機器人技術(shù)正朝著其“自動化”的道路不斷完善。隨著未來農(nóng)業(yè)從業(yè)人員的進一步減少，蔬菜自動嫁接機全自動化程度的實現(xiàn)可以解決勞動力減少和蔬菜需求量增加的矛盾，因此，自動化程度的提高同時也是嫁接機器人技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在需求。

(2)嫁接機的作業(yè)規(guī)模方面

不論是日本的全自動嫁接機系列，還是荷蘭的自動嫁接生產(chǎn)線，如今蔬菜嫁接機器人基本上都是基于單株幼苗的嫁接過程進行自動化作業(yè)，這樣的嫁接規(guī)模制約著嫁接機器人的嫁接效率，1 000株/h已接近單株嫁接機嫁接的效率瓶頸，若不從嫁接規(guī)模進行突破，嫁接效率也無法得到更大的突破。因此，需要另避蹊徑，研究基于多株幼苗同時嫁接的自動嫁接系統(tǒng)，以在嫁接效率上取得突破。

(3)間接因素方面

現(xiàn)今蔬菜生產(chǎn)存在缺乏體系標準、生產(chǎn)分散等問題，導致嫁接機所需適應的苗木性狀差異大，制約了蔬菜嫁接機的研究針對性及推廣規(guī)模。農(nóng)藝與裝備同步發(fā)展是蔬菜自動化嫁接普及道路上的一條捷徑，因此，現(xiàn)階段迫切需要制定與蔬菜嫁接機相適應的蔬菜生產(chǎn)標準以及研究相應的農(nóng)藝優(yōu)化方法。

由于自動嫁接作業(yè)對象非結(jié)構(gòu)性顯著，有必要在自動控制算法和計算機視覺輔助嫁接方面充分利用當前人工智能領域的成熟方法，同時結(jié)合工況檢測技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，充分利用嫁接育苗過程中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)，便于使自動嫁接裝備更加智能化，從而提高嫁接機性能的穩(wěn)定性、面向不同批次嫁接苗木的魯棒性以及降低對操作人員的技術(shù)需求，以提升嫁接效率和嫁接質(zhì)量。

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Development Status and Analysis of Automatic Grafting Technology for Vegetables

ZHANG Kailiang CHU Jia ZHANG Tiezhong YIN Quan KONG Yanshan LIU Zhan

(CollegeofEngineering,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100083,China)

For grafting brings various advantages to plants, such as enhancing the disease resistance, speeding the growth, increasing production of per unit and reducing chemical application, it is a crucial step in large-scale vegetable production. Furthermore, automatic grafting by machine can effectively improve the survival rate of grafted seedlings and the working efficiency, which makes this kind of technology a rigid demand in vegetables’ commercial production. At present, global research within the field of automatic grafting and related robotic technologies has been carried out for years. The recent developments and the key technologies were systematically analyzed based on studying information in both academic and commercial fields. And five kinds of key technologies were brought forward, which were seeding mechanical grabbing technology, seeding romanticized delivering technology, stock/scion cutting technology, stock/scion joining technology and controlling technology for the grafting system. Moreover, the conclusion and prospection for the worldwide automatic grafting technologies were provided from three aspects: firstly, the level of the automation for grafting machines would make a further progress in the near future; secondly, the amount of the plants that a single grafting machine can process was supposed to increase; thirdly, the state of the art technologies in relationed fields, such as agronomy, ergonomie and artificial intelligence, would promote the grafting machines’ performance more in the future.

vegetables; automatic grafting; robot

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.03.001

2016-12-19

2017-02-21

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(2012AA10A506)和國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0701901)

張凱良(1982—)，男，副教授，主要從事生物生產(chǎn)自動化及機器人技術(shù)研究，E-mail： zhang_kailiang@cau.edu.cn

張鐵中(1956—)，男，教授，博士生導師，主要從事生物生產(chǎn)自動化及機器人技術(shù)研究，E-mail： zhangtz56@163.com

S604.3; TP242.6

A

1000-1298(2017)03-0001-13