旱作移栽缽苗自動取投苗技術(shù)研究進展

杜新武，李　燦，李明勇，楊林輝，金　鑫，姬江濤

(河南科技大學(xué)，農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院，河南 洛陽　471003)

0　引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐表明，營養(yǎng)缽育苗移栽具有對氣候補償和提早作物生長發(fā)育等綜合作用效果，能減少種子直播產(chǎn)生的出苗率不夠及二次補種現(xiàn)象，并提高作物單位產(chǎn)量。同時，移栽育苗能夠保證苗齊苗壯，便于實現(xiàn)作物生產(chǎn)全程機械化。我國大部分蔬菜和油菜等種植都以育苗移栽為主，種植面積分別達到1 031和700萬hm2，并取得良好經(jīng)濟效益[1]。

目前，我國旱作缽苗移栽機械以人工取苗、機械投苗的半自動移栽機械為主。與手工移栽相比，半自動移栽能夠降低勞動者強度，但移栽準確率和作業(yè)效率難以大幅度提高，尤其針對東北、新疆等地規(guī)模化種植，移栽效率和種植規(guī)模的矛盾更為突出，對機械取苗、機械裝置的自動移栽技術(shù)的研究開發(fā)提出了很高要求。為此，本文分析了目前國內(nèi)外自動取苗、投苗機構(gòu)的發(fā)展狀況，指出了旱作移栽缽苗自動取投苗機構(gòu)存在的差距和發(fā)展方向，為進一步開發(fā)自動化移栽裝備提供參考。

1　國內(nèi)外自動取投苗研究現(xiàn)狀

1.1　國外自動取投苗研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家缽苗自動取、投技術(shù)發(fā)展較早，從20世紀80年代就已經(jīng)開始了對自動取苗機構(gòu)的研究。目前，已有缽苗自動取苗裝置在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，初步實現(xiàn)了蔬菜、煙草等經(jīng)濟作物移栽過程的全自動化。盡管如此，國外的自動取投苗技術(shù)的研究仍是處于發(fā)展階段[2-4]。

1987年，美國奧本大學(xué)的L.J.Kutz等[5]以Puma560六自由度機器人為載體，以氣缸和并行的夾取爪組成的平行夾持指夾苗機構(gòu)為末端執(zhí)行器，設(shè)計研發(fā)了一種自動取移苗機器人，如圖1所示。機器人工作時，末端執(zhí)行機構(gòu)通過夾苗爪上的夾苗片來對苗缽施加壓力，將缽苗從392孔的育苗盤中取出，并移栽至36孔的生長盤中。實驗表明：該移栽機器人在3.3min內(nèi)能夠移栽36株幼苗，且移栽后幼苗成活率達到了96%[6]。

圖1　Puma560自動取移苗機器人

1990-1993年，美國伊利諾伊大學(xué)的K. C. Ting和Y. Yang等[7]以ADEPT-SCARA工業(yè)機器人為平臺，利用壓縮空氣驅(qū)動的帶力覺傳感器的滑動針SNS(Sliding-Needles with Sensor)夾持器為末端執(zhí)行器，研究開發(fā)了一種自動取投苗機器人。該機器人工作時，夾持器垂直接近穴盤中的穴孔位，夾取針下移至幼苗一側(cè)，以斜插方式進入土缽，由機械臂帶動將缽苗取出；取苗過程采用視覺傳感器來檢測缽苗的位置，底部的力傳感器來檢測加持機構(gòu)對苗缽施加的夾緊力，以降低夾持器在對缽苗夾持過程中對缽苗造成的損傷[8-9]。

日本對于自動移栽機研究相對較早，移栽機械化程度相對較高。1995年，日本研究開發(fā)了PT6000型穴盤苗移栽機器人，主要由苗盤輸送機構(gòu)、拔苗機構(gòu)、移栽機械手及漏播分選器等組成。該移栽機器人實現(xiàn)了自動識別穴孔內(nèi)有無缺苗，并通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)了機械手移動和穴苗抓取[10]。

2004年，日本的洋馬公司研究開發(fā)出一種自動化程度較高的移栽機PALA，該移栽機具有取苗、植苗、苗盤輸送、栽植深度調(diào)節(jié)及株距的調(diào)節(jié)等功能，單行作業(yè)，作業(yè)效率為40株/min。該移栽機的取苗機構(gòu)采用的是齒輪-連桿式取苗機構(gòu)[11]，通過取苗爪的加緊作用來完成對缽苗的取投作業(yè)[12-13]。

2001年，韓國的K. H. Ryu等人[14-15]研究開發(fā)了一種全自動移栽機，由視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和移栽機械手等部分組成。取苗裝置工作時，由控制系統(tǒng)通過控制步進電機的轉(zhuǎn)動帶動機械手轉(zhuǎn)至由視覺系統(tǒng)所確定的取苗處，然后通過氣缸來推動機械手插入穴盤中，由氣動卡盤來完成對穴盤苗的夾取、移動和投放，以實現(xiàn)整個取苗過程。對該取苗裝置進行室內(nèi)試驗，其取苗成功率為90%。為了進一步提高取苗成功率，K.H.Ryu等人對該取苗裝置的末端執(zhí)行器做了進一步優(yōu)化，該末端執(zhí)行器由兩個夾角為15°的夾指來完成對缽苗的夾取，同時在每個夾指上各裝了一個氣缸，以驅(qū)動夾指進行伸縮運動來完成對缽苗的夾取。對改進后的取苗裝置進行室內(nèi)取苗試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：取苗成功率可達98%，具有明顯的改善[16-17]。

美國RAPID Automated Systems公司生產(chǎn)的RTW系列全自動移栽機[18]，如圖2(a)所示。其自動取苗機械手具有體積小、多自由度的優(yōu)點，能夠?qū)Σ煌叨壤徝邕M行移栽。該全自動移栽機以寬輥道輸送和氣缸推送相結(jié)合組成輸送系統(tǒng)，實現(xiàn)了4盤秧苗同時移栽，大大提高了移栽速度。該公司生產(chǎn)的RTW-500S2型移栽機取苗機械手，如圖2(b)所示。其采用由片狀夾指、楔形塊及噴水管等組成的片狀夾持具，并利用氣壓驅(qū)動方式實現(xiàn)機械手對缽苗的夾取，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等優(yōu)點。

圖2　RTW全自動移栽機

荷蘭飛梭國際貿(mào)易與工程公司研究開發(fā)了系列自動化移栽機，如圖3所示。其不僅能夠進行多穴盤秧苗同時傳送及調(diào)整末端執(zhí)行器的數(shù)目，還能夠通過CCD來對健壯苗及空穴孔進行識別[19]。該公司生產(chǎn)的PIC-O-MatPC-16型自動移栽機能夠通過簡單編程使操作者輸入新的移栽方案，夾持指可以適應(yīng)多種穴盤規(guī)格，能夠輕松地集成到新的或現(xiàn)有的生產(chǎn)系統(tǒng)，如圖4所示。

澳大利亞的Transplant system公司開發(fā)的XT616型茶葉穴盤苗專用移栽機，如圖5所示。該移栽機被稱為開放式農(nóng)業(yè)機器人的典型，主要體現(xiàn)在通過PLC可編程邏輯控制器來實現(xiàn)對驅(qū)動裝置的控制，并在具有足夠接口的情況下控制足夠自由度的機械部分或接收多路傳感器檢測信號；通過改寫控制程序來調(diào)整移栽機取苗裝置末端執(zhí)行器的動作幅度；通過在移栽機取苗裝置上配備不同型號的末端執(zhí)行器，來對不同規(guī)格的穴盤苗進行取苗作業(yè)，大大增加了移栽機對農(nóng)藝的適應(yīng)性；將輸送平臺做成可折疊形式，以節(jié)省機器制造成本及減少作業(yè)空間[20]。該公司生產(chǎn)的HD系列全自動移栽機可進行4～8行移栽作業(yè)，如圖6所示。其采用氣缸驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器直接將缽苗以從苗盤正面扎取的方式來完成取苗動作，此后末端執(zhí)行器進行翻轉(zhuǎn)同時橫移至各導(dǎo)苗管處，將缽苗投至導(dǎo)苗管式栽植器內(nèi)，以完成對缽苗的移栽[11]。

圖3　荷蘭飛梭國際貿(mào)易與工程公司生產(chǎn)的系列自動化移栽機

圖4　PIC-O-Mat PC-16型自動移栽機

圖5　XT616型移栽機

圖6　HD系列8行全自動移栽機

意大利Urbinati公司設(shè)計生產(chǎn)了RW系列無線聯(lián)動和單植型全自動移栽機，其RW系列移栽機工作過程如圖7所示。該系列移栽機采用無線電驅(qū)動，直接終端可進行編程，并能夠進行自我診斷，大大減少了使用過程中對機器的維護次數(shù)，每個取苗機械手作業(yè)效率為可移栽1 000株/h[9]。

圖7　RW系列移栽機工作過程

1.2　國內(nèi)自動取苗研究現(xiàn)狀

我國從20世紀60年代開始對旱地移栽技術(shù)開展研究，但是發(fā)展較為緩慢[21]。目前，我國的旱地移栽機械多以半自動為主，全自動移栽機還處于起步研發(fā)階段[22]，并未在實際中得到推廣應(yīng)用。近年來，鑒于人工成本增加及政府為推動農(nóng)業(yè)機械發(fā)展采取了一系列優(yōu)惠政策等原因，各大院校、科研院所和高新企業(yè)紛紛展開了對全自動移栽機械的研究。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)趙勻等[23]研制了一種能夠一次性完成自動取苗、送苗、栽植動作，以變性橢圓齒輪、正圓齒輪和共軛凸輪為傳動機構(gòu)的反轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗移栽機構(gòu)，該機構(gòu)采用彈簧片夾取式取苗方式通過夾取靠近基質(zhì)的缽苗莖稈來完成對缽苗的夾取，每行移栽效率可達120株/min。

江蘇大學(xué)毛罕平等[24]研制了一種門型取苗機構(gòu)，如圖8所示。

1.機架　2.門形導(dǎo)桿　3.曲柄軸　4.凸輪　5.曲柄　6.滾子A 7.拉絲架A　8.門形橫梁　9.拉絲　10-1.拉絲架B10-2.推桿　10-3.爪座　10-4.爪銷　10-5.夾苗針11.仿形滑槽 　12.滾子B 　13.穴盤 　14.凸輪擺桿　15.凸輪滾子

該取苗機構(gòu)主要由曲柄門型導(dǎo)桿和凸輪仿形滑槽組成的額軌跡執(zhí)行機構(gòu)、取苗爪、苗爪開合凸輪控制機構(gòu)等部分組成。進行取苗時，由曲柄帶動門型導(dǎo)桿做往復(fù)擺動，進而帶動取苗爪在取苗和投苗點進行往復(fù)運動；門形橫梁上方的滾子通過在仿形滑槽內(nèi)的運動來使門形導(dǎo)桿和取苗爪按照一定的軌跡進行運動；曲柄軸和凸輪固結(jié)在一起，利用凸輪的特性來通過擺桿帶動拉絲和取苗爪內(nèi)的彈簧來控制推桿做伸縮運動，進而使取苗爪完成取苗、送苗和投苗的動作。

江蘇大學(xué)毛罕平、胡建平等[25]還選用二針式夾持方式開發(fā)了一套機械式取苗系統(tǒng)，該自動移栽機的自動取苗機械手由取苗爪、回轉(zhuǎn)箱驅(qū)動機構(gòu)及槽形凸輪機構(gòu)組成，以一定的軌跡運動實現(xiàn)從穴盤中取苗和向植苗機構(gòu)投苗的動作。

北京工業(yè)大學(xué)高國華[26]等人把自動化穴盤苗移栽機分為夾持機構(gòu)、控制機構(gòu)、移栽機支架、橫向平移機構(gòu)、傳送裝置和間隔調(diào)整機構(gòu)六大模塊，以對其進行模塊化設(shè)計。其中，夾持機構(gòu)集合了氣動技術(shù)和自動控制技術(shù)來對移栽爪進行了設(shè)計，并通過雙氣缸聯(lián)動的方式控制取苗爪的移動和取苗、放苗動作，該研究主要是針對溫室內(nèi)穴盤苗的移栽作業(yè)。

沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)邱立春等[27]對指針加緊式穴盤苗移栽爪進行了研制，該移栽爪主要由驅(qū)動氣缸、夾持指針、移栽爪安裝定位塊等組成，工作時采用氣缸驅(qū)動指針來控制進行缽苗的夾取、移動與缽苗的釋放等過程。同時，對穴盤苗的夾持過程進行苗坨與夾持指針受力分析，建立了移栽爪夾持力與指針入土角間的關(guān)系模型。

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)韓長杰等[28]設(shè)計了多組氣缸驅(qū)動的翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機械手，利用扎苗、放苗氣缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻轉(zhuǎn)氣缸和擺位氣缸控制機械手在取苗位和投苗位的姿態(tài)變換；通過室內(nèi)取苗試驗得出，系統(tǒng)取喂苗總可靠率達98.92%，平均基質(zhì)損失質(zhì)量9.26%，取喂速度達70株/min。

浙江大學(xué)蔣煥煜、任燁等[29]研究了基于機器視覺的設(shè)施農(nóng)業(yè)移栽機器人，包括視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機器臂等。機器臂由步進電機驅(qū)動，氣缸驅(qū)動末端執(zhí)行器，并對針式、鏟式和錐形3種手指的取苗效果進行了對比試驗，認為鏟式效果最好。

中國農(nóng)機院李樹君、金鑫[30]等人研制了一種五桿-定軸輪系組合式自動取苗機構(gòu)，并對該取苗機構(gòu)進行了運動學(xué)及動力學(xué)分析，獲得了結(jié)構(gòu)參數(shù)對機構(gòu)的影響規(guī)律及最佳參數(shù)組合。該機構(gòu)具有良好的取苗效果和動力學(xué)性能，且取苗工作效率達到了60～90株/min。

浙江理工大學(xué)趙勻、俞高紅等[31-32]人采用回轉(zhuǎn)式取苗機械手在行星減速箱內(nèi)配置非圓齒輪和不完全齒輪，形成插值臂末端特定的運動軌跡，從而完成取苗和向栽植部件投苗的動作。

2　存在的問題

2.1　育苗農(nóng)藝與移栽機械不配套

我國幅員遼闊，不同地域的光熱資源和耕作環(huán)境也不相同，與之配套的穴盤規(guī)格、移栽苗齡和缽苗尺寸等直接影響機械化移栽的農(nóng)藝參數(shù)差異巨大，導(dǎo)致目前在研的自動取投苗技術(shù)裝備適應(yīng)性差，難以大面積推廣應(yīng)用。

2.2　設(shè)施農(nóng)業(yè)自動化移栽發(fā)展緩慢

溫室大棚蔬菜種植經(jīng)濟效益高于露地蔬菜，并且國家鼓勵發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)，因此很多蔬菜產(chǎn)區(qū)廣泛推廣大棚蔬菜種植；但是，溫室大棚農(nóng)機作業(yè)環(huán)境受到很大限制，對自動取投苗機構(gòu)作業(yè)空間和運動軌跡提出嚴格要求，目前國內(nèi)對于溫室大棚缽苗移栽的自動取投苗技術(shù)研究尚未全面開展。

2.3　高速取、投苗機構(gòu)研究缺乏

國內(nèi)外旱作移栽缽苗自動取投的研究水平已接近單行90株/min，但對機械手式高速自動取苗技術(shù)的研究還有欠缺，尤其單行取苗速率超過90株/min后機構(gòu)振動造成的作業(yè)不穩(wěn)定及慣性力對取投苗效果的影響均未涉及。

3　結(jié)論

國外缽苗移栽自動取投苗技術(shù)相對較為成熟可靠，但價格高昂，且國外自動移栽取投苗機構(gòu)設(shè)計時并未考慮中國農(nóng)業(yè)特點，導(dǎo)致大部分國外先進機型難以在國內(nèi)推廣應(yīng)用。目前，國內(nèi)自動移栽技術(shù)有了較大發(fā)展，但多數(shù)仍處在理論研究階段，開發(fā)應(yīng)用還注意以下問題：

1)國內(nèi)缽苗的育苗規(guī)格、機械性能、基質(zhì)成分等指標尚無國家統(tǒng)一標準，導(dǎo)致即使同一作物的缽苗，差異性也十分明顯，而自動取投苗裝置對于作業(yè)對象一致性要求較高，因此在開展自動取投苗技術(shù)研究時，必須考慮配套的育苗農(nóng)藝要求。

2)進一步融合苗缽力學(xué)特性、機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)性能進行多目標復(fù)雜非線性優(yōu)化研究，并將送苗、分苗、取苗、投苗技術(shù)綜合分析，從以往的運動軌跡研究提升為動力學(xué)、損傷力學(xué)研究。

3)在發(fā)展自動移栽技術(shù)的同時，應(yīng)當引入作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控及智能控制等先進技術(shù)，實現(xiàn)智能移栽、精準移栽。