穴盤苗自動移栽機取苗裝置研究現狀及展望*

孫曉曉，劉洋，李斌，牛國梁，王濤，董云成

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832000；2.塔里木大學現代農業工程重點實驗室，新疆阿拉爾，843300；3.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子，832000)

0 引言

穴盤苗移栽是育苗工作的重要環節，其工作性能的好壞關系到所育秧苗質量和產量的高低。目前穴盤苗移栽的自動化水平低下，取苗作業還需要人工完成，加大勞動強度的同時，增加了生產成本和降低了作業效率，因此，對取苗裝置的研究將促進移栽機械自動化進程，提高作業效率、作業質量和解放勞動力[1]。

目前國內許多學者對穴盤苗自動移栽機及其各關鍵部件進行了大量的研究，并取得了很多的研究成果。但取苗裝置仍存在通用性差，效率低，作業不穩定和智能化程度不高等問題[2-4]，導致國內還沒有完全成熟的全自動移栽機。

本文按照取苗方式進行分類，分別從夾取式、插拔式、頂出式和頂夾結合對國內外穴盤苗自動移栽機取苗裝置的研究現狀進行介紹，分析我國現有穴盤苗自動移栽機取苗裝置研究成果中存在的不足，并對未來開展取苗裝置的研究提出相應的思路。

1 國內外研究現狀

1.1 夾取式

夾取式取苗裝置靠夾緊動作，可以牢牢地夾住苗體。在取苗時，指針插入苗體基質后向中間夾緊；釋放苗體時，指針向周圍松開，苗體靠自身重力分離，夾取式憑借夾緊動作，可以牢牢抓住苗缽，但不易控制其夾持力，易將苗缽夾斷。在穴盤苗釋放過程中，由于基質濕黏和根系纏繞等原因，苗體可能會粘連在指針上，無法靠自身重力成功脫離[5]。

夏本立等[6]設計了一種行星輪系式取苗裝置(圖1)。該裝置采用的是純機械運動，其精度的準確性還需進一步控制，目前只在室內實驗室試驗，取苗成功率為97.21%，沒有考慮田間環境對試驗的影響，導致結果較為理想化。

圖1 行星輪系式取苗裝置結構示意圖

馬銳等[7]設計了一種適用于整排式移栽機的機械式取苗裝置。該裝置用氣缸代替曲柄滑塊機構來驅動取苗裝置運動，減少了摩擦造成的磨損，可精確調整夾持角度，減少了基質的受損。但并沒有對其進行試驗，無法得知其取苗成功率及效率，且裝置對缽苗種類針對性較大，只適用于番茄缽苗。

王永維等[8-10]設計了一種橢圓—不完全非圓齒輪行星系旋轉式取苗裝置(圖2)，行星架旋轉一周可取苗兩次。旋轉式取苗機構取苗臂在移栽機工作時因做平面復合運動，會產生較大的慣性力，不完全齒輪機構在開始嚙合和脫離嚙合時產生沖擊，這些都會引起機器振動，導致定位準確度差，使該裝置在高速移栽時取苗漏栽率由1.7%增加至2.8%。

圖2 橢圓—不完全非圓齒輪行星系蔬菜穴盤苗取苗裝置結構簡圖

孫慧等提出了一種雙臂式取苗機構(圖3)，該機構是一種凸輪—連桿組合機構，雙搖桿機構同時驅動兩組曲柄滑塊機構工作，取苗、運苗及投苗的運動過程均由導向槽控制，通過對凸輪輪廓曲線進行設計，從而保持取、投苗動作穩定，保證了缽苗的完整。該裝置取苗材料均由45號鋼制成，質量較大，機構在高速運動下由于慣性力亦會產生振動，苗體基質易損壞，并且滑槽機構易磨損。

圖3 雙臂式取苗機構示意圖

Ryu K H等[1，11]設計了一種單株取苗的取苗裝置，并設計了不同結構的氣動取苗爪進行對比試驗，但取苗只能在定點情況下進行取苗，取苗成功率為90%，取苗效率低下。為了改善這一局限性，進一步提高取苗成功率，Ryu K H等對該取苗裝置的末端執行器做了優化與改進，由兩個夾角為15°的夾指構成末端執行器，每一個夾指對應一個氣缸，以氣缸驅動夾指進行伸縮運動來完成對苗體的夾取。對改進后的取苗裝置進行室內取苗試驗，結果發現取苗成功率可達98%，具有明顯的改善。

Ting K C等[12]開發了一種氣壓針式取苗裝置。該裝置由氣缸驅動機械手的每根針進行對苗體的夾取，根據不同種類的穴盤和穴盤苗對針的角度和力的大小進行調節。通過傳感器可調節針與苗體的距離，保證針在夾持缽苗的過程中使苗體不受損。幼苗從育苗盤移植到穴盤時，單株苗移栽的時間為2.6～3.3 s[1]。

日本的全自動移栽機取苗裝置大都為純機械運動，取苗方式采用夾取式，但每行只安裝1組取苗機械手，單株取苗，取苗效率低下。代表機型為洋馬PA1A型取苗裝置，該裝置由行星輪機構和槽型凸輪機構組成，工作原理為行星齒輪系的轉動帶動取苗爪沿著滑槽進行往復運動，最終形成取苗爪取苗和投苗的運動軌跡，取苗爪的取苗和投苗的動作是由行星齒輪的凸輪機構控制，但該機構結構復雜，設計精度要求高，且齒輪加工較為復雜，增加了生產成本[13]。

歐美國家夾取式取苗裝置代表機型有三行式全自動移栽機、Agriplant全自動移栽、RTW系列全自動移栽機和PC-21型全自動移栽機。

三行式全自動移栽機的取苗裝置利用取苗手夾取苗莖，將缽苗從穴盤中取出，進行移栽。該移栽機無需傳感器或電子元件即可完成穴盤、缽苗分離動作，移栽速度是傳統人工移栽機的2倍。Agriplant全自動移栽機需要人工將缽苗穴盤放置進給機構的傳送帶上，送至指定位置，取苗手成排夾取缽苗，完成取苗作業。該移栽機需要2名工人進行管理作業，生產效率可達2.5 hm2/d，移栽效率和自動化程度高，后續研發的移栽機可實現白菜，芹菜等作物移栽。RTW系列和PC-21型移栽機采用由4個取苗針構成的取苗爪進行成排取苗，每個取苗爪都由單獨的氣缸驅動，機械結構緊湊，可以靈活調節高度，對高于或低于標準移栽高度的穴盤苗也能進行夾取[14-15]。

夾取式取苗裝置國內外具體取苗方式及優缺點如表1所示。

表1 國內外夾取式取苗裝置優缺點

1.2 插拔式

插拔式取苗裝置帶有針管，指針縮在針管內，取苗時，當針管下端接觸苗體時基質上表面時，指針以固定的角度伸出插入基質中；釋放苗體時，指針縮回針管內，靠指針與針管之間的相對運動將苗體推出，從而實現分離，此種形式取苗動作由單一工作部件完成。但是由于取苗爪要夾持基質，對夾持部位會有一定的損傷[5]。

何亞凱等設計了一種齒輪—五桿組合的自動取苗機構，采用迎苗扎取方式進行取苗，取苗爪在4針式的結構基礎上進行改進，由兩根取苗叉構成，每根取苗叉又都包含2根取苗針，尺寸較小，但其為單株取苗，取苗效率還有待提高。

胡建平等[16]設計了一種可整投整取的門型整排取投苗裝置。由氣缸控制取苗爪，每個驅動取苗爪開合的氣缸均有單獨電磁閥控制，該裝置適應不同規格的穴盤及栽植頻率，實現了取苗爪針在插入苗缽過程中逐漸收縮，減少了對苗缽內部的損失。但農田作業環境惡劣，空氣雜質多，易造成氣動系統堵塞和作業不通暢，且隨著栽植頻率的提高，取苗投苗綜合成功率由99.31%下降至95.15%，取苗穩定性還需進一步提高。

竹山智洋[17-18]設計了一種自動喂取裝置，該裝置由主動行星輪系旋轉箱驅動取苗爪沿指定工作軌跡回轉，完成取苗喂苗工作，該裝置結合了取苗與植苗結構，提高了工作效率，但該裝置由兩套行星齒輪系組成，結構復雜，制造成本高，導致應用范圍較窄。

日本的PF2R全自動蔬菜移栽機，該移栽機的取苗裝置可用單行回轉臂驅動兩個取苗器進行定點、定時、定位取苗，取苗器上的取苗針對喂入到相應位置的缽苗進行取苗落苗等操作，該移栽機可實現在260～800 mm之間的株距無級調節，移栽深度分為多檔位調節，苗況可控，移栽質量高，適應季節變化、移栽缽苗的特點和要求，可在單壟兩行，兩龔兩行，平地狀態下作業[19]。

美國Williames等設計了一種插拔式成排取苗裝置，并排排列的指針式取苗爪，通過對苗體基質進行扎取的方式完成取苗作業，代表機型為英國的Person全自動移栽機。該機構由PLC系統實現，并由氣缸推動取苗爪，實現了機—電—氣一體化，動作快速，取苗效率極高。但其易損傷苗體基質。

澳大利亞的XT616型移栽機為一種開放式農業機器人的典型，采用PLC控制取苗機械手的動作，通過改變程序來調整機械手末端執行器的動作幅度，只要保留足夠的接口，便可控制足夠自由度的機械部分接受傳感器信號。該裝置為了適應不同種類的穴盤苗移栽，配有多種不同規格的機械手末端執行器[1]。其HD系列的自動移栽機，由氣缸驅動取苗機械手對缽苗進行正面插入，完成取苗作業，此后取苗機械手將缽苗翻轉的同時橫移至各導苗處，將缽苗投至導苗管[20]。

插拔式取苗裝置國內外具體取苗方式及優缺點如表2所示。

表2 國內外插拔式取苗裝置優缺點

1.3 頂出式和頂夾結合

頂出式取苗裝置的取苗爪運動至取苗位置后靜止，頂針從育苗穴盤后部將苗頂出并推入取苗爪夾持區域，取苗爪夾緊苗缽，完成取苗；被取出的缽苗隨取苗爪移動至輸送部件上方，完成投苗。此種取苗方式動作穩定可靠，不傷苗體或基質，可針對不同種類的穴盤苗。但是取苗過程需要不同部件之間的高度配合完成，對定位動作控制要求高，結構復雜。

頂夾結合將頂出式與夾取式的優點組合，頂苗桿將苗體頂出，取苗機械手將頂出的苗體進行抓取，從而實現取苗和投苗的動作，這樣大幅度地降低了對苗體基質的損傷，使取苗成功率得到一定的提高。

張敏等設計了一種曲柄滑道連桿式頂出機構(圖4)，利用曲柄滑道連桿機構可以實現轉動臂端部鉸鏈點處為橢圓軌跡，使水平軸變長，進而達到理想的頂出效果，又使整個送苗機構結構緊湊，實現在較小的空間內具有較大的頂出行程，滿足把苗體全部頂出的需要，且運動勻速、頂出效果好。但沒有對該結構進行試驗，其頂苗成功率未知，目前還未應用到整機中。

圖4 雙曲柄五桿機構數學模型

韓長杰等設計了一種利用頂苗爪將穴盤苗頂出的自動取苗裝置，頂苗爪受頂苗氣缸驅動能夠穿過卡盤架中的孔，將卡盤架內穴盤中的苗體推出，在接苗板的背面安裝了兩個小氣缸，氣缸帶動上、下兩塊滑片分別驅動相鄰的兩塊夾片擺動，從而實現對苗體的夾持和放苗，但其只針對根系較為發達的缽苗，應用范圍較窄。

韓振浩等針對頂夾結合的方式設計了一種頂苗機構，單側氣缸驅動曲柄滑塊機構，雙側平行滑軌對頂苗桿的頂出運動進行限位，保證了頂苗動作的準確度和穩定性。但其頂苗機構的設計加大了整機的體積，使整體空間利用率減小，使取苗裝置的結構變得復雜，不利于操作。

吳儉敏等[21]設計的穴盤苗自動輸送裝置，運用曲柄連桿式頂苗機構將苗缽頂出后，夾苗裝置翻轉夾苗，該裝置由凸輪與齒輪齒條合成機構控制夾苗爪的往復翻轉，開合凸輪控制夾苗爪的開合，實現了不同規格苗盤的輸送和自動定位控制，但該機構動力需依靠單獨傳動系統輸送，且沒有考慮機器振動產生的影響，導致其對精度的控制不準確。

美國Errol C.Armstrong等設計了一種推苗桿式取苗裝置，由凸輪控制并驅動整排推苗桿將苗體頂出然后收回推苗桿，頂出的苗體落到水平傳送帶的槽中，苗體在槽的作用下逐個按照順序排列。但該機構結構復雜，不利于自動控制，且對配套作業要求高。

Isao Mikawa等設計了一種推苗桿和取苗滑針配合的自動取苗裝置，工作過程為，把苗體放在傳送鏈上，傳送鏈將其傳送至頂出區域，推苗桿在液壓缸的驅動下將其頂出，同時取苗滑針插入苗體基質，完成取苗作業。該機構自動化程度高，動作精準，可高速取苗，但其制造成本較高。

歐美國家頂夾結合取苗裝置代表機型有Ferrari全自動移栽機，Williames全自動移栽機，利用PLC控制氣缸驅動頂桿和取苗爪協調工作將缽苗成排取出，采用液—氣—電相結合的驅動方式實現對缽苗的移栽。取苗裝置要求各機構之間的配和精度高，導致整機的體積龐大，機構結構復雜，制作成本增加。通常一組取苗機構給2行栽植機構供苗，移栽效率為4 000株/分/行。因此，這種形式移栽機單行的移栽效率并沒有明顯的優勢[22]。

頂夾式和頂夾結合取苗裝置國內外優缺點如表3所示。

表3 國內外頂夾式和頂夾結合取苗裝置優缺點

2 存在問題與研究方向

2.1 存在問題

從國內外研究現狀發現，國外穴盤苗自動移栽機取苗裝置的結構、技術和經驗都相對成熟，我國的穴盤苗自動移栽機取苗裝置的研究與實際情況還存在一些問題，制約了穴盤苗自動移栽機在我國的發展與應用。

1)取苗效率與取苗成功率相矛盾。國內外對取苗裝置自動取苗速度的研究由45株/min增加90株/min，但國內大多研究試驗表明，隨著取苗速度的增加，取苗成功率都有所下降，漏苗率有所增加。取苗裝置無法跟隨行走速度改變取苗頻率，機構由于速度的增加產生的大幅度振動，導致作業不穩定從而產生誤差，這些問題目前都尚未提出解決方案。

2)育苗穴盤不標準。穴盤的規格從32穴到288穴不等，不同的廠家生產的穴盤穴孔的大小和形狀存在誤差，所適應的缽苗種類不同，苗缽的尺寸和移栽苗齡也無法一致，沒有形成系列化和規格化，導致目前研究的自動取苗裝置通用性差，無法大面積的推廣。

3)效率低，苗體損傷大。苗體基質的受力直接影響到取苗成功率，目前國內絕大多數的自動移栽機機械手的主要抓取對象為苗缽，抓取時對角度和力度的控制無法確定，會對苗體基質造成一定的損傷，許多研究者對這一問題進行了研究，但對缽苗種類針對性較大。缽苗的損傷不可避免，但應將缽苗的損傷降低至可接受范圍之內。

4)農機與農藝脫節。目前國內設計的取苗裝置，在功能上基本滿足對穴盤苗取苗的作業要求，并且許多學者在此基礎上進一步對取苗軌跡和機構結構參數進行了優化改進，但實際取苗效果并不理想，取苗成功率不高，還有一些只在室內實驗室進行了試驗。其實取苗失敗的原因主要為育苗問題，例如基質土壤水分太多，粘度不夠或苗缽根部太細。事實上，對于穴盤苗自動移栽機的設計而言，很大程度上要使取苗裝置的結構與農藝相符合[23]。

2.2 研究方向

1)提高穴盤苗自動移栽機取苗裝置的通用性。由于我國地域遼闊，不同產區的地理環境，氣候條件和種植模式都存在著差異，導致制定統一的育苗盤標準和規范育苗栽培的要求較為困難。通過尋找穴盤苗的共性、設計合理的結構、更換部分零部件或調整工作參數的方法，實現對不同育苗方式、不同穴盤規格或不同種類的缽苗都適應的自動取苗裝置的設計，形成通用型自動移栽機。

2)實現對缽苗無損傷取苗。目前國內大多使用軟質塑料盤，采用頂取方式取苗時易發生變形，導致取苗裝置大多采用夾取式和插拔式進行取苗，對頂出式和頂出夾取式的取苗裝置的研究涉及較少。所以采用頂夾結合和開展硬質泡沫穴盤的研制，提高取苗的可靠性，是解決苗體基質受損一種可行的方法。

3)穴盤苗自動移栽機取苗裝置智能化。通過對機構結構的設計改進，以及對取苗裝置引入智能控制及作業監控，促進取苗技術與機械化，自動化和信息化緊密結合，進一步提高取苗裝置的操作性、方便性和智能化，從而提高取苗精度，使取苗裝置在高速取苗下，取苗作業穩定，取苗成功率與取苗速度相適應。

4)研制出適合我國農藝的穴盤苗自動移栽機取苗裝置。在現代化的農業發展中，農業機械化的發展和實現越來越離不開農業的支持，農機與農藝相輔相成，共同服務于農業生產的綜合效益，對穴盤苗自動移載機取苗裝置的研究亦是如此[24]。在借鑒國外先進的技術的基礎上，結合我國移栽作業的基本要求和特點，制定出符合我國農業實際作業的移栽模式和標準。

3 結論

1)發展穴盤苗移栽自動化是解決在移栽作業中勞動強度大、動力短缺、低效率和推動我國穴盤苗移栽現代化的重要舉措。取苗裝置是穴盤苗自動移栽機的核心部件，也是區分半自動和全自動移栽機的標志。通過分析和介紹國內外穴盤苗移栽機取苗裝置的研究現狀，可以發現國外研究的取苗裝置廣泛采用機-電-氣一體化，作業穩定且作業效率高，但其結構復雜，價格昂貴，不適合我國實際移栽作業模式。

2)盡管對穴盤苗取苗裝置的研究比較充分，但夾取式、插拔式和頂出式取苗裝置在目前的發展水平下，達不到高效率、低成本和輕簡化的目標。在可預見的未來，穴盤苗取苗裝置的發展方向應該是對頂夾結合取苗裝置的研究。研究穴盤苗自動移栽機取苗裝置的通用性，智能化及對缽苗無損傷取苗，開發出適合我國農藝的穴盤苗自動移栽機取苗裝置。