大田機械化移栽技術與裝備研究進展

俞高紅 王 磊 孫 良 趙 雄 葉秉良

(1.浙江理工大學機械與自動控制學院， 杭州 310018； 2.浙江省種植裝備技術重點實驗室， 杭州 310018)

0 引言

我國地域遼闊，氣候地貌差異顯著，作物種類繁多，不同作物或同種作物在不同地域的種植方式也大不相同，種植模式具有多樣性。育苗移栽是一種將在溫室基質中成盤培育的作物幼苗移植到田地的種植模式，具有對氣候補償和使作物生長發育期提前的綜合效益，是提高復種指數或抵御苗期低溫冷害，實現豐產、增產的有效途徑[1-2]。適宜移栽作業的農作物范圍非常廣泛，水田包括主要作物水稻，旱田主要作物有棉花、玉米和經濟作物油菜、蔬菜等[3-4]。但人工移栽作業勞動強度大、效率低、移栽后株行距參差不齊，影響后續植保、收獲等作業工序。機械化移栽不僅可以大大降低勞動強度，減少人工成本，提高生產效率，而且種植的秧苗行距、株距、深度一致，有利于后續施肥、除草、噴灑農藥和機器人采摘等機械化田間作業，是實現作物全程機械化生產、規范化管理的重要環節[5]。

雖然我國目前已研發出部分移栽裝備，但機器種類不全、自動化程度不高。移栽機構作為育苗移栽裝備的核心部件，需要完成將幼苗從苗盤中取出、輸送、栽植等系列動作，其功能與性能直接決定著移栽裝備的競爭力[1]。目前，國內外采用的移栽技術主要包括頂出式、夾取式和直落式等方式，其實現形式有機械式、氣動式和機電一體化等多種方案[6]，其中機械式移栽機構雖有行星輪系式、多連桿式、凸輪-連桿式等多種結構類型[4]，但對其創新設計基本依靠經驗、直覺或直接仿制國外移栽機構，制約著我國研發具有自主知識產權的移栽裝備。為滿足不同作物和不同種植模式下的育苗栽植需求，研制與移栽幼苗物理特征、農藝要求相匹配的高性能、多樣化的移栽機構一直是移栽種植機械研究的重點。

本文對國內外大田機械化移栽技術與裝備的研究進展進行綜述。概括國內外典型機械化移栽關鍵技術及裝備的研究現狀，分析各類移栽機構的工作原理和結構特征，進而圍繞水稻缽苗移栽、旱地穴盤苗自動取栽技術及移栽機構設計方法的研究動態，分析我國機械化移栽存在的問題，在此基礎上展望我國移栽技術研究的未來發展趨勢，以期為我國機械化移栽技術與裝備的研究提供建議與參考。

1 水田機械化移栽技術與裝備

水田主要作物水稻作為我國第一大糧食作物，其機械化移栽主要有毯狀苗插秧和缽體苗移栽兩種方式。因此，移栽裝備也主要有適用于毯苗和缽毯苗的插秧機和適應缽苗的移栽機。

1.1 水田移栽裝備

目前，國內外生產和使用的水稻移栽機主要有步行式和乘坐式兩大類，其典型機型如表1所示。其中毯苗機插秧仍是我國目前應用最廣泛的一種水稻種植機械化方式，文獻[7-8]等對水稻毯苗機插秧技術及裝備研究進展進行了詳細總結，本文不再贅述。將重點闡述水稻缽苗移栽相關技術與裝備的研究進展。

表1 水田機械化移栽裝備Tab.1 Paddy field mechanized transplanting equipment

水稻缽苗移栽主要有機拋秧、機擺栽和機插秧等形式，其中機拋秧一般為無序栽插技術，應用較少，目前水稻缽苗移栽主要集中在機擺栽和機插秧上[9]。日本是最早研究和使用水稻缽苗移栽機械的國家，如井關公司生產的PZP-80型水稻全自動缽苗移栽機，其采用的是“頂出式”移栽方式，依靠4套裝置分別完成取秧、翻轉、輸送和栽植4個動作，不僅結構復雜、價格昂貴，而且存在配套缽盤使用成本高、配套的育秧設備僅適應常規稻，對雜交稻不適應等問題。因此，該類機型在我國難以大面積推廣應用[1]。

國內對于水稻缽苗移栽裝備的研究，主要為仿造國外機型和自主研發。如常州亞美柯機械設備有限公司全套引進日本技術，生產了2ZB-6A型乘坐式高速缽苗移栽機，但該機型核心工作部件仍為日本進口，基本不存在我國自主產權的核心技術。吉林鑫華裕農業裝備有限公司、中國農業大學、黑龍江農墾科學院、浙江理工大學和東北農業大學等單位[7,10-12]，都相繼開展了水稻缽苗移栽機的研制，并已開發出一些機型。例如東北農業大學與鑫華裕農業裝備有限公司聯合研制的2ZB-630型水稻缽苗移栽機，實現了使用缽體軟秧盤進行水稻缽體苗的栽插作業，采用一套雙曲柄五桿式移栽機構完成了水稻缽體苗的取苗、運苗和栽植等動作，但是由于核心部件為桿機構，始終存在振動大、效率低的緣故，因此不能滿足高效作業的需求。中聯重科研發的2ZPY-13A型水稻拋秧機可實現有序拋秧，一次可拋擲13行，工作效率相對較高，但依靠水稻秧苗自由落體后的栽植直立度欠佳[13]。

本課題組研發了一種六行高速乘坐式水稻缽苗移栽機，如圖1所示，該機器采用具有對稱結構的不等速行星輪系作為移栽機構的傳動部件，結構緊湊、移栽效率高(200株/(min·行))。目前正處于樣機試驗與推廣應用階段。

圖1 六行水稻缽苗移栽機Fig.1 Six-row rice pot seedling transplanter

1.2 水田移栽機構

移栽機構是移栽機的核心工作部件，主要功能是替代人手完成秧苗的取、送、栽等一系列動作。目前用于水稻毯苗移栽的分插機構研究技術已基本成熟，低速插秧機多采用曲柄搖桿式分插機構[14]，高速插秧機多采用回轉式行星輪系分插機構，如偏心齒輪[15-16]、橢圓齒輪[17]和非圓齒輪行星輪系分插機構[18-19]等。

水稻缽苗移栽依據取苗方式的不同，可分為頂出式擺栽和夾取式移栽[20]。日本“頂出式”水稻缽苗移栽裝備工作原理如圖2所示，缽盤隨著秧箱由上往下運動，由頂桿的往復運動將缽苗頂出到圖2b中的輸送帶卡槽中，秧苗隨著輸送帶的運動逐個落入由輸送帶和保持架組成的取苗口中，最后由一套行星輪系擺栽機構將取苗口中的秧苗擺栽入土中[21]，這種“頂出式”移栽方式依靠4套裝置分別完成取苗栽植4個動作，傳遞過程繁瑣，機構結構復雜，并且制造成本非常高。

夾取式移栽機構可由一套機構完成夾苗、拔苗、持苗和推苗等動作，已經成為水稻缽苗移栽機研究的一個重要方向[22]。夾取式移栽又根據夾取秧苗部位(莖部或土缽)的不同，分為夾苗式和夾缽式兩種取苗方式[20,22]。馬瑞峻等[23]研制了機械手式水稻有序行拋機構，通過單片機編程設定夾取式機械手，同時還設置配套的空間滑道可使秧苗按行有序排列。宋建農等[24]發明了一種對輥式拔秧機構，研制了2ZPY-H530型水稻缽苗移栽機，該機構工作平穩，可靠性較高，但難以保證其拔秧率和栽植成功率。吉林延吉光華機械廠研制了一種多桿式組合水稻缽苗移栽機構[25]。蔡金平等[26]設計了一種變行距水稻缽苗移栽裝置。延邊大學提出了用兩套非圓齒輪行星輪系機構相互配合完成水稻缽苗移栽作業[27-28]。吉林鑫華裕農業裝備有限公司和東北農業大學研制的雙曲柄五桿水稻缽苗移栽機[29]，僅用一套機構實現移栽過程中的取苗、帶苗和植苗3個動作，如圖3所示，但由于桿機構結構本身特點的限制，移栽效率較低，高速運轉時振動較大。

圖3 雙曲柄五桿式移栽機構Fig.3 Double crank five bar transplanting mechanism

鑒于桿機構存在的問題，俞高紅等[30]應用不完全非圓齒輪研制了一種旋轉式水稻缽苗移栽機構，但不完全非圓齒輪在嚙合過程中會產生速度突變，從而產生剛性振動，為此，該團隊設計了緩沖裝置[31]，在速度突變處配置緩沖齒，減緩機構振動，改善了機構工作性能。同時，為提高移栽效率，設計三臂輪系式水稻缽苗移栽機構[32]，如圖4所示，該機構旋轉一周可取植苗3次，在不提高工作轉速的情況下提高了移栽效率。

圖4 三臂輪系式水稻缽苗移栽機構Fig.4 Three-arm planetary gear train rice pot seedling transplanting mechanism1.太陽輪 2、4、6.中間非圓齒輪 3、5、7.行星非圓齒輪 8.凸鎖止弧 9、10、11.凹鎖止弧 12、13、14.移栽臂 15.行星架 16.缽盤

ZHOU等[33]設計了一種貝塞爾齒輪行星輪系水稻移栽機構，如圖5所示，該機構是由5個貝塞爾曲線非圓齒輪行星系組成，通過結構參數優化完成平面“8”字形軌跡與姿態，并采用彈簧夾片與推秧桿配合的方式進行取秧及推秧。

圖5 貝塞爾齒輪移栽機構Fig.5 Bezier gear transplanting mechanism

對于回轉式水稻缽苗移栽機構，浙江理工大學和東北農業大學研發了不同形式的水稻缽苗移栽機構，包括用于水稻寬窄行種植的各種空間行星輪系機構[34]。

2 旱地機械化移栽技術與裝備

相比于水田機械化移栽，旱地移栽的作業環境與作物種類更加多樣，不同的地形、土壤結構、作物品種以及農藝要求決定了旱地移栽機型的多樣化和復雜性。旱地機械化移栽裝備按其自動化程度可分為半自動移栽機和全自動移栽機。下面分別對半自動和全自動旱地機械化移栽裝備與取、植苗機構研究現狀進行闡述。

2.1 半自動移栽機

半自動移栽機采用人工取苗，再將苗送入栽植機構進行種植，是目前應用最廣、現存量最大的移栽機類型[4]。但因需要人工喂苗，限制了移栽效率，長期工作時栽植質量難以保證，不適用于我國大田作物高速移栽的需要。

目前國內外半自動移栽機技術都比較成熟，已有多種機型進入市場，根據栽植機構類型主要可分為鏈夾式(鉗夾式)、導苗管式、撓性圓盤式和鴨嘴式(吊杯式)等4類形式[35]，其典型機型與工作原理、特點如表2所示。

表2 半自動旱地移栽機Tab.2 Semi-automatic dryland transplanter

栽植機構是半自動旱地移栽機的核心工作部件，其性能直接影響移栽后秧苗的立苗率和傷苗率，決定著半自動移栽機的競爭力。鴨嘴式栽植機構因其對秧苗適用范圍廣，并可進行膜上移栽，是目前生產實際中半自動移栽機應用最廣的方式[36]。由于鴨嘴式栽植機構和吊杯式栽植機構的栽植器類似，因此本文將吊杯式移栽機納入鴨嘴式移栽機的范疇，但按照栽植器的運動原理嚴格區分，吊杯式栽植機構主要有偏心圓盤式和偏心鏈條式兩種驅動方式；鴨嘴式主要分為多連桿式和行星輪系式兩種驅動形式[37]。

多連桿式栽植機構加工制造成本低，并且可實現豐富的作業軌跡，因此應用較為廣泛。現有的多連桿式栽植機構也存在不同構件數的多種構型。其中四桿機構是能夠滿足植苗運動的最簡單機構，陳星谷等[38]提出了一種曲柄搖桿復合平行四邊栽植機構，并建立了運動學模型對機構參數進行分析和優化，使之達到缽苗膜上栽植要求。何小晶等[39]對雙曲柄五桿栽植機構進行了運動學分析，通過人機交互的方式，得到一組運動軌跡與姿態良好的栽植機構參數。徐高偉等[40]和于英杰等[41]分別將齒輪五桿機構用于丹參和花椰菜栽植。劉姣娣等[42]為實現有效零速栽植，提出一種行星輪系五桿栽植機構，但與姬江濤等[43]設計的行星輪系滑槽式栽植機構存在同一問題，即都需要給定一個穩定的速比關系，才能保證缽苗的直立度。李樹森等[44]提出一種能滿足移栽直立度要求的六桿栽植機構，其急回特性一定程度上減少了回程時間，可提高移植效率和種植質量。何亞凱等[45]設計了一種凸輪擺桿式栽植機構，但對凸輪結構精度要求高，加工制造難度較大。金鑫等[46]設計了一種曲柄滑槽式栽植機構，缽苗栽植直立度優良率超過93%，但移栽效率相對較低。

日本井關公司在對半自動蔬菜移栽機研究中提出了一種七桿式栽植機構[47]，如圖6所示，該機構具有兩個自由度可實現栽植嘴特定的軌跡和姿態，回程軌跡不會與植入穴口中的缽苗干涉或者產生回帶缽苗，但結構較復雜，作業時振動較大，穴口大小和形狀不理想，影響立苗率。

圖6 七桿式栽植機構Fig.6 Seven bar planting mechanism

為此，陳建能等[48]對井關七桿式栽植機構進行參數分析與優化，得到一種多桿式零速栽植機構，具有立苗率優、加速度及其波動范圍小的優勢。李鵬斌等[49]針對貴州地區辣椒種植宜機收簇生品種小株距膜上移栽農藝要求，同樣對七桿式栽植機構進行優化，將最小株距由300 mm減小為150 mm。尹文慶等[50]為調整栽植頻率與整體前進速度的關系，提出了八連桿栽植驅動機構。徐高偉等[51]基于非圓齒輪-平行四桿機構設計一種丘陵山地作物移栽機井窖式成穴機構。此外，還有眾多連桿機構用于旱地栽植作業中，如復合曲柄搖桿式[52]、單雙平行桿式[53-54]等。

多桿式栽植機構雖然可以滿足特定的栽植軌跡與姿態要求，但是作業時慣性力大、機器振動明顯。為減小機構振動，學者們提出了行星輪系式栽植機構，其主要由行星輪機構、凸輪機構、鴨嘴式栽植器等組成，如圖7所示。工作時，栽植裝置隨機器整體前進，在行星架和行星輪的作用下，鴨嘴形成一定的運動軌跡，并通過凸輪實現栽植器的開合運動，完成打穴、栽植動作[55]。

圖7 行星輪式栽植機構Fig.7 Planetary gear train planting mechanism1.行星架 2.左鴨嘴 3.右鴨嘴 4.拉簧 5.轉臂 6.右開合板 7.左開合板 8.推桿 9.凸輪 10.行星輪 11.中間輪 12.太陽輪

陳建能等[56]提出了一種橢圓齒輪行星系植苗機構，較多連桿式植苗機構具有較小的速度和加速度波動；俞高紅等[57]設計了一種適用于大株距蔬菜缽苗的行星輪系旋轉式栽植機構，雖然其在高速作業下振動和沖擊較小，但栽植軌跡環扣較大，栽后缽苗直立度合格率一般小于90%。隨后陳建能等[58]為了農機農藝更好結合，建立了缽苗在鴨嘴式栽植機構中的運動微分方程，并結合變形橢圓齒輪行星輪系栽植機構進行了分析和試驗，為高速栽植機構的設計提供了依據。王英等[59]提出了基于兩級非圓齒輪行星輪系傳動的栽植機構組合設計思路，并利用多目標優化模型得出了理想的栽植機構類型及其對應的機構參數，提高了栽植機構的移栽立苗率。IQBAL等[60]設計了一種雙行星架輪系栽植機構用于辣椒苗移栽。尹大慶等[37]采用非圓齒輪行星輪系結合鴨嘴式植苗器，提出一種配合自動取苗機構的高速變姿態接苗鴨嘴式栽植機構。

綜上所述，多桿式栽植機構和行星輪系栽植機構均為旱地移栽機研究的熱點，但多桿式栽植機構結構復雜，高速運轉時其慣性力難以平衡，導致機構振動大，影響秧苗栽植質量。行星輪系栽植機構運動平穩，適用于高速移栽作業，但設計難度與制造成本較大，都有待進一步研究。

2.2 全自動移栽機

全自動移栽機的自動化程度高，其送苗(橫縱向)、取苗和植苗等各環節都由機械完成。而有無自動取苗機構是劃分移栽機為半自動還是全自動的核心指標。

2.2.1自動移栽裝備研究現狀

國外發達國家對全自動旱地移栽機的研究起步較早，技術成熟，并且得到了廣泛應用，主要分為兩類：以歐美為代表的針對大田作業采用機電一體化技術研制的大型全自動移栽機；以日本為代表的針對小田作業采用機械傳動技術研制的小型全自動移栽機[1]，其典型機型及技術特點如表3所示，兩類代表機型的取苗方式均以迎苗扎(夾)取式和頂夾組合式為主。但兩類移栽機均因其結構復雜或使用成本高等問題，在我國推廣應用范圍很小。

表3 全自動旱地移栽機Tab.3 Fully automatic dryland transplanter

目前，國內一些科研單位對全自動旱地移栽機的研制主要處于理論研究和試驗階段，市場上還未出現成熟產品。HAN等[61]利用機電、氣動、液壓系統工程一體化技術，研制了一種兩行乘坐式全自動移栽機，該機型在移栽效率60株/(min·行)下其取苗成功率和栽植合格率均在90%以上。王永維等[62]以橢圓-不完全非圓齒輪行星輪系旋轉式取苗機構、橫縱向送苗機構、偏心吊杯式栽植器等為關鍵部件設計了一種旱地蔬菜缽苗自動移載機，實現了送苗、取苗、栽苗、覆土等作業工序的自動化作業，最佳栽植頻率為45～96株/(min·行)。顏華等[63]利用機電氣一體化技術研制了2ZBJ-4型自動移栽機，該機的取、送苗過程通過控制系統和傳感器配合控制機-電-氣元件完成，每組取苗機構包含多組取苗爪，采用回轉式送苗方式，取苗成功率較高，移栽效率可達5 400株/(h·行)。李華等[64]針對新疆辣椒、番茄等作物研制了2ZXM-2型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機，移栽頻率為62株/(min·行)時移栽合格率為93.4%。吳俊等[65]借鑒水稻插秧機的切塊取苗原理，設計了2ZY-6型油菜毯狀苗移栽機，可一次性完成切縫、移栽和覆土鎮壓等作業。文永雙等[66]針對牽引式蔬菜穴盤苗全自動移栽機漏栽問題，設計了基于多傳感器的缽苗檢測及缺苗補償系統。韓長杰等[67-68]在吊籃式半自動移栽機上安裝自動取喂苗系統，研發了一種辣椒穴盤苗自動移栽機，試驗表明該機栽植成功率達96.97%，滿足膜上成穴移栽作業要求，但需提前鋪設地膜和滴灌帶，作業工序多。

本課題組研發的兩行乘坐式自動旱地移栽機如圖8所示，該機器取苗機構和植苗機構均采用回轉式行星輪系機構，可實現單次兩行蔬菜缽苗的自動移植，移栽效率為5 400株/(h·行)，目前正處于推廣應用階段。

圖8 兩行乘坐式自動旱地移栽機Fig.8 Two-row ride-on dryland automatic transplanter

2.2.2自動取苗技術與機構研究現狀

自動取苗機構是全自動移栽機的核心部件，也是全自動移栽機的標志，其作用是將缽苗從穴盤中取出、輸送并投入到送苗裝置或栽植器內。由于全自動移栽機為自動化作業，因此對育苗要求較高，必須匹配相應的育苗方式，穴盤苗間隔均勻、出苗整齊、管控方便，是目前全自動移栽機的主要作業對象。國內外學者針對穴盤苗的特點，提出了多種不同類型的取苗方式，可分為頂出(頂夾結合)式、夾取式和直落式3類[6]。

頂出式取苗機構主要是利用頂桿將缽苗由育苗盤中頂出至接苗機構或輸送帶上，完成取苗作業，如圖9所示。學者們針對頂出式取苗機構提出了多種實現形式，如凸輪式[69]、曲柄滑塊式[70]、伺服推桿式[71]、氣動式[72]和頂桿與射流組合式[73]等。頂出式取苗具有動作簡單、取苗效率高的特點。但頂桿直接作用在根系密集的缽體底部，會對缽體盤根效果和頂桿直徑有一定要求，易造成缽體損傷或取苗失敗。

圖9 頂出式取苗機構Fig.9 Ejection seedling picking mechanism

夾取式取苗機構主要利用取苗爪直接夾取秧苗或缽土，將穴盤苗由育苗盤內取出。日本洋馬公司采用的行星輪系-滑道組合式取苗機構，如圖10所示，該機構由行星輪系機構、滑道和取苗爪組成，行星輪系機構包含3個圓齒輪(2、3、4)，行星架為主動構件，取苗爪在行星輪系機構和滑道的共同作用下，形成如圖所示的取苗軌跡，在該取苗機構中，取苗與投苗動作由一個空間凸輪來控制。行星輪系機構旋轉一周取苗一次，因此取苗效率不高，為50～60株/(min·行)，難以達到高速取苗要求[46]。

圖10 行星輪系-滑道組合式取苗機構Fig.10 Planetary gear train-slide combined seedling picking mechanism1.缽盤 2.苗爪 3.取苗軌跡 4.連桿 5.托架 6.缽苗 7.取苗臂 8.太陽輪 9.中間輪 10.行星輪 11.滾子 12.滑道 13.行星架

韓國CHOI等[74]研制出了一種五連桿滑道取苗機構(圖11)，其取苗成功率可達97%，但是取苗效率低，大約為30株/(min·行)。ISLAM等[75]設計了一種由齒輪、凸輪、曲柄滑塊組合的取苗機構(圖12)，該機構的直線取苗軌跡由齒輪驅動曲柄滑塊機構實現，取苗臂的擺動由凸輪控制實現，機構高速運轉時振動較大，其取苗效率最高為60株/(min·行)。

圖11 五桿-滑塊取苗機構Fig.11 Five-bar-slider seedling picking mechanism

圖12 組合式取苗機構Fig.12 Combined seedling picking mechanism

我國針對自動取苗機構的研究起步較晚，相繼提出了多種機構形式。如徐麗明等[76]設計了一種曲柄搖桿式取苗機構，并對取苗機構進行了結構設計和參數確定，該取苗機構雖然結構比較簡單，但是未見實際應用和樣機試驗。廖慶喜等[77]設計了一種往復夾取式油菜基質塊苗移栽機取苗裝置。崔巍等[78]設計了一種齒輪-五桿取苗機構，如圖13所示，但由于連桿機構運動存在無法平衡的慣性力，因此不適應高速取苗。

圖13 齒輪-五桿取苗機構Fig.13 Geared five-bar seedling picking mechanism

圖14為HAN等[61]提出的連桿-滑道式取苗機構，該機構同樣采用了不規則滑道的設計，這使取苗爪在運動過程中的磨損大而且取苗速率不高，取苗成功率大約為90%，單爪的取苗效率只有30～40株/min。

圖14 連桿-滑道取苗機構Fig.14 Link-slide seedling picking mechanism

那明君等[79]設計了一種全自動滑道式旱地缽苗移栽機構，但栽植頻率超過66株/(min·行)時，機構振動劇烈，難以保證移栽質量。

針對國內外學者所提出的取苗機構存在機構結構復雜，取苗效率不高，性能不穩定等問題，俞高紅團隊相繼提出了多種旋轉式非圓齒輪行星輪系取苗機構[80-83]，該類機構主要包括驅動部分和移栽臂，如圖15所示。其中，驅動部分為非勻速間歇傳動行星輪系機構(包括不完全齒輪、異形齒輪、組合齒輪等)，移栽臂上安裝秧苗夾緊裝置，通過調整不同齒輪傳動比來控制移栽臂擺動的相位角，進而規劃出取秧、推秧的運動軌跡。孫偉等[84]以非圓齒輪回轉式移栽機構作為核心工作部件，設計了一種大蒜移栽機構。崔巍等[85]基于二階橢圓齒輪行星輪系設計了蔬菜移栽自動取苗機構。

圖15 非圓齒輪行星輪系取苗機構Fig.15 Non-circular planetary gear train seedling picking mechanism

除純機械驅動的夾取式自動取苗機構外，許多學者也提出了多種機-電-氣一體化控制的自動取苗機構，如由伺服電機或氣缸驅動的翻轉式[67]和旋轉升降式[86-87](圖16)等。同時，移栽末端執行器作為自動取苗機構關鍵部件，其工作性能也會對移栽質量造成較大影響。因此，國內外研究學者針對不同移栽對象提出了多種移栽末端執行器，如指夾式[88]、吸附式[89]、株距可調式[90]、氣動雙排式[91]等。

圖16 旋轉升降式取苗機構Fig.16 Rotary lift type seedling picking mechanism

直落式取苗所針對的營養缽育苗與普通穴盤育苗不同，其缽腔為底大上小的錐臺體。取苗時，穴盤苗以豎直姿態從穴盤脫落，直接落入送苗裝置或栽植機構中。直落式取苗可分為下壓式[92]、負壓式[93]、氣吹式[94]等。如王蒙蒙[95]提出了氣吹式和氣缸推出式2種取苗方案(圖17)。

圖17 直落式取苗方案Fig.17 Straight drop seedling picking scheme

直落式取苗其機構布置較靈活，易于實現自動有序取苗，缺點是需要定制特殊穴盤，穴盤苗在下落過程中容易對幼苗莖葉造成損傷，該取苗方式只適合生長均勻且幼苗展寬小于穴盤缽腔尺寸的穴盤苗。

各自動取苗方式的實現形式及特點如表4所示，通過對比分析可知，頂出式取苗機械結構簡單緊湊，取苗效率高；夾取式取苗性能穩定、適應性強；直落式取苗機構布置靈活，但需特制的育苗盤。

表4 主要取苗方式特點[6]Tab.4 Main characteristics of seedling pick-up mechanism

3 移栽機構設計方法研究現狀

移栽機構是移栽機的核心部件，其性能直接決定著移栽裝備的競爭力。因此，研制原創性移栽裝備需要解決的首要難題是其核心機構的創新設計。

3.1 移栽機構構型綜合方法

目前機械式移栽機構雖然有滑道式、多連桿式、不等速輪系式和齒輪連桿組合式等結構類型，但移栽機構構型的提出主要依靠設計者的經驗和靈感，效率低，缺乏系統性，導致大量潛在的新型機構難以被開發出來，很難得到具有最優性能的機構。

機構構型綜合不僅可對現有的機構構型進行優化，也可提出或創造新的機構構型，是機械設計進程中創造力最強的階段。國內外學者相繼提出了行之有效的平面機構構型綜合方法，如圖論法[96]、阿蘇爾桿組法[97]等。為了突破現有移栽機構構型限制，劉發鑫[98]運用圖論方法對輪系機構完成了4到6構件的結構綜合，提出一種雙行星架輪系構型完成了水稻缽苗移栽機構的設計。陳璇[99]采用拓撲圖表示機構與功能點確定的方法進行移栽機構結構綜合，獲得了能實現缽苗移栽的齒輪連桿組合式機構構型。徐亞丹等[100]提出一種輪系式移栽機構拓撲圖到功能圖的自動生成方法，進行了非圓齒輪雙行星架輪系移栽機構的構型綜合。在構型優選方面，SUN等[101]提出了齒輪連桿移栽機構的評價優選準則。徐亞丹[102]在6構件輪系構型綜合基礎上，以齒輪的凹凸性為基準，提出移栽潛力判別式的概念和移栽機構緊湊性判別方法。孫良等[103]借助圖論型綜合的方式，構建了完備的多連桿栽植機構構型庫，為多樣化種植機械的創新設計提供了更多的可選構型。

圖論自1964年首次被引入機構學用于表示運動鏈的拓撲結構以來[104]，為機構結構學研究與發展提供了強有力的數學工具，使機構綜合過程得到極大地簡化，并且便于計算機處理。大量基于圖論的機構綜合方法也被相繼提出，其一般綜合步驟為[105]：①依據已有設計或者類似設計，提取機構基本拓撲特征，如運動副數目和類型、構件數和自由度數等。②枚舉與已知機構擁有相同拓撲特征的運動鏈。③篩選滿足創新機構結構和功能要求的拓撲圖，并進行特定化和具體化處理。

圖18為行星輪系與連桿機構構型綜合的具體流程。行星輪系機構綜合過程如圖18中(a)—(b)—(c)—(d)—(e)所示，其中(a)為胚圖，可由點度序列、歐拉公式和自由度公式求解得到；在胚圖基礎上，進行二度點插入而獲得單色圖(b)；在單色圖基礎上，添加齒輪副并進行分層得到輪系拓撲圖(c)；在輪系拓撲圖基礎上添加功能點(機架、輸入、輸出)得到輪系功能圖(d)；對功能圖進行創成得到輪系機構(e)。而連桿機構綜合過程如圖18中(a)—(f)—(g)—(h)所示，相較于輪系機構綜合，連桿機構在單色圖流程進行合理性篩選后添加功能點便可進一步創成得到。在上述步驟中，同時會產生大量不合理構型，故綜合過程中伴隨同構判別、剛性子鏈判別、連通性判別、可分離性判別等流程[106]，最終得到所有機構構型供設計人員選擇。

圖18 構型綜合流程Fig.18 Structural synthesis process

3.2 移栽機構優化設計方法

移栽機構所要求的是其輸出部件(取苗爪或栽植器)能夠實現特定的運動軌跡和姿態，用來替代人手完成取苗、送苗、植苗等一系列動作。針對如何使特定構型的移栽機構實現理想運動軌跡與姿態問題，國內外學者對移栽機構開展了大量的尺度優化設計研究，提出了不同的設計方法，如人機交互[40,107-109]、參數導引[21,110]、復優化[111]、基于軌跡反求[112-113]和基于位姿綜合[83,114]等。通過歸納總結，目前移栽機構尺度優化設計主要分為兩種方法：基于運動分析的正向優化設計；基于運動綜合的逆向反求設計。

(1)基于運動分析的正向優化設計

正向優化設計是通過構建機構運動學模型，以機構尺度參數為控制變量，將機構輸出軌跡和姿態轉為目標函數，基于可視化軟件開發機構輔助分析與優化軟件，通過人工調節或優化算法來找到一組滿足設計要求的參數組合，是已知輸入機構參數分析機構輸出運動規律的過程，其具體流程如圖19所示。

圖19 基于運動分析的正向優化設計流程圖Fig.19 Forward optimization design process based on motion analysis

基于可視化軟件編程分析，以人機交互的方式優化機構參數雖可實現移栽機構的快速設計，但需要依靠專家經驗，也是一種“試湊”的設計方法。為了進一步提高優化效率，減少對經驗的依賴，趙勻教授提出了“參數導引”的優化方法[110]，通過當量目標函數計算確定最差的目標，每次將一個正負步進后的當量參數輸入到最差當量目標的函數，然后計算得到當量目標的系列值，通過比較系列當量目標值，找到最接近理想值的當量目標與其對應的當量參數作為下一步運算的初值。該種方法可以實現機構的自動優化設計，但對計算機的性能要求較高，并且對于復雜機構的多目標多參數的設計優化問題并不具有優勢。王英[115]在栽植機構的設計中，建立了子目標函數函數，運用模糊理論優化得出最優機構參數，較傳統的試湊法提高了優化效率。王斌[116]使用遺傳算法對多桿開溝式栽植機構進行了優化改進。

正向優化設計方法由于機構參數是預先構建的，其軌跡形狀和姿態受到了一定的約束，通過人工調整或優化得到的參數因受給定初值的影響，很難得到理想的末端軌跡與姿態。若所得移栽軌跡不理想，還需重新選擇機構參數，對設計人員的經驗要求很高。如在非圓齒輪行星輪系移栽機構正向設計中需要預先構建非圓齒輪的節曲線方程或傳動比，其軌跡形狀和栽植臂姿態就受到了一定的約束，僅通過非圓齒輪節曲線函數表達式的參數改變很難找到理想的移栽機構末端軌跡，使不等速傳動的運動柔性(變傳動比特性)不能得到充分體現，為此很多專家學者嘗試了各種不同的非圓節曲線方程擬合與插值方法[117-118]，但這個過程工作量很大，也比較費時。

(2)基于運動綜合的逆向反求設計

針對于正向優化設計存在的問題，最好是根據農藝和移栽機的工作特點確定一個較理想的移栽軌跡，然后，根據這個軌跡設計移栽機構，以減少移栽機構的實際運動軌跡與理想運動軌跡的差異，提高設計精度和速度。由理想移栽軌跡與姿態求解機構反映到機構學中屬于機構的運動綜合問題，與正向優化設計相反，該過程是已知機構輸出運動規律求解機構參數的過程，其一般步驟如圖20所示。

圖20 基于運動綜合的逆向反求設計流程圖Fig.20 Reverse design process based on motion synthesis

機構運動綜合問題已在連桿機構有眾多的研究。BURMESTER[119]首先從純幾何角度出發，研究了平面連桿的3、4、5個位姿的精確綜合方法。SUH等[120]使用矩陣法建立一系列的非線性方程求解平面四桿以及平面五桿至多五位姿精確綜合問題。LIU等[121]提出了優化-連續法的兩級優化方法。HAN等[122]提出了映射和解域的思想，基于4個位姿在有限解域中直觀地給出機構不同性能屬性、分布及變化趨勢，然后施加約束條件構成機構可行解域進行機構篩選，并利用這一思想對連桿機構的多種運動生成問題進行了研究。ZHAO等[123-124]采用運動映射方法開展了平面四桿機構的多位姿精確、近似和混合綜合研究。此外，大量的優化算法如最小二乘法[125]、Pareto優化[126]、進化差分算法[127]、遺傳算法[128]等也被用于解決連桿機構的尺度綜合問題。

隨著尺度綜合研究的不斷深入，輪系機構結合非圓齒輪的變傳動比特性被納入尺度綜合研究中。BAE等[129]在水稻毯苗移栽機構的研究中，通過先規劃移栽靜軌跡，然后建立機構數學模型由末端軌跡來求解非圓齒輪節曲線。GUO等[130]對偏心齒輪行星輪系的傳動比和移栽軌跡形狀之間的映射關系進行了詳細的分析。MUNDO[131]研究了非圓齒輪周轉輪系的幾何合成方法。趙雄等[132]基于移栽靜軌跡建立了移栽機構逆運動學模型，求解出非勻速傳動比函數，從而設計出非圓齒輪節曲線；李革等[112]利用數值分析的方法由秧針靜軌跡求解了分插機構的傳動比，建立了分段傳動比之間的關系。陳建能等[133]利用三次非均勻B樣條擬合預先定義的栽植嘴上的若干特征點來表達和控制理想軌跡，再由軌跡反求非圓齒輪行星輪系栽植機構參數。孫良等[134]由球面軌跡逆向設計了一種非圓錐齒輪行星輪系，研制了水稻寬窄行分插機構。吳國環等[135]提出了正向設計與局部反求設計相結合的設計方法，用于設計水稻缽苗行星輪系移栽機構。王磊等[136]提出了一種由一般空間連續封閉軌跡曲線逆向設計行星輪系機構的設計方法，并設計了一種平面非圓齒輪-圓錐齒輪組合傳動的水稻缽苗寬窄行移栽機構。

浙江理工大學將行星輪系式移栽機構的設計分解為開鏈機構的運動綜合與不等速傳動比設計兩個階段。崔海洋[137]將連桿機構現代解析理論與行星輪系機構的設計方法相結合，通過給定4個精確位姿構建機構解域設計了油菜毯狀苗移栽機構。ZHAO等[138]通過給定移栽軌跡上的3個精確位姿設計了一種蔬菜取苗機構。孫良等[114]基于給定連架桿長度三位置運動生成機構綜合方法，建立開鏈2R機構圓心點和圓點曲線方程，設計了七齒輪行星輪系水稻缽苗移栽機構。SUN等[139]在5位姿無精確解的條件下，基于運動映射理論以擴大誤差的方式求解了行星輪系機構的近似解，設計了水稻缽苗移栽機構。YE等[140]將解域導引綜合和Kinematic-Mapping理論相結合提出了基于精確或近似位姿的行星輪系機構設計方法。TONG等[83]基于精確5位姿設計了一種組合齒輪蔬菜取苗機構。WANG等[20]基于3個空間位姿綜合設計了一種空間輪系機構用于水稻寬窄行缽苗移栽。孫良等[141]基于運動學映射理論提出一種可兼顧軌跡形狀和多位姿的水稻缽苗移栽機構設計方法。王磊等[142]基于遺傳算法對三臂輪系式栽植機構進行了近似多位姿運動綜合設計。

移栽機構所要求的是其輸出部件能夠實現特定的運動軌跡與姿態，以替代人手完成取苗、送苗、植苗等一系列復雜動作。由特定的運動軌跡與姿態設計機構屬于典型的機構運動綜合問題。將移栽軌跡中的關鍵位置姿態(取苗點、夾苗點、投苗點等位置)作為設計要求，從機構尺度綜合的角度入手，綜合出可以滿足要求的移栽機構是一種新的設計路徑，但目前的研究理論基本都是將現有的連桿機構尺度綜合理論應用到移栽機構設計中，并且僅用于簡單機構的少位姿綜合，對于能夠實現復雜軌跡姿態多連桿機構或雙行星架輪系機構的多位姿綜合并沒有進行深入研究。

4 展望

當前國外自動移栽機技術先進、性能可靠，并且已經有一定規模的推廣使用，但是價格非常昂貴，且多數機型不能滿足國內移栽農藝需求，在國內難以推廣。我國水田機械化移栽目前依然以毯壯苗插秧為主，而旱地移栽方面基本采用人工投苗的半自動移栽方式，生產效率低、輔助人員多、綜合效益不明顯；近幾年國內學者圍繞提高移栽質量和效率為目標，對多種形式的移栽技術與裝置結構進行創新和優化，有了很大的發展，但是目前多處于研究試驗階段，還沒有出現性能穩定可靠的自動移栽機產品。

本文通過對國內外各類移栽技術與裝置的研究現狀分析，結合我國機械化移栽存在的問題與需求，提出我國未來機械化移栽技術應從以下方面實現突破：

(1)推進農機與農藝深度融合

農機農藝融合一直是我國農業機械研究和農機化工程的主題，但目前我國農藝技術主要著眼于產量，忽略農機作業適應性，而農機側重于針對不同的種植模式，研究不同作業要求機械，二者結合情況較為少見。育苗移栽方面，國內在缽苗育苗規格、基質成分等指標尚無國家統一標準，導致即使同一作物的缽苗，差異性也十分明顯，而自動移栽機對于作業對象一致性要求較高，因此在開展自動移栽技術與裝備研究的同時，必須考慮配套的育苗農藝要求。制缽、育苗、取苗、栽植一體式發展，基質配比、缽體尺寸、穴盤規格、工廠化育苗等環節統一技術標準，將有利于實現移栽機的自動化作業，從而提高作業質量和生產效率。

此外，目前國內各地的整地條件參差不齊，部分地區地況較差，限制了移栽機械的使用。未來應針對不同農作物等產業發展實際，統一平整地要求及作物種植規范。同時大力發展穴盤精量播種技術與裝備，工廠化、智能育苗設施，發展平整地、起壟裝備，確保移栽的前后環節。

(2)加強基礎理論與關鍵技術研究

移栽裝備的創新首先應是移栽機構的創新，新的機構能夠完成傳統機構所不能完成的技術要求。我國雖然在移栽機構設計與優化方面展開了較多研究，但是在移栽機構創新過程中依然難以擺脫對經驗和靈感的依賴。而研究面向移栽特定設計要求(結構拓撲、功能函數、尺度信息等約束)的機構自動綜合理論與方法將是實現移栽機構創新的關鍵。

因此，加強移栽機構綜合基礎理論研究，并將送苗、分苗、取苗、植苗等關鍵技術綜合分析，集成缽苗物理特性、機構創新設計以及機-苗-土互作機理的一體化研究體系，最終形成一套專門針對移栽機構創新設計的系統理論與方法，進而搭建移栽機構優化設計軟件平臺，并通過現代設計軟件仿真、試驗等手段進行不斷優化，為研發高效、精準、低損取植苗機構提供強有力的理論支撐。

(3)加快多功能、多元化自動移栽裝備研發

我國地域差異大、農作物種類和種植模式多樣，移栽機械具有多功能及多樣化的用戶需求特征。地理條件和農藝的多樣性決定了在今后相當長的一段時間內，工藝原理、機械結構簡單的小型移栽機與自動化程度、作業效率高的大型移栽機將長期并存，以適應不同種植區域的需求。因此，應同時投入相應的研發力量，開發適用我國大田的大型化移栽裝備，以及適用我國山地丘陵地區或溫室大棚的小型化移栽裝備；同時，開發集成移栽機覆膜、鋪管、施肥、栽植、覆土、澆水等重要的輔助功能。

此外，研究提高自動移栽裝備的制造水平，在新材料、熱處理、制造工藝等方面，將先進的制造技術融入到移栽機構以及整機的制造過程當中，以提高移栽機性能的穩定性和可靠性。在滿足農藝要求、提高自動化程度的前提下，兼顧移栽裝備的經濟性和實用性。加快開發效率高、質量好、適應性強、價格合理的全自動移栽裝備。

(4)信息化、智能化技術在移栽機械上的應用

隨著信息技術、人工智能技術在農業生產中應用范圍的不斷擴大，移栽機械的信息化和智能化將得到更大的發展空間，如未來移栽機器人的開發，包括移栽機的路徑規劃、自主導航、平衡控制、栽深控制、缺苗漏苗自動補栽等智能感知與決策技術，將使移栽機械向智能化、無人化方向發展，從而降低人工勞動強度、提升作業質量和提高資源利用率。