蔬菜穴盤苗自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

劉 洋，何義川 ，韓綠化，李 斌，王士國，董云成，劉向新

（1.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾，843300；2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所；3.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院；4.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

蔬菜穴盤苗育苗移栽可以避開春季災(zāi)害性天氣，延長生育期，提高產(chǎn)量和品質(zhì)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。機(jī)械化移栽蔬菜穴盤苗時(shí)，半自動(dòng)移栽機(jī)可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，但只做到了省力不省工，移栽效率并沒有顯著提高[1]，而自動(dòng)移栽機(jī)可顯著提高移栽效率，減少用工。國外移栽機(jī)自動(dòng)化程度較高，但是與我國的蔬菜種植模式、育苗農(nóng)藝不相符，我國在移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)、取苗末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了大量研究。本文對(duì)相關(guān)研究進(jìn)行綜述，對(duì)我國典型地區(qū)的蔬菜移栽機(jī)使用現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，分析我國蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置存在的不足，并對(duì)未來開展取苗裝置研究提供思路。

1 自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀

自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)是自動(dòng)移栽機(jī)的核心部件，按照取苗方式的不同，可以分為夾針式取苗、夾莖式取苗、頂出式取苗和頂出-夾取式取苗。

1.1 夾針式取苗

夾針式取苗爪較為先進(jìn)的有荷蘭飛梭公司研制的PC-21型溫室穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)穴盤苗從高密度盤向低密度盤移栽（圖1）。該機(jī)包含氣力驅(qū)動(dòng)取苗爪、自動(dòng)分苗機(jī)構(gòu)和穴盤輸送裝置，整排8個(gè)4針結(jié)構(gòu)取苗爪可以實(shí)現(xiàn)12 000～16 800株/h穴盤苗的移栽，移栽效率非常高。日本有多家企業(yè)研制了夾針式蔬菜穴盤苗移栽機(jī)，如洋馬PF2R型自動(dòng)移栽機(jī)，取苗爪為兩根片狀的夾針，取苗爪由滑槽控制取投苗運(yùn)動(dòng)，用一個(gè)凸輪控制夾針的張合，該機(jī)的移栽速度約45株/min（圖2）。

圖1 PC-21型自動(dòng)移栽機(jī)

圖2 洋馬PF2R型自動(dòng)移栽機(jī)

我國學(xué)者對(duì)夾針式取苗機(jī)構(gòu)做了大量研究。俞高紅等[2]設(shè)計(jì)了非圓齒輪旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)；葉秉良等[3]設(shè)計(jì)了偏心齒輪-非圓齒輪行星系取苗機(jī)構(gòu)；趙雄等[4]設(shè)計(jì)了二階非圓齒輪行星系取苗機(jī)構(gòu)；崔巍等[5]設(shè)計(jì)的二階橢圓行星輪系取苗機(jī)構(gòu)，采用Visual Basic可視化平臺(tái)、三維運(yùn)動(dòng)仿真軟件優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些取苗機(jī)構(gòu)借鑒了插秧機(jī)的工作原理，但是蔬菜穴盤苗與水稻秧苗的生長結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不一樣，導(dǎo)致取苗效率和取苗成功率不高。

李華等[6]研制了基于行星齒輪-滑道組合的夾取式取苗結(jié)構(gòu)，根據(jù)取苗機(jī)構(gòu)軌跡曲線模型求解得到機(jī)構(gòu)的初始參數(shù)，并以取苗爪夾針長度、夾針開度、取苗速度為試驗(yàn)因素開展試驗(yàn)，得出在夾針長度為198 mm，開度為19 mm，取苗頻率為57株/min時(shí)，取苗成功率為94.38%（圖3）。胡建平等[7]根據(jù)穴盤和投苗杯的位置規(guī)劃取苗路徑，設(shè)計(jì)了門形擺動(dòng)整排取投苗機(jī)構(gòu)，取苗爪為2指4針結(jié)構(gòu)，整機(jī)采用電氣控制驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)表明，增大移栽速度，取苗成功率降低；128孔穴盤培育的黃瓜苗取苗成功率低于72孔穴盤，主要原因是取苗爪在夾取128孔穴盤苗后容易脫落。謝守勇等[8]設(shè)計(jì)了一種四桿機(jī)構(gòu)的取苗機(jī)構(gòu)，用2根片狀的取苗爪斜插入苗缽進(jìn)行取苗，通過實(shí)驗(yàn)得出苗盤傾斜角度為45°時(shí)，取投苗效果最佳。

圖3 行星齒輪-連桿組合取苗機(jī)構(gòu)

在取苗爪結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，王躍勇等[9]以取苗爪形狀、苗缽含水率和苗根系效果為因素進(jìn)行夾苗試驗(yàn)。結(jié)果表明，取苗爪的形狀和苗缽含水率對(duì)取苗完整率影響顯著，U形取苗爪、苗缽含水率50%時(shí)苗缽?fù)暾首罡?。童俊華等[10]以夾針的夾持角、夾針數(shù)量、苗缽含水率和穴盤苗長勢為試驗(yàn)因素，夾緊力為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)夾持角度為7°、四針、苗缽含水率為84%、長勢中等以上時(shí)，夾針夾取苗缽可以得到穩(wěn)定上升的夾緊力。以上兩個(gè)研究在取苗爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有參考價(jià)值，但是他們的試驗(yàn)都是在速度較慢的情況下夾取，而實(shí)際上取苗爪是在較快的速度情況下插入并夾取苗缽。

高國華、胡建平等[11-12]設(shè)計(jì)了斜入式和兩指四針結(jié)構(gòu)、兩針結(jié)構(gòu)的取苗爪，以夾取角度、夾針開度、夾針插入苗缽深度、苗缽含水率等為試驗(yàn)因素，通過臺(tái)架試驗(yàn)和三維模型測試了夾取力和脫盤力，并通過取苗試驗(yàn)測試了取苗成功率和苗缽破損率，得到較優(yōu)的試驗(yàn)因素組合。通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，夾針取苗爪夾取苗缽時(shí)苗缽易發(fā)生破碎是導(dǎo)致取苗失敗的主要因素，但苗缽破損是從苗缽內(nèi)部發(fā)生的，由于無法弄清苗缽內(nèi)部的破裂如何發(fā)生，導(dǎo)致即使優(yōu)化了取苗爪的結(jié)構(gòu)和夾取參數(shù)，卻始終不能從根本上解決苗缽破損問題。

1.2 夾莖式取苗

謝守勇等[13]用貼有橡膠墊片的探頭對(duì)辣椒苗莖進(jìn)行力學(xué)壓縮試驗(yàn)，得出莖稈抗壓力-變形曲線近似呈線性關(guān)系。為保證莖稈夾取時(shí)不受損傷，應(yīng)夾取苗莖高度為16 mm的位置，橡膠墊片之間的夾緊距離為0.51 mm，此時(shí)苗莖的抗壓力為8.74 N。李華等[14]提出了斜夾直拔夾莖式取苗方法，基于二階橢圓齒輪行星輪系與凸輪擺桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種夾莖式取苗機(jī)構(gòu)，取苗爪呈片狀。試驗(yàn)表明，取苗頻率為80株/min時(shí)，取苗成功率為92%。張靜等[15]設(shè)計(jì)了一種移盤、取投苗、分苗、輸送苗都為機(jī)械驅(qū)動(dòng)的整排取投苗機(jī)構(gòu)，整排夾莖取苗爪靠凸輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)取投苗。該取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，試驗(yàn)表明，取苗速度由64株/min增大到88株/min時(shí)，取投成功率由89.84%降到81.25%。

夾莖式取苗爪存在的主要問題是，穴盤苗枝葉纏繞，取苗時(shí)取苗爪易將領(lǐng)近穴孔缽苗一同帶離，造成投苗空穴的現(xiàn)象。特別是對(duì)采用1穴2株的穴盤苗，這增大了相鄰穴孔連帶夾苗現(xiàn)象的發(fā)生。連帶夾苗和夾傷苗莖是夾莖取苗需要解決的技術(shù)難題。

1.3 頂出式取苗

意大利Checchimagli公司研制了頂出取苗方式的自動(dòng)移栽機(jī)，用一排頂桿將硬質(zhì)泡沫穴盤中的穴盤苗頂出到柔性轉(zhuǎn)動(dòng)的苗盒中，每個(gè)苗盒內(nèi)裝載一株苗，苗盒轉(zhuǎn)動(dòng)到投苗位置，然后逐個(gè)將苗投落到栽植機(jī)構(gòu)中。該機(jī)的自動(dòng)化程度很高，主要是針對(duì)裸地移栽（圖4）。王超等[16]針對(duì)組合式穴盤，設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)下壓自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)，用頂苗器將穴盤苗從組合式穴盤中向下擠壓出穴盤，掉落到導(dǎo)苗管中。這種組合式穴盤目前使用較少。

圖4 意大利自動(dòng)移栽機(jī)和硬質(zhì)穴盤

張敏等[17]對(duì)一種曲柄滑道連桿式頂苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，該機(jī)構(gòu)由頂苗機(jī)構(gòu)整排水平頂出穴盤苗，靠穴盤苗自身重力轉(zhuǎn)換為直立方向落至落苗板，不需配置推苗機(jī)構(gòu)，整機(jī)結(jié)果簡單。尹大慶等[18]設(shè)計(jì)了一種杠桿頂出式有序分苗機(jī)構(gòu)，采用連續(xù)送苗與杠桿快出頂出的方式進(jìn)行取苗作業(yè)，頂出的玉米缽苗落入到導(dǎo)苗管中。頂出苗后靠苗自由落體進(jìn)行移栽的機(jī)構(gòu)，拋出后的缽苗存在翻滾、落苗軌跡不可控、落苗位置一致性差的問題。

為了解決上述問題，文永雙等[19]結(jié)合頂出式和插入夾持式取苗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種插入頂出式取苗裝置（圖5），取苗時(shí)用一排頂桿將穴盤苗從苗缽中頂出，梳理板對(duì)頂出的穴盤苗導(dǎo)向，防止發(fā)生偏轉(zhuǎn)，然后穴盤苗落入帶有苗格的輸送帶上。用72孔穴盤培育的蔬菜穴盤苗進(jìn)行取苗試驗(yàn)表明，苗缽含水率為60%，取苗速度為120株/min時(shí)，取苗合格率為97.22%。同時(shí)指出，穴孔過密的穴盤育苗，穴盤苗莖葉展幅較大的苗和苗之間交叉纏繞，莖葉與梳理板發(fā)生摩擦，對(duì)取苗性能有影響。

圖5 頂出式取苗裝置

1.4 頂出-夾取式取苗

頂出-夾取式取苗可以分為頂出-夾缽式和頂出-夾莖式。

國外頂出-夾缽式移栽機(jī)最具代表的是意大利Ferrari公司生產(chǎn)的FUTURA型全自動(dòng)移栽機(jī)，用整排頂桿將泡沫穴盤中的苗頂出后，用片狀的取苗爪從苗缽兩側(cè)夾取，然后投放到柔性連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的苗盒中，配置有監(jiān)測裝置用于查看空苗盒并進(jìn)行補(bǔ)苗，電氣化和自動(dòng)化水平很高（圖6）。

圖6 FUTURA自動(dòng)移栽機(jī)

王蒙蒙等[20]設(shè)計(jì)了一種曲柄擺桿式夾苗機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)采用逐個(gè)取苗的方法將穴盤苗從穴孔中取出，V形取苗爪由復(fù)位彈簧提供夾緊力，可以根據(jù)苗缽的含水率、苗缽的寬度尺寸調(diào)節(jié)彈簧的夾緊力和取苗爪的開度。劉大慶等[21]研究了一種基于頂出機(jī)構(gòu)與旋轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)配合工作的頂取苗機(jī)構(gòu)，工作時(shí)先由頂桿將穴盤苗頂出，取苗爪靠近穴盤時(shí)頂桿將苗缽頂入取苗爪，取苗爪夾緊苗缽移動(dòng)到投苗位置，由取苗爪上的推苗桿將苗缽?fù)齐x取苗爪。

胡建平等[22]設(shè)計(jì)了一種頂夾拔組合的取苗裝置，氣缸從穴盤底部將苗缽頂出，同時(shí)夾針式取苗爪垂直穴盤上方夾取苗缽，然后氣缸驅(qū)動(dòng)取苗爪擺動(dòng)到投苗位置，向柔性轉(zhuǎn)動(dòng)的投苗盒投苗。用72孔穴盤培育的黃瓜穴盤苗進(jìn)行取苗試驗(yàn)，當(dāng)頂桿頂入位移為15 mm、夾針插入苗缽深度為35 mm，插入取苗速度為225 mm/s時(shí)，取苗成功率94.12%，苗缽?fù)暾?4.12%，但是該試驗(yàn)未說明取苗速度。

韓綠化等[23]設(shè)計(jì)了一種氣吹式穴盤苗缽體松脫裝置，用直線模組移位單元和雙聯(lián)氣缸升降單位組合輸送系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)氣嘴從穴盤底部的穴孔排水口逐排頂吹穴盤苗缽體，實(shí)現(xiàn)穴盤苗缽體與穴孔壁之間非機(jī)械接觸式放松（圖7）。對(duì)128孔穴盤培育的黃瓜苗進(jìn)行氣吹松脫試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)氣嘴回路中氣流噴射壓力控制為0.2 MPa，缽體含水率為55%～60%，黃瓜苗齡為25 d，穴盤苗頂吹作用達(dá)到既能將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔壁粘附，又最大程度保證缽體完整度的效果。

圖7 氣吹式穴盤苗缽體松脫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

在頂取-夾莖取苗研究方面，陳斌等[24]設(shè)計(jì)了一種曲柄搖桿附加直線氣缸的對(duì)置穴盤交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)，采用兩排取苗爪分別取兩盤穴盤苗，然后由曲柄搖桿將取苗爪移動(dòng)到分苗裝置并投苗（圖8）。在取苗爪取苗時(shí)，采用頂苗桿先從苗盤底部頂苗缽，使苗缽與穴盤孔脫離，然后用片狀的取苗爪夾取苗莖。取苗實(shí)驗(yàn)表明，取苗頻率從70株/min增大到120株/min時(shí)，取投苗成功率由96%下降到42%。

圖8 對(duì)置穴盤交替自動(dòng)取投苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2 典型地區(qū)蔬菜穴盤苗移栽現(xiàn)狀

新疆是我國加工番茄、工業(yè)辣椒種植面積最大的區(qū)域，種植面積分別為40.49 khm2和74.09 khm2，目前已經(jīng)普遍采用育苗移栽技術(shù)[25]。新疆加工番茄和工業(yè)辣椒都是采用128穴盤育苗，加工番茄采用1穴1株，工業(yè)辣椒根據(jù)品種不同，線椒、鐵皮椒是1穴1株，板椒是1穴2株。由于氣候不同，新疆的北疆地區(qū)在每年的3月初進(jìn)行育苗，4月底5月初進(jìn)行移栽。成品苗株高在12～20 cm，根系可以將育苗基質(zhì)包裹住，取苗時(shí)苗缽散坨現(xiàn)象較少。

使用的移栽機(jī)械有半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)。半自動(dòng)移栽機(jī)都是吊杯式結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行膜上成穴栽苗，并配置膜面穴口覆土機(jī)構(gòu)。為了提高半自動(dòng)移栽機(jī)的作業(yè)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在吊杯式栽植機(jī)構(gòu)上配置了多種形式的輔助喂苗機(jī)構(gòu)（圖9a）。目前使用較多的是重慶北卡農(nóng)業(yè)科技有限公司研制的2行移栽機(jī)，需要駕駛員、投苗人員、輔助用工共6 人，一臺(tái)半自動(dòng)移栽機(jī)移栽效率約0.4～0.53 hm2/d，而人工移栽效率約0.067 hm2/d·人。新疆巴州良佳公司研制的一種自動(dòng)移栽機(jī)，采用夾取苗莖整排取苗，將辣椒苗投落到轉(zhuǎn)動(dòng)的投苗杯中，整機(jī)采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)，由凸輪控制夾苗氣缸的動(dòng)作（圖9b）。該機(jī)需要駕駛員、檢查補(bǔ)苗人員、輔助用工共4人，移栽效率并沒有比半自動(dòng)移栽機(jī)顯著提高，只是降低了人工取投苗的勞動(dòng)強(qiáng)度，且夾苗爪在夾取苗莖時(shí)容易傷苗，導(dǎo)致該自動(dòng)移栽機(jī)在新疆并沒有普遍使用。

圖9 新疆應(yīng)用的移栽機(jī)

目前新疆加工番茄和工業(yè)辣椒移栽作業(yè)，人工、半自動(dòng)移栽機(jī)和全自動(dòng)移栽機(jī)三種使用情況都存在。移栽技術(shù)的落后，降低了加工番茄和工業(yè)辣椒種植的經(jīng)濟(jì)效益，嚴(yán)重制約了新疆加工番茄和工業(yè)辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3 蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽發(fā)展分析

3.1 蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)

（1）移栽種植模式和技術(shù)水平多樣。我國地域遼闊，裸地移栽、鋪膜移栽和溫室大棚移栽方式多樣，起壟、平地、窄行株距等移栽模式眾多且規(guī)格不一。移栽前土地整備條件、蔬菜穴盤苗育苗質(zhì)量差異較大。這些因素給自動(dòng)移栽帶來了很大的難度。

（2）育苗穴盤尺寸不一。穴盤的規(guī)格從72穴到288穴不等；相同規(guī)格的穴盤，穴盤的長寬相等，但是穴孔的尺寸和底部的漏水孔存在誤差；穴盤邊緣有翻邊加強(qiáng)，不適合彎曲變形。這些都給機(jī)械取苗帶來較大的難度。

（3）移栽效率低。目前使用的半自動(dòng)和全自動(dòng)移栽機(jī)的移栽效率都低于80株/min·行，雖然高于人工移栽，但是機(jī)械移栽需要配備輔助用工。機(jī)械移栽的使用成本高，導(dǎo)致農(nóng)戶使用機(jī)械移栽的愿望不高[26]。

3.2 蔬菜穴盤苗自動(dòng)移栽技術(shù)發(fā)展展望

（1）與宜機(jī)化改造深度融合。對(duì)與機(jī)械移栽相配套的深松、起壟、鋪膜機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)，提供移栽專用整地機(jī)械，提高移栽前土地的耕整地水平，為自動(dòng)移栽提供良好的作業(yè)環(huán)境，這是提高移栽質(zhì)量和效率的必要條件。

（2）控制育苗穴盤質(zhì)量，育苗標(biāo)準(zhǔn)化。提高穴盤的生產(chǎn)質(zhì)量，穴盤在外形、穴孔尺寸和穴盤塑料厚度等方面保持一致。采用機(jī)械裝填育苗基質(zhì)和播種，嚴(yán)格調(diào)控溫室育苗的水、肥、光、熱，注重穴盤苗根系發(fā)育，使培育的蔬菜穴盤苗易于取苗。

（3）自動(dòng)取苗裝置智能化。通過對(duì)自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)引進(jìn)智能控制系統(tǒng)及作業(yè)監(jiān)控，促進(jìn)取苗技術(shù)與機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化相融合，進(jìn)一步提高取苗裝置的易操作性和智能化，使取苗機(jī)構(gòu)的成功率和速度相適應(yīng)，減少輔助用工。