發布時間：2021-03-29所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要自動取苗是蔬菜穴盤苗全自動移栽機的核心技術，快速、精確、低損傷取苗是蔬菜穴盤苗自動移栽作業的重要保障。自動取苗機構結構復雜、種類繁多，為使自動移栽領域的應用或科研人員能夠快速系統了解自動取苗技術，合理選型或設計取苗機構，采用文獻綜述和
摘要自動取苗是蔬菜穴盤苗全自動移栽機的核心技術，快速、精確、低損傷取苗是蔬菜穴盤苗自動移栽作業的重要保障。自動取苗機構結構復雜、種類繁多，為使自動移栽領域的應用或科研人員能夠快速系統了解自動取苗技術，合理選型或設計取苗機構，采用文獻綜述和歸納總結的方法，對國內外自動取苗技術進行研究。對取苗技術進行分類對比分析，結果表明：頂出式、頂夾式取苗機械結構簡單，取苗效率高，不易傷苗;指鉗式取苗穩定可靠、適應性強;直落式取苗機構布置靈活，可同時完成取苗和投苗，但需特制穴盤，僅適合小苗移栽。當前我國自動取苗技術發展所面臨的主要問題有：制缽、育苗、取苗等環節不匹配;蔬菜生產勞動者兼職化老齡化嚴重;缺乏高性能取苗技術等。結合國內外自動取苗技術研究進展和我國蔬菜生產農藝和現狀，提出了問題的應對措施。針對取苗技術的發展提出以下建議：提高取苗速率，降低缽苗損傷率;簡單型與智能型并重發展;向機-電-液-氣一體式大型機和機械式小型機發展;取苗機構采用模塊化設計。
關鍵詞蔬菜;穴盤苗;移栽;自動移栽機;取苗技術
我國是蔬菜生產和消費大國，2018年蔬菜種植面積達20438.9khm2，產量7.03億t，人均占有量0.5t，均居世界之首[1]。穴盤育苗技術和穴盤苗的機械化移栽對促進我國蔬菜產業的發展具有重要意義。蔬菜機械化移栽與傳統手工移栽相比具有以下優勢：1)顯著提高移栽效率，保證作物在最佳移栽期內移栽;2)降低人工勞動強度和生產成本;3)提高移栽質量，提升蔬菜產量和品質;4)為移栽后的除草、施藥、澆水和收獲等環節的機械化提供便利[2-4]。
目前，我國蔬菜移栽以人工移栽和半自動移栽為主，半自動移栽對穴盤苗適應能力強，但需要人工進行取苗、喂苗，移栽機僅完成自動栽植動作[5]。人工取苗存在以下缺點：1)機器在前進過程中由于機身晃動、送苗裝置轉動等，人工取苗、投苗不方便;2)人手直接作用于柔嫩的幼苗時，由于穴盤苗缽體與穴盤的黏結性，易造成幼苗莖葉斷裂，導致傷苗率高;3)人工成本高，效率低，當移栽機行走速度較高時，會出現人工取苗、投苗不及時，增大漏苗率;4)工人工作一段時間后，易出現疲勞、眩暈，加重漏栽、傷苗等情況的發生。隨著蔬菜需求量的不斷上升，勞動力的短缺及工廠化育苗技術的發展，極大促進了穴盤苗全自動移栽機的發展[6]。全自動移栽機在半自動移栽機的基礎上增加了自動供苗、取苗、送苗和收盤等機構，各機構共同完成蔬菜穴盤苗的自動移栽作業，移栽效率是半自動移栽的2～4倍。
相關期刊推薦：《中國農業大學學報》是教育部主管、中國農業大學主辦的國家級綜合性農業學術期刊,本刊主要刊登生物學、作物學、植物保護、園藝學、動物科學與動物醫學、食品科學與營養工程、農業資源與環境工程、農業機械工程、信息與電氣工程、水利與土木工程及農業經濟管理等學科的學術論文、文獻綜述和研究快報等。
自動取苗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，取苗機構性能好壞直接決定自動移栽機的定植質量、效率和穩定性[7-9]。對自動取苗技術研究現狀進行分析，有利于使自動移栽領域的應用人員和研究人員更快速和系統地了解國內外自動取苗技術，合理選取和設計自動取苗機構。本研究擬對當前蔬菜自動取苗技術進行分類梳理與歸納，并對我國自動取苗技術面臨的問題和應對措施進行總結，以期為相關人員快速系統了解自動取苗技術，把握取苗技術的發展方向提供參考。
1自動取苗技術的分類分析
1.1頂出式、頂夾結合式取苗
頂出式、頂夾結合式取苗利用頂桿穿過穴盤底部的排水口，將穴盤苗從穴盤頂入接苗機構或輸送帶，接苗機構夾持缽體，并移送至栽植機構，或輸送帶將穴盤苗有序輸送到栽植機構[10]。該取苗方式只需頂桿作直線往復移動即可將穴盤苗頂出，具有動作簡單、取苗效率高、傷苗率低的特點。利用缽苗盤根由上向下逐漸稠密的缽苗特性[8，11]，頂桿直接作用在根系密集的缽體底部，因此對缽體盤根效果和頂桿直徑有一定要求，如果缽體不緊實或頂桿過細，則頂桿易刺入苗缽，造成缽體損傷或取苗失敗[12]。
1.1.1凸輪式頂苗機構
凸輪式頂苗機構送盤底板下側背面安裝帶有一排頂桿的頂桿支架，頂桿間距與穴盤苗的株距相同，凸輪驅動頂桿支架沿導軌方向頂出，再由兩側復位彈簧推回，在供苗底板前下方設有接苗機構[13-14]。頂桿將整排缽苗從穴盤頂入前方的接苗機構，接苗機構繞定軸旋轉至豎直狀態，穴盤苗落入正下方分苗機構的承接筒內(圖1[13])。為避免凸輪機構與其他機構發生干涉，劉大慶等[15]設計了一種凸輪柔索式蔬菜穴盤苗頂出機構，凸輪機構驅動鋼絲繩一端，鋼絲繩另一端拉動取苗頂桿，彈簧驅動頂桿頂出，凸輪柔索機構驅動頂桿收回，鋼絲繩傳動實現凸輪機構與頂桿機構分離。
1.1.2曲柄滑塊式頂苗機構
曲柄滑塊式自動取苗機構利用曲柄滑塊機構驅動頂桿將穴盤苗頂出[16-18]，由接苗機械手夾取、移送頂出的穴盤苗并進行投苗，其動作可分解為供苗、頂苗、送苗和投苗，金鑫等[17]等設計了頂夾式取苗機構(圖2)，通過運動建模、仿真和精度綜合分析等方法，優選出最佳取苗參數：曲柄頂苗機構初始相位角φd=108°，曲柄長度a=78mm，連桿長度b=112mm，偏距e=20mm，頂苗曲柄轉速范圍10～30r/min。以番茄穴盤苗為取苗對象，該自動取苗機構取苗效率可達140株/min，取苗成功率超過95%。
1.1.3伺服推桿式頂苗機構
楊傳華[19]等采用高速伺服電動缸驅動頂桿進行取苗，伺服電動缸具有結構緊湊、運動速度快、易控制等特點，簡化了機械傳動系統。電動缸驅動的頂苗機構可實現頂桿精準的推出和退回，為防止缽體破損和提高取苗效率，伺服電動缸采取慢速推出穴盤苗，快速退回的方式。該自動取苗機構可降低秧苗移栽的損傷率，有利于快速緩苗，對番茄穴盤苗進行取苗試驗，取苗成功率達90%以上。
1.1.4氣動式頂苗機構
氣動式頂苗機構采用氣缸作為動力元件，驅動頂桿將整排穴盤苗頂出，由穴盤苗前方的機械手將整排穴盤苗轉送至輸送帶，輸送帶再將穴盤苗送至栽植機構[20-22]，類似機型的生產廠家有意大利Ferrari公司、法國Picador公司、英國Pearson公司等。韓長杰等[20]設計了硬質穴盤苗自動取苗機構，由橫向移位氣缸驅動穴盤卡盤架沿直線導桿橫向移動，縱向移位氣缸驅動穴盤實現縱向移動，由氣缸驅動的頂桿將穴盤中的穴盤苗推出至接苗板，翻轉氣缸驅動接苗板至豎直位置時進行投苗，取苗速度為72株/min，頂出可靠率達100%。
1.1.5頂桿與射流組合式取苗
高捷等[23]采用頂桿與射流組合式取苗，推桿頂入缽腔，打破穴盤與缽體之間的粘結力，利用氣流非接觸取苗。但此種取苗方式僅適于盤根效果好的穴盤苗，且功耗較大。Shaw[24]先利用高壓氣流松脫苗缽，再利用頂桿將穴盤苗頂出(圖3)，頂桿末端設有若干斜向前方的噴嘴，取苗時噴嘴靠近缽體并噴射高壓氣體使缽體與缽腔分離，再用頂桿將穴盤苗頂出。試驗證明，取苗成功率從不使用氣流輔助沖擊的65%提高到95%。
1.2指鉗式取苗
指鉗式取苗可分為插入夾持式和直接夾持式。1)插入夾持式取苗末端執行器利用1對或多個取苗針插入并夾緊缽苗缽體，在自動取苗機構的帶動下將穴盤苗從穴盤取出，移送至送苗機構或栽植機構正上方，取苗針松開并推出缽苗，完成1次取苗[25-27](圖4(a)[28])。該取苗方式利用缽體的基質-根系復合特性[29-32]，成功率高、送苗過程可靠，應用廣泛，但在取苗針在插入、夾持和移動缽苗過程中，取苗針可能破壞莖葉或缽體、刺穿莖葉，特別是對于西蘭花、甘藍等展幅較大的葉菜類穴盤苗。另外，插入式自動取苗機構對取苗針運動軌跡、取苗和投苗的位姿有較高要求，送苗穩定性還需進一步研究。2)直接夾持式取苗機構利用末端執行器的機械手指夾持缽苗莖部進行取苗、投苗[33-36]，如寧津金利達機械有限公司生產的田耐爾自動秧苗移栽機夾莖式取苗機械手(圖4(b))。由于穴盤苗展寬、莖粗、苗高以及苗在缽腔的生長位置都具有隨機性，缽體與穴盤具有一定粘結力，機械手在夾持拔拉過程中易造成秧苗莖葉損傷，使穴盤苗移栽后的緩苗期增長，所以，夾莖式取苗適合直立度較好、莖部粗壯的缽苗，如番茄、辣椒等。
1.2.1滑道式取苗機構以滑道機構
作為取苗運動軌跡的取苗機構，可完成復雜的取苗和輸送動作，但存在取苗效率低、機構振動和沖擊較大、滑道磨損導致取苗精度下降等問題[38-43]。Choi等[38]研發了多桿機構驅動的滑道式自動取苗機構，由固定滑道、曲柄(驅動桿)、連桿、搖桿和滑塊等組成(圖5(a))，取苗針安裝在滑塊上，搖桿和滑道控制取苗針的位置和姿態。取苗裝置由2個取苗針、2個推苗環、活塞桿和導向板組成。取苗針固定在導向板上，活塞桿在兩導向板之間往復移動，使取苗針插入夾緊缽體或放松推出缽體(圖5(b))，取苗效率為30株/min，取苗成功率為97%。李華等[44]設計了行星輪系驅動的滑道式自動取苗機構，取苗效率為62株/min，移栽合格率為93.4%。胡敏娟等[45]設計了不完全齒輪齒條驅動的滑道式自動取苗機構，取苗效率為80株/min，成功率為80.4%。
1.2.2直線滑臺式取苗機構
直線滑臺式取苗機構由多個滑臺組合而成，驅動取苗機械手完成預定軌跡[46-50]。韓綠化等[46]研發了溫室穴盤苗自動移栽機，采用直角坐標式移動滑臺來驅動兩指四針鉗夾式末端取苗執行器完成取苗和送苗，步進電機驅動輸送裝置進行間歇供苗(圖6(a))。取苗末端執行器主要由微型氣缸、彈簧、橡膠氣囊、叉形夾取針等組成，利用橡膠氣囊和外圍收緊彈簧撐開和收緊兩根氣缸機械手指，橡膠氣囊和彈簧均具有一定柔性，該機械手依據缽苗物理力學特性進行設計，以減輕取苗過程對缽苗的損傷(圖6(b))，以西蘭花、辣椒、番茄、黃瓜穴盤苗為移栽對象進行取苗試驗，取苗成功率大于90%。Ryu，KH[51]、Feng等[52]研制的直線滑臺式氣動取苗機構，利用機器視覺技術對整盤穴盤苗進行監測，取苗機械手只抓取正常穴盤苗進行移栽。
1.2.3旋轉升降式取苗機構
旋轉升降式取苗機構的機械手固定在可旋轉和升降的機架上，機械手活動范圍為一圓柱體內。嚴霄月等[53]借鑒日本井關PVHR2型旋轉托杯式半自動移栽機，設計了一種“一”型旋轉升降式取苗機構的全自動移栽機(圖7(a))。凸輪驅動裝置驅動取苗執行器取苗和投苗，以黃瓜穴盤苗為移栽對象，實現整排取苗間隔投苗功能。旋轉升降機構用于協助取苗末端執行器完成下降夾苗、上升、順時針轉90°至投苗位置投苗、逆時針轉90°回到取苗位置一系列動作。以黃瓜苗為取苗對象，當自動取苗機構取苗效率為90株/min時，取苗成功率為75%，當取苗效率為60株/min時、取苗成功率可達95%。另外，張俊雄等[54]提出了“十”型旋轉升降式取苗機構(圖7(b))，宋琦等[55]提出了“口”型旋轉升降式雙排取苗機構，均通過減少空行程使取苗效率進一步提高。
1.2.4多桿驅動式取苗機構
多桿驅動式取苗采用平面多桿機構驅動取苗機械手來實現自動取苗[56-60]。曲柄為主動桿，通過連桿帶動搖桿擺動，取苗針固定在連桿上，多桿機構驅動取苗針插入并夾緊穴盤苗缽體，穴盤苗隨連桿移動，當穴盤苗到達投苗口的正上方時，排苗桿將穴盤苗撥下，穴盤苗豎直落入栽植機構中，完成一次取苗(圖8(a)[56])。謝守勇等[61]設計了斜插式夾持式取投苗裝置(圖8(b))，由雙曲柄多桿機構驅動取苗機械手完成取投苗，主動桿轉速為12r/min，苗盤傾斜角度為45°時，取投苗效果最佳，此時基質破碎率為3.13%，取投苗成功率為94.44%。
1.2.5旋轉行星系式取苗機構
旋轉式行星系式自動取苗機構將橢圓齒輪機構或偏心齒輪-非圓齒輪機構和非圓齒輪機構進行組合，是一類新型高速自動取苗機構，行星輪系自動取苗機構每旋轉1周可進行2次取投苗，實現高速取苗[62-71]，但旋轉式行星系取苗臂為高速平面復合運行，具有較大的慣性力。葉秉良等[72]設計了偏心齒輪-非圓齒輪行星系自動取苗機構(圖9)，并對該取苗機構進行運動學和動力學特性分析，優選出最佳的參數組合方案。
1.3直落式取苗
空氣整根營養缽育苗相對于普通穴盤育苗，可顯著提高蔬菜產量，空氣整根營養缽的缽腔為底大上小的錐臺體，只能采用缽苗從穴盤直接落下的取苗方式。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。直落式取苗可分為機械下壓式、負壓式、氣吹式等，其機構布置較靈活，易于實現自動有序取苗，可同時完成取苗和投苗[73]，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。
1.3.1機械下壓式取苗
馬旭等[74]研制了機械下壓式空氣整根穴盤苗自動取苗機構，撥指套沿順時針方向轉動，當撥指套與杠桿右端接觸時，杠桿右端上升左端下降，杠桿左端將投秧爪架壓下，安裝在投秧爪架上的投秧爪將穴盤苗壓下，完成投苗，雙導柱起導向作用，投苗結束后回位彈簧將投苗抓架拉回，等待下一周期取苗(圖10)。
1.3.2負壓式取苗
負壓式取苗利用電磁鐵或氣缸驅動的活塞產生真空度進行取苗，由真空筒、導苗管、電磁鐵、活門等組成。當穴盤苗到達投苗口時，電磁鐵帶動真空筒內的活塞移動使與真空筒連通的導苗管內形成負壓，外部大氣壓使導苗管的活門關閉，當導苗管內的真空度增大到一定值時，穴盤苗在大氣壓力和自身重力的作用下落入導苗管，此時導苗管內的氣壓與大氣壓相等，活塞門張開，完成取苗[75-77]。
孫廷琮等[78]設計了負壓水流式取苗裝置，利用風機在投苗管內產生負壓，穴盤苗在負壓、水流沖擊和穴盤苗重力的聯合作用下，落入投苗管內，完成取苗。Huang[79]設計了可采用水流噴射下壓取苗的可拆卸苗盤，利用高壓水流進行取苗，取苗效率高，但移栽機長時間工作時需攜帶大量水，結構較復雜。
1.3.3氣吹式取苗和氣缸推出式取苗
王蒙蒙[73]根據下壓式取苗方案的原理，提出氣吹式取苗和氣缸推出式取苗2種取苗方案(圖11)，通過實驗對比，氣吹式取苗對秧苗傷害小，但對缽體傷害大，僅適用于根系發達的穴盤苗，并且氣吹式取苗動力消耗大，吹氣時有噪音。氣缸推出式取苗相對于氣吹式取苗，動力消耗小，對缽體傷害較小，對作物種類適應性強，但容易對穴盤苗的莖葉造成損傷。
通過對各自動取苗機構進行對比分析，頂出式、頂夾式取苗機械結構簡單緊湊，取苗效率高，不易傷苗;指鉗式取苗性能穩定、適應性強;直落式取苗機構布置靈活，可同時完成取苗和投苗，但需特制的穴盤，僅適合小苗移栽(表1)。——論文作者：文永雙張俊雄*袁挺譚豫之
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