穴盘苗移栽机自动取苗技术研究现状与展望*

2021-02-22王宁任玲李江全胡海鹏汪博文尚晋

中国农机化学报 2021年1期

王宁，任玲，李江全，胡海鹏，汪博文，尚晋

(1. 石河子大学机械电气工程学院，新疆石河子，832003； 2. 农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆石河子，832003)

0 引言

穴盘育苗移栽具有提高幼苗质量，延长作物生长期，避开幼苗的冷冻、干燥时期等优点[1-2]。2018年我国蔬菜种植面积达到20 439 khm2，蔬菜产量达70 347.72 万t[3]，育苗移栽已成为蔬菜花卉生产的主要种植方式[4]。在20世纪穴盘育苗技术就得到了比较广泛运用，集中育苗和规模化生产成为主要方式，育苗商品化已形成趋势[5-6]。

近些年来我国农业机械水平逐步提高，我国农业已经逐步从手工作业渐渐转变为机械自动化作业[7]。目前我国移栽作业主要以人工操作和半自动机械操作为主，移栽劳动强度大、效率低、成本高，机械化效益不明显[8-9]。

全自动移栽机能很好地解决劳动力不足、劳动强度大、作业效率低等问题。目前国外已有全自动移栽机应用到农业生产中，而国内还未见推广使用，还以半自动移栽机为主。全自动移栽机采用自动取苗机构，利用自动取苗技术替代人工喂苗，取苗机构是区分移栽机是全自动还是半自动的关键，也是全自动移栽机的核心装置。由于全自动移栽机的取送苗机构较为复杂，而自动取苗技术也随着取苗机构的不同而变化。自动取苗技术的研究，对于全自动移栽机的发展起着积极的推动作用。

本文综述了穴盘苗自动取苗技术研究现状，对目前的自动取苗方式进行分类，针对每一类的控制方法进行阐述，指出了目前穴盘苗机械化移栽中，自动取苗技术存在的问题，对取苗技术及移栽机的发展提出建议，为今后全自动移栽机研制提供参考。

1 穴盘苗自动取苗技术现状

国外移栽机发展较早，早在20世纪20年代，欧洲、日本等一些国家在开始研发秧苗栽植机械，经过一个世纪的发展，国外对移栽机的研究己进入自动化阶段。如日本几大主要农机企业研制出了多款穴盘苗自动移栽机[10-13]。如荷兰PC21型全自动移栽机[14]，还有美国TEA XP404N型移栽机[15]；美国RTW系列穴盘苗全自动移栽机等。

我国生产的移栽机主要以半自动移栽机为主，如：新疆农科院独立研制的2ZT-2型移栽机、中国农业大学研制的2ZDF型半自动导苗管式移栽机、安徽滁州农机研究所完成研制的2ZY-2型油菜移栽机等[16]。通过对国内外移栽作业和取苗作业相关参数的研究对比(表1)，我国移栽机的自动化水平还处于起步阶段，国内全自动移栽机研究与国外还有一定的差距。

表1 国内外取苗技术研究对比

从穴盘中自动取苗作为全自动移栽机最为核心的部分，取苗的成功与否直接影响到后续工作的能否正常运行。目前穴盘取苗主要采用的是机械手或苗针手夹取式取苗，后来出现利用顶杆从苗盘底部小孔顶出式取苗，又出现利用气流通过苗盘底部小孔气吹式取苗。根据国内外现有的自动取苗控制方式大致有五种方式：(1)移动苗盘供苗，固定取苗手定点取苗，称为移盘固手型；(2)苗盘固定，移动取苗手全盘取苗，称为固盘移手型；(3)移动苗盘供苗，同时移动取苗手取苗，称为移盘移手型；(4)移动苗盘供苗，顶杆顶苗取苗，称为移盘顶苗型；(5)移动苗盘供苗，喷嘴吹苗取苗，称为移盘吹苗型。

1.1 移盘固手型取苗控制

通过苗盘进给机构控制苗盘供苗到达取苗位置，后由取苗手定点从苗盘将钵苗取出，取苗手位置固定，一般采用机械连杆机构带动机械手在取苗点与放苗点摆动，将这样一种控制方式称为移盘固手型。如果取苗手是单株取苗，需要苗盘S形进给苗盘，则需要控制苗盘在横纵两个方向的移动；如果取苗手是整排取苗，只需要苗盘在一个方向上的进给[17]。

这种取苗方式也比较常见，单株取苗的如洋马推出的PF2R型乘坐式全自动蔬菜移栽机[18](图1)，该移栽机需要控制苗盘横纵两个方向的进给，使每一颗钵苗到达取苗点，采用取苗手旋转臂带动取苗针定点取苗，旋转一定角度后定点投苗到栽植器中，该装置能够实现两行同时作业。还有周莹等设计的旱地穴盘苗自动移栽机[19]，PLC作为核心控制器，各部件利用位置传感器，实时监测位置信号。采用两个步进电机控制移箱横纵向移动，使苗盘准确到达取苗点，机械手固定，机械连杆配合定点取苗，定点投苗，到达投苗位将钵苗释放到接苗杯中。

图1 PF2R型取苗机构

整排取苗的例如美国RTW型秧苗移栽机[20](图2)，该机通过控制苗盘的横向进给，配合整排机械手定点取苗，取苗速度快，适应性强。石河子大学崔财豪等设计的移栽机整排取送苗机构，使苗盘第一排与输送接苗带相互垂直，摆位气缸控制整排取苗手在苗盘与接苗带位置转换，传感器模块采集各部件的信息信号反馈给控制器；取苗时，步进电机控制苗盘每次进给一排，取苗气缸控制整排取苗手插入穴盘中，夹苗气缸实现钵苗的夹持，取苗动作由取苗气缸和夹苗气缸共同作用完成。

图2 RTW型取苗机构

1.2 固盘移手型取苗控制

苗盘固定，通过控制取苗手到达苗盘取苗位置后由取苗手从苗盘将钵苗取出，将这样一种控制方式称为固盘移手型。如果取苗手是单株取苗，需要取苗手S形移动到每个钵苗的位置上方后立向移动取苗，则需控制取苗手横向、纵向、立向三个方向的移动；如果取苗手是整排取苗，需要取苗手横向移动到每排钵苗的位置上方后立向移动取苗，则需取苗手在纵向、立向两个方向上的移动[21]。

采用单株取苗由于需要控制取苗手三个方向的移动，控制较复杂且效率低，所以采用这种方式的较少，采用整排取苗的较多。例如澳大利亚XT616型自动移栽机[22]是茶树苗专用移栽机，采用 PLC实现对步进电机、气缸等驱动装置的自动控制，该机采用整排指针式结构取苗爪，移栽作业时，控制整排取苗手纵向移动至穴盘第一排，立向移动取苗手抓取钵苗基质块，依次纵向移动至下一排整排取苗直至取完整盘。如李树峰等设计的整排取送苗装置[23](图3)，采用PLC实现对步进电机、气缸的控制，加入自适应模糊PID控制算法对机械手水平定位控制。移栽作业时，通过送苗直线模组和取苗直线模组带动整排取苗机械手，实现纵向和立向两个方向的移动。取苗机械手配合夹苗气缸、退苗气缸完成夹苗和退苗过程。

图3 整排取送苗装置

1.3 移盘移手型取苗控制

控制苗盘一排一排进给，同时控制取苗手到达取苗位置后从苗盘将钵苗取出，将这样一种控制方式称为移盘移手型。当苗盘一排一排进给后，如果取苗手是单株取苗，取苗手直线移动到每个钵苗的位置取苗，则需控制取苗手横向、立向两个方向的移动；如果取苗手是整排取苗，取苗手在取苗位置整排取苗，只需取苗手在立向一个方向上的移动[24]。

移盘移手型将取苗手动作简化分配到苗盘动作，苗盘和取苗手同时动作节省了时间，简化了控制过程，也是现在采用较多的取苗方式。由于单株取苗效率不高等原因，采用单株取苗较少，而采用整排取苗的较多。

采用单株取苗的有，韩绿化等设计了一种全自动温室钵苗移栽机[25]，采用激光光电开关和接近开关检测位置信号，传输给TOP5530R型三轴运动控制器，电动机转动带动链轮链条，控制目标盘输送机构一排一排进给苗盘，电动机驱动直线模组的滑块使得取苗手实现横向的位移，利用无杆气缸进气、回气实现取苗手立向的位移，实现钵苗从苗盘到栽植盆的自动化工作，效率较高。如魏新华等设计了全自动移栽机控制系统[26]，采用PLC(可编程逻辑控制器)为系统控制器，与继电器相结合实现对移栽机动作的协调控制，利用到位传感器对机械手苗盘位置进行标定，零位传感器对行星轮架的初始位置进行标定，编码器测量行星轮架的转速和累计转角。苗盘固定平放，由步进电机驱动链条传动机构控制苗盘横向一排一排进给。机械手采用四指夹钳式，气动部件驱动机械手整体下行、出针、苗针夹紧完成取苗。机械手横向、立向两个移动实现单株取苗，与移盘装置配合完成整盘喂取。

采用整排取苗的有，美国的西红柿自动移栽机[27]，整机结构较为复杂，取苗爪采用双平板苗茎夹持式取苗，工作时苗盘进给机构钵苗成排进给，夹持式取苗后气动取苗爪二次夹取，取苗机构整排取出钵苗。荷兰Packplanter 型自动移栽机[27](图4)，整机的系统运行由微机控制，操作简单。取苗机构由整排取苗爪构成，取苗爪采用4指式结构，每个都单独的气缸驱动，工作时，整排气缸驱动取苗爪取苗，性能良好。

图4 荷兰Packplanter型自动移栽机

1.4 移盘顶苗型取苗控制

控制苗盘一排一排进给，钵苗到达取苗位置时，整排顶杆从苗盘底部小孔顶出式取苗，将这样一种控制方式称为移盘顶苗型。采用这种方式的都是整排顶苗，效率较高，被顶出的钵苗一般会由传送带输送到栽植机构，或者采用夹持机构夹取钵苗后送到栽植机构。

移盘顶苗型可以很好地解决取苗手从苗盘夹取钵苗时夹不出、伤苗等问题，钵苗顶出苗盘后有利于提高取苗的成功率。例如意大利Futura系列自动移栽机，移栽机采用PLC作为核心控制器，取苗过程分为钵苗顶出和夹取两部分。工作时，苗盘进给到顶苗位置，气缸驱动顶杆将整排钵苗顶出，后气缸驱动取苗手夹持钵苗基质将钵苗成排取出，利用顶杆顶苗和取苗手夹苗配合，实现取苗控制。意大利Checchi & Magli自动移栽机[28](图5)，工作时，该机型是利用苗盘进给机构使钵苗一排一排到达取苗位置，整排顶杆将钵苗的基质块部分顶出，然后取苗爪通过侧面抓取基质块取出钵苗，完成取苗控制。

图5 意大利Checchi & Magli自动移栽机

国内的例如倪有亮等[29]设计的全自动移栽机，该移栽机采用PLC作为核心控制器，PP17-1触摸面板作为上位机，到位传感器检测各部件位置信号。苗盘纵向移动气缸控制苗盘一排一排进给，采用集排式顶苗机构在气缸作用下向前驱动顶苗杆并将钵苗成排顶出，取苗机构苗夹夹片开合相向转动夹住钵体，完成取苗控制。王东洋、金鑫等设计的穴盘苗自动输送装置[30](图6)，该装置采用机械传动控制，由移栽机地轮提供动力，苗盘在纵向输送机构的作用下有序、精准进给钵苗到达取苗位置，利用顶苗杆穿过苗盘底部小孔将钵苗完全顶出，与此同时夹苗机构将钵苗夹持住，完成取苗控制。

图6 穴盘苗自动输送装置结构简图

1.5 移盘吹苗型取苗控制

控制苗盘一排一排进给，钵苗到达取苗位置时，气吹式喷嘴向苗盘底部小孔喷射一定气压范围内的气流实现将钵苗吹出或吹松式取苗，将这样一种控制方式称为移盘吹苗型。采用这种方式的都是整排或多个气嘴同时吹苗，被吹出的钵苗一般会由传送带输送到栽植机构，或者利用气嘴吹松后采用夹持机构夹取钵苗后送到栽植机构。

移盘吹苗型一般会在吹苗前进行打破钵苗与苗盘之间粘结力的作用后进行吹苗成功率较高，采用这种方式可以简化取苗过程，提高工作效率。也有将气体吹苗不用于取苗作用，而用于钵苗吹松作用，吹松后的钵苗再配合夹持机构完成取苗过程，钵苗吹松后有利于提高取苗手取苗的成功率。

例如高捷[31]设计的气动取苗系统(图7)，采用型号为LPC1114的微控制器，利用电磁铁和复位弹簧，控制推杆式气嘴撞击苗盘底部破结，后通过控制电磁阀控制喷嘴喷出射流气体冲击钵苗底部，将钵苗吹出穴盘，进入钵苗输送装置，完成取苗控制。郭警伟等[32]设计的气吹式落苗试验装置，该装置利用位移滑道使整排气吹装置进给移动，每次移动至每一排苗盘底部，使气嘴对准底部小孔，通过气动装置气嘴喷出气流将穴盘中的钵苗吹出，钵苗在重力和空气阻力的作用下落入排苗输送带，完成取苗。还有韩绿化等[33]设计的蔬菜穴盘育苗气吹式钵体松脱装置(图8)，该装置采用TC5510型单轴运动控制器，采用磁性开关检测气缸气杆的位置信息。工作时，将整盘钵苗固定，控制系统驱动直线模组，控制气嘴排一排一排进给到穴盘底部的穴孔排水口，后控制气动回路从气嘴排里瞬间喷射高压空气，由此产生的气流冲击力顶吹钵苗，然后驱动气嘴排移动至下一排钵苗底部，直到完成整盘钵苗吹松工作。

图7 气动取苗系统结构示意图

图8 蔬菜穴盘育苗气吹式钵体松脱装置结构简图

2 我国自动取苗技术存在的问题

目前，我国在全自动移栽机自动取苗技术的研究尚在实验室阶段，大部分相关样机还是单株取苗为主，有关整排取苗的以试验台架为主，市场上未见较为成熟的产品。

1) 取苗工作效率较低，伤苗率较高。大部分样机采用单株取苗，这种方式的取苗速度限制整机的工作效率，使整机的工作效率较低。关于整排取苗的试验台可以一定程度的提高移栽效率，但由于苗盘钵苗距离较近，对于取苗手的机构、取苗成功率以及取苗后的分苗、投苗、植苗过程又提出了更高的要求。采用单株取苗的如马晓晓等[34]进行作业参数优化的番茄钵苗移栽机自动取苗装置，其取苗频率在57株/min左右，采用整排取苗的如王东洋等设计的自动顶-夹式蔬菜穴盘苗取苗装置，其取苗频率可以达到140株/min左右。

关于取苗执行机构，较多采用取苗手夹取式或取苗针扎取式取苗。取苗时，由于取苗手需插入苗盘中夹取基质对可能会伤及钵苗根部，整排取苗时由于钵苗距离较近，可能对钵苗的叶片及苗杆有所伤害。采取苗杆顶苗时，如果不进行破结过程，可能造成基质被顶碎伤及苗根部或苗体。伤及钵苗造成钵苗成活率低，栽植后死亡，影响农业生产。

2) 取苗成功率较低。单株取苗成功率相对较高，整排取苗过程中，由于多个取苗手或取苗针同时取苗，且取苗手之间距离较小，相互之间有所干扰，影响取苗成功率。采用单株取苗的如李华等[35]设计的辣椒穴盘苗自动取苗机构，其取苗成功率高达98.6%。取苗时，取苗手夹持力过小，钵苗脱落，夹持力过大，基质夹碎，造成取苗失败；整排取苗手定位不准确，取苗时没有到达取苗位置，造成取苗失败。顶苗、吹苗前不进行破结工作，可能造成钵苗吹不出苗盘，钵苗顶不出苗盘或者基质被顶穿，造成取苗失败。所以优化取苗方式、提升系统的控制性能、提高定位精度，对于提高取苗成功率有着积极的作用。

3) 钵苗种类、苗盘规格繁多。移栽作物种类繁多，每种作物的移栽要求有所不同，苗盘的规格各异，对于移栽设备、取苗技术又提出不同的要求。目前移栽机种类繁多，取苗方式各异，移栽设备通用性较低，对于不同种类移栽机的研发，投资较大，造成资源浪费。

3 自动取苗技术发展建议

3.1 高速取苗机构的研发

国外的蔬菜全自动移栽机自动取苗技术较为成熟，意大利FUTURA型蔬菜移栽机的效率高达130株/min，国内移栽机钵苗自动取投的研究水平仅能接近单行70株/min，工作效率较低[20]，因此提高我国自动取苗技术的工作效率较为关键。参照目前国内自动取苗技术现状，移栽速率的提高势必会影响取苗质量，出现漏苗伤苗等情况。

取苗控制方式上采用苗盘进给的整排顶苗夹苗结合的取苗控制方式，采用这种方式可以简化单一苗盘进给和单一取苗手移动的控制过程，整排取苗，简化单株取苗的过程重复，减少取苗时间，提高工作效率；整排顶夹结合的方式可以解决夹苗夹不出、伤苗等问题，提高工作效率，减小伤苗率。

3.2 一体化智能移栽装备

利用智能控制算法提高取苗手、苗盘定位精度，增加夹持力监控系统，对取苗手夹持力实时控制，顶苗、吹苗取苗前进行破结工作都可以在一定程度上提高取苗成功率。对于提高取苗成功率，国内一些学者将控制算法、机器视觉、监控系统等技术应用于取苗手的定位、钵苗位置的定位等。如任玲等[36]针对整排穴盘苗取苗装置，将模糊PID控制应用在整排取苗机械手定位控制中，实现机械手的精确定位、提高取苗成功率。胡飞等[37]将机器视觉图像处理应用于钵苗的识别与定位，实现对钵苗位置的精度定位。王俊等[38]设计苗钵夹持力检测系统，实时监测取苗爪对苗钵夹持力的变化情况，减少对苗钵的损伤、提高取苗成功率。

对于自动移栽机在控制系统上存在着很多问题，如系统不稳定，电气化程度低，操作较为复杂等。对于全自动移栽机控制系统的研发，性能优良的控制系统可以提高整机的工作效率。随着人机界面控制、智能控制等技术的发展，全自动移栽机的研发也将朝着智能化、可视化、便捷化的方向发展。如贺磊盈等[39]利用机器视觉获取穴盘苗信息，将贪心遗传算法应用于规划补栽路径，减少补苗时间，提高移栽效率。如王宁等人将三菱人机界面应用于移栽机控制系统中，简化了操作过程，实现了移栽信息的实时显示监控。

3.3 多功能的通用型移栽机

在不同的国家，气候、环境、蔬菜种植种类的不同，不同的作物移栽需要不同的移栽机械，不同的环境下对于移栽要求也是不一样的，因此需要数量类型众多的全自动移栽机。对于整机控制系统，每一种机型配套控制系统都不一样，需要研发与某种机型配套的控制系统。由于移栽机种类各异，呈现出多系列、多品种的局面，所以提高移栽机的通用性，研发多功能联合的通用型移栽机是非常必要的。

规范化育苗，采用统一规格的苗盘，集中统一育苗管理，可以节约种子、肥料、农药等，提高成苗率高，钵苗素质好，易成活。规范化育苗便于良种推广和规范管理，成苗便于远距离运输和机械化移栽等优点。规范化研发，提高制造标准，注重移栽机标准件的研发，注重多移栽种类，多环境下适用的一体化移栽机研发。规范化研发可以减少不必要的投资与资源浪费，对于绿色环保的可持续发展是十分重要的。