温室穴盘苗移栽机械研究现状及问题分析

田志伟 马 伟 杨其长 姚 森 张 梅 段发民 徐海东,4

(1.中国农业科学院 都市农业研究所，成都 610213； 2. 成都农业科技中心，成都 610213； 3.成都农业科技职业学院，成都 611130； 4.中国农业大学 工学院，北京 100083)

温室是我国反季节蔬菜的主要生产方式。2018年全国温室蔬菜产量占当年蔬菜总产量的30%，温室蔬菜穴盘育苗技术应用规模日益扩大。与传统育苗方式相比，穴盘育苗抗逆性强，具有发芽率高、占地面积小、育苗周期短、便于机械化统一管理等优点。当幼苗长到一定程度时，为满足其进一步生长发育要求，需要将高密度穴盘培育的幼苗移植到低密度穴盘，以缩短作物生长发育期，错开成熟期，提高产量。人工移栽劳动强度大，效率低，栽植质量难以保证。这种粗放的生产方式已无法满足现代育苗工厂作业精准化、集约化的发展要求。另一方面，随着农村人口向城市大量转移，农业劳动力严重短缺，雇佣成本上升。因此，穴盘苗机械化移栽是未来的发展趋势。

国外温室穴盘苗移栽机已非常成熟，基于先进工业技术和计算机技术开发的移栽机不仅效率高，作业质量稳定，适用性强，而且可以对钵苗品质进行检测筛选，对移栽数量进行统计。相比之下，我国温室移栽机发展起步较晚，但研究热度不减。科研人员先后开展了大量的探索和研发工作，积累了丰富的经验。但由于作物栽培品种和模式不一，致使移栽机发展较为缓慢。

本研究拟采用文献综述和归纳总结的方法，对国内外现有温室穴盘苗移栽机代表性产品和最新研究进展进行对比，对移栽机关键技术部件进行归纳，分析国内移栽机械当前发展所面临的主要问题，并提出相应的应对措施，以期为科研人员研发移栽机提供思路，同时帮助相关从业人员准确把握移栽机发展趋势，系统了解行业现状和存在的问题，从而查漏补缺，提高我国温室钵苗机械移栽水平和推动标准化育苗工厂发展。

1 移栽机技术特征

1.1 移栽机分类

钵苗栽培模式较多，针对不同的栽培模式移栽方法也有差异。温室生产中采用机械化移栽的钵苗按照不同栽培方式主要分为基质培种苗、水培种苗、扦插无根苗以及组培种苗等(图1)。基质培种苗在不同规格的穴盘中培育，一般基质由泥炭、蛭石和珍珠岩等组成，这种方式更接近大田种苗生长环境，取苗器通常需要插入基质块进行取苗。水培种苗则利用专用的定植篮或海绵将种苗固定在栽培板上，通过板下的营养液进行培育，移栽时需要设计特殊的取苗器抓取定植篮。近年来，无性繁殖育苗在种苗生产中的规模不断发展壮大。无性繁殖主要指扦插、嫁接及组织培养。扦插苗有一个非常大的特点，即幼苗均是不带基质的裸苗。对于裸苗而言，直接触碰柔嫩苗体极易造成损伤，这给机械夹持、移载作业带来挑战。为此国外有公司研发了一种可降解的扦插苗条带，人工剪下苗后扦插在条带上，然后通过机械进行移栽，这种扦插苗条带方便运输和计数。组培苗是指对植物组织进行培养，使其通过部分组织再生出完整植株的过程。琼脂常被用来作为组培基质，这种苗对移栽机的要求更高，作业动作需要十分轻盈。

图1 不同栽培模式的种苗Fig.1 Seedlings of different cultivation modes

按照移栽穴盘孔数区分，移栽机有多穴-多穴和多穴-单穴2种。多穴-多穴一般指将高密度穴盘培育的钵苗移植到具有低密度孔穴的穴盘继续培养。而多穴-单穴指将高密度的钵苗移植到单孔容器中，主要针对盆栽花卉生产和移栽。按照取苗器数量不同移栽机可分为2种：一种是单个取苗器每次只移栽单株钵苗；另一种则由整排取苗器同时对多株钵苗进行移栽。

1.2 钵苗移栽过程

尽管钵苗栽培模式多种多样，目前基质培种苗依旧在市场上占比最大，绝大部分移栽机也是针对基质苗研发的。以基质种苗为例，常见针式移栽机作业过程可分解为8个关键步骤(图2)：

1)根据钵苗空间坐标驱动取苗器移动到供苗穴盘及靶标钵苗正上方的预定位置；

2)取苗器下降直至其贴近基质表面；

3)末端的钢针伸出并插入基质块内部；

4)整个取苗器开始上升，完成取苗动作；

5)取苗器移动到目标穴盘及靶标孔穴正上方的特定位置；

6)取苗器下降将钵苗精准投放到靶标孔穴中；

7)钢针缩回，利用针筒端面的反推力将基质块从针上捋下，完成钵苗释放动作；

8)取苗器上升，移动到下一个待移栽的钵苗上方。

如此重复1)～8)步骤。移栽过程中，取苗器的移动路径需要根据机器布局、穴盘位置、钵苗生长状况等因素进行合理设计和优化，一方面可以缩短路径长度，提高效率；另一方面能够避免其与钵苗和机器部位发生碰撞。

①、②、…、⑧分别为钵苗移栽关键步骤，详见1.2。 ①, ②, …, ⑧ are the crucial steps for plug seedling transplanting, which is detailed in section 1.2 of the paper.图2 钵苗移栽过程Fig.2 Seedling transplanting process

1.3 移栽质量评价方法

目前，有关温室钵苗移栽机的作业质量评价尚无国家标准进行规范。已有研究中对于移栽机的质量评价主要集中在移栽合格率、幼苗损伤率、基质破损率、移栽倒伏率、取苗成功率、成活率等指标。这些报道中，针对一些指标的评判标准也有差异，例如基质破损程度因主观因素影响每个文献中判断结果有所不同。相对而言，大田蔬菜幼苗移栽质量评价标准较为完善。DB 36/T1360—2020《茄果类蔬菜机械化移栽作业技术规范》规定了茄果类蔬菜大田机械化移栽的漏载率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等术语，并指明了作业要求，检验方法和检验规则。地方标准DB 62/T2974—2019《蔬菜移栽机作业质量》针对导苗管式移栽机和钳夹式、链夹式移栽机的立苗率、埋苗率、伤苗率、露苗率、漏栽率等参数进行了规定。由此可见，温室钵苗移栽质量评价标准亟需颁布，以指导行业规范化发展。

2 国内外温室钵苗移栽发展现状

2.1 国外移栽机械现状

国外温室钵苗移栽机研究起步较早，最早的报道始于美国普渡大学的Kutz。早期移栽机通常以工业机器人为主体，通过安装不同的末端执行器完成移栽作业任务。90年代初，日本、英国一些院校针对穴盘苗和组培苗移植技术展开研究。21世纪初荷兰设施农业装备生产企业Visser、TTA等公司开始生产穴盘苗移植机械。经过几十年的发展，欧洲目前已涌现出Flier、Ubinati和Tea等一批设施移栽机生产企业。在功能方面，这些移栽机已由简单的钵苗移植、剔苗、补苗向分级移植和裸苗移植等方向扩展。同时为满足多元化的机械移植作业要求，一些辅助装置，例如纸钵苗、塑料穴盘、可降解扦插苗条带等得到了长足的发展，这不仅提高了移栽机作业质量和生产效率，而且带动了整个产业链的结构升级。

随着机器视觉等最新工业技术的应用，近年来这些移栽机智能化程度明显提升，可通过触摸屏完成数据监测，作业参数设置及故障诊断。美国的AgriNomix公司研发的RW2100Twin移栽机(图3(a))每小时可移栽6.1万株苗。这款装备双臂同时移栽，种植深度和穴盘高度可调，同时能针对5个穴盘进行作业。意大利UrbinatiS.r.l.公司研发的RW64移栽机(图3(b))作业效率为5.6万株/h，该机多个电动取苗器采用独立无线控制方式，可双排同时移栽，并通过触摸屏能进行机器编程和自我诊断。

图3 RW2100Twin(a) 和RW64移栽机(b)Fig.3 RW2100Twin (a) and RW64 (b) transplanters

荷兰老牌设施农业装备公司众多，其设施园艺相关技术也处于世界领先地位。Visser Horti Systems公司自1967年以来，一直聚焦于园艺苗圃作业机器和生产线的研究与设计。其生产的Pic-O-MatVision移栽机(图4(a))基于视觉系统可以剔除穴盘中的空穴和品质差的苗，保证移栽苗100%优质，每小时最多可移栽1.92万株钵苗。针对扦插苗机械化移栽的广泛需求，Visser公司研发了一种可降解AutoStix®插条。这种插条使用时人工将剪下的苗扦插在条带上，然后通过AutoStix移栽机(图4(b))切下条带单体并进行移植，插条能够无损夹持不同茎秆粗细的钵苗，还能促进幼苗生根，移栽效率为1.2万株/h。

TTA公司创立于1996年，开发了多款钵苗移栽机，其中MidiVision视觉选苗移栽机(图5(a))作业效率为0.5～4万株/h。该装备移栽时能够自动跳过空穴，极大降低了漏栽率。除了土壤基质外，琼脂常被用来作为基质对植物组织进行培养，使其通过部分组织再生出完整植株。组培苗生长后期需要将其移栽到穴盘或盆中，帮助植物发育出更繁茂的根系。TTA公司针对琼脂较软、不易抓取的特点开发了MidiFlat移栽机(图5(b))，针对组培植物该装备作业效率为1.5万株/h。

除了上述代表性的移栽机以外，本研究还针对国外其他移栽装备的关键参数及性能特征进行对照，结果见表1。这些装备无论在作业质量、效率，还是在功能、机器设计等方面都十分成熟。同时，价格也很昂贵，对于国内中小型设施蔬菜生产企业而言难以承受其引进成本。此外，这些机器都是按照国外的设施种植模式和标准进行设计，无法适应国内温室钵苗移栽场景。

图4 Pic-O-MatVision移栽机(a)和AutoStix扦插苗移栽机(b)Fig.4 Pic-O-MatVision transplanter (a) and AutoStix cutting seedling transplanter (b)

图5 MidiVision视觉移栽选苗机(a)和MidiFlat移栽机(b)Fig.5 MidiVision visual transplanting seedling selector (a) and MidiFlat seedling transplanter (b)

2.2 国内移栽机械现状

我国大田移栽机械研究开展相对较早，20世纪60年代就成功研制了裸根苗插秧机，经过几十年发展，大田钵苗移栽装备相对成熟，已有一定程度的推广和应用。但温室钵苗移栽机起步较晚，20世纪90年代初国内才开始相关机械的研究。1991—1999年，吉林工业大学范云翔等针对空气整根营养钵育苗开展了一系列研究，包括穴盘设计、播种装置和移栽装置的研发。2000年以后，国内出现了一批具有龙门架式结构的温室穴盘苗移栽机，其中典型代表为2005年中国农业大学强丽慧等设计的生菜自动移栽机(图6(a))。近些年，移栽机发展速度明显变快。2012年，北京智能农业装备研究中心冯青春等研制了一种基于三坐标平移串联机器人机构的花卉幼苗自动移栽机(图6(b))，该机基于视觉系统可实现幼苗和空穴的识别，然而机器仍以人工移栽和半自动移栽为主。半自动移栽需要人工进行取苗、喂苗，移栽机仅完成自动移植动作；全自动移栽机在半自动移栽机的基础上增加了自动供苗、取苗、送苗和收盘等机构。

2007—2017年，浙江大学童俊华等研发了一款带有视觉检测功能的温室钵苗全自动移栽机流水线产品(图7(a))，可实现劣质苗识别并将其剔除。江苏大学周昕2019年基于RGB-D相机提出穴盘苗智能检测方案和智能分选-移栽-补栽一体机整体方案(图7(b))，所设计的机器当移栽循环为1 000 次/h时作业效果最佳，补栽后成苗率达到99.33%，对应的换盘移栽效率为5 000株/h。

上述探索为温室穴盘苗移栽机的研发积累了丰富经验，但与国外移栽技术相比依旧存在较大差距。其原因主要在于国内设施园艺装备总体发展起步晚，技术积累薄弱。同时温室种植模式因缺乏相应标准指导而差异明显，导致装备开发难以推进。另外，农机农艺融合欠佳，种植方对移栽技术要领不了解，非标准化的种植模式和栽培装置无法适应机械化移栽要求；而移栽机生产方对温室种植现状缺乏全面调研和理解，大部分装备是根据某一具体生产流程和模式定制的，产品难以推广至其他种植企业，因此研发、推广积极性不足。这些因素严重阻碍了我国温室穴盘苗移植技术发展和装备的升级。

表1 国外代表性移栽机性能对比
Table 1 Performance comparison of representative foreign transplanters

国家/公司Country/Company产品型号Productmodel适用穴盘规格Applicableseedlingtray取苗器数量/个Number ofgripers效率/(万株/h)Efficiency耗气量/(L/min)Airconsump-tion功能特征Feature美国AgriNomixRW1500512～50穴242.4170每个取苗器独立运动;无线通讯;图形用户界面;无需顶苗器;移栽深度和穴盘高度可调节。RW2100Twin288～50穴726.1双臂移栽,无需顶苗器;移栽深度和穴盘高度可调;同时可从5个横向放置的穴盘进行移栽。意大利Urbinati S.r.l.RW64—805.680独特电动无线取苗器;彩色触摸屏可用于机器编程和自诊断;可设置侧方抓取;双排同时移栽。FlexPlanter孔穴直径为9～60 mm—0.3～3.060通过内置成像系统检测钵苗,确保移栽成功率为100%。荷兰TTAFlexPlanterXF孔穴直径为9～60 mm—1.0～3.015推针系统从穴盘下方顶起植株;成像系统通过摄像头对单棵植株进行鉴定,不合格的苗将被剔除。MidiVision孔穴直径为9～60 mm—0.5～4.017利用成像系统检测钵苗状况并避免空穴移栽,能够动态呈现移栽后的钵苗数量。英国TEATEA2000 N最大穴盘尺寸40 cm×60 cm161.680最多放置3个穴盘;工作速度、种植深度、拾取高度等参数可调,多个模式可选。TEA2000 J最大穴盘尺寸40 cm×60 cm161.680支持线性轨道或圆形排列的穴盘移栽。最多可配置2～16个取苗器,参数可调,2种尺寸的取苗器可更换。Pic-O-MatGR-2700512～72穴16～244.5—独立伺服控制的取苗器精度高、速度快;通过触摸屏参数可调;100种移栽程序可选,最多一次放置9个穴盘。荷兰Visser HortiSystemsPic-O-MatVision—12～241.9—基于视觉系统可剔除长势不好的苗或者空穴;触摸屏可选择100种移栽组合程序;支持穴盘-穴盘、穴盘-盆移栽。AutoStix—61.2—用于扦插苗移栽,人工将扦插苗放入AutoSitx条带中,然后通过机器进行移栽;扦插条可降解,方便运输和计数。

图6 生菜自动移苗机(a)和花卉幼苗自动移栽机(b)Fig.6 Lettuce automatic transplanter (a) and flower seedling automatic transplanter (b)

图7 钵苗全自动移栽机(a)和分选-移栽-补栽一体机(b)Fig.7 Automatic transplanting machine for pot seedlings (a) and sorting-transplanting-replanting integrated machine (b)

3 移栽机关键技术研究

成熟的移栽机是集上苗、移栽、取苗等功能于一身的流水线产品。随着工业技术的发展，上苗和取苗工艺很容易实现，通过输送带、传感器、PLC控制器即可完成穴盘的精准定位和运输。相比之下，作为移栽对象的幼苗具有易损伤和难抓取的特点，移栽机构柔性作业的同时还要保证效率，因此在整个移栽机研发中移栽部件和工艺是难点，这一步骤的关键技术部件包括取苗机构和移栽执行机构。同时为实现取苗机构较优运动轨迹，提高作业质量和效率，路径规划也是一个研究重点。

3.1 取苗机构

取苗机构作为移栽机的末端执行部件，将钵苗从穴盘中拔取出来，夹持，然后在目标孔穴中释放。其设计合理性直接影响移栽机的作业质量和效率。缺乏科学论证的取苗机构在抓取过程中容易造成基质块破损和钵苗损伤、移栽过程中钵苗提前掉落或钵苗释放不流畅等问题。为此，研究人员针对这一关键机构做了大量研究。一般而言，取苗机构分为两指式和四指式。Wang等提出的两指式取苗器(图8(a))末端增加了梯形夹片，并通过EDEM软件对夹片形状和取苗加速度进行离散元仿真分析。结果表明，采用拔苗加速度为0.3 m/s时孔穴内基质残留最少。但由于抓取平衡性较差，两指式的取苗器较为少见，国外成熟移栽机大多采用四指式取苗器。韩绿化等采用镊子型两指四针钳夹式结构设计了一种取苗器(图8(b))，两指末端的夹取针为叉子型，在双作用微型气缸作用下4根夹取针伸出并插入基质，两指合拢夹取针夹紧基质块，放苗时通过橡胶气囊撑开机械手指放松夹持，夹取针收缩放苗。

1.T型骨架；2.转轴；3.管接头；4.垫块；5.橡胶气囊；6.支撑杆；7.双作用微型气缸；8.收紧弹簧；9.限位块；10.挡块；11.活塞杆；12.幼苗；13.夹取针；14.钵体；15. 孔穴；16.限位螺钉；17.腰型槽 1.T-shape frame; 2.Shaft; 3.Pipe joint; 4.Spacer; 5.Air bag; 6.Support rod; 7.Double-acting cylinder; 8.Tightening spring; 9.Limit block; 10.Blocking block; 11.Piston rod; 12.Seedling; 13.Clamping needle; 14.Substrate; 15.Hole; 16.Limit screw; 17.Slot图8 两指式取苗器(a)和镊子型两指四针取苗器(b)Fig.8 Two-finger transplanting gripper (a) and two-finger four-needle seedling gripper (b)

上述这些取苗器均采用向上拔取的取苗方式，拔取钵苗时加持过力大容易造成基质块破损，夹持力过小而又无法顺利将钵苗从穴盘中拔出，同时还会出现移栽机构移动过程中钵苗掉落问题。为解决此问题，王超等设计了一种气动下压式高速“U”型取苗装置(图9)，该装置以向下剁的方式取苗，可实现7200株/h的高速取苗任务，但其只能针对非标准的无底穴盘，普适性不强。

1.取苗气缸；2.顶苗器；3.安装板 1.Cylinder for taking seedlings; 2.Seedling push device; 3.Mounting plate图9 “U”型取苗机构Fig.9 U-shaped seedling taking mechanism

四指取苗器因其作业稳定性好而被广泛采用， Choque等设计的电动四针式取苗器(图10(a))通过舵机和丝杆结构驱动移栽针在针筒中完成下降和上升动作。针筒上端为铰连接方式，作业时可以向内摆动引导移栽针夹紧基质。该设计通过一根螺杆即可控制4根针的动作，同步性较好，但通过电机驱动丝杆来控制钢针升降速度较慢。为提升移栽机取苗速度，Jiang等设计了原理类似的取苗器(图10(b))，将电机驱动更改为气缸驱动，并在取苗器上安装了传感器系统来监测分析基质与孔穴壁的粘附力和取苗时基质所受的挤压力。试验表明该取苗器的总移植成功率为100%，根插损伤率低于17%。

图10 电动针式取苗器(a)和气动针式取苗器(b)Fig.10 Electric needle transplanting gripper (a) and pneumatic needle transplanting gripper (b)

Jorg等完成了用于蔬菜钵苗移栽的双指夹(图11(a))和针夹(图11(b))的设计、开发和测试。这2种取苗器抓取方向与孔穴棱角不平行，移栽试验表明双指夹和针型指的平均移植成功率分别为95%和81.75%。虽然两种取苗器类型都不影响移植后幼苗的生长，但两指夹对莴苣和菊苣更可靠。而针夹只适合具有更高硬度和凝聚力的基质块，同时取苗过程需要借助顶苗器，因此钵苗基质块完整率不高。

图11 双指夹(a)和针型夹(b)Fig.11 Two-finger gripper(a) and needle gripper(b)

Han等设计的四缸针型取苗器(图12(a))自动移栽时基质完整率达到93.37%，试验还探索了钢针插入深度、钵苗生长周期、工作压力等因素对自动移栽成功率的影响。这种取苗器需要4个气缸分别控制四根针的伸缩，结构繁重，成本较高。Li等设计的取苗器用了4个矩形截面的不锈钢钢片，如图12(b)所示，垂直驱动方式通过对钢指施加不同的约束组合，可实现同时插入基质和收缩的耦合效果。但是一侧的2根钢片是平行的，与穴盘的孔穴棱台形状无法很好的贴合，取苗时会影响基质完整性。

图12 四缸针型取苗器(a)和钢片取苗器(b)Fig.12 Four-cylinder needle-type gripper (a) and steel sheet gripper (b)

上述报道中科研人员设计了不同的穴盘苗移栽机取苗器，大部分移栽成功率在90%以上，基本上可满足使用要求。但这些取苗机构并没有被广泛应用，其主观原因在于一些装置在结构设计上较为复杂，体积大，缺乏对取苗器—基质块—孔穴之间互作机理的研究，因此无法较好地适应结构化、规模化的钵苗移栽物理场景。同时这些装置均针对具体某一穴盘型号进行设计，自适应能力弱，应用范围有限。还有一些机构单独作业时效果稳定，一旦将其成排安装形成取苗组件后作业效果不佳。客观方面，国内温室穴盘苗栽培农艺差异较大，基质用料、配比、基质含水率、苗木品种、穴盘材质、移栽苗生长期等因素的不确定性均会影响取苗器的拔取效果。

3.2 移栽执行机构

移栽执行机构是移栽机的另一核心部件，在取苗机构拔取动作完成后负责钵苗的平稳运输。赵雄等设计了一种混合驱动五杆机构(图13(a))来实现花卉穴盘苗的单株移栽，并基于遗传算法和ADAMS软件优化了机构参数，该机构移栽平均成功率为87.16%。并联机构具有运动速度快、精度高、动态性能好等一系列优点，可以满足设施农业对高速移栽作业的需求。周昕等从框架结构、移栽部件及输送装置3部分设计了一款并联移栽机器人(图13(b))，这款装置只有一个取苗机构，可实现黄瓜苗从128孔穴盘到72孔穴盘的移栽。试验表明移栽加速度超过20 mm/s时，钵苗破损数量、掉落数量增加，移栽合格率极大降低。为消除这种并联机构在实际工作环境中由于装配误差、柔性变形、构件质量等引起的运动误差，科研人员提出了刚柔耦合动力学模型，对并联机构轨迹进行仿真，然后对其误差进行补偿，平均误差由7.6 mm降低到1.2 mm。

图13 混合驱动五杆机构(a)和联动取苗机器人(b)Fig.13 Hybrid drive five-bar mechanism (a) and linkage seedling removal robot (b)

Rahul等提出了一种完整的5R 2DOF机电一体化移栽机械臂(图14(a))用于花盆苗移栽。该机械臂具有两个自由度和五个旋转关节，文献重点分析了机构的运动学原理和工作空间。经测试，机械臂从116.6 mm的距离取下钵苗时耗时2.1～2.4 s，最大功耗为20.47 W。但是机械臂只能实现左右摇摆和夹取-松开动作，无法满足实际移栽需求。研究人员在此基础上采用实时嵌入式系统又设计了一种4DOF并行机械臂(图14(b))，增加了上下移动工作空间。通过拾取和放置纸盆幼苗测试，得出每个幼苗操作时间为3.5 s，成功率为93.3%。

分栽机构是移栽机执行机构的另一特殊形式。通过分栽机构的运行，使得整排取苗器在取苗时相邻间距缩小，与供苗穴盘相邻孔穴间距一致；在放苗时取苗器相邻间距增大，均匀分散，与目标穴盘相邻孔穴间距一致，从而满足高密度穴盘向低密度穴盘移栽的要求。国外移栽机大都采用多个电机驱动方式，使每个取苗器作为独立个体实现分散和聚集位移。这种设计每个取苗器独立可控，移栽时能有效回避空穴，保证移栽质量，同时能进行补栽作业，但成本较高。为适应国内设施发展现状，节省机器成本，绝大多数分栽机构均采用联动设计，通过一个驱动器完成所有取苗器的控制。朱春燕等设计了一种分配盘(图15)，工作时气缸推动取苗器沿着分配盘上的导轨槽向下运动，增大相邻取苗器间距。释放钵苗后，气缸收缩，取苗器则沿着分配盘导轨槽向上运动，从而缩小相邻间距。

图14 5R 2DOF机械臂(a)和4DOF并行机械臂(b)Fig.14 5R 2DOF robotic arm (a) and 4DOF parallel robotic arm (b)

图15 分配盘分栽机构Fig.15 Distribution plate and planting mechanism

童俊华等提出了一种缓冲带式分栽机构(图16(a))，取苗器相邻组件通过柔性受拉缓冲带连接，气缸拉扯推杆末端取苗器组件，从而分散相邻取苗器至使其与目标穴盘孔穴间距一致；气缸缩回推杆带动末端取苗器组件依次压缩组件间距，直至与供苗穴盘相邻孔穴间距一致。Assal等采用剪叉机械结构(图16(b))和带式输送组件实现多个取苗器的分散，并基于动力学仿真分析了该设计在应力和形变方面的安全性。分栽机构在实现多个取苗器同步控制，增加单次移栽规模，提高移栽作业效率方面发挥着重大作用，因此是当前的研究热点。寻求设计成本和作业效果之间的平衡点是最终目标，目前市场上还没有较为成熟的分栽方案。

1.移植手组件；2.分离气缸；3.安装板 1.End effector component； 2.Separation cylinder; 3.Fixing board图16 缓冲带式分栽机构(a)和“剪叉式”分栽机构(b)Fig.16 Buffer belt type planting mechanism (a) and “scissor type” planting mechanism (b)

3.3 移栽轨迹优化

穴盘苗移钵路径优化可节省单次移栽时间，提高效率，同时保证移栽质量。钵苗移栽可分为按行和按列移栽。以从128孔穴盘到4孔的托盘花盆移栽为例，为减少移栽平台水平总位移量，同时确保取苗器的安全性，王留柱分析得到的最佳路径为：取苗器自供苗穴盘中按从外侧到内侧的顺序依次取苗，到目标穴盘时第一个盘从内侧到外侧而第二个盘从外侧到内侧的顺序依次植苗。张丽娜等针对单个取苗器，基于免疫克隆选择算法和免疫遗传算法构建了2种适于求解穴盘苗移栽路径优化问题的模型。相比固定顺序法，这2种模型的路径长度分别缩短了7.59%和7.65%。Zhao等设计了一种从多点取苗到单点种植的2-DoF五杆移栽机构，并建立了数学模型，通过遗传算法优化了该机构的参数与两个执行器的运动关系，对苗高约80～100 mm的花椰菜进行移栽试验，得出移栽速度为40株/min，平均移栽成功率为91.81%。

不同算法在路径规划方面的性能差异不一。童俊华等对比了不同算法在移栽顺序与路径规划中的优化性能，得出贪婪算法优化得到的移栽路径最短。Jiang等比较了蚁群算法、遗传算法与常规顺序在补栽时在供苗穴盘和目标穴盘之间的往返耗时，发现蚁群算法的效果最佳。并基于遗传算法提出了一种新的孔穴逐一补栽路径优化算法。刘继展等针对穴盘苗向立柱移栽的特殊空间路径问题，进行了无碰撞最短路径研究设计，对33种不同取苗-栽植方案的路径距离差异及其影响因素进行了统计分析，发现取苗与栽植顺序对路径长度、移栽作业效率有重要影响，基于该结论优化得到最近相邻法和近端开始同向逐行或逐列取苗、自下而上的栽植方案，作者建立了面向立柱的移栽控制系统。

上述路径规划多针对单个取苗机构进行，事实上，国外具有整排取苗机构的移栽机作业路径相对较为单调，多采用龙门结构设计，线性位移即可满足移栽动作要求。

3.4 作业过程监测

为确保移栽机较高作业质量，国外成熟产品采用机器视觉技术对钵苗移栽工况进行实时监测。该技术以非入侵方式进行信息采集，具有处理速度快、实时性好、无损检测等诸多优势，对提高移栽效率和钵苗成活率，降低生产成本具有重要意义。视觉检测移栽前可判断钵苗适宜性和健壮度，同时标记无苗空穴。移栽后对穴盘中的钵苗计数并评估移栽成功率。

视觉监测的难点在于钵苗的图像准确分割和识别。杨振宇在HSI颜色空间中采用OTSU算法对钵苗进行分割，通过顶点链码主轴法和角点直线拟合算法获取钵苗高度和直立度，以此判断其移栽适宜度。为提高穴盘网格图像分割精度和空穴识别率，Xiao等提出一种图像二值化-方格分割方法，并设计了一种补栽末端执行器，该系统运行稳定，效果良好。为将不合格的幼苗从传送带格子中剔除，Wen等开发的机器视觉钵苗识别系统可根据钵苗茎杆和叶面积等特征对其健壮度进行判别。试验表明安装该系统后健壮苗率平均提高了15.2%。穴盘在输送带移动过程中容易发生倾斜，导致幼苗叶片很容易越过虚拟网格边界，从而影响幼苗识别精度。文献[58]介绍了一种基于Canny算子和Hough变换的倾斜穴盘图像校正算法，经过角度校正后幼苗识别准确率提高了1.1%～9.4%。

综上，目前用于植物识别的方法主要包括K-means、支持向量机 (SVM)、人工神经网络 (ANN) 及其他基本图像处理算法，例如 Ostu、决策树、随机森林、阈值分割和霍夫变换。这些经典图像识别算法应用时需要人工定义识别对象的特征，如颜色、纹理、形状等，导致识别效果受人为主观因素影响较大。此外算法的鲁棒性和泛化性不强，光照条件、幼苗生长状况等因素的改变往往导致算法失效。为解决上述问题，研究人员提出了基于深度学习的计算机视觉技术，通过海量原始数据和具有多个隐藏层的神经网络结构，该技术实现了自主学习，速度更快，可避免人为因素干扰。然而，因缺乏标准化的钵苗图像数据集，深度学习技术在移栽机作业工况监测方面进展甚微。

4 存在问题与应对措施

4.1 存在的主要问题

近几年国内科研人员在温室穴盘苗移栽机械方面的研究日益增多，这为行业的发展积累了不少数据和经验。尽管如此，国内移栽机在作业效率、功能等方面与国外装备相比还存在较大的差距。而引起这些差距的主要原因在于：

1)温室移栽领域标准缺乏。

检索相关标准发现，LY/T2234—2013《林业机械林业工厂化育苗育苗穴盘》只规定了林业工厂化育苗用穴盘的术语、型号编制、试验与检验规则等。其中育苗穴盘系列型谱中最多只有128孔，且未对单个孔穴的尺寸参数进行说明。就移栽作业质量评价而言，行业标准NY/T3486—2019《蔬菜移栽机作业质量》定义了裸地和膜上蔬菜机械化移栽的幼苗参数、相关术语、作业条件、行距株距检测方法和检验规则。江西地方标准DB36/T1360—2020《茄果类蔬菜机械化移栽作业技术规范》规定了茄果类蔬菜大田机械化移栽的漏栽率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等术语，作业要求，检验方法和检验规则。甘肃地方标准DB 62/T2974—2019《蔬菜移栽机作业质量》针对导苗管式移栽机和钳夹式、链夹式移栽机的立苗率、埋苗率、伤苗率、露苗率、漏栽率等参数进行了规定。

由此可见，我国钵苗移栽领域的现有标准主要针对林业或大田作物钵苗移栽技术进行规范，而针对温室穴盘苗移栽的标准仍处于空白状态。温室穴盘苗移栽和大田作业工况完全不同，装备差异明显，已有标准显然无法适应现代温室的高标准作业要求。这就导致目前市场上存在的穴盘尺寸参数不一，种植模式各异，装备开发不规范、作业质量评价不严谨等问题，致使行业发展缓慢。以200孔的穴盘为例，因缺乏标准指导，目前市场上已有产品生产不规范，四棱台型的孔穴规格(上孔尺寸×下孔尺寸×深度)从(23×23) mm×(11×11) mm×40 mm、(25×25) mm×(10×10) mm×30 mm到(24×24) mm×(10×10) mm×43 mm都有涉及。

2)移栽机智能化程度较低。

种子质量、播种机械造成的种子损伤、后期栽培环境等因素均会造成穴盘出苗率无法达到100%，对于一些缺苗的空穴如果不及时识别和处理，移栽机会默认其有苗而进行正常移栽，这会将供苗穴盘的缺苗率传导到目标穴盘中去。Jin等采用模糊C均值聚类(FCM)算法实现了幼苗个体的分割和缺苗孔穴的识别。所设计的自动移栽机钵苗识别准确率为97.33%，移栽效率为每分钟70株，但机器作业稳定性和效果依旧不完善，无法形成成熟的产品。另外，与国外先进移栽机相比，国内移栽装备功能单调，无法自动完成钵苗计数、钵苗质量检测、空穴补苗等功能，这导致作业时一部分工作仍旧需要人工完成，加之购机成本高昂，所以农户使用积极性不高，装备推广困难。虽然目前工厂化技术已经非常成熟，计算机和传感器等技术也被广泛应用在温室生产中，但在穴盘苗移栽方面这些技术使用十分有限，导致移栽机总体智能化水平不高。

3)机器研发整体设计不足。

移栽机设计上存在缺乏整体布局规划和移栽策略、工艺流程优化等诸多问题。例如取苗器移动过程存在损伤钵苗叶片、供苗穴盘和目标穴盘分布不科学、机器外观过于庞大以及设计感不强等。单从移栽效率上来看，一些装备已经可以达到相当高的水平，但是其体积庞大、价格昂贵、缺乏良好的柔性作业能力，因此很难在国内进行推广。另一方面，研究持续性不够。针对移栽机关键技术难点已有多家科研单位和学者作了大量探索，一些结果甚至达到领先水平，但由于这些研究均为一个个相互独立的点，每个研究点没有持续拓展以将其串联形成技术面，加之成果没有及时向企业进行转化，导致重复性工作多，突破性成果少的局面。

4.2 应对措施与建议

1)制定温室穴盘苗移栽标准。标准是规范行业健康、快速发展的“风向标”和“指路灯”。面对温室穴盘移栽领域穴盘规格不统一、种植模式多样等乱象，亟需发布行业标准，统一穴盘规格，规范术语名称、编制型谱、制定技术参数。同时依据现有行业、国家、地方标准，制定温室穴盘育苗、栽培、移栽等过程的详细技术要求，严格规范移栽机作业评价体系，明确具体的评价指标、试验与检验规则等，从而使育苗辅助装置生产、栽培模式、移栽机研发等各项环节有章可循。这是促进温室穴盘苗机械化移栽快速发展的关键一步。

2)加速高新技术应用。先进工业和计算机技术的快速发展为农业装备注入了新的活力，农用无人机，无人驾驶拖拉机等智能农机装备相继问世。温室移栽机研发时也有必要借鉴这些高新技术，从而使其形成一个集成系统，可实现一机多用。近年来，机器视觉技术因其能够以非入侵方式对目标进行检测，具有无损、实时、低成本的优点而被广泛应用于温室机器人路径规划、目标识别、病虫害检测、果蔬品质分级等方面。TTA，Visser等公司基于机器视觉技术开发的移栽机极大提高了智能化水平。这些移栽机可以完成钵苗计数、分级、剔苗、补苗、故障检测等功能。因此，在移栽机研发方面，应建立标准化穴盘苗数据库，开发鲁棒性良好的识别算法，基于深度学习技术提升机器智能化水平。

3)加强移栽机整体设计。着眼于移栽机整体设计，优化移栽工艺，改善移栽策略，注重研究持续性和技术延续性。积极吸收已有研究中的较优技术方案，攻克未解关键技术难题，将技术点连成技术面。同时根据国内市场现状和需求，开发符合国情的移栽机器，降低成本，提高移栽机性能和效率，以其良好的普适性和较高的性价比加速推广与应用。