馮世杰,吳明亮,顏 波,全 偉

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,長(zhǎng)沙 410128;2.信陽(yáng)農(nóng)林學(xué)院 園藝學(xué)院,河南 信陽(yáng) 464000;3.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心,長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,我國(guó)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口和人均可耕地面積正逐年減少,而對(duì)糧食和經(jīng)濟(jì)作物的需求總量日漸增加。作物移栽能夠充分利用光熱資源,提高復(fù)種指數(shù)和作物的單產(chǎn),是我國(guó)未來(lái)確保農(nóng)產(chǎn)品供給安全的重要手段[1-3]。目前,半自動(dòng)化移栽機(jī)是國(guó)內(nèi)移栽作業(yè)的主力軍,作業(yè)時(shí)靠人工取喂苗,作業(yè)效率低、用工量大,機(jī)械化效益不明顯,很難滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)模式的需要[4-6]。自動(dòng)移栽機(jī)的出現(xiàn)很好地解決了上述問題,其取苗裝置能連續(xù)、高效地將缽苗從穴盤中有序取出并快速移送到目標(biāo)位置,真正意義上實(shí)現(xiàn)了移栽作業(yè)的自動(dòng)化。

取苗裝置作為自動(dòng)移栽機(jī)的標(biāo)志性部件[7],已經(jīng)成為自動(dòng)移栽領(lǐng)域研究中的熱點(diǎn)[8-12],其對(duì)移栽機(jī)作業(yè)械化水平的提高乃至現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要的意義。為此,對(duì)國(guó)內(nèi)外取苗裝置的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析,針對(duì)當(dāng)前取苗裝置存在的問題進(jìn)行歸納,并對(duì)取苗裝置的發(fā)展方向進(jìn)行了預(yù)測(cè),以期為缽苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外取苗裝置的研究現(xiàn)狀

以歐美日為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家由于國(guó)民生活水平較高,人工成本昂貴,在20世紀(jì)80年代就開始了自動(dòng)取苗技術(shù)的研究。近年來(lái),隨著自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)及機(jī)器視覺技術(shù)在取苗裝置中的應(yīng)用,取苗自動(dòng)化程度也越來(lái)越高,目前已有成熟產(chǎn)品應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

國(guó)內(nèi)對(duì)自動(dòng)取苗技術(shù)的研究起步較晚,移栽作業(yè)目前以半自動(dòng)化移栽機(jī)為主。近年來(lái),隨著人民經(jīng)濟(jì)收入和生活水平的提高,我國(guó)移栽作業(yè)機(jī)械化水平的提高已成為亟待解決的問題。由于國(guó)外移栽裝備不適合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國(guó)情,難以在我國(guó)推廣,因此國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所對(duì)自動(dòng)取苗技術(shù)開展了研究,目前多數(shù)研究成果處于試驗(yàn)、試用階段。

根據(jù)自動(dòng)移栽作業(yè)時(shí)取苗方式的不同,將取苗裝置分為氣力輔助式、頂出式、夾取式、組合式及帶式5種類型。

1.1 氣力輔助式取苗裝置

氣力輔助式取苗裝置作業(yè)時(shí)利用氣流的作用力使苗缽和穴盤分離,主要由氣力產(chǎn)生裝置和穴盤移位裝置組成。

Frank W. Faulring等[13]設(shè)計(jì)了氣力輔助式取苗裝置,如圖1所示。

圖1 空氣輔助取苗裝置

取苗時(shí),在穴盤移位裝置控制下,待取缽苗隨盤依次移位至落苗孔正上方,在自重和氣流負(fù)壓作用下與穴盤分離,通過落苗孔落入導(dǎo)苗管。

為了降低基質(zhì)損失率,提高取苗成功率, Lawrance N. Shaw等[14]設(shè)計(jì)了氣動(dòng)-頂出式取苗裝置,如圖2(a)所示。在頂桿軸向45°開噴氣孔,借助氣流的作用力使苗缽與穴盤分離,然后頂出,解決了頂出式取苗中頂桿刺入、頂破苗缽導(dǎo)致取苗失敗的問題。

圖2 氣動(dòng)-頂出式取苗裝置

韓綠化等[15]在Lawrance N. Shaw設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上研制了底部吹氣式缽體與穴盤松脫裝置,如圖2(b)所示。該裝置借助壓縮空氣瞬間釋放的沖擊力沖頂缽苗,實(shí)現(xiàn)了缽苗與缽穴壁之間非機(jī)械接觸式松脫。

包春江等[16]研制了氣吸式水稻缽苗取苗裝置,孫廷綜等[17-18]研制了真空落苗機(jī)構(gòu)。這兩種取苗裝置都用于水稻缽苗移栽取苗,均采用單片機(jī)控制來(lái)控制落苗管內(nèi)部空氣壓力,達(dá)到氣力輔助取苗目的。

羅錫文等[19-20]研制了氣力有序拋秧機(jī),采用壓縮氣流從苗盤底部將水稻缽苗吹出秧盤,來(lái)實(shí)現(xiàn)水稻穴盤苗的取苗。

氣力輔助式取苗在最大程度上減少了苗缽基質(zhì)損失和幼苗的損傷,不足之處是瞬時(shí)氣流強(qiáng)度控制難度較大、下落取苗對(duì)育苗穴盤缽穴形狀要求特殊、落苗孔不適用于葉幅寬較大的葉菜類作物等,制約了氣力輔助式取苗裝置的推廣應(yīng)用。

1.2 頂出式取苗裝置

頂出式取苗裝置由頂苗機(jī)構(gòu)和移位機(jī)構(gòu)組成,作業(yè)時(shí)移位機(jī)構(gòu)和頂苗機(jī)構(gòu)互相配合,使頂苗桿通過穴盤底部孔把缽苗有序頂出并落入栽植機(jī)構(gòu),或經(jīng)輸送帶送至栽植機(jī)構(gòu)。

E.C. Armstrong等[21]設(shè)計(jì)的頂出式取苗裝置,如圖3所示。取苗時(shí),穴盤在移位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)下在垂直方向逐行喂苗,做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的頂桿將缽苗從穴盤中逐行頂出。

圖3 頂出式取苗裝置

吳崇友等[22]研制了棘爪-棘輪頂出式取苗裝置,如圖4所示。該裝置適用于秧苗移栽機(jī),取苗時(shí)頂苗桿將缽苗頂出,然后在撥秧輪的作用下有序落入導(dǎo)苗管。

圖4 棘爪-棘輪頂出式取苗裝置

宮成宇等[23]設(shè)計(jì)了用于玉米缽苗移栽的內(nèi)槽盤式取苗裝置,實(shí)現(xiàn)了整排頂出取苗,大幅提高了取苗作業(yè)效率。尹大慶等[24]設(shè)計(jì)了一種有序頂出式分秧機(jī)構(gòu),如圖5所示。

圖5 有序頂出式取苗裝置

該機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)秧盤縱向勻速送秧,在勻速旋轉(zhuǎn)的撥桿作用下,通過對(duì)應(yīng)杠桿推動(dòng)頂桿將同一排缽苗有序頂出。

徐玉娟等[25]研制了凸輪滾子頂出式取苗裝置,通過提高頂苗凸輪和雙螺旋送苗機(jī)構(gòu)的精度,提高取苗成功率。該裝置完全由機(jī)械傳動(dòng),成本低,精度高,取苗成功率達(dá)到95%以上,如圖6所示。

圖6 雙螺旋凸輪頂出式取苗裝置

為提高取苗作業(yè)效率和缽苗移栽自動(dòng)化水平,楊傳華[26]研制了基于PLC控制的頂出式取苗裝置,在PLC控制下步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂桿將苗頂出至輸送帶,然后按序?qū)⒗徝巛斔偷酵睹鐧C(jī)構(gòu),如圖7所示。

圖7 伺服頂出式取苗裝置

頂出式取苗裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,作業(yè)效率高,但對(duì)穴盤的制造工藝和穴盤的移位機(jī)構(gòu)控制精度要求較高,同時(shí)要求待取苗缽有足夠大的內(nèi)聚力,以免頂桿刺入缽體或頂碎缽體,影響取苗成功率。

1.3 夾取式取苗裝置

夾取式取苗裝置主要由移位機(jī)構(gòu)及取苗手爪組成。作業(yè)時(shí),移位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)穴盤移動(dòng),將穴盤缽穴有序移送到目標(biāo)位置,取苗手爪末端執(zhí)行器采用扎入夾缽或直接夾缽苗莖稈的方式,將苗缽從穴盤取出并移送到投苗位置,如圖8所示。

圖8 夾取式取苗裝置示意圖

K.C.Ting和Y.Yang等[27]設(shè)計(jì)了氣動(dòng)滑針式取苗裝置,主要由壓縮氣缸、滑針組成,如圖9所示。作業(yè)時(shí),以氣缸驅(qū)動(dòng)帶有傳感器的滑針式夾持器垂直接近苗盤缽穴,取苗針下移從幼苗側(cè)面傾斜插入土缽,將缽苗取出。取苗過程距離傳感器用來(lái)檢測(cè)缽苗與滑針的相對(duì)位置避免取苗滑針傷害秧苗,力傳感器用來(lái)檢測(cè)取苗針對(duì)苗缽施加的夾持力,以避免取苗針對(duì)苗缽?qiáng)A持力過大而導(dǎo)致苗缽破損影響取苗成功率。

圖9 氣動(dòng)滑針式取苗器

洋馬公司研發(fā)了齒輪-連桿式取苗機(jī)構(gòu)[28],主要由齒輪箱、連桿-滑槽機(jī)構(gòu)和取苗爪構(gòu)成,如圖10所示。

圖10 齒輪-連桿式取苗裝置

作業(yè)時(shí),在齒輪和連桿-滑槽機(jī)構(gòu)作用下取苗爪實(shí)現(xiàn)扎入苗缽,然后由盤形凸輪控制取苗爪開合來(lái)完成苗缽?qiáng)A取和投送動(dòng)作。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、體積較小,但取苗效率不高、滑槽易磨損。

荷蘭Visser公司生產(chǎn)的PC-21型取苗裝置如圖11所示。該裝置采用由獨(dú)立伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的四針式取苗爪,可適應(yīng)多種穴盤規(guī)格,并通過機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別苗的生長(zhǎng)情況判別缺苗缽穴,取苗成功率較高。作業(yè)時(shí),取苗爪垂直扎入苗缽,容易傷害幼苗,破壞苗缽?fù)暾?。美?guó)RAPID公司研制的RTW型取苗裝置中,取苗器末端采用片狀?yuàn)A指,結(jié)合氣動(dòng)和電控技術(shù)從側(cè)面抓取缽苗,有效地降低了取苗器對(duì)缽苗的損傷[29]。

圖11 PC-21型取苗裝置

K. H. Ryu 等人[30-31]開發(fā)了一種基于機(jī)器視覺的取苗裝置,并對(duì)取苗末端執(zhí)行器進(jìn)行優(yōu)化處理。取苗時(shí),取苗爪向視覺裝置提供的缽苗坐標(biāo)位置運(yùn)行,然后由氣缸分別驅(qū)動(dòng)取苗末端執(zhí)行器夾指來(lái)完成對(duì)缽苗的夾取、移動(dòng)和投放,取苗成功率達(dá)98%。

毛罕平團(tuán)隊(duì)對(duì)夾持式取苗裝置研究較多,韓綠化等[32-33]設(shè)計(jì)了兩針鉗夾式取苗末端執(zhí)行器和兩指四針鉗夾式扎入夾缽取苗器,來(lái)提高取苗成功率,如圖12所示。

圖12 鉗夾式取苗器

作業(yè)時(shí),當(dāng)穴盤苗移位到目標(biāo)位置后,在氣缸驅(qū)動(dòng)下取苗針完成扎入、夾取和釋放缽苗動(dòng)作。嚴(yán)宵月等[34]研發(fā)了整排取苗裝置,極大地提高了取苗效率。

俞高紅團(tuán)隊(duì)[35-37]開發(fā)了一種基于非圓齒輪行星輪系的回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu),并對(duì)其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理,研制出三臂回轉(zhuǎn)取苗機(jī)構(gòu),如圖13所示。該取苗機(jī)構(gòu)齒輪箱通過齒輪傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)取苗爪按預(yù)定取苗軌跡運(yùn)行,在凸輪頂桿作用下完成扎入、夾取和釋放缽苗動(dòng)作。該取苗機(jī)構(gòu)效率高,性能穩(wěn)定,但機(jī)構(gòu)中非圓齒輪加工難度較大。

崔巍等[38]設(shè)計(jì)出了齒輪-五桿式取苗機(jī)構(gòu),如圖14所示。該機(jī)構(gòu)同時(shí)解決了洋馬齒輪-連桿式取苗機(jī)構(gòu)中滑槽易磨損問題和非圓齒輪行星輪系取苗機(jī)構(gòu)中非圓齒輪加工困難問題。

圖14 齒輪-五桿式取苗機(jī)構(gòu)

金鑫等[39]研制了一種五桿-定軸輪系取苗機(jī)構(gòu),由1對(duì)直齒圓柱齒輪機(jī)構(gòu)和平面五桿機(jī)構(gòu)組合而成。胡敏娟等[40]設(shè)計(jì)了滑針式取苗器,利用滑動(dòng)取苗針扎入夾取缽苗。韓長(zhǎng)杰等[41]設(shè)計(jì)了多組氣缸驅(qū)動(dòng)的翻轉(zhuǎn)擺位式取苗機(jī)械手,利用氣缸控制取苗爪扎苗、放苗動(dòng)作。廖慶喜團(tuán)隊(duì)[42]為油菜紙質(zhì)缽移栽機(jī)設(shè)計(jì)了氣動(dòng)嵌入式取苗機(jī)構(gòu),在氣缸驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)取苗針扎入夾取苗缽,取苗成功率達(dá)92%。

宋建農(nóng)等為提高水稻缽苗移栽質(zhì)量研制出對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)[43],主要由輸秧輥、壓秧板、上下拔秧輥等部件組成。作業(yè)時(shí),上下拔秧輥運(yùn)行使夾苗板配合來(lái)完成夾莖取苗和松開莖稈投苗動(dòng)作,如圖15所示。

圖15 對(duì)輥式拔秧機(jī)構(gòu)

韓長(zhǎng)杰等[44]設(shè)計(jì)了基于平行移動(dòng)夾片式取苗機(jī)械手,主要由擺臂、滑桿、長(zhǎng)夾片與短夾片組成。作業(yè)時(shí),擺臂控制長(zhǎng)、短夾片在滑桿上的移動(dòng)方向,使相鄰長(zhǎng)、短夾片完成夾莖取苗和投苗動(dòng)作。

趙勻等[45-46]為降低基質(zhì)損失,研制了反轉(zhuǎn)式共軛凸輪蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)和夾片式夾苗機(jī)構(gòu),這兩種機(jī)構(gòu)都是利用取苗末端執(zhí)行器夾取缽苗莖稈進(jìn)行取苗。作業(yè)時(shí),夾秧片從缽苗基質(zhì)附近的莖稈位置進(jìn)行夾取,通過控制機(jī)構(gòu)來(lái)完成取苗末端執(zhí)行器夾取和投苗動(dòng)作。

夾持式取苗裝置對(duì)移位機(jī)構(gòu)和取苗末端執(zhí)行器的運(yùn)行精準(zhǔn)度要求高,受末端執(zhí)行器尺寸限制,不適用于缽體尺寸較小的缽苗移栽取苗。由于取苗末端執(zhí)行器從缽苗的上方對(duì)對(duì)穴盤苗進(jìn)行夾持作業(yè),容易傷及幼苗的莖葉;末端執(zhí)行器扎入苗體后對(duì)苗缽施以?shī)A持力會(huì)破壞缽體的內(nèi)聚力,在缽體與缽穴內(nèi)壁間的粘附力和摩擦力作用下很容易發(fā)生苗缽破損或散坨現(xiàn)象,導(dǎo)致取苗成功率下降。

1.4 組合式取苗裝置

組合式取苗裝置由移位機(jī)構(gòu)、頂苗機(jī)構(gòu)、取苗末端執(zhí)行器和控制機(jī)構(gòu)組成,具有頂出式取苗和夾取式取苗的優(yōu)點(diǎn),能降低取苗末端執(zhí)行器對(duì)幼苗的傷害和缽體破損。作業(yè)時(shí),移位機(jī)構(gòu)將帶苗穴盤移送到目標(biāo)位置,頂苗桿穿過苗盤底部漏水孔將缽苗頂出,隨后取苗機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器夾取或扎取苗缽并送到投苗位置。根據(jù)缽苗頂出后末端執(zhí)行器對(duì)苗缽的作用方式不同,分為頂夾結(jié)合式取苗和頂扎結(jié)合式取苗,如圖16所示。

圖16 組合式取苗裝置

Ferrari取苗裝置即為頂夾式取苗[47],取苗爪運(yùn)動(dòng)至取苗位置后靜止,由頂桿將缽苗整排頂出并推入取苗爪夾持區(qū);隨后,取苗爪夾持苗缽并將缽苗送至分苗機(jī)構(gòu)。該裝置中苗與穴盤的分離由頂桿完成,取苗爪靜止接收被頂出的秧苗,其動(dòng)作穩(wěn)定可靠,傷苗率低,作業(yè)效率高。

Isao Mikawa等[48]人設(shè)計(jì)的取苗裝置如圖17所示。穴盤水平放入苗盤移位機(jī)構(gòu),逐行向前進(jìn)給供苗,當(dāng)傳感器檢測(cè)到目標(biāo)位置有缽苗時(shí),頂苗桿上行將苗缽從穴盤頂出,同時(shí)取苗滑針插入苗缽中,然后持苗逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)將缽苗送至栽植機(jī)構(gòu),縮回滑針完成送苗。這種取苗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠,工作效率較高。

圖17 Mikawa取苗裝置

王蒙蒙等[49]設(shè)計(jì)了曲柄擺桿式穴盤苗取苗機(jī)構(gòu),采用擺桿式夾取爪與頂苗機(jī)構(gòu)配合完成取苗,如圖18所示。研究中,通過力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真的方法,來(lái)確定和優(yōu)化取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,性能可靠,取苗成功率為 95.8%。

圖18 曲柄擺桿式取苗機(jī)構(gòu)

為降低取苗裝置的制造成本,金鑫等[50-51]設(shè)計(jì)了純機(jī)械傳動(dòng)的頂-夾結(jié)合式取苗裝置,如圖19所示。其采用圓柱凸輪機(jī)構(gòu)和齒輪-槽輪機(jī)構(gòu)控制苗盤移位,曲柄滑塊機(jī)構(gòu)完成頂苗動(dòng)作,凸輪和齒輪齒條機(jī)構(gòu)完成夾苗、移苗和投苗任務(wù)。同時(shí),結(jié)合建模和仿真技術(shù)對(duì)各機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,來(lái)降低取苗基質(zhì)損失率。

圖19 頂-夾結(jié)合式取苗裝置

為了提高取苗裝置的作業(yè)效率,倪有亮等[47]設(shè)計(jì)了一種由 PLC 控制的取送苗裝置。取苗過程中,由PLC控制苗盤移位機(jī)構(gòu)、集排式頂苗機(jī)構(gòu)和取苗爪協(xié)同作業(yè)完成取苗任務(wù),取苗頻率可以達(dá)到7次/min。

為了降低取苗時(shí)基質(zhì)損失率和對(duì)幼苗莖葉的傷害,何亞凱[52]設(shè)計(jì)了頂-扎結(jié)合式取苗裝置。取苗時(shí),頂苗桿先將苗缽從盤中頂出;隨后,針狀取苗末端執(zhí)行器從缽體側(cè)面傾斜扎取苗缽,并移送至投苗機(jī)構(gòu)。該裝置取苗時(shí)基質(zhì)損失率低,成功率高,適用于葉幅寬較大、莖稈不明顯作物幼苗。

組合式取苗裝置具有頂出式取苗和夾取式取苗的優(yōu)勢(shì),能減少取苗設(shè)備對(duì)苗體和苗缽的傷害。特別是采用PLC控制技術(shù)和氣、液驅(qū)動(dòng)技術(shù)后,取苗效率和取苗性能穩(wěn)定性都得到有效提高,解決了葉幅寬較大和無(wú)莖稈類作物穴盤苗取苗難的問題。組合式取苗裝置結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,受缽苗形態(tài)影響取苗末端執(zhí)行器尺寸較大,制約了作業(yè)效率的提高。

1.5 帶式取苗裝置

帶式取苗裝置主要用于鏈?zhǔn)郊埨徱圃匀∶?由剝紙帶機(jī)構(gòu)和輸送帶組成。圖20為Tetsuo Nanbu等[53]設(shè)計(jì)的帶式取苗裝置。作業(yè)時(shí),用引導(dǎo)盤將兩條紙帶分別引到剝紙帶機(jī)構(gòu)將包裹紙帶剝除,隨后第一傳輸帶夾持缽體有效完成了取苗作業(yè);待缽苗運(yùn)行到兩組輸送帶重合位置時(shí),第2組輸送帶夾住缽苗莖稈將缽苗送到投苗位置。

圖20 帶式取苗裝置

陳海濤等[54-55]為解決鏈?zhǔn)郊埨徝缛∶鐔栴},設(shè)計(jì)了鏈?zhǔn)郊堎|(zhì)缽苗分離裝置。該分離裝置能有效提高鏈?zhǔn)郊堎|(zhì)缽苗的分離速度,降低紙質(zhì)缽苗的破損率。

這類取苗裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠成本低,與專門串聯(lián)紙質(zhì)缽配合時(shí)作業(yè)效率高,但對(duì)幼苗莖葉有一定的傷害。

2 取苗裝置存在的主要問題

2.1 取苗裝置對(duì)缽苗損傷率高

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外取苗裝置現(xiàn)狀分析可知,現(xiàn)階段用于缽苗自動(dòng)移栽的取苗方式主要有夾取式、頂出式和組合式等。這幾類取苗裝置在作業(yè)時(shí)末端執(zhí)行器直接作用于苗缽或幼苗,將缽苗從缽穴中取出。在這個(gè)過程中,末端執(zhí)行器作用于缽苗的力在豎直方向的合力要克服缽苗脫盤時(shí)缽體受到的切向粘附力f1、摩擦力f2、法向粘附力f3及苗缽自身的重力,如圖21所示。圖21中,F1為夾取時(shí)苗缽受到向上的合力,F2為頂出時(shí)缽底受到頂桿作用力,G為苗缽重力,f1為脫盤時(shí)苗缽受到切向粘附力,f2為脫盤時(shí)苗缽受到摩擦力,f3為苗缽與缽穴底部的粘附力苗缽4個(gè)側(cè)面受力相同。

圖21 取苗過程中苗缽受力示意圖

由于苗缽自身物理成分的不均一性,使得苗缽與缽穴壁間粘附力及苗缽內(nèi)部粘聚力差異較大。因此,當(dāng)取苗過程中末端執(zhí)行器對(duì)苗缽的作用力大于苗缽內(nèi)部粘聚力時(shí),會(huì)造成缽體變形、破損、散坨等現(xiàn)象。苗缽破損輕者會(huì)影響缽苗栽后長(zhǎng)勢(shì),苗缽散坨直接導(dǎo)致取苗失敗。另外,缽體損失過大的苗缽在后續(xù)投苗過程中,由于質(zhì)量過小影響缽苗自由下落,導(dǎo)致漏栽率增大。

取苗過程中,由于缽苗的生長(zhǎng)受溫、光、水、肥及基質(zhì)成分等多因素的影響,使缽苗的株形差異較大。同時(shí),受限于缽穴的尺寸、數(shù)量及取苗裝置末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)形狀,現(xiàn)有的夾取式、頂取式或結(jié)合式等取苗方式在取苗時(shí)末端執(zhí)行器都不可避免地與幼苗的莖、葉、根相接觸,使幼苗受到傷害。輕微的幼苗傷害會(huì)導(dǎo)致缽苗栽后緩苗期延長(zhǎng);幼苗受損嚴(yán)重時(shí)會(huì)使幼苗致殘,直接影響到幼苗的成活率。

2.2 取苗裝置作業(yè)效率低

取苗裝置作業(yè)效率取決于末端執(zhí)行器單位時(shí)間內(nèi)向栽植機(jī)構(gòu)提供缽苗的數(shù)量。目前,常用取苗機(jī)構(gòu)每次僅能實(shí)現(xiàn)單株取苗或單排取苗,取苗效率相對(duì)較低,制約了自動(dòng)移栽機(jī)的作業(yè)效率的提高。在自動(dòng)移栽機(jī)技術(shù)較成熟的發(fā)達(dá)國(guó)家中,如日本洋馬公司研制的齒輪連桿式取苗裝置采用單株取苗,作業(yè)效率僅為60～70株/min,要提高其作業(yè)效率必須提高各機(jī)構(gòu)的運(yùn)行虛度,但受取苗裝置整體各機(jī)構(gòu)力學(xué)性能的限制,運(yùn)行速度提高后取苗裝置取苗成功率則大幅下降[7]。倪有亮等設(shè)計(jì)的整排式頂-夾組合式取苗機(jī)構(gòu)作業(yè)效率也只有91株/min,在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)隨著取苗頻率的升高,取苗成功率迅速降低[47]。目前,移栽技術(shù)最為成熟的歐美等國(guó)的大型自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)效率也不超過150株/行·min[52]。由于取苗裝置的作業(yè)效率直接制約著自動(dòng)移栽機(jī)的使用成本,因此其作業(yè)效率還有待于進(jìn)一步提高。

2.3 取苗裝置通用性、自適應(yīng)性差

目前,取苗裝置的研究雖然取得了較大進(jìn)展,但其通用性和自適應(yīng)性不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要,導(dǎo)致移栽作業(yè)中生產(chǎn)成本升高、取苗質(zhì)量得不到有效保證。具體體現(xiàn)如下:

由于不同種類之間的作物幼苗在株形、尺寸和種植要求等方面差異較大,因此在育苗時(shí)要選用不同規(guī)格的穴盤,導(dǎo)致在實(shí)際移栽中就必須有相應(yīng)的取苗裝置來(lái)完成取苗作業(yè)。為了滿足不同種類作物缽苗移栽作業(yè)的要求,科研人員必須設(shè)計(jì)出不同結(jié)構(gòu)的取苗裝置,無(wú)形中增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本。

另外,由于受到溫、光、水、肥等因素的影響,導(dǎo)致同種作物的株形也具有不均一性;同時(shí),育苗穴盤由于受制造工藝、育苗、搬運(yùn)及重復(fù)使用等因素的影響使穴盤發(fā)生變形、扭曲、破損等情況,導(dǎo)致穴盤和取苗裝置之間的配合誤差增大,取苗質(zhì)量下降。

因此,要求缽苗移栽機(jī)的取苗裝置具有較好的通用性和自適應(yīng)功能,針對(duì)育苗穴盤尺寸、形狀、完整性的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),在降低移栽作業(yè)成本同時(shí)保證取苗裝置的取苗質(zhì)量。

3 對(duì)策與展望

3.1 采用新的設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)取苗裝置

針對(duì)常見取苗裝置作業(yè)中由于末端執(zhí)行器直接與缽苗相互作用而對(duì)缽苗產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象,在分析現(xiàn)有取苗裝置作業(yè)過程中缽苗受力的基礎(chǔ)上,總結(jié)不同取苗裝置取苗時(shí)對(duì)缽苗產(chǎn)生損傷的共性,從求新、求異、求變的角度對(duì)育苗穴盤及取苗裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì),而不是僅僅立足現(xiàn)有裝置進(jìn)行功能彌補(bǔ)性改進(jìn)。筆者所在團(tuán)隊(duì)開發(fā)出缽穴可開式活動(dòng)苗盤[56],通過降低缽苗與缽穴之間接觸面積及相互作用力來(lái)降低苗缽脫盤時(shí)的基質(zhì)損失。同時(shí),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出托舉式取苗裝置[57],將脫盤后的苗缽從底部托起,避免作業(yè)時(shí)取苗末端執(zhí)行器與缽苗之間產(chǎn)生損傷性接觸,以提高取苗質(zhì)量。

針對(duì)現(xiàn)有取苗裝置受自身結(jié)構(gòu)力學(xué)的限制不能大幅提高取苗頻率,且采用逐一取苗或逐行取苗的作業(yè)方式,導(dǎo)致取苗效率較低的問題,打破傳統(tǒng)認(rèn)知,采用整盤缽苗一次性取出。筆者所在團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的托舉式取苗機(jī)構(gòu)采用整盤取出式[57],在不提高取苗頻率的前提下大幅提高取苗裝置的作業(yè)效率。

3.2 運(yùn)用智能技術(shù)武裝取苗裝置

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中取苗裝置通用性、自適應(yīng)性差的問題,將智能技術(shù)應(yīng)用于取苗裝置的研制中。智能技術(shù)具有自動(dòng)采集信息、傳遞信息、處理信息并根據(jù)處理結(jié)果發(fā)出控制指令的功能。當(dāng)育苗穴盤規(guī)格、缽苗株形發(fā)生變化或穴盤因破損、變形導(dǎo)致缽苗移位出現(xiàn)偏差時(shí),取苗裝置控制中心能根據(jù)采集到的穴盤和缽苗相關(guān)的形狀、位置參數(shù)、控制中心存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行比較,經(jīng)計(jì)算和分析后對(duì)取苗裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在保證取苗質(zhì)量和取苗效率的前提下完成取苗任務(wù)。

3. 3 展望

1)自動(dòng)移栽機(jī)取苗裝置對(duì)穴盤規(guī)格和缽苗整體質(zhì)量要求較高,在研究取苗裝置和育苗設(shè)施的同時(shí)育苗農(nóng)藝也會(huì)有較大提高,使農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝能夠真正融為一體。

2)隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械研究的不斷進(jìn)步,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、作業(yè)效率高且不損傷缽苗的取苗裝置將會(huì)應(yīng)用在缽苗自動(dòng)化移栽作業(yè)中。

3)從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求的角度來(lái)看,能識(shí)別不同規(guī)格的穴盤結(jié)構(gòu)特征及缽苗株形差異,并能根據(jù)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的、高度自動(dòng)化、甚至智能化的通用型取苗裝置是今后的發(fā)展趨勢(shì)。