王寧，任玲，李江全，胡海鵬，汪博文，尚晉

(1. 石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子，832003； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，新疆石河子，832003)

0 引言

穴盤育苗移栽具有提高幼苗質量，延長作物生長期，避開幼苗的冷凍、干燥時期等優(yōu)點[1-2]。2018年我國蔬菜種植面積達到20 439 khm2，蔬菜產(chǎn)量達70 347.72 萬t[3]，育苗移栽已成為蔬菜花卉生產(chǎn)的主要種植方式[4]。在20世紀穴盤育苗技術就得到了比較廣泛運用，集中育苗和規(guī)?；a(chǎn)成為主要方式，育苗商品化已形成趨勢[5-6]。

近些年來我國農(nóng)業(yè)機械水平逐步提高，我國農(nóng)業(yè)已經(jīng)逐步從手工作業(yè)漸漸轉變?yōu)闄C械自動化作業(yè)[7]。目前我國移栽作業(yè)主要以人工操作和半自動機械操作為主，移栽勞動強度大、效率低、成本高，機械化效益不明顯[8-9]。

全自動移栽機能很好地解決勞動力不足、勞動強度大、作業(yè)效率低等問題。目前國外已有全自動移栽機應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，而國內(nèi)還未見推廣使用，還以半自動移栽機為主。全自動移栽機采用自動取苗機構，利用自動取苗技術替代人工喂苗，取苗機構是區(qū)分移栽機是全自動還是半自動的關鍵，也是全自動移栽機的核心裝置。由于全自動移栽機的取送苗機構較為復雜，而自動取苗技術也隨著取苗機構的不同而變化。自動取苗技術的研究，對于全自動移栽機的發(fā)展起著積極的推動作用。

本文綜述了穴盤苗自動取苗技術研究現(xiàn)狀，對目前的自動取苗方式進行分類，針對每一類的控制方法進行闡述，指出了目前穴盤苗機械化移栽中，自動取苗技術存在的問題，對取苗技術及移栽機的發(fā)展提出建議，為今后全自動移栽機研制提供參考。

1 穴盤苗自動取苗技術現(xiàn)狀

國外移栽機發(fā)展較早，早在20世紀20年代，歐洲、日本等一些國家在開始研發(fā)秧苗栽植機械，經(jīng)過一個世紀的發(fā)展，國外對移栽機的研究己進入自動化階段。如日本幾大主要農(nóng)機企業(yè)研制出了多款穴盤苗自動移栽機[10-13]。如荷蘭PC21型全自動移栽機[14]，還有美國TEA XP404N型移栽機[15]；美國RTW系列穴盤苗全自動移栽機等。

我國生產(chǎn)的移栽機主要以半自動移栽機為主，如：新疆農(nóng)科院獨立研制的2ZT-2型移栽機、中國農(nóng)業(yè)大學研制的2ZDF型半自動導苗管式移栽機、安徽滁州農(nóng)機研究所完成研制的2ZY-2型油菜移栽機等[16]。通過對國內(nèi)外移栽作業(yè)和取苗作業(yè)相關參數(shù)的研究對比(表1)，我國移栽機的自動化水平還處于起步階段，國內(nèi)全自動移栽機研究與國外還有一定的差距。

表1 國內(nèi)外取苗技術研究對比

從穴盤中自動取苗作為全自動移栽機最為核心的部分，取苗的成功與否直接影響到后續(xù)工作的能否正常運行。目前穴盤取苗主要采用的是機械手或苗針手夾取式取苗，后來出現(xiàn)利用頂桿從苗盤底部小孔頂出式取苗，又出現(xiàn)利用氣流通過苗盤底部小孔氣吹式取苗。根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)有的自動取苗控制方式大致有五種方式：(1)移動苗盤供苗，固定取苗手定點取苗，稱為移盤固手型；(2)苗盤固定，移動取苗手全盤取苗，稱為固盤移手型；(3)移動苗盤供苗，同時移動取苗手取苗，稱為移盤移手型；(4)移動苗盤供苗，頂桿頂苗取苗，稱為移盤頂苗型；(5)移動苗盤供苗，噴嘴吹苗取苗，稱為移盤吹苗型。

1.1 移盤固手型取苗控制

通過苗盤進給機構控制苗盤供苗到達取苗位置，后由取苗手定點從苗盤將缽苗取出，取苗手位置固定，一般采用機械連桿機構帶動機械手在取苗點與放苗點擺動，將這樣一種控制方式稱為移盤固手型。如果取苗手是單株取苗，需要苗盤S形進給苗盤，則需要控制苗盤在橫縱兩個方向的移動；如果取苗手是整排取苗，只需要苗盤在一個方向上的進給[17]。

這種取苗方式也比較常見，單株取苗的如洋馬推出的PF2R型乘坐式全自動蔬菜移栽機[18](圖1)，該移栽機需要控制苗盤橫縱兩個方向的進給，使每一顆缽苗到達取苗點，采用取苗手旋轉臂帶動取苗針定點取苗，旋轉一定角度后定點投苗到栽植器中，該裝置能夠實現(xiàn)兩行同時作業(yè)。還有周瑩等設計的旱地穴盤苗自動移栽機[19]，PLC作為核心控制器，各部件利用位置傳感器，實時監(jiān)測位置信號。采用兩個步進電機控制移箱橫縱向移動，使苗盤準確到達取苗點，機械手固定，機械連桿配合定點取苗，定點投苗，到達投苗位將缽苗釋放到接苗杯中。

圖1 PF2R型取苗機構

整排取苗的例如美國RTW型秧苗移栽機[20](圖2)，該機通過控制苗盤的橫向進給，配合整排機械手定點取苗，取苗速度快，適應性強。石河子大學崔財豪等設計的移栽機整排取送苗機構，使苗盤第一排與輸送接苗帶相互垂直，擺位氣缸控制整排取苗手在苗盤與接苗帶位置轉換，傳感器模塊采集各部件的信息信號反饋給控制器；取苗時，步進電機控制苗盤每次進給一排，取苗氣缸控制整排取苗手插入穴盤中，夾苗氣缸實現(xiàn)缽苗的夾持，取苗動作由取苗氣缸和夾苗氣缸共同作用完成。

圖2 RTW型取苗機構

1.2 固盤移手型取苗控制

苗盤固定，通過控制取苗手到達苗盤取苗位置后由取苗手從苗盤將缽苗取出，將這樣一種控制方式稱為固盤移手型。如果取苗手是單株取苗，需要取苗手S形移動到每個缽苗的位置上方后立向移動取苗，則需控制取苗手橫向、縱向、立向三個方向的移動；如果取苗手是整排取苗，需要取苗手橫向移動到每排缽苗的位置上方后立向移動取苗，則需取苗手在縱向、立向兩個方向上的移動[21]。

采用單株取苗由于需要控制取苗手三個方向的移動，控制較復雜且效率低，所以采用這種方式的較少，采用整排取苗的較多。例如澳大利亞XT616型自動移栽機[22]是茶樹苗專用移栽機，采用 PLC實現(xiàn)對步進電機、氣缸等驅動裝置的自動控制，該機采用整排指針式結構取苗爪，移栽作業(yè)時，控制整排取苗手縱向移動至穴盤第一排，立向移動取苗手抓取缽苗基質塊，依次縱向移動至下一排整排取苗直至取完整盤。如李樹峰等設計的整排取送苗裝置[23](圖3)，采用PLC實現(xiàn)對步進電機、氣缸的控制，加入自適應模糊PID控制算法對機械手水平定位控制。移栽作業(yè)時，通過送苗直線模組和取苗直線模組帶動整排取苗機械手，實現(xiàn)縱向和立向兩個方向的移動。取苗機械手配合夾苗氣缸、退苗氣缸完成夾苗和退苗過程。

圖3 整排取送苗裝置

1.3 移盤移手型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，同時控制取苗手到達取苗位置后從苗盤將缽苗取出，將這樣一種控制方式稱為移盤移手型。當苗盤一排一排進給后，如果取苗手是單株取苗，取苗手直線移動到每個缽苗的位置取苗，則需控制取苗手橫向、立向兩個方向的移動；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個方向上的移動[24]。

移盤移手型將取苗手動作簡化分配到苗盤動作，苗盤和取苗手同時動作節(jié)省了時間，簡化了控制過程，也是現(xiàn)在采用較多的取苗方式。由于單株取苗效率不高等原因，采用單株取苗較少，而采用整排取苗的較多。

采用單株取苗的有，韓綠化等設計了一種全自動溫室缽苗移栽機[25]，采用激光光電開關和接近開關檢測位置信號，傳輸給TOP5530R型三軸運動控制器，電動機轉動帶動鏈輪鏈條，控制目標盤輸送機構一排一排進給苗盤，電動機驅動直線模組的滑塊使得取苗手實現(xiàn)橫向的位移，利用無桿氣缸進氣、回氣實現(xiàn)取苗手立向的位移，實現(xiàn)缽苗從苗盤到栽植盆的自動化工作，效率較高。如魏新華等設計了全自動移栽機控制系統(tǒng)[26]，采用PLC(可編程邏輯控制器)為系統(tǒng)控制器，與繼電器相結合實現(xiàn)對移栽機動作的協(xié)調控制，利用到位傳感器對機械手苗盤位置進行標定，零位傳感器對行星輪架的初始位置進行標定，編碼器測量行星輪架的轉速和累計轉角。苗盤固定平放，由步進電機驅動鏈條傳動機構控制苗盤橫向一排一排進給。機械手采用四指夾鉗式，氣動部件驅動機械手整體下行、出針、苗針夾緊完成取苗。機械手橫向、立向兩個移動實現(xiàn)單株取苗，與移盤裝置配合完成整盤喂取。

采用整排取苗的有，美國的西紅柿自動移栽機[27]，整機結構較為復雜，取苗爪采用雙平板苗莖夾持式取苗，工作時苗盤進給機構缽苗成排進給，夾持式取苗后氣動取苗爪二次夾取，取苗機構整排取出缽苗。荷蘭Packplanter 型自動移栽機[27](圖4)，整機的系統(tǒng)運行由微機控制，操作簡單。取苗機構由整排取苗爪構成，取苗爪采用4指式結構，每個都單獨的氣缸驅動，工作時，整排氣缸驅動取苗爪取苗，性能良好。

圖4 荷蘭Packplanter型自動移栽機

1.4 移盤頂苗型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，缽苗到達取苗位置時，整排頂桿從苗盤底部小孔頂出式取苗，將這樣一種控制方式稱為移盤頂苗型。采用這種方式的都是整排頂苗，效率較高，被頂出的缽苗一般會由傳送帶輸送到栽植機構，或者采用夾持機構夾取缽苗后送到栽植機構。

移盤頂苗型可以很好地解決取苗手從苗盤夾取缽苗時夾不出、傷苗等問題，缽苗頂出苗盤后有利于提高取苗的成功率。例如意大利Futura系列自動移栽機，移栽機采用PLC作為核心控制器，取苗過程分為缽苗頂出和夾取兩部分。工作時，苗盤進給到頂苗位置，氣缸驅動頂桿將整排缽苗頂出，后氣缸驅動取苗手夾持缽苗基質將缽苗成排取出，利用頂桿頂苗和取苗手夾苗配合，實現(xiàn)取苗控制。意大利Checchi & Magli自動移栽機[28](圖5)，工作時，該機型是利用苗盤進給機構使缽苗一排一排到達取苗位置，整排頂桿將缽苗的基質塊部分頂出，然后取苗爪通過側面抓取基質塊取出缽苗，完成取苗控制。

圖5 意大利Checchi & Magli自動移栽機

國內(nèi)的例如倪有亮等[29]設計的全自動移栽機，該移栽機采用PLC作為核心控制器，PP17-1觸摸面板作為上位機，到位傳感器檢測各部件位置信號。苗盤縱向移動氣缸控制苗盤一排一排進給，采用集排式頂苗機構在氣缸作用下向前驅動頂苗桿并將缽苗成排頂出，取苗機構苗夾夾片開合相向轉動夾住缽體，完成取苗控制。王東洋、金鑫等設計的穴盤苗自動輸送裝置[30](圖6)，該裝置采用機械傳動控制，由移栽機地輪提供動力，苗盤在縱向輸送機構的作用下有序、精準進給缽苗到達取苗位置，利用頂苗桿穿過苗盤底部小孔將缽苗完全頂出，與此同時夾苗機構將缽苗夾持住，完成取苗控制。

圖6 穴盤苗自動輸送裝置結構簡圖

1.5 移盤吹苗型取苗控制

控制苗盤一排一排進給，缽苗到達取苗位置時，氣吹式噴嘴向苗盤底部小孔噴射一定氣壓范圍內(nèi)的氣流實現(xiàn)將缽苗吹出或吹松式取苗，將這樣一種控制方式稱為移盤吹苗型。采用這種方式的都是整排或多個氣嘴同時吹苗，被吹出的缽苗一般會由傳送帶輸送到栽植機構，或者利用氣嘴吹松后采用夾持機構夾取缽苗后送到栽植機構。

移盤吹苗型一般會在吹苗前進行打破缽苗與苗盤之間粘結力的作用后進行吹苗成功率較高，采用這種方式可以簡化取苗過程，提高工作效率。也有將氣體吹苗不用于取苗作用，而用于缽苗吹松作用，吹松后的缽苗再配合夾持機構完成取苗過程，缽苗吹松后有利于提高取苗手取苗的成功率。

例如高捷[31]設計的氣動取苗系統(tǒng)(圖7)，采用型號為LPC1114的微控制器，利用電磁鐵和復位彈簧，控制推桿式氣嘴撞擊苗盤底部破結，后通過控制電磁閥控制噴嘴噴出射流氣體沖擊缽苗底部，將缽苗吹出穴盤，進入缽苗輸送裝置，完成取苗控制。郭警偉等[32]設計的氣吹式落苗試驗裝置，該裝置利用位移滑道使整排氣吹裝置進給移動，每次移動至每一排苗盤底部，使氣嘴對準底部小孔，通過氣動裝置氣嘴噴出氣流將穴盤中的缽苗吹出，缽苗在重力和空氣阻力的作用下落入排苗輸送帶，完成取苗。還有韓綠化等[33]設計的蔬菜穴盤育苗氣吹式缽體松脫裝置(圖8)，該裝置采用TC5510型單軸運動控制器，采用磁性開關檢測氣缸氣桿的位置信息。工作時，將整盤缽苗固定，控制系統(tǒng)驅動直線模組，控制氣嘴排一排一排進給到穴盤底部的穴孔排水口，后控制氣動回路從氣嘴排里瞬間噴射高壓空氣，由此產(chǎn)生的氣流沖擊力頂吹缽苗，然后驅動氣嘴排移動至下一排缽苗底部，直到完成整盤缽苗吹松工作。

圖7 氣動取苗系統(tǒng)結構示意圖

圖8 蔬菜穴盤育苗氣吹式缽體松脫裝置結構簡圖

2 我國自動取苗技術存在的問題

目前，我國在全自動移栽機自動取苗技術的研究尚在實驗室階段，大部分相關樣機還是單株取苗為主，有關整排取苗的以試驗臺架為主，市場上未見較為成熟的產(chǎn)品。

1) 取苗工作效率較低，傷苗率較高。大部分樣機采用單株取苗，這種方式的取苗速度限制整機的工作效率，使整機的工作效率較低。關于整排取苗的試驗臺可以一定程度的提高移栽效率，但由于苗盤缽苗距離較近，對于取苗手的機構、取苗成功率以及取苗后的分苗、投苗、植苗過程又提出了更高的要求。采用單株取苗的如馬曉曉等[34]進行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化的番茄缽苗移栽機自動取苗裝置，其取苗頻率在57株/min左右，采用整排取苗的如王東洋等設計的自動頂-夾式蔬菜穴盤苗取苗裝置，其取苗頻率可以達到140株/min左右。

關于取苗執(zhí)行機構，較多采用取苗手夾取式或取苗針扎取式取苗。取苗時，由于取苗手需插入苗盤中夾取基質對可能會傷及缽苗根部，整排取苗時由于缽苗距離較近，可能對缽苗的葉片及苗桿有所傷害。采取苗桿頂苗時，如果不進行破結過程，可能造成基質被頂碎傷及苗根部或苗體。傷及缽苗造成缽苗成活率低，栽植后死亡，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

2) 取苗成功率較低。單株取苗成功率相對較高，整排取苗過程中，由于多個取苗手或取苗針同時取苗，且取苗手之間距離較小，相互之間有所干擾，影響取苗成功率。采用單株取苗的如李華等[35]設計的辣椒穴盤苗自動取苗機構，其取苗成功率高達98.6%。取苗時，取苗手夾持力過小，缽苗脫落，夾持力過大，基質夾碎，造成取苗失?。徽湃∶缡侄ㄎ徊粶蚀_，取苗時沒有到達取苗位置，造成取苗失敗。頂苗、吹苗前不進行破結工作，可能造成缽苗吹不出苗盤，缽苗頂不出苗盤或者基質被頂穿，造成取苗失敗。所以優(yōu)化取苗方式、提升系統(tǒng)的控制性能、提高定位精度，對于提高取苗成功率有著積極的作用。

3) 缽苗種類、苗盤規(guī)格繁多。移栽作物種類繁多，每種作物的移栽要求有所不同，苗盤的規(guī)格各異，對于移栽設備、取苗技術又提出不同的要求。目前移栽機種類繁多，取苗方式各異，移栽設備通用性較低，對于不同種類移栽機的研發(fā)，投資較大，造成資源浪費。

3 自動取苗技術發(fā)展建議

3.1 高速取苗機構的研發(fā)

國外的蔬菜全自動移栽機自動取苗技術較為成熟，意大利FUTURA型蔬菜移栽機的效率高達130株/min，國內(nèi)移栽機缽苗自動取投的研究水平僅能接近單行70株/min，工作效率較低[20]，因此提高我國自動取苗技術的工作效率較為關鍵。參照目前國內(nèi)自動取苗技術現(xiàn)狀，移栽速率的提高勢必會影響取苗質量，出現(xiàn)漏苗傷苗等情況。

取苗控制方式上采用苗盤進給的整排頂苗夾苗結合的取苗控制方式，采用這種方式可以簡化單一苗盤進給和單一取苗手移動的控制過程，整排取苗，簡化單株取苗的過程重復，減少取苗時間，提高工作效率；整排頂夾結合的方式可以解決夾苗夾不出、傷苗等問題，提高工作效率，減小傷苗率。

3.2 一體化智能移栽裝備

利用智能控制算法提高取苗手、苗盤定位精度，增加夾持力監(jiān)控系統(tǒng)，對取苗手夾持力實時控制，頂苗、吹苗取苗前進行破結工作都可以在一定程度上提高取苗成功率。對于提高取苗成功率，國內(nèi)一些學者將控制算法、機器視覺、監(jiān)控系統(tǒng)等技術應用于取苗手的定位、缽苗位置的定位等。如任玲等[36]針對整排穴盤苗取苗裝置，將模糊PID控制應用在整排取苗機械手定位控制中，實現(xiàn)機械手的精確定位、提高取苗成功率。胡飛等[37]將機器視覺圖像處理應用于缽苗的識別與定位，實現(xiàn)對缽苗位置的精度定位。王俊等[38]設計苗缽夾持力檢測系統(tǒng)，實時監(jiān)測取苗爪對苗缽夾持力的變化情況，減少對苗缽的損傷、提高取苗成功率。

對于自動移栽機在控制系統(tǒng)上存在著很多問題，如系統(tǒng)不穩(wěn)定，電氣化程度低，操作較為復雜等。對于全自動移栽機控制系統(tǒng)的研發(fā)，性能優(yōu)良的控制系統(tǒng)可以提高整機的工作效率。隨著人機界面控制、智能控制等技術的發(fā)展，全自動移栽機的研發(fā)也將朝著智能化、可視化、便捷化的方向發(fā)展。如賀磊盈等[39]利用機器視覺獲取穴盤苗信息，將貪心遺傳算法應用于規(guī)劃補栽路徑，減少補苗時間，提高移栽效率。如王寧等人將三菱人機界面應用于移栽機控制系統(tǒng)中，簡化了操作過程，實現(xiàn)了移栽信息的實時顯示監(jiān)控。

3.3 多功能的通用型移栽機

在不同的國家，氣候、環(huán)境、蔬菜種植種類的不同，不同的作物移栽需要不同的移栽機械，不同的環(huán)境下對于移栽要求也是不一樣的，因此需要數(shù)量類型眾多的全自動移栽機。對于整機控制系統(tǒng)，每一種機型配套控制系統(tǒng)都不一樣，需要研發(fā)與某種機型配套的控制系統(tǒng)。由于移栽機種類各異，呈現(xiàn)出多系列、多品種的局面，所以提高移栽機的通用性，研發(fā)多功能聯(lián)合的通用型移栽機是非常必要的。

規(guī)范化育苗，采用統(tǒng)一規(guī)格的苗盤，集中統(tǒng)一育苗管理，可以節(jié)約種子、肥料、農(nóng)藥等，提高成苗率高，缽苗素質好，易成活。規(guī)范化育苗便于良種推廣和規(guī)范管理，成苗便于遠距離運輸和機械化移栽等優(yōu)點。規(guī)范化研發(fā)，提高制造標準，注重移栽機標準件的研發(fā)，注重多移栽種類，多環(huán)境下適用的一體化移栽機研發(fā)。規(guī)范化研發(fā)可以減少不必要的投資與資源浪費，對于綠色環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展是十分重要的。

4 結論

1) 國外發(fā)達國家對移栽機的研發(fā)較早，歷經(jīng)長期的發(fā)展，自動取苗技術較為成熟，自動化程度較高，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)得到了廣泛的應用。國內(nèi)對自動取苗技術的研發(fā)與國外相比還有很大差距，研究尚處在初級階段，研究的相關裝置大部分處于實驗室階段，并未投入生產(chǎn)中。

2) 對于自動取苗技術的五種方式中，國外成型的全自動移栽機較多采用移盤移手型和移盤頂苗結合的整排取苗手夾持型。相較兩種方式，移盤頂苗結合整排取苗手夾持型可以解決夾缽苗夾不出、傷苗等問題，提高取苗成功率，減少傷苗率。國內(nèi)較多采用移盤固手型取苗，通過取苗手翻轉式換位，實現(xiàn)取苗位與投苗位的轉換。

3) 隨著我國自動取苗技術的發(fā)展，未來全自動移栽裝備將以高速取苗機構的研發(fā)為主要方向。實現(xiàn)智能化、可視化、便捷化控制的從取苗、送苗、分苗、到植苗整個栽植過程的多功能一體化全自動移栽機。逐步規(guī)范農(nóng)機農(nóng)藝生產(chǎn)標準，提高全自動移栽機的通用性。