王鵬 皇甫坤 張秀花 袁永偉 靜茂凱 張明 王健

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

引言

1980年以來，各國(guó)就開始了對(duì)自動(dòng)嫁接技術(shù)的研究，主要代表國(guó)家有荷蘭、日本、韓國(guó)和中國(guó)等[1-4]。并且根據(jù)不同的自動(dòng)嫁接技術(shù)所研發(fā)的自動(dòng)嫁接機(jī)也層出不窮。在眾多的嫁接方法中，雙斷根嫁接法[3-7]是一種新的嫁接方法，區(qū)別于其它的嫁接方法，雙斷根嫁接法是將接蕙和砧木的原有根系全部切除，進(jìn)而完成嫁接作業(yè)，在嫁接苗愈合的同時(shí)誘導(dǎo)新根系的產(chǎn)生。雙斷根嫁接法與其它嫁接方法相比，在嫁接成活率、嫁接功效、嫁接效率上分別提高了8%、46.8%、32%，極大地推進(jìn)了工廠化育苗的發(fā)展[8-10]。

1 蔬菜嫁接機(jī)研究現(xiàn)狀

2009年，荷蘭研制出了一款I(lǐng)SO GRAFT 1000嫁接機(jī)，該款嫁接機(jī)能夠利用圖像處理技術(shù)提前剔除生長(zhǎng)不合格的穴盤幼苗，從而保證嫁接完成的幼苗全部為健康苗；2011年，日本井關(guān)公司[11]研發(fā)出一款嫁接機(jī)，該款嫁接機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)將接穗和砧木的原有根系全部切除，從而實(shí)現(xiàn)雙斷根嫁接。國(guó)內(nèi)，2010年，樓建忠等[12]研發(fā)的2JX-M系列氣力蔬菜嫁接切削器可對(duì)砧木和接穗進(jìn)行自動(dòng)切削作業(yè)，提升了斷根嫁接的自動(dòng)化程度；2012年，北京農(nóng)業(yè)智能裝備研究中心姜?jiǎng)P等人[13]研發(fā)了一款瓜、茄苗蔬菜嫁接機(jī)，并進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，結(jié)果表明，嫁接速率可達(dá)到人工作業(yè)的6～7倍；2014年，張鐵中團(tuán)隊(duì)[1,2]研發(fā)一款單人操作的蔬菜嫁接機(jī)，該機(jī)器可以根據(jù)需要對(duì)嫁接苗進(jìn)行斷根和留根嫁接。為了提高雙斷根自動(dòng)嫁接機(jī)的自動(dòng)化程度，國(guó)內(nèi)外已研制出不少嫁接機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)蔬菜苗的雙斷根嫁接，但嫁接之后的嫁接苗回栽工作大部分仍然需要人工完成。

2 蔬菜嫁接機(jī)自動(dòng)回栽裝置的研究現(xiàn)狀

根據(jù)嫁接苗回栽農(nóng)藝要求可知，在基質(zhì)內(nèi)打出深度為2～3cm的孔，然后利用夾持移栽裝置夾持嫁接苗，并將嫁接苗準(zhǔn)確地插栽到穴盤穴孔中是回栽裝置的重點(diǎn)。而要實(shí)現(xiàn)該功能，最重要的是對(duì)回栽裝置進(jìn)行研究，因?yàn)榛卦匝b置與嫁接苗是直接接觸的，所以回栽裝置是嫁接苗回栽的關(guān)鍵部分，回栽裝置直接影響了回栽的成功率與效率。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2016年，YAJIMA等[14]研發(fā)了一種嫁接苗的栽植機(jī)構(gòu)，主要由底板、隔板形成的復(fù)數(shù)網(wǎng)格、安裝在底板一側(cè)并耦合在隔板之間的后板所組成，如圖1所示，可以盡可能減少對(duì)穴盤苗的損傷，提高穴盤苗生長(zhǎng)的質(zhì)量和產(chǎn)量。2020年，Zhongjian Xie等人[15]研發(fā)設(shè)計(jì)了一種茄果類半自動(dòng)高速嫁接機(jī)，如圖2所示，其中嫁接苗采用無紡布包裹基質(zhì)，回栽機(jī)構(gòu)和上苗機(jī)構(gòu)采用相同的結(jié)構(gòu)，利用氣動(dòng)Y形手指和上下方向?qū)U氣缸來完成嫁接苗的回栽工作。

圖1 回栽裝置 圖2 嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)

美國(guó)RAPID公司[16]研制了一款RTW型穴盤苗移栽機(jī)，其夾持機(jī)構(gòu)如圖3所示。該裝置主要由噴水管、楔形塊和片狀手指組成，驅(qū)動(dòng)方式為氣動(dòng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)穴盤苗的栽植工作。2017年，ZHANG K等人[17]研發(fā)了一款嫁接苗回栽裝置，嫁接苗采用貼接法，利用塑料嫁接夾固定嫁接苗，當(dāng)砧木和接穗的切口有效貼合后，用嫁接夾的夾頭對(duì)切口貼合位置進(jìn)行夾持固定，夾持固定后由嫁接苗回栽裝置將嫁接苗回栽到穴盤內(nèi)，如圖4所示。

圖3 片狀?yuàn)A持裝置 圖4 嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)

2020年，Rahul K等人[18]研發(fā)了一款四自由度的缽苗移栽機(jī)器人，機(jī)械手由多連桿組成，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用液晶顯示屏和鍵盤作為人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了紙罐苗的連續(xù)取苗和放置，如圖5所示。

圖5 穴盤苗夾取部件

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2007年，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的崔鳳有[19]設(shè)計(jì)了一種嫁接苗回栽裝置，該裝置主要由打孔鎮(zhèn)壓裝置、上下夾同步桿、上夾、下夾等部分組成，如圖6所示。回栽嫁接苗作業(yè)時(shí)，由打孔鎮(zhèn)壓裝置在穴盤基質(zhì)內(nèi)完成2次打孔作業(yè)，然后在同步桿的作用下隨著上下夾夾口的打開與結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)嫁接苗的回栽過程。2013年，浙江理工大學(xué)的楊蒙愛等人[20]研發(fā)了一種主要由基座和夾持機(jī)械手等部分組成的嫁接苗回栽裝置，能從嫁接工位處成功夾取嫁接完成的苗，并將其回栽到對(duì)應(yīng)的穴盤里。

圖6 嫁接苗回栽裝置示意圖

2016年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的褚佳、張鐵中等人[6]提出了一種黃瓜嫁接苗回栽裝置，如圖7、圖8。根據(jù)黃瓜斷根嫁接的園藝要求，由插孔機(jī)構(gòu)在穴盤基質(zhì)上打出2～3cm的孔，再由插苗機(jī)構(gòu)從移苗機(jī)構(gòu)處接過以嫁接好的幼苗進(jìn)行回栽工作。

圖7 回栽裝置 圖8 打孔裝置

2015年，浙江理工大學(xué)的陳晨[21]設(shè)計(jì)了一種雙滑塊搖桿式回栽機(jī)構(gòu)，該裝置主要由夾持嫁接苗裝置、嫁接苗回栽裝置、基質(zhì)鎮(zhèn)壓裝置等部分組成，如圖9所示。該機(jī)構(gòu)回栽成功率為92%，愈合成功率為94.6%，但是該機(jī)對(duì)于嫁接苗的莖稈彎曲程度以及基質(zhì)土的濕度考慮不充分，稍加改善應(yīng)該會(huì)有更好的效果。2017年，浙江理工大學(xué)的泮金輝[22]設(shè)計(jì)了一種多連桿滑塊回栽機(jī)構(gòu)，此機(jī)構(gòu)包含夾持嫁接苗、基質(zhì)自動(dòng)打孔、嫁接苗回栽、基質(zhì)鎮(zhèn)壓4道工序，該機(jī)構(gòu)的核心裝置是由2個(gè)氣缸共同驅(qū)動(dòng)多連桿機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)對(duì)嫁接苗的加持、打孔、回栽和鎮(zhèn)壓等動(dòng)作。因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)受2個(gè)氣缸的作用，因此會(huì)產(chǎn)生相互影響，進(jìn)行了回栽實(shí)驗(yàn)，整體成功率為92%，回栽階段與鎮(zhèn)壓基質(zhì)階段成功率均達(dá)到96%，整體成功率較高，如圖10所示。

2017年，浙江理工大學(xué)的童俊華[23]等人設(shè)計(jì)了一種適用于雙斷根嫁接機(jī)的自動(dòng)搬運(yùn)及回栽裝置，如圖11所示。嫁接苗回栽機(jī)構(gòu)夾取嫁接苗后移動(dòng)到相應(yīng)的穴盤上方，由回栽機(jī)構(gòu)對(duì)穴孔基質(zhì)打孔并將嫁接苗插入基質(zhì)中鎮(zhèn)壓，完成回栽作業(yè)，成功率可達(dá)92%，平均耗時(shí)4s/株。2020年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)的皇甫坤等人[24]設(shè)計(jì)了一種嫁接苗回栽裝置，該裝置主要由吸持部件、鎮(zhèn)壓機(jī)構(gòu)和圍攏部件組成，如圖12所示，并針對(duì)不同傾斜角度的鎮(zhèn)壓塊對(duì)土壤總孔隙度的影響進(jìn)行了EDEM離散元仿真分析。

圖9 回栽機(jī)構(gòu) 圖10 多連桿回栽機(jī)構(gòu)

圖11 自動(dòng)回栽機(jī)構(gòu) 圖12 回栽機(jī)構(gòu)

3 總結(jié)與展望

3.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)

為了提升雙斷根嫁接機(jī)的自動(dòng)化程度，國(guó)內(nèi)外很多研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研制出各類的自動(dòng)嫁接機(jī)，部分嫁接機(jī)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但嫁接完成后的嫁接苗回栽依舊采用人工作業(yè)，現(xiàn)有的回栽裝置在不損害嫁接苗方面做得還不是很完善，并且機(jī)構(gòu)復(fù)雜不易調(diào)整，所以亟需尋求一種更好的嫁接苗回栽裝置。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)與展望

目前的嫁接苗回栽裝置在嫁接苗回栽過程中，容易將砧木的莖稈造成擠壓損傷，砧木和接穗的嫁接夾子出現(xiàn)松動(dòng)或脫離的情況，所以回栽裝置需要在不損害嫁接幼苗的情況下順利夾持幼苗，成功插入穴口并順利退出，同時(shí)還需要對(duì)基質(zhì)的損壞情況降到最低。

當(dāng)前的嫁接苗回栽裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜不易調(diào)整，設(shè)計(jì)一種將嫁接苗夾持、打孔、回栽和鎮(zhèn)壓于一體的需要回栽機(jī)構(gòu)，并使其整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)。