胡雙燕，胡敏娟，王佳

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

辣椒、番茄等茄果類蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖卟祟愋?。我國的辣椒種植面積占世界總面積的40%，是世界上最大的辣椒生產(chǎn)國與消費(fèi)國。截止到2020年4月份，我國有28個(gè)省進(jìn)行辣椒的種植，種植面積超過2 000 khm2，占我國蔬菜總種植面積的12%[1]。辣椒是經(jīng)濟(jì)效益較為可觀的蔬菜之一，露天栽培的辣椒每公頃收益可達(dá)9萬元以上，經(jīng)過日光溫室等設(shè)施栽培的辣椒，每公頃的收益可以達(dá)到150萬元以上[2]。辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動作用，在農(nóng)民增收方面也發(fā)揮著重要作用。

近些年，辣椒育苗移栽的生產(chǎn)方式受到廣泛認(rèn)可，不過人工移栽的方式勞動量大，人工成本也逐年升高，育苗移栽的勞動時(shí)間約占總勞動時(shí)間的30%，勞動力成本占總生產(chǎn)成本的50%[3]。目前我國農(nóng)村勞動力外流嚴(yán)重，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多為中老年群體，對于需要付出大量體力的移栽工作力不從心，而且雇傭勞動力的費(fèi)用逐年升高，提高辣椒移栽的機(jī)械化水平、研制出適合我國國情的輕簡化自動移栽機(jī)械就顯得非常重要。我國開始重視蔬菜移栽機(jī)械化的研究，由于我國各大辣椒種植區(qū)氣候、農(nóng)藝等差異，導(dǎo)致辣椒種植方式多樣，加大了我國辣椒移栽機(jī)械研制難度。本文通過對國內(nèi)外的半自動、全自動辣椒機(jī)械化移栽的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述移栽原理和關(guān)鍵部件的同時(shí)，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對其未來的發(fā)展提出可行性建議。

1 機(jī)械化移栽關(guān)鍵環(huán)節(jié)

辣椒育苗移栽是辣椒種植環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，辣椒穴盤苗育苗移栽質(zhì)量好壞關(guān)系著辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)高低。辣椒穴盤苗移栽的機(jī)械化程度也在一定程度上反映出辣椒生產(chǎn)種植全過程的整體機(jī)械化水平。辣椒穴盤苗機(jī)械化移栽的基本環(huán)節(jié)如下。

1.1 育苗環(huán)節(jié)

不論是人工移栽還是機(jī)械移栽，育苗環(huán)節(jié)都是保證移栽質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)[4]。辣椒屬于茄果類蔬菜，目前國內(nèi)外對此類蔬菜主要采用的育苗方式是穴盤苗育苗，除此之外還有基質(zhì)塊育苗、無土栽培育苗等其他形式。20世紀(jì)60年代開始，美國等國家陸續(xù)在育苗移栽過程中使用穴盤，穴盤育苗[5]給蔬菜、花卉的后續(xù)生長和種植品質(zhì)帶來更好的提升。穴盤育苗具有機(jī)械化移栽適配程度高的優(yōu)勢，半自動、全自動辣椒移栽機(jī)配套使用的穴盤大多為128穴，目前，對于穴盤苗育苗農(nóng)藝上的研究較多，基質(zhì)配比、苗期管理、產(chǎn)量品質(zhì)等研究不勝枚舉，卻缺乏對育苗質(zhì)量與機(jī)械化移栽質(zhì)量相關(guān)性的研究。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院唐玉新等[6]提出與辣椒移栽機(jī)械相配套使用的辣椒育苗標(biāo)準(zhǔn)，從基質(zhì)類型、種子處理到育苗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳盡的規(guī)范，規(guī)范化的育苗環(huán)節(jié)為后期辣椒移栽環(huán)節(jié)準(zhǔn)備了適合機(jī)械化移栽的辣椒穴盤苗。

1.2 取苗環(huán)節(jié)

取苗環(huán)節(jié)是辣椒移栽機(jī)作業(yè)過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其過程主要是通過取苗機(jī)構(gòu)將穴盤苗從穴盤中取出，并移送至栽植部件。辣椒穴盤苗半自動、全自動移栽機(jī)最主要的區(qū)別就是是否能完成自動化取苗的過程。半自動移栽機(jī)械雖然栽植過程實(shí)現(xiàn)了機(jī)械作業(yè)，但取苗、投苗作業(yè)仍然需要人工完成，勞動強(qiáng)度大、效率低。全自動移栽機(jī)械能夠做到取苗、送苗、栽植全程自動化，具有工作效率高、人工成本低的優(yōu)勢，成為目前移栽機(jī)械研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1.3 栽植環(huán)節(jié)

栽植環(huán)節(jié)是移栽機(jī)工作過程中直接與土壤接觸的環(huán)節(jié)，辣椒穴盤苗栽植屬于單株定植過程，雖然單株定植有利于提升茄果類蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，但是對于栽植直立度要求更加嚴(yán)格。栽植環(huán)節(jié)中的定植過程可以按定植工作原理分為打穴定植和開溝定植[7]兩大類，其中打穴定植主要適用于穴盤育苗的葉菜和茄果類蔬菜等，適用范圍廣闊；開溝定植主要適用于甘薯、大蔥等裸苗等，適用范圍有限。半自動移栽機(jī)劃分為吊杯式、鏈夾式、撓性圓盤式、導(dǎo)苗管式等就是根據(jù)栽植部件的工作原理作為劃分依據(jù)的。

2 國內(nèi)外辣椒機(jī)械化移栽裝備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 半自動移栽機(jī)

歐美和日本等國家發(fā)展移栽機(jī)械較早，20世紀(jì)初期就研制出結(jié)構(gòu)簡單的栽植工具，到20世紀(jì)50年代就已經(jīng)研制出多種結(jié)構(gòu)形式的半自動移栽機(jī)，并將其應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)中。20世紀(jì)80年代，半自動移栽機(jī)械研究已經(jīng)比較全面[8]。我國在20世紀(jì)60年代開始旱地移栽機(jī)械的研究，研制的重點(diǎn)主要是水稻、棉花等作物的移栽機(jī)械，20世紀(jì)70—90年代，經(jīng)歷了裸根苗移栽、缽苗移栽、穴盤苗移栽半自動機(jī)械的研制[9]。目前，我國已經(jīng)研制出多種機(jī)構(gòu)類型的半自動穴盤苗移栽機(jī)械。不過國內(nèi)開發(fā)的旱地移栽機(jī)主要是仿制國外的半自動移栽機(jī)并進(jìn)行改進(jìn)，因此，國內(nèi)外的半自動蔬菜移栽機(jī)械種類和原理基本一致，大致可以劃分為以下幾種類型。

2.1.1 吊杯式移栽機(jī)

吊杯式移栽機(jī)構(gòu)[10]的顯著優(yōu)點(diǎn)是能在膜上打孔，不傷苗，適合根系不深、不發(fā)達(dá)以及缽體容易破碎的缽苗的移栽。我國生產(chǎn)的2行半自動吊杯式移栽機(jī)，主要應(yīng)用于番茄、辣椒等茄果類蔬菜的移栽，一些移栽機(jī)只適合土質(zhì)較硬的黏土，而沙土比較松散，在沙土環(huán)境下作業(yè)時(shí)，就會造成膜上覆土量過大，導(dǎo)致埋苗，使用范圍受限。

2.1.2 鏈夾式移栽機(jī)

鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)依靠著鏈條作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，人工將秧苗放置在鉗夾上，秧苗在鉗夾上隨鏈條做圓周運(yùn)動，完成秧苗的栽植過程。國內(nèi)外研制推廣的鉗夾式移栽機(jī)主要有日本KN-P6大蔥移栽機(jī)，采用開溝自走的方式進(jìn)行移栽工作，工作效率較低，只有0.013～0.02 hm2/h[11]。我國生產(chǎn)的2ZT型移栽機(jī)和UT-2型移栽機(jī)，雖然鏈夾式機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，但移栽速率依舊較低，且容易傷苗，存在著株距不易調(diào)節(jié)的弊端，只能用于大蔥等裸苗移栽，不適合辣椒等茄果類蔬菜的穴盤苗移栽，通用性較差，使用范圍有限。

2.1.3 撓性圓盤式移栽機(jī)

撓性圓盤式移栽機(jī)構(gòu)[12]具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，在栽植過程中，當(dāng)圓盤張開時(shí)，依靠人工將幼苗放入，隨后運(yùn)動至聚點(diǎn)將秧苗夾緊，當(dāng)運(yùn)動至放苗位點(diǎn)時(shí)圓盤張開，秧苗落入溝中，由覆土鎮(zhèn)壓裝置完成穴盤苗的定植。國內(nèi)外主要推廣使用的機(jī)型有日本研制的CT-4S 型甜菜移栽機(jī)、我國研制的2ZT-2型紙筒甜菜移栽機(jī)和2ZS-3型甘藍(lán)補(bǔ)水移栽機(jī)。機(jī)構(gòu)采用兩片撓性圓盤夾持秧苗，優(yōu)勢是不易傷苗，對株距有較好的適應(yīng)能力，但是圓盤(橡膠材料)容易損傷，與鏈夾式移栽機(jī)類似，都是比較適合甘藍(lán)、甜菜移栽，由于對不同的類型的土壤適應(yīng)性較差，栽植深度的穩(wěn)定性不高，不太適用于辣椒等對栽植深度要求較高的茄果類蔬菜的移栽。

2.1.4 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)

導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)[13]主要是依靠秧苗自身的重力作用，經(jīng)過導(dǎo)苗管，落入到開好的溝中，完成栽植工作。國外主要推廣使用的機(jī)型有意大利的Maxi Multipla導(dǎo)苗管式蔬菜移栽機(jī)[14]。我國主要推廣使用的機(jī)型有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2ZDF型半自動導(dǎo)苗管式移栽機(jī)，作業(yè)行數(shù)為2～6行。這種機(jī)構(gòu)的自由度高，可以保證較好的秧苗直立度、株距均勻性和深度穩(wěn)定性，栽植效率較高，不傷苗，也不會出現(xiàn)窩眼的現(xiàn)象，適用于茄果、煙草等打穴定植的作物。但導(dǎo)苗管式移栽機(jī)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價(jià)不菲，推廣使用受限。

2.1.5 輸送帶式移栽機(jī)

輸送帶式移栽機(jī)主要是通過人工將基質(zhì)塊、穴盤苗取出，將其擺放在輸送帶上，通過輸送帶帶動至分苗、落苗位置，隨后通過分苗裝置推入栽植部件，入溝定植。輸送帶式移栽機(jī)起源于美國，后來歐洲發(fā)達(dá)國家對此機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入的研究和改進(jìn)，主要推廣使用的機(jī)型有意大利TRE TREMATIC型移栽機(jī)等。輸送帶式移栽機(jī)最大的優(yōu)勢是高速、高效的移栽，移栽速度是半自動移栽機(jī)類型中最快的，但是輸送帶式移栽機(jī)對于穴盤苗的基質(zhì)要求較高，主要適用于基質(zhì)不易破損、站立穩(wěn)定的基質(zhì)塊育苗。我國辣椒穴盤苗育苗質(zhì)量不一，限制了輸送帶式移栽機(jī)的推廣使用。

盡管國內(nèi)外的半自動移栽機(jī)種類多樣，適用作業(yè)對象眾多，可以完成多種蔬菜的移栽，但是由于工作需要人工輔助喂苗，對勞動力需求較大。作業(yè)效率低，移栽效率僅為人工移栽的3～5倍，半自動移栽機(jī)的工作效率逐漸不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的蔬菜移栽的需求，提高辣椒移栽的機(jī)械化水平、研制出適合我國國情的全自動移栽機(jī)械就顯得非常重要。

2.2 全自動移栽機(jī)

2.2.1 國外全自動移栽機(jī)

20世紀(jì)80年代，歐美、日本等發(fā)達(dá)國家開始了全自動移栽機(jī)的探索，全自動移栽機(jī)與半自動移栽機(jī)最大的區(qū)別是實(shí)現(xiàn)了全自動取苗過程，不再受到人工喂苗速度的限制，移栽效率得到大幅度提升。

歐美、日本等發(fā)達(dá)國家在進(jìn)行全自動移栽機(jī)的研制和開發(fā)過程中，還重視農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝配套發(fā)展。在21世紀(jì)初期，各個(gè)國家就開始將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種植技術(shù)、整地技術(shù)、蔬菜種植技術(shù)以及育苗移栽技術(shù)相互配套，形成相應(yīng)的體系。與移栽作業(yè)相配套的育苗、整地技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。國外蔬菜種植種類較少，育苗專業(yè)化程度高、研制出的蔬菜移栽機(jī)大多通用性較強(qiáng)，往往一種移栽機(jī)可以滿足多種蔬菜穴盤苗的移栽要求。

各種移栽機(jī)在原理上也是多種多樣，有電機(jī)結(jié)合式，也有純機(jī)械形式的，還有采用機(jī)、電、液方式相結(jié)合的形式，既有穴盤苗移栽機(jī)也有壓縮基質(zhì)苗自動移栽機(jī)。國外的全自動移栽機(jī)主要可以劃分為兩大類型：一種是適合歐美大面積種植使用的多行寬幅作業(yè)的全自動移栽機(jī)，另一種是適合日本土地特點(diǎn)的單行小型全自動移栽機(jī)。全自動移栽機(jī)作業(yè)流程基本包括取苗、送苗、栽植三大環(huán)節(jié)。各種機(jī)型最主要的區(qū)別在于取苗關(guān)鍵部件的差異，將全自動移栽機(jī)按照取苗方式進(jìn)行劃分大致可以劃分為整排缽苗扎取基質(zhì)式、單株缽苗夾取缽體式、整排缽苗底端頂出與夾取缽體相結(jié)合式三種類型。

1)整排缽苗扎取基質(zhì)式。英國Fountain的全自動移栽機(jī)是一種5行全自動移栽機(jī)，主要適用于草莓、辣椒等缽苗移栽，通過將育苗盤水平放置，扎取基質(zhì)式取苗最大的特點(diǎn)是可以一次取一整行，可以達(dá)到7 200株/h的工作效率，與此同時(shí)，還制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有通用性強(qiáng)的優(yōu)勢。美國研制的RTW系列的全自動穴苗移栽機(jī)，也是采用扎取基質(zhì)式的取苗方式，采用氣缸推動輥道輸送穴盤苗的方式，從側(cè)面完成穴盤苗的抓取和移送工作。該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)勢是可以通過對抓取高度的調(diào)整，進(jìn)行不同高度穴盤苗的移栽。

2)單株缽苗夾取缽體式。竹山智洋[15]發(fā)明的自動移栽機(jī)采用栽植爪夾取苗缽式的取苗方式。其驅(qū)動部件是由兩套行星輪系通過串聯(lián)方式組成，其中一套行星軸是作為輸出運(yùn)動驅(qū)動栽植爪完成取投苗動作，另外一套行星軸驅(qū)動栽植爪完成栽植動作。機(jī)構(gòu)效率有很大程度的提升，但這種方式取苗運(yùn)動軌跡復(fù)雜，造價(jià)比較高。洋馬PF2R型乘坐式全自動移栽機(jī)[16]也是采用這種取苗方式，適用于辣椒、番茄等采用128穴穴盤育苗的蔬菜，可以一次性完成開溝、取苗、栽植、覆土、鎮(zhèn)壓全過程，但是僅適用于128穴、200穴的可彎曲穴盤，通用性較差。Yang等[17]在工業(yè)機(jī)器人ADEPT-SCARA基礎(chǔ)上，使用其帶有傳感器的滑移指針作為末端執(zhí)行器，利用頂部的視覺傳感器檢測穴盤苗的位置，利用力覺傳感器可以對夾苗缽的力進(jìn)行控制，可以有效地減少末端執(zhí)行器對苗缽造成的損傷。該技術(shù)需要配備相應(yīng)的輸送裝置，主要適用于育苗工廠等工廠化生產(chǎn)使用，對于適用條件的要求較高。

3)整排缽苗底端頂出+夾取缽體式。意大利Futura全自動蔬菜移栽機(jī)，頂出夾取式[18]的原理是首先在頂苗桿的作用下將整排穴盤苗進(jìn)行頂出，再利用取苗爪對穴盤苗進(jìn)行夾取取苗，工作效率可以達(dá)到8 000 株/h，可以完成辣椒、番茄、生菜、卷心菜等多種蔬菜的穴盤苗移栽。澳大利亞生產(chǎn)的Williams16行自動移栽機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行16行的自動移栽，也是采用頂出夾取式的取苗方式，取苗爪采用液壓、氣動控制等技術(shù)，提升了取苗的精度和準(zhǔn)確性。意大利的Urbinati RW32移栽機(jī)同樣采用頂出夾取式的取苗方式，該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)自我診斷功能和連續(xù)種植，工作效率高達(dá)36 000株/h。

2.2.2 國內(nèi)全自動移栽機(jī)

近幾年，我國在蔬菜移栽機(jī)的研制方面也有很大的進(jìn)步，逐漸的從半自動向全自動轉(zhuǎn)變，目前，我國推廣使用的辣椒穴盤苗移栽機(jī)主要是半自動移栽機(jī)，全自動移栽機(jī)還處于研制與開發(fā)階段，未有進(jìn)行推廣使用的機(jī)械。未來隨著我國育苗移栽技術(shù)的不斷成熟，全自動移栽機(jī)也會隨之推廣使用，會為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更高的效率和更大的便利，具有廣闊的發(fā)展前景。由于我國辣椒種植面積廣闊，種植區(qū)域的土壤、氣候條件存在較大差異，因此國內(nèi)研制的辣椒穴盤苗全自動移栽機(jī)可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同進(jìn)行劃分為：露地全自動移栽機(jī)、覆膜全自動移栽機(jī)、設(shè)施全自動移栽機(jī)三種類型。

1)露地全自動移栽機(jī)。張振國等[19]基于辣椒大田生產(chǎn)使用背景下，采用頂夾組合式取苗方式，設(shè)計(jì)出一種適合旱地辣椒穴盤苗移栽使用的全自動移栽機(jī)，通過頂桿將穴盤苗頂出，再利用機(jī)械手抓取，抬升裝置將苗送至穴盤苗輸送帶上方，機(jī)械手松開，完成整個(gè)取、送苗過程。機(jī)構(gòu)適用于穴盤規(guī)格為128穴、育苗苗齡為40天的辣椒穴盤苗，穴盤苗莖粗較粗，育苗質(zhì)量良好。辣椒全自動移栽機(jī)配備的栽植部件和覆土鎮(zhèn)壓部件能夠做到與露地移栽作業(yè)環(huán)境相匹配，為緩解新疆地區(qū)的番茄和辣椒等經(jīng)濟(jì)作物大面積移栽的勞動強(qiáng)度，提供了解決思路。

2)覆膜全自動移栽機(jī)。張晨等[20]研制出2ZB-2型缽苗旱地膜上自動移栽機(jī)。工作原理是通過氣動裝置完成缽苗盤的移動和取苗擲苗，采用夾取苗缽式取苗，通過機(jī)械手完成夾取、提苗上行的動作，需要配備一名裝盤人員，與半自動移栽機(jī)相比省人工3個(gè)，但是工作效率不高，沒有得到很好的推廣。李華等[21]根據(jù)日本洋馬齒輪連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行改良制成2ZXM-2型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)，采用夾取苗缽式取苗方式，如圖1所示?？梢砸淮涡酝瓿砷_溝、鋪設(shè)地膜和滴灌帶、移栽、覆土的全過程，該機(jī)構(gòu)為一膜二行移栽機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行鋪設(shè)地膜與滴灌帶和自動取苗兩個(gè)過程，移栽機(jī)在前進(jìn)過程中，開溝器進(jìn)行開溝和平整地面，這一步驟與露地移栽機(jī)沒有差異。最大的區(qū)別在于地膜通過膜輥展平，將地膜平整的鋪設(shè)，覆土裝置設(shè)計(jì)成圓盤狀，可以輕松的刮帶起土壤覆蓋于膜上，最后壓膜輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓的工作。

圖1 2ZXM-2型全自動蔬菜穴盤苗鋪膜移栽機(jī)Fig.1 2ZXM-2 automatic plastic film mulch vegetable plug seedling transplanter1.行走輪 2.栽苗器 3.自動送苗系統(tǒng) 4.取苗機(jī)構(gòu) 5.栽植機(jī)構(gòu) 6.滴灌帶輥支撐架 7.膜輥支撐架 8.劃行器 9.支架 10.動力輸入軸 11.平地滾筒 12.圓片開溝器 13.展膜輥 14.壓膜輪 15.覆土圓盤支架 16.覆土圓盤 17.覆土滾輪 18.分動箱 19.鎮(zhèn)壓輪 20.機(jī)架

3)設(shè)施全自動移栽機(jī)。郝忻等[22]針對溫室大棚辣椒的幼苗全自動移栽提出相關(guān)方法研究，移栽機(jī)核心功能的兩個(gè)主要部件分別是回轉(zhuǎn)夾取部件和移栽部件。對關(guān)鍵部位即取苗關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，針對辣椒穴盤苗設(shè)計(jì)出一種曲柄搖桿夾取機(jī)構(gòu)，可以完成取、投苗兩種功能的自動移栽機(jī)，該機(jī)構(gòu)主要作用對象是溫室移栽的辣椒幼苗，取苗方式為頂出夾取式取苗方式，溫室大棚中辣椒移栽采用一壟一行或雙行的農(nóng)藝要求，移栽機(jī)與露地移栽機(jī)最大的區(qū)別是機(jī)型小巧，沒有配備覆土鎮(zhèn)壓裝置，行走部件采用行走輪設(shè)計(jì)，滿足溫室內(nèi)移動靈活、轉(zhuǎn)彎方便的需求。該機(jī)構(gòu)移栽成功率達(dá)到90%，有利于提高溫室內(nèi)辣椒移栽的工作效率和自動化水平。但是由于栽植直立度受到機(jī)組行進(jìn)速度影響較大，未能得到推廣使用。

3 關(guān)鍵部件及相關(guān)理論研究

3.1 取苗機(jī)構(gòu)

國內(nèi)許多高校、科研院所對全自動移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多研究，大致可以概括為以下三種：通過全自動取苗，在半自動移栽機(jī)的基礎(chǔ)上提升工作效率；解決取苗過程中存在的基質(zhì)破損、散落問題；解決取苗爪取苗過程中的傷苗、漏苗問題。

為了解決吊籃式半自動移栽機(jī)的工作效率低、受人工喂苗速度限制的問題，趙曉偉等[23]基于吊籃式半自動移栽機(jī)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種辣椒穴盤苗自動取喂裝置，對取苗機(jī)械手進(jìn)行改進(jìn)，每組含有8個(gè)機(jī)械手。當(dāng)自動取喂裝置移動到機(jī)械手正下方時(shí)，機(jī)械手打開的同時(shí)推苗板進(jìn)行推苗，穴盤苗落入自動喂苗裝置的苗筒中，實(shí)現(xiàn)自動取喂操作。經(jīng)過田間試驗(yàn)驗(yàn)證，取苗成功率為98.18%，喂苗成功率為96.30%，采用自動取喂系統(tǒng)代替半自動移栽機(jī)中的人工喂苗，移栽效率達(dá)到4 500株/h，顯著提升了吊籃式移栽機(jī)的工作效率。

浙江大學(xué)童俊華等[24]設(shè)計(jì)出三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜穴盤苗取苗機(jī)構(gòu)，如圖2所示。在保持回轉(zhuǎn)速度不變的前提下，通過增加取苗臂數(shù)量的形式來提高工作效率，可達(dá)6 000 株/h。通過吸取夾取式和插拔式兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出插拔夾取式的取苗器，但是由于機(jī)構(gòu)通過單氣缸驅(qū)動，插入和夾取分為兩個(gè)部分進(jìn)行，還是給機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)造成了一定程度的限制。俞高紅等[25]在日本旋轉(zhuǎn)式行星輪系取苗機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于橢圓—不完全非圓齒輪傳動的行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，采用夾取缽苗缽體的取苗方式，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)式傳動箱體對稱分布兩個(gè)取苗臂，起到在降低機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，解決行星輪系機(jī)構(gòu)工作效率不高的問題。

圖2 三臂回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)Fig.2 Three-arm rotary seedling taking mechanism1，9，12.凹鎖止弧 2，10，13.中間輪 3，8，14.行星輪 4，7，15.取苗臂 5.太陽輪 6.行星架 11.凸鎖止弧

為了解決夾取基質(zhì)過程中存在的基質(zhì)受損散落的問題，韓長杰等[26]設(shè)計(jì)基于PLC的氣壓驅(qū)動穴盤苗移栽自動取喂系統(tǒng)，如圖3所示。穴盤步進(jìn)位移送苗，取苗手翻轉(zhuǎn)擺位取苗，機(jī)械手采用的是3根柔性滑針扎取基質(zhì)進(jìn)行取苗，可靠性程度高，步進(jìn)移位機(jī)構(gòu)在喂入機(jī)構(gòu)的側(cè)上方呈傾斜狀態(tài)布置，具有縮小機(jī)器水平空間的優(yōu)勢，經(jīng)過取苗試驗(yàn)驗(yàn)證：取苗可靠率可以達(dá)到98%以上，平均基質(zhì)損失率約為9%。但是機(jī)械手在與苗盤同時(shí)運(yùn)動時(shí)，增大了協(xié)調(diào)控制的難度，在大田作業(yè)過程中容易出現(xiàn)自動系統(tǒng)隨著移栽機(jī)作業(yè)出現(xiàn)振動的情況。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[27]在夾取苗缽式取苗方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出曲柄擺桿式的取苗機(jī)構(gòu)，取苗爪的“V”型設(shè)計(jì)可以有效減少穴盤苗在夾取過程中脫落情況的發(fā)生，取苗成功率達(dá)到94.4%。該取苗機(jī)構(gòu)需要與頂出機(jī)構(gòu)相配合才能完成整個(gè)取苗過程，不能單獨(dú)完成取苗。

圖3 穴盤苗移栽自動取喂系統(tǒng)Fig.3 Automatic picking and feeding system for pot plate seedling transplanting1.扎取放苗氣缸 2.苗筒記數(shù)傳感器 3.穴盤左右移位氣缸 4.翻轉(zhuǎn)氣缸回位傳感器 5.穴盤步進(jìn)移位氣缸 6.翻轉(zhuǎn)氣缸伸出傳感器 7.機(jī)械手翻轉(zhuǎn)氣缸 8.擺動馬達(dá) 9.機(jī)械手?jǐn)[位氣缸

為了解決穴盤苗移栽機(jī)取苗過程中造成的傷苗的問題，高國華等[28]對取苗器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出斜入式取苗器。通過單驅(qū)動下的聯(lián)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斜入式取苗動作，指針按照一定的角度插入可以有效地減少穴苗的劃痕，有利于移栽后穴盤苗的后續(xù)生長，雖然這個(gè)研究利用紅掌幼苗為研究對象，但也為辣椒穴盤苗解決取苗爪傷苗問題的探索提供了新的思路和試驗(yàn)方法。

3.2 取苗相關(guān)的物理機(jī)械特性研究

科研工作者除了對全自動移栽機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與理論研究之外，還對移栽機(jī)作業(yè)對象的物理機(jī)械特性和生物學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

為了獲得穴盤苗基質(zhì)的力學(xué)特性參數(shù)，任志端等[29]研究了穴盤苗缽體抗壓特性，獲得穴盤苗缽體的壓縮特性規(guī)律。其次，對穴盤苗含水率、基質(zhì)配比、夾取速度對基質(zhì)破損率之間的影響進(jìn)行研究，得到對缽苗基質(zhì)抗壓力的敏感性按大小排序?yàn)椋夯|(zhì)配比>夾持角度>含水率。確定了最適合缽苗夾取式取苗方式的基質(zhì)含水率、基質(zhì)配比、夾持角度等參數(shù)，為辣椒穴盤苗宜機(jī)化移栽提供了理論基礎(chǔ)。

為了獲得與頂出夾取式取苗部件的參數(shù)優(yōu)化和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的理論數(shù)據(jù)，姬江濤等研究了與頂出夾取式取苗方式相關(guān)的苗缽的頂出力和抗壓性能等力學(xué)特性，分析了頂桿直徑、頂出速率等因素對穴盤苗頂出效果的影響。研究對象為番茄，屬于茄果類蔬菜，與辣椒具有一定的共性，對研究辣椒穴盤苗頂出式取苗相關(guān)的力學(xué)特性研究的研究具有一定的借鑒意義。

為了驗(yàn)證番茄夾莖式取苗移栽的可行性，馬曉曉等對番茄莖稈進(jìn)行了拉伸、彎曲、壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)，基于此，通過番茄莖稈物理機(jī)械特性研究，對番茄穴盤苗自動取苗過程中產(chǎn)生的損傷特性規(guī)律有更深入的了解，既有利于掌握番茄穴盤苗這一作用對象的機(jī)理特性，也為番茄夾莖式取苗方式的全自動移栽機(jī)的研究提供了理論數(shù)據(jù)支持，辣椒與番茄在穴盤苗特征上，具有一定的相似性，這一研究為設(shè)計(jì)辣椒夾莖式全自動取苗機(jī)構(gòu)的研究提供了參考。浙江大學(xué)童俊華等[30]為了研究取苗爪抓取苗缽的力學(xué)特性，進(jìn)行各種取苗參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出用萬能試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)壓縮夾持苗缽的測力平臺，如圖4所示，可以直接獲得取苗爪指針對苗缽的夾緊力數(shù)值。為探究取苗爪三指、四指指針對苗缽產(chǎn)生的夾緊力的影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明四指式夾持相比三指式能更好地使苗坨向中心壓縮變形，產(chǎn)生更大的夾緊力，有助于更好的夾取苗缽。這項(xiàng)研究為后續(xù)研究末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供了苗缽測力平臺和理論數(shù)據(jù)支持。

圖4 夾持苗缽測力平臺Fig.4 Force measuring platform with holding seedling pot1.夾持指針 2.裝夾臺機(jī)架 3.直線滑軌 4.直線滑塊 5.受力三角斜塊 6.指針角度固定圈 7.轉(zhuǎn)換架支撐彈簧 8.力方向轉(zhuǎn)換軸承 9.直線軸承光桿移動副 10.垂直施力轉(zhuǎn)化架 11.萬能試驗(yàn)機(jī)受力桿

4 存在問題及發(fā)展建議

4.1 存在問題

1)我國幅員遼闊，地形、氣候差異大，辣椒的種植方式多樣，難以因地制宜研發(fā)出通用機(jī)型。國內(nèi)研發(fā)的辣椒移栽機(jī)械主要是借鑒國外樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，但忽視了我國各個(gè)辣椒產(chǎn)區(qū)的地理位置、種植技術(shù)以及育苗方式之間的差異。我國新疆地區(qū)辣椒種植主要是大田種植，移栽采用覆膜移栽的方式；而南方地區(qū)主要是小田種植，采用旱地移栽的方式。二者對于辣椒穴盤苗移栽機(jī)的功能需求各不相同，無法實(shí)現(xiàn)地區(qū)間的機(jī)具通用，造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。

2)目前，我國推廣使用的移栽機(jī)大多為半自動移栽機(jī)，該機(jī)型工作效率僅為人工移栽的3～5倍，在移栽作業(yè)時(shí)效率相對較低。半自動移栽機(jī)只是實(shí)現(xiàn)了自動栽植的過程，取苗、投苗的過程仍然需要人工去完成，作業(yè)過程需要配備專門的喂苗人員，沒有將勞動力從辣椒移栽環(huán)節(jié)中完全解放出來。

3)我國全自動移栽機(jī)的研制還處于前期階段，還未達(dá)到成熟，在全自動穴盤苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和研制中，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)自動化取苗，但我國缺少育苗規(guī)范、機(jī)械性能等方面標(biāo)準(zhǔn)，造成辣椒育苗品質(zhì)差異，影響到取苗精準(zhǔn)度，甚至導(dǎo)致傷苗、漏苗等情況。目前的研究中缺乏對各種穴盤苗的各項(xiàng)植物表型和力學(xué)等特性進(jìn)行深入研究，在確定夾持方式、設(shè)置拔苗力度、設(shè)計(jì)夾持力度等參數(shù)上的不合理選取，運(yùn)動軌跡和運(yùn)動規(guī)律研究不夠深入，使得穴盤苗在移栽過程中機(jī)構(gòu)互相影響，影響全自動移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。裝備類型方面也存在不夠全面的問題，我國目前對于辣椒全自動移栽機(jī)的研究主要集中于適用于辣椒穴盤苗移栽的機(jī)械，對于辣椒基質(zhì)塊育苗移栽機(jī)械的研究較少。

4.2 發(fā)展建議

1)我國的土壤條件、環(huán)境氣候、積溫條件等因素決定了我國蔬菜種植的多樣性，近些年鄉(xiāng)村振興等相關(guān)政策扶持我國蔬菜產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展工廠化育苗，我國已初步建立了工廠化育苗技術(shù)體系，育苗的規(guī)范化可以為我國辣椒等蔬菜的移栽工作起到輔助作用。早日實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的耕整地技術(shù)、蔬菜種植技術(shù)以及育苗移栽技術(shù)相互配套，擺脫我國農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不配套的現(xiàn)狀。

2)當(dāng)前國內(nèi)的辣椒半自動移栽機(jī)存在著移栽效率低、傷苗、漏苗等問題，成為制約我國半自動移栽機(jī)發(fā)展的主要原因?？蓮慕档蜋C(jī)具的復(fù)雜程度、使用柔性夾持材料、改進(jìn)育苗基質(zhì)等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)，在提升半自動移栽機(jī)技術(shù)含量和移栽效率的同時(shí)，研制出操作簡單、省時(shí)省力的國產(chǎn)化機(jī)型。

3)我國的辣椒穴盤苗全自動移栽機(jī)的發(fā)展趨勢更加趨于取苗、栽植一體化，利用最少的機(jī)構(gòu)去完成整個(gè)移栽過程，在研制過程中，對于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要更加全面的考慮各個(gè)因素的影響。需要對直接接觸的目標(biāo)作物的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行充分的了解，因?yàn)樽鳂I(yè)對象的柔嫩性、不規(guī)則性、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變都會關(guān)系到移栽效率和成功率；在對取送苗裝置設(shè)計(jì)約束條件時(shí)，作業(yè)過程中的目標(biāo)位置要盡可能達(dá)到精準(zhǔn)；在軌跡規(guī)劃上，盡可能做到提高運(yùn)行效率，減少等待時(shí)間，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)行更加順暢，設(shè)置合理的時(shí)間間隔，減少發(fā)生卡苗、漏苗等現(xiàn)象；目前在穴盤苗自動移栽機(jī)的取苗方式的研究中，對于夾缽式的力學(xué)性質(zhì)研究較多，但是缺少對于夾莖式取苗的力學(xué)特性的研究，應(yīng)該多進(jìn)行相關(guān)研究，為夾莖式取苗方式的移栽機(jī)的研制提供更多理論數(shù)據(jù)的支持。未來在開發(fā)和研制過程中，除了要提高移栽效率和移栽質(zhì)量，移栽機(jī)械的研發(fā)也要逐漸與信息技術(shù)、機(jī)器視覺、自動控制等相結(jié)合，逐漸向智能化與信息化方向發(fā)展。