苗移栽機(jī)自動取投苗裝置的研究與進(jìn)展

楊騰，楊閩，石喬，姚思博，劉劍雄

（1.650504 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.650504 云南省 昆明市 北京航空航天大學(xué)云南創(chuàng)新研究院）

0 引言

隨著生活的持續(xù)改善，人們對農(nóng)經(jīng)類作物的需求呈逐年上升趨勢。與2019 年相比，僅2020 年，我國人均蔬菜消費增長了約12.1%[1]。目前，中國蔬菜育苗移栽的種植面積已高達(dá)4×106hm2、產(chǎn)量突破了2.5 億t[2-3]，但絕大多數(shù)蔬菜苗的移栽仍然采用傳統(tǒng)手工方式進(jìn)行。手工移栽生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大、耗費時間長，造成蔬菜生產(chǎn)成本持續(xù)攀升。為蔬菜生產(chǎn)提質(zhì)增效，國內(nèi)開始逐步應(yīng)用一些簡單的蔬菜苗移栽機(jī)具和半自動機(jī)械，一定程度上開擴(kuò)了人們的眼界，也為解決傳統(tǒng)蔬菜苗移栽提供了很好的途徑。但機(jī)具和半自動移栽仍需人工“取-分-投”苗操作，當(dāng)需要大面積連續(xù)移栽作業(yè)時，人工“取-分-投”苗環(huán)節(jié)不可避免地成為了制約蔬菜生產(chǎn)的瓶頸[4]。使用全自動“取-分-投”苗裝置可大大改善這一被動局面，并兼具減輕作業(yè)強(qiáng)度、提高苗成活率、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點。本文綜述了苗移栽機(jī)自動取投苗裝置的發(fā)展現(xiàn)狀及目前仍然存在的一些問題，并對其發(fā)展做出了展望。

1 自動取投苗裝置

自動取投苗裝置主要采用機(jī)、液、氣驅(qū)動的插入、頂出機(jī)構(gòu)實現(xiàn)自動取投苗[5-7]。由于上述機(jī)構(gòu)的固有局限性，致使其自動取投苗存在一些不可避免的不足，導(dǎo)致“取-分-投”苗過程中幼苗一定程度的損傷、基質(zhì)構(gòu)型不同程度的破壞，嚴(yán)重降低了幼苗成活率。目前，國內(nèi)采用的“取-分-投”苗方式主要以插入夾取投苗式、頂出夾取投苗式、氣吹投苗式等為主[8]。

周梅芳[9]等研究開發(fā)了如圖1 所示的花卉自動“取-分-投”苗裝置，通過可視化平臺對虛擬樣機(jī)進(jìn)行了分析與優(yōu)化，并對物理樣機(jī)進(jìn)行了試驗研究。該裝置利用手爪插入含根基質(zhì)后將幼苗從穴盤中取出，降低了手指對苗莖的損傷，但在花卉葉片過大、基質(zhì)較為松散的情況下，取苗效果降低，而且移栽過程對葉片有一定程度損傷。試驗表明，在較為理想的條件下，該裝置“取-分-投”苗成功率可達(dá)97.27%，平均移栽成功率可達(dá)77.62%，但對含根基質(zhì)的破壞無法避免。

圖1 取苗機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)Fig.1 Active status of seedlings unloading mechanism

針對取苗機(jī)構(gòu)對苗莖造成的損傷，趙勻[10]等研究開發(fā)了如圖2 所示的探入式取投苗裝置，并以計算機(jī)及Visual Basic 6.0 為工具，對其運動軌跡進(jìn)行了優(yōu)化。該裝置利用秧針在取苗階段形成的近似直線軌跡，較好地解決了非探入式取投苗裝置作業(yè)時轉(zhuǎn)角過大等難題，避免了含根基質(zhì)的損傷。該裝置結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本較低，取投苗成功率達(dá)到92%，移栽成功率為85%。

圖2 探入式取苗機(jī)構(gòu)Fig.2 Extensible seedlings unloading mechanism

韓振浩[11]等研究開發(fā)了如圖3 所示的由單側(cè)氣缸驅(qū)動的頂夾組合式取苗裝置。通過建立該裝置的數(shù)學(xué)模型，以頂桿行程為優(yōu)化目標(biāo)，對其進(jìn)行了優(yōu)化，得到了滿足功能要求的最優(yōu)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)解。利用MATLAB 對頂苗裝置中的驅(qū)動軸進(jìn)行仿真，得到其扭矩曲線。用扭矩曲線確定驅(qū)動軸的強(qiáng)度，對頂苗桿驅(qū)動氣缸進(jìn)行了分析，為氣動系統(tǒng)研究提供了依據(jù)。對物理樣機(jī)進(jìn)行試驗，頂苗成功率高于90%，性能良好，但該裝置的動力源較為復(fù)雜。

圖3 頂苗機(jī)構(gòu)Fig.3 Seedling ejecting mechanism

劉衛(wèi)想[12]等研究開發(fā)了如圖4 所示的頂出-夾取式取苗裝置。該裝置主要由頂苗機(jī)構(gòu)、苗爪翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、橫移機(jī)構(gòu)和縱移機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，研究建立了各機(jī)構(gòu)的運動學(xué)模型，通過Visual Studio 對各個機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，獲得了一組最佳的參數(shù)組合。試驗研究表明，該裝置的取苗速度分別為70、110和140 株/min 時，成功率可達(dá)98%，但會對含根基質(zhì)造成一定的損傷，損傷率均高于34%。

圖4 取苗裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Schematic diagram of seedlings unloading device structure

金鑫[13]等研發(fā)了一種頂夾式取苗裝置，通過對取苗機(jī)構(gòu)運動建模的仿真，獲得了一組最佳參數(shù)。以番茄苗為移植對象進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，苗含水率和取苗速度對取苗成功率、基質(zhì)損傷率存在一定影響，其影響如表1 所示。取苗機(jī)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 取頂苗機(jī)構(gòu)Fig.5 Seedling unloading and crank ejector mechanism

表1 含水率、取苗速度對成功率、基質(zhì)損傷率的影響Tab.1 The influence of moisture content and seedling retrieval speed on success rate and substrate loss rate

針對現(xiàn)有間歇式送苗機(jī)構(gòu)工作效率較低等問題，尹大慶[14]等研究開發(fā)了如圖6 所示的玉米苗頂出式分苗裝置。該裝置主要由撥桿、杠桿、壓輪和缽盤驅(qū)動輪構(gòu)成，為使頂桿將苗頂出后快速復(fù)位，撥桿對杠桿的作用時間需控制在很短范圍內(nèi)。試驗研究表明，該裝置分苗有序，頂出時間間隔基本一致，平均誤差小于4.07%，但含水率對幼苗的頂出有一定影響，含水率越高，不能被頂出苗就越多。幼苗移栽成功率為90.4%。

圖6 分苗裝置工作原理圖Fig.6 Working schematic diagram of seedling unloading mechanism

毛罕平[15]等利用空氣噴射原理研發(fā)了如圖7所示的底部氣吹式松脫裝置。該裝置通過氣體射流沖擊力將穴盤中的苗頂松，降低了苗和含根基質(zhì)的損傷。試驗表明，氣流噴射壓力為0.2 MPa、苗含水率為55%～60%時，頂松后苗的完整率高于96%，苗與孔穴實現(xiàn)非機(jī)械式接觸松脫，減小了對含根基質(zhì)的損傷，但整盤苗松脫時間較長，需要48 s。

圖7 氣吹式松脫裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.7 Structure diagrams of loosening mechanism with air blast

針對氣吹式取苗裝置耗能較大、取苗失敗率較高、對幼苗及含根基質(zhì)損傷較大等問題，袁挺[8]等研發(fā)了一款氣吹振動復(fù)合式取苗裝置，利用振動使含根基質(zhì)與穴孔間松脫，穴盤運動到指定位置，氣吹裝置對含根基質(zhì)產(chǎn)生吹力，使幼苗脫離穴盤。試驗表明，在給定條件下，幼苗含水率為55%、振動頻率為36 Hz、吹氣氣壓為0.45 MPa 時，取苗成功率可達(dá)到92%，含根基質(zhì)的損壞率為3.46%，但該裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，實用性較差。

針對現(xiàn)有全自動取投苗裝置的育苗穴盤需要特制、苗排序均勻性較難、漏苗率較高、對含根基質(zhì)損傷較大等一系列問題，郭警偉[16]等基于射流沖擊理論研發(fā)了如圖8 所示的氣吹式取苗裝置。該裝置使用氣動裝置將幼苗從穴盤中吹出，幼苗憑借自身重力和空氣阻力的共同作用下落在輸送帶上，幼苗通過輸送帶送至苗杯。試驗表明，氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa，穴盤角度為70°，穴盤到輸送帶的鉛錘距離為150 mm 時，有序排苗的合格率高于95%，基質(zhì)脫落率為5%，為今后進(jìn)一步優(yōu)化氣吹式落苗裝置有序排苗提供了一定依據(jù)。

圖8 氣吹式取苗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of seedlings unloading mechanism with air blast

針對目前自動取投苗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問題，黨玉功[17]等研發(fā)了一款單自由度四連桿取投苗裝置，通過對幼苗力學(xué)特性進(jìn)行分析，為取苗爪輪廓的確定提供了一定依據(jù)，并對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，減小了取苗過程中對含根基質(zhì)的損壞。試驗研究表明，其取苗成功率約為91%，幼苗破損率為3.13%，投苗成功率達(dá)到97.74%，但該裝置的實用性還有待提高。

賈畢清[18]等研發(fā)了圖9 所示的凸輪-連桿式取投苗裝置。通過對取苗機(jī)構(gòu)運動規(guī)律的分析認(rèn)為，該裝置關(guān)鍵在L 型滑道的性能上，通過形成J→K→L 的運動軌跡，使取苗末端執(zhí)行器垂直于穴盤取投苗，在取投苗點的速度和加速度均為零，取投苗時較為平穩(wěn)。試驗研究表明，取苗頻率為40 株/min 時，取投苗成功率高于90%，但育苗質(zhì)量會影響自動取投苗的成功率。

圖9 凸輪-連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)Fig.9 Cam-link combination pick-up device

俞高紅[19]等研發(fā)了圖10 所示的橢圓-不完全非圓齒輪蔬菜缽苗取苗裝置。為提高效率，該裝置在傳動箱兩側(cè)對稱設(shè)置2 個取苗臂，傳動箱每旋轉(zhuǎn)1 周，可取苗2 次，單行取苗效率高于160 株/min。通過優(yōu)化與動態(tài)仿真，驗證了該取苗裝置的可實現(xiàn)性。與同類旋轉(zhuǎn)式取苗裝置相比，其結(jié)構(gòu)更簡單，但該裝置僅適合于固定行距的經(jīng)濟(jì)作物。

圖10 橢圓-不完全非圓齒輪行星取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.10 Oval-incomplete non-circular gear planetary seedlings taking mechanism structure

孫慧[20]等設(shè)計研發(fā)了如圖11 所示的雙臂式取苗裝置。對導(dǎo)向槽和凸輪-連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，導(dǎo)向槽取苗部分設(shè)計為直線段，可實現(xiàn)垂直取苗，投苗部分設(shè)計可改變投苗姿態(tài)。凸輪-連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計滿足了取投苗速度為零。試驗研究表明，取苗機(jī)構(gòu)的運動軌跡符合要求，在低速取苗條件下，取苗成功率滿足要求；在高速取苗時，機(jī)構(gòu)會出現(xiàn)振動，要滿足高速取苗需進(jìn)一步優(yōu)化，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，協(xié)調(diào)性好，取苗效率較高。

圖11 雙臂式取苗機(jī)構(gòu)Fig.11 Double-arm picking seedling mechanism

綜上所述，插入夾取式取苗裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、取苗較快等優(yōu)點，但取苗容易損傷幼苗葉片，破壞含根基質(zhì)；頂出夾取式取苗效率高、對幼苗的損傷較低，但取苗會損傷含根基質(zhì)，對幼苗的生長造成不利影響；氣力式取苗對幼苗的損傷較小，取苗失敗率低，但增加了一些輔助裝置，增加了取苗裝置的成本。其他幾種形式的取苗裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對零件的精度要求較高，可靠性較低，在國內(nèi)推廣使用較為困難。

2 自動取投苗裝置存在的問題

（1）育苗、取苗等操作不規(guī)范，穴盤的硬度不一、穴盤孔大小和深度等沒有實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，導(dǎo)致穴盤種類較多，在取苗時無法實行精確定位，這些因素將影響育苗技術(shù)和自動取投苗技術(shù)的發(fā)展[15]。

（2）研發(fā)周期長、投入大。從自動取投苗裝置的設(shè)計研發(fā)、虛擬樣機(jī)的繪制，再到物理樣機(jī)的試驗，花費的時間較長。在研發(fā)過程中，需要試驗驗證裝置的可行性并不斷優(yōu)化該裝置，花費的資金較多。

（3）高效自動取投苗裝置缺乏。近年來，國內(nèi)的自動取投苗裝置發(fā)展迅速，各大高校、研究所和農(nóng)機(jī)公司的研究團(tuán)隊發(fā)表的高質(zhì)量論文和獲得的各項專利較多，但大多數(shù)停留在虛擬樣機(jī)和試驗階段，投入到市場的較少，研發(fā)的取投苗裝置只針對一種或幾種蔬菜類幼苗，不具有普適性，取苗過程對含根基質(zhì)和幼苗的損傷較大，取苗效率較低。

3 結(jié)語

制定育苗、取苗的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)目前現(xiàn)有的國家和行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合各地的自然條件，制定詳細(xì)的育苗、取投苗的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為研發(fā)自動取投苗裝置提供一定的依據(jù)。

研發(fā)新的取投苗技術(shù)，積極借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的自動取投苗技術(shù)，了解我國復(fù)雜的氣候特點、蔬菜移栽的農(nóng)藝，總結(jié)現(xiàn)有的自動取投苗裝置的優(yōu)缺點，設(shè)計研發(fā)出結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好、取投苗效率更高，對含根基質(zhì)和幼苗的損傷盡可能小的自動取投苗裝置，運用仿真等手段進(jìn)行結(jié)構(gòu)與功能的優(yōu)化，更好地適應(yīng)我國復(fù)雜氣候環(huán)境下的蔬菜幼苗移栽。