摘要：為幫助科研人員開闊移栽機(jī)械研發(fā)思路，系統(tǒng)了解溫室穴盤苗移栽機(jī)的研究現(xiàn)狀和存在問題，從 而 查 漏補(bǔ)缺，著力提升我國溫室缽苗機(jī)械化移栽水平。采用文獻(xiàn)綜述和歸納總結(jié)的方法，對國內(nèi)外溫室穴盤苗移栽現(xiàn)狀和代表性裝備進(jìn)行對比，同時(shí)對穴盤苗移栽關(guān)鍵技術(shù)部件研究進(jìn)展進(jìn)行梳理。結(jié) 果 表 明：當(dāng)前我國穴盤苗移栽領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失引起的栽培模式、裝備作業(yè)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等因素的不確定性，導(dǎo)致移栽機(jī)研發(fā)難以為繼;已有裝備功能單調(diào)，智能化程度低，無法自動(dòng)完成缽苗質(zhì)量檢測、分 級、計(jì) 數(shù)、補(bǔ)苗等一機(jī)多用功能;移栽機(jī)設(shè)計(jì)缺乏整體布局規(guī)劃和移栽策略、工藝流程優(yōu)化，致使機(jī)器體積龐大，適 用 性 不 強(qiáng)。針對上述問題提出以下建議：盡快制定溫室穴盤苗移栽標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范行業(yè)發(fā)展;加速以機(jī)器視覺技術(shù)為代表的高新技術(shù)應(yīng)用，提升機(jī)器功能和智能化程度;加 強(qiáng) 移 栽機(jī)整體設(shè)計(jì)和作業(yè)流程優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞 溫室;穴盤苗;移栽機(jī);現(xiàn)狀分析

　　溫室是我國反季節(jié)蔬菜的主要生產(chǎn)方式。2018年全國溫室蔬菜產(chǎn)量占當(dāng)年蔬菜總產(chǎn)量的30%[1]，溫室蔬菜穴盤育苗技術(shù)應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大。與傳統(tǒng)育苗方式相比，穴盤育苗抗逆性強(qiáng)，具有發(fā)芽率高、占地面積小、育苗周期短、便于機(jī)械化統(tǒng)一管理等優(yōu)點(diǎn)[2]。當(dāng)幼苗長到一定程度時(shí)，為滿足其進(jìn)一 步 生長發(fā)育要求，需要將高密度穴盤培育的幼苗移植到低密度穴盤，以縮短作物生長發(fā)育期，錯(cuò)開成熟期，提高產(chǎn)量[3]。人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，栽植質(zhì)量難以保證[4]。這種粗放的生產(chǎn)方式已無法滿足現(xiàn)代育苗工廠作業(yè)精準(zhǔn)化、集約化的發(fā)展要求。另一方面，隨著農(nóng)村人口向城市大量轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺，雇傭成本上升[5]。

　　因此，穴盤苗機(jī)械化移栽是未來的發(fā)展趨勢。國外溫室穴盤苗移栽機(jī)已非常成熟，基于先進(jìn)工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的移栽機(jī)不僅效率高，作業(yè)質(zhì)量穩(wěn)定，適用性強(qiáng)，而且可以對缽苗品質(zhì)進(jìn)行檢測篩選，對移栽數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。相比之下，我國溫室移栽機(jī)發(fā)展起步較晚，但研究熱度不減�？蒲腥藛T先后開展了大量的探索和研發(fā)工作，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但由于作物栽培品種和模式不一，致使移栽機(jī)發(fā)展較為緩慢。本研究擬采用文獻(xiàn)綜述和歸納總結(jié)的方法，對國內(nèi)外現(xiàn)有溫室穴盤苗移栽機(jī)代表性產(chǎn)品和最新研究進(jìn)展進(jìn)行對比，對移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)部件進(jìn)行歸納，分析國內(nèi)移栽機(jī)械當(dāng)前發(fā)展所面臨的主要問題，并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施，以期為科研人員研發(fā)移栽機(jī)提供思路，同時(shí)幫助相關(guān)從業(yè)人員準(zhǔn)確把握移栽機(jī)發(fā)展趨勢，系統(tǒng)了解行業(yè)現(xiàn)狀和存在的問題，從而查漏補(bǔ)缺，提高我國溫室缽苗機(jī)械移栽水平和推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化育苗工廠發(fā)展。

　　1 移栽機(jī)技術(shù)特征

　　1.1 栽機(jī)分類缽苗栽培模式較多，針對不同的栽培模式移栽方法也有差異。溫室生產(chǎn)中采用機(jī)械化移栽的缽苗按照不同栽培方式主要分為基質(zhì)培種苗、水培種苗、扦插無根苗以及組培種苗等[6]�；�質(zhì)培種苗在不同規(guī)格的穴盤中培育，一般基質(zhì)由泥炭、蛭石和珍珠巖等組成，這種方式更接近大田種苗生長環(huán)境，取苗器通常需要插入基質(zhì)塊進(jìn)行取苗。水培種苗則利用專用的定植籃或海綿將種苗固定在栽培板上，通過板下的營養(yǎng)液進(jìn)行培育，移栽時(shí)需要設(shè)計(jì)特殊的取苗器抓取定植籃。近年來，無性繁殖育苗在種苗生產(chǎn)中的規(guī)模不斷發(fā)展壯大。無性繁殖主要指扦插、嫁接及組織培養(yǎng)。扦插苗有一個(gè)非常大的特點(diǎn)，即幼苗均是不帶基質(zhì)的裸苗。對于裸苗而言，直接觸碰柔嫩苗體極易造成損傷，這給機(jī)械夾持、移載作業(yè)帶來挑戰(zhàn)。為此國外有公司研發(fā)了一種可降解的扦插苗條帶，人工剪下苗后扦插在條帶上，然后通過機(jī)械進(jìn)行移 栽，這種扦插苗條帶方便運(yùn)輸和計(jì)數(shù)。

　　組培苗是指對植物組織進(jìn)行培養(yǎng)，使其通過部分組織再生出完整植株的過程。瓊脂常被用來作為組培基質(zhì)，這種苗對移栽機(jī)的要求更高，作業(yè)動(dòng)作需要十分輕盈。按照移栽穴盤孔數(shù)區(qū)分，移栽機(jī)有多穴-多穴和多穴-單穴2種。多穴-多穴一般指將高密度穴盤培育的缽苗移植到具有低密度孔穴的穴盤繼續(xù)培養(yǎng)。而多穴-單穴指將高密度的缽苗移植到單孔容器中，主要針對盆栽花卉生產(chǎn)和移栽。按照取苗器數(shù)量不同移栽機(jī)可分為2種：一種是單個(gè)取苗器每次只移栽單株缽苗;另一種則由整排取苗器同時(shí)對多株缽苗進(jìn)行移栽[7]。

　　1.2 苗移栽過程盡管缽苗栽培模式多種多樣，目前基質(zhì)培種苗依舊在市場上占比最大，絕大部分移栽機(jī)也是針對基質(zhì)苗研發(fā)的[8]。以基質(zhì)種苗為例，常見針式 移 栽機(jī)作業(yè)過程可分解為8個(gè)關(guān)鍵步驟：

　　1)根據(jù)缽苗空間坐標(biāo)驅(qū)動(dòng)取苗器移動(dòng)到供苗穴盤及靶標(biāo)缽苗正上方的預(yù)定位置;2)取苗器下降直至其貼近基質(zhì)表面;3)末端的鋼針伸出并插入基質(zhì)塊內(nèi)部;4)整個(gè)取苗器開始上升，完成取苗動(dòng)作;5)取苗器移動(dòng)到目標(biāo)穴盤及靶標(biāo)孔穴正上方的特定位置;6)取苗器下降將缽苗精準(zhǔn)投放到靶標(biāo)孔穴中;7)鋼針縮回，利用針筒端面的反推力將基質(zhì)塊從針上捋下，完成缽苗釋放動(dòng)作;8)取苗器上升，移動(dòng)到下一個(gè)待移栽的缽苗上方。如此重復(fù)1)～8)步驟。移栽過程中，取苗器的移動(dòng)路徑需要根據(jù)機(jī)器布局、穴盤位置、缽苗生長狀況等因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化，一方面可以縮短路徑長度，提高效率;另一方面能夠避免其與缽苗和機(jī)器部位發(fā)生碰撞。

　　1.3 栽質(zhì)量評價(jià)方法

　　目前，有關(guān)溫室缽苗移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量評價(jià)尚無國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。已有研究中對于移栽機(jī)的質(zhì)量評價(jià)主要集中在移栽合格率、幼苗損傷率、基質(zhì)破損率、移栽倒伏率、取苗成功率、成活率等指標(biāo)。這些報(bào)道中，針對一些指標(biāo)的評判標(biāo)準(zhǔn)也有差異，例如基質(zhì)破損程度因主觀因素影響每個(gè)文獻(xiàn)中判斷結(jié)果有所不同。相對而言，大田蔬菜幼苗移栽質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較 為 完 善。DB36/T1360—2020《茄果 類 蔬 菜機(jī)械化移栽作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定了茄果類蔬菜大田機(jī)械化移栽的漏載率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等術(shù)語，并指明了作業(yè)要求，檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。地方標(biāo)準(zhǔn) DB62/T2974—2019《蔬菜移栽機(jī) 作業(yè)質(zhì)量》[10]針對導(dǎo)苗管式移栽機(jī)和鉗夾式、鏈 夾 式移栽機(jī)的立苗率、埋苗率、傷苗率、露苗率、漏栽率等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。由此可見，溫室缽苗移栽質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)亟需頒布，以指導(dǎo)行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

　　2 國內(nèi)外溫室缽苗移栽發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1 外移栽機(jī)械現(xiàn)狀

　　國外溫室缽苗移栽機(jī)研究起步較早，最早的報(bào)道始于美國普渡大學(xué)的 Kutz[11]。早期移栽機(jī)通常以工業(yè)機(jī)器人為主體，通過安裝不同的末端執(zhí)行器完成移栽作 業(yè) 任 務(wù)。90年代 初，日 本、英 國 一 些 院校針對穴盤苗和組培苗移植技術(shù)展開研究[12-13]。21世紀(jì)初荷蘭設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)企業(yè) Visser、TTA 等公司開始 生 產(chǎn) 穴 盤 苗 移 植 機(jī) 械。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐洲目前已涌現(xiàn)出 Flier、Ubinati和 Tea等一批設(shè)施移栽機(jī)生產(chǎn)企業(yè)。在功能方面，這些移栽機(jī)已由簡單的缽苗移植、剔苗、補(bǔ)苗向分級移植和裸苗移植等方向擴(kuò)展。

　　同時(shí)為滿足多元化的機(jī)械移植作業(yè)要求，一些輔助裝置，例如紙缽苗、塑料穴盤、可降解扦插苗條帶等得到了長足的發(fā)展，這不僅提高了移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且?guī)��?dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)升級。隨著機(jī)器視覺等最新工業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，近年來這些移栽機(jī)智能化程度明顯提升，可通過觸摸屏完成數(shù)據(jù) 監(jiān) 測，作 業(yè) 參 數(shù) 設(shè) 置 及 故 障 診 斷。美 國 的AgriNomix 公 司 研 發(fā) 的 RW2100Twin 移 栽 機(jī)每小時(shí)可移栽6.1萬株 苗。這 款 裝 備 雙臂同時(shí)移栽，種植 深 度 和 穴 盤 高 度 可 調(diào)，同 時(shí) 能 針對5個(gè) 穴 盤 進(jìn) 行 作 業(yè)[14]。意 大 利 UrbinatiS.r.l.公司研發(fā) 的 RW64 移 栽 機(jī) 作 業(yè) 效 率 為5.6萬株/h，該機(jī)多個(gè)電動(dòng)取苗器采用獨(dú)立無線控制方式，可雙排同時(shí)移栽，并通過觸摸屏能進(jìn)行機(jī)器編程和自我診斷[15]。

　　荷蘭老牌設(shè)施農(nóng)業(yè)裝備公司眾多，其設(shè)施園藝相 關(guān) 技 術(shù) 也 處 于 世 界 領(lǐng) 先 地 位。Visser HortiSystems公司自1967年以來，一直聚焦于園藝苗圃作業(yè)機(jī)器和生產(chǎn)線的研究與設(shè)計(jì)。其生產(chǎn)的 Pic-O-MatVision移栽機(jī)基于視覺系統(tǒng)可以剔除穴盤中的空穴 和 品 質(zhì) 差 的 苗，保 證 移 栽 苗100%優(yōu)質(zhì)，每小時(shí)最 多 可 移 栽1.92萬株 缽 苗[16]。

　　針對 扦插苗機(jī)械化移栽的廣泛需求，Visser公司研發(fā)了一種可降解 AutoStix? 插條。這種插條使用時(shí)人工將剪下的苗扦插在條帶上，然后通過 AutoStix移栽機(jī)切下條帶單體并進(jìn)行移植，插條能夠無損夾持不同莖稈粗細(xì)的缽苗，還能促進(jìn)幼苗生根，移栽效率為1.2萬株/h[17]。TTA 公司創(chuàng)立 于1996年，開發(fā) 了 多 款 缽 苗 移栽機(jī)，其中 MidiVision視覺選苗移栽機(jī)作業(yè)效率為0.5～4萬株/h。該裝備移栽時(shí)能夠自動(dòng)跳過空 穴，極 大 降 低 了 漏 栽 率[18]。除 了 土 壤 基 質(zhì)外，瓊脂常被用來作為基質(zhì)對植物組織進(jìn)行培養(yǎng)，使其通過部分組織再生出完整植株。

　　組培苗生長后期需要將其移栽到穴盤或盆中，幫助植物發(fā)育出更繁茂的根系。TTA 公司針對瓊脂較軟、不易抓取的特點(diǎn)開發(fā)了 MidiFlat移栽機(jī)，針對組培植物該裝備作業(yè)效率為1.5萬株/h[19]。除了上述代表性的移栽機(jī)以外，本研究還針對國外其他移栽裝備的關(guān)鍵參數(shù)及性能特征進(jìn)行對照。這些裝備無論在作業(yè)質(zhì)量、效 率，還是在功能、機(jī)器設(shè)計(jì)等方面都十分成熟。同時(shí)，價(jià)格也很昂貴，對于國內(nèi)中小型設(shè)施蔬菜生產(chǎn)企業(yè)而言難以承受其引進(jìn)成本。此外，這些機(jī)器都是按照國外的設(shè)施種植模式和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法適應(yīng)國內(nèi)溫室缽苗移栽場景。

　　2.2 內(nèi)移栽機(jī)械現(xiàn)狀

　　我國大田移栽機(jī)械研究開展相對較早，20世紀(jì)60年代就成功研制了裸根苗插秧機(jī)，經(jīng)過幾十年發(fā)展，大田缽苗移栽裝備相對成熟，已有一定程度的推廣和應(yīng)用[20]。但溫室缽苗移栽機(jī)起步較晚，20世紀(jì)90年 代 初 國 內(nèi) 才 開 始 相 關(guān) 機(jī) 械 的 研 究。1991—1999年，吉林工業(yè)大學(xué)范云翔等[21]針對空氣整根營養(yǎng)缽育苗開展了一系列研究，包括穴盤設(shè)計(jì)、播種裝置和移栽裝置的研發(fā)。2000年以后，國內(nèi)出現(xiàn)了一批具有龍門架式結(jié)構(gòu)的溫室穴盤苗移栽機(jī)[22]，其中典型代表為2005年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)強(qiáng)麗慧等[23]設(shè)計(jì)的生菜自動(dòng)移栽機(jī)。

　　近些年，移栽機(jī)發(fā)展速度明顯變快。2012年，北京智能農(nóng)業(yè)裝備研究中心馮青春等[24]研制了一種基于三坐標(biāo)平移串聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的花卉幼苗自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)基于視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幼苗和空穴的識別，然而機(jī)器仍以人工移栽和半自動(dòng)移栽為主。半自動(dòng)移栽需要人工進(jìn)行取苗、喂苗，移栽機(jī)僅完成自動(dòng)移植動(dòng)作;全自動(dòng)移栽機(jī)在半自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上增加了自動(dòng)供苗、取苗、送苗和收盤等機(jī)構(gòu)[25]。2007—2017年，浙江大學(xué)童俊華等[26]研發(fā)了一款帶有視覺檢測功能的溫室缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)流水線產(chǎn)品，可實(shí) 現(xiàn) 劣 質(zhì) 苗 識 別 并 將 其 剔 除。江蘇大 學(xué) 周 昕[27]2019年基 于 RGB-D 相機(jī) 提 出 穴盤苗智能檢測方案和智能分選-移栽-補(bǔ)栽一體機(jī)整體方案 ，所 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 器 當(dāng) 移 栽 循 環(huán) 為1000 次/h時(shí)作 業(yè) 效 果 最 佳，補(bǔ) 栽 后 成 苗 率 達(dá) 到99.33%，對應(yīng)的換盤移栽效率為5000株/h。

　　上述探索為溫室穴盤苗移栽機(jī)的研發(fā)積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，但與國外移栽技術(shù)相比依舊存在較大差距。其原因主要在于國內(nèi)設(shè)施園藝裝備總體發(fā)展起步晚，技術(shù)積累薄弱。同時(shí)溫室種植模式因缺乏相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)而差異明顯，導(dǎo)致裝備開發(fā)難以推進(jìn)。另外，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合欠佳，種植方對移栽技術(shù)要領(lǐng)不了解，非標(biāo)準(zhǔn)化的種植模式和栽培裝置無法適應(yīng)機(jī)械化移栽要 求;而移栽機(jī)生產(chǎn)方對溫室種植現(xiàn)狀缺乏全面調(diào) 研 和 理 解，大 部 分 裝 備 是 根 據(jù) 某 一 具 體生產(chǎn)流程 和 模 式 定 制 的，產(chǎn) 品 難 以 推 廣 至 其 他 種植企業(yè)，因此研發(fā)、推 廣 積 極 性 不 足。這 些 因 素 嚴(yán)重阻礙了我國溫室 穴 盤 苗 移 植 技 術(shù) 發(fā) 展 和 裝 備 的升級。

　　3 移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　成熟的移栽機(jī)是集上苗、移栽、取苗等功能于一身的流水線產(chǎn)品。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，上苗和取苗工藝很容易實(shí)現(xiàn)，通過輸送帶、傳感器、PLC控制器即可完成穴盤的精準(zhǔn)定位和運(yùn)輸。相比之下，作為移栽對象的幼苗具有易損傷和難抓取的特點(diǎn)，移栽機(jī)構(gòu)柔性作業(yè)的同時(shí)還要保證效率，因此在整個(gè)移栽機(jī)研發(fā)中移栽部件和工藝是難點(diǎn)，這一步驟的關(guān)鍵技術(shù)部件包括取苗機(jī)構(gòu)和移栽執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)取苗機(jī)構(gòu)較優(yōu)運(yùn)動(dòng)軌跡，提高作業(yè)質(zhì)量和效率，路徑規(guī)劃也是一個(gè)研究重點(diǎn)。

　　3.1 苗機(jī)構(gòu)取苗機(jī)構(gòu)

　　作為移栽機(jī)的末端執(zhí)行部件，將缽苗從穴盤中拔取出來，夾持，然后在目標(biāo)孔穴中釋放。其設(shè)計(jì)合理性直接影響移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和效率。缺乏科學(xué)論證的取苗機(jī)構(gòu)在抓取過程中容易造成基質(zhì)塊破損和缽苗損傷、移栽過程中缽苗提前掉落或缽苗釋放不流暢等問題。為此，研究人員針對這一關(guān)鍵機(jī)構(gòu)做了大量研究。一般而言，取苗機(jī)構(gòu)分為兩指式和四指式。Wang等[28]提出的兩指式取苗器末端 增 加 了 梯 形 夾 片，并 通 過 EDEM 軟件對夾片形狀和取苗加速度進(jìn)行離散元仿真分析。結(jié)果表明，采用拔苗加速度為0.3m/s2 時(shí)孔穴內(nèi)基質(zhì)殘留最少。但由于抓取平衡性較差，兩指式的取苗器較為少見，國外成熟移栽機(jī)大多采用四指式取苗器。韓綠化 等[29]采用鑷子型兩指四針鉗夾式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種取苗器，兩指末端的夾取針為叉子型，在雙作用微型氣缸作用下4根夾取針伸出并插入基質(zhì)，兩指合攏夾取針夾緊基質(zhì)塊，放苗時(shí)通過橡膠氣囊撐開機(jī)械手指放松夾持，夾取針收縮放苗。

　　上述這些取苗器均采用向上拔取的取苗方式，拔取缽苗時(shí)加持過力大容易造成基質(zhì)塊破損，夾持力過小而又無法順利將缽苗從穴盤中拔出，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)移栽機(jī)構(gòu)移動(dòng)過程中缽苗掉落問題。為解決此問題，王超等[30]設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)下壓式高速“U”型取苗裝置，該裝置以向下剁的方式取苗，可實(shí)現(xiàn)7200株/h的高 速 取 苗 任 務(wù)，但其只能針對非標(biāo)準(zhǔn)的無底穴盤，普適性不強(qiáng)。

　　四指取苗器因其作業(yè)穩(wěn)定性好而被廣泛采用，Choque等[31]設(shè)計(jì)的電動(dòng)四針式取苗器通過舵機(jī)和絲桿結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)移栽針在針筒中完成下降和上升動(dòng)作。針筒上端為鉸連接方式，作業(yè)時(shí)可以向內(nèi)擺動(dòng)引導(dǎo)移栽針夾緊基質(zhì)。該設(shè)計(jì)通過一根螺桿即可控制4根針的動(dòng)作，同步性較好，但通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿來控制鋼針升降速度較慢。為提升移栽機(jī)取苗 速 度，Jiang 等[32]設(shè)計(jì)了原理類似的取 苗 器，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)更改為氣缸驅(qū)動(dòng)，并在取苗器上安裝了傳感器系統(tǒng)來監(jiān)測分析基質(zhì)與孔穴壁的粘附力和取苗時(shí)基質(zhì)所受的擠壓力。試驗(yàn)表明該取苗器的總移植成功率為 100%，根 插 損 傷 率 低 于17%。Jorg等[33]完成了用于蔬菜缽苗移栽的雙指夾和針夾的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測試。這2種取苗器抓取方向與孔穴棱角不平行，移栽試驗(yàn)表明雙指夾和針型指的平均移植成功率分別為95%和81.75%。雖然兩種取苗器類型都不影響移植后幼苗的 生 長，但 兩 指 夾 對 萵 苣 和 菊 苣 更 可 靠。而針夾只適合具有更高硬度和凝聚力的基質(zhì)塊，同時(shí)取苗過程需要借助頂苗器，因此缽苗基質(zhì)塊完整率不高。

　　3.2 栽執(zhí)行機(jī)構(gòu)移栽

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)的另一核心部件，在取苗機(jī)構(gòu)拔取動(dòng)作完成后負(fù)責(zé)缽苗的平穩(wěn)運(yùn)輸。趙雄等[36]設(shè)計(jì)了一種混合驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)花卉 穴 盤 苗 的 單 株 移 栽，并 基 于 遺 傳 算 法 和ADAMS軟件優(yōu)化了機(jī)構(gòu)參數(shù)，該 機(jī) 構(gòu) 移 栽 平 均 成功率為87.16%。并聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 具 有 運(yùn) 動(dòng) 速 度 快、精 度高、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)對高速移栽作業(yè)的需求。周昕等[37]從框架結(jié)構(gòu)、移栽部件及輸送裝置3部分設(shè)計(jì)了一款并聯(lián)移栽機(jī)器人，這款裝置只有一個(gè)取苗機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)黃瓜苗從128孔穴盤到72孔穴盤的移栽。試驗(yàn)表明移栽加速度超過20mm/s時(shí)，缽苗破損 數(shù) 量、掉 落數(shù)量增 加，移 栽 合 格 率 極 大 降 低。為 消 除 這 種 并聯(lián)機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作環(huán)境中由于裝配誤差、柔 性 變形、構(gòu)件質(zhì)量等引 起 的 運(yùn) 動(dòng) 誤 差，科 研 人 員 提 出 了剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué) 模 型，對 并 聯(lián) 機(jī) 構(gòu) 軌 跡 進(jìn) 行 仿 真，然后對其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，平均誤差由7.6mm 降低到1.2mm[38]。

　　Rahul等[39]提出了一種完整的5R2DOF機(jī)電一體化移栽機(jī)械臂用于花盆苗移栽。該機(jī)械臂具有兩個(gè)自由度和五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，文獻(xiàn)重點(diǎn)分析了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理和工作空間。經(jīng)測試，機(jī)械臂從116.6 mm 的 距 離 取 下 缽 苗 時(shí) 耗 時(shí) 2.1～2.4s，最大功耗為20.47W。但是機(jī)械臂只能實(shí)現(xiàn)左右搖擺和 夾 取-松開 動(dòng) 作，無法滿足實(shí)際移栽需求。研究人員在此基礎(chǔ)上采用實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了一種4DOF并行機(jī)械臂，增加 了上下移動(dòng)工作空 間。通過拾取和放置紙盆幼苗測試，得 出 每 個(gè) 幼 苗 操 作 時(shí) 間 為 3.5s，成 功 率 為93.3%[40]。分栽機(jī)構(gòu)是移栽機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的另一特殊形式。通過分栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，使得整排取苗器在取苗時(shí)相鄰間距縮小，與供苗穴盤相鄰孔穴間距一致;在放苗時(shí)取苗器相鄰間距增大，均勻分散，與目標(biāo)穴盤相鄰孔穴間距一致，從而滿足高密度穴盤向低密度穴盤移栽的要求。

　　國外移栽機(jī)大都采用多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，使每個(gè)取苗器作為獨(dú)立個(gè)體實(shí)現(xiàn)分散和聚集位移。這種設(shè)計(jì)每個(gè)取苗器獨(dú)立可控，移栽時(shí)能有效回避空穴，保證移栽質(zhì)量，同時(shí)能進(jìn)行補(bǔ)栽作業(yè)，但成本較高。為適應(yīng)國內(nèi)設(shè)施發(fā)展現(xiàn)狀，節(jié)省機(jī)器成本，絕大多數(shù)分栽機(jī)構(gòu)均采用聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，通過一個(gè)驅(qū)動(dòng)器完成所有取苗器的控制。朱春燕等[41-42]設(shè)計(jì)了一種分配盤，工作時(shí)氣缸推動(dòng)取苗器沿著分配盤上的導(dǎo) 軌 槽 向 下 運(yùn) 動(dòng)，增 大 相 鄰 取 苗 器 間 距。釋放缽苗后，氣缸收縮，取苗器則沿著分配盤導(dǎo)軌槽向上運(yùn)動(dòng)，從而縮小相鄰間距。

　　4 存在問題與應(yīng)對措施

　　4.1 存在的主要問題

　　近幾年國內(nèi)科研人員在溫室穴盤苗移栽機(jī)械方面的研究日益增多，這為行業(yè)的發(fā)展積累了不少數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。盡管如此，國內(nèi)移栽機(jī)在作業(yè)效率、功能等方面與國外裝備相比還存在較大的差距。而引起這些差距的主要原因在于：

　　1)溫室移栽領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)缺乏。檢索相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，LY/T2234—2013《林業(yè) 機(jī)械林業(yè)工廠化育苗育苗穴盤》[63]只規(guī)定了林業(yè)工廠化育苗用穴 盤 的 術(shù) 語、型 號 編 制、試 驗(yàn) 與 檢 驗(yàn) 規(guī) 則等。其中育苗穴盤系列型譜中最多只有128孔，且未對單個(gè)孔穴的尺寸參數(shù)進(jìn)行說明。就移栽作業(yè)質(zhì)量評價(jià)而言，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T3486—2019《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[64]定義了裸地和膜上蔬菜機(jī)械化移栽的幼苗參數(shù)、相關(guān)術(shù)語、作業(yè)條件、行距株距檢測方法和檢驗(yàn)規(guī)則。江西地方標(biāo)準(zhǔn) DB36/T1360—2020《茄果類蔬菜機(jī)械化移栽作業(yè)技術(shù)規(guī)范》[9]規(guī)定了茄果類蔬菜大田機(jī)械化移栽的漏栽率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等術(shù)語，作業(yè)要求，檢驗(yàn)方法和檢驗(yàn)規(guī)則。甘肅地方標(biāo)準(zhǔn) DB62/T2974—2019《蔬菜 移栽機(jī)作業(yè)質(zhì) 量》[10]針對 導(dǎo) 苗 管 式 移 栽 機(jī) 和 鉗 夾 式、鏈夾式移栽機(jī)的立苗率、埋苗率、傷苗率、露苗率、漏栽率等參數(shù)進(jìn)行了規(guī)定。

　　由此可見，我國缽苗移栽領(lǐng)域的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)主要針對林業(yè)或大田作物缽苗移栽技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，而針對溫室穴盤苗移栽的標(biāo)準(zhǔn)仍處于空白狀態(tài)。溫室穴盤苗移栽和大田作業(yè)工況完全不同，裝備差異明顯，已有標(biāo)準(zhǔn)顯然無法適應(yīng)現(xiàn)代溫室的高標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)要求。這就導(dǎo)致目前市場上存在的穴盤尺寸參數(shù)不一，種植模式各異，裝備開發(fā)不規(guī)范、作業(yè)質(zhì)量評價(jià)不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}，致使行業(yè)發(fā)展緩慢。以200孔的穴盤為例，因缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，目前市場上已有產(chǎn)品生產(chǎn)不規(guī)范，四棱臺型的孔穴規(guī)格(上孔尺寸×下孔尺寸×深度)從(23×23)mm×(11×11)mm×40mm、(25×25)mm×(10×10)mm×30mm 到(24×24)mm×(10×10)mm×43mm 都有涉及。

　　4.2 應(yīng)對措施與建議

　　1)制定溫室穴盤苗移栽標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是規(guī)范行業(yè)健康、快速發(fā)展的“風(fēng)向標(biāo)”和“指路燈”。面對溫室穴盤移栽領(lǐng)域穴盤規(guī)格不統(tǒng)一、種植模式多樣等亂象，亟需發(fā)布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一穴盤規(guī)格，規(guī)范術(shù)語名稱、編制型譜、制定技術(shù)參數(shù)。同時(shí)依據(jù)現(xiàn)有行業(yè)、國家、地方標(biāo)準(zhǔn)，制定溫室穴盤育苗、栽培、移栽等過程的詳細(xì)技術(shù)要求，嚴(yán)格規(guī)范移栽機(jī)作業(yè)評價(jià)體系，明確具體的評價(jià)指標(biāo)、試驗(yàn)與檢驗(yàn)規(guī)則等，從而使育苗輔助裝置生產(chǎn)、栽培模式、移栽機(jī)研發(fā)等各項(xiàng)環(huán)節(jié)有章可循。這是促進(jìn)溫室穴盤苗機(jī)械化移栽快速發(fā)展的關(guān)鍵一步。

　　2)加速高新技術(shù)應(yīng)用。先進(jìn)工業(yè)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展為農(nóng)業(yè)裝備注入了新的活力，農(nóng)用無人機(jī)，無人駕駛拖拉機(jī)等智能農(nóng)機(jī)裝備相繼問世。溫室移栽機(jī)研發(fā)時(shí)也有必要借鑒這些高新技術(shù)，從而使其形成一個(gè)集成系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。近年來，機(jī)器視覺技術(shù)因其能夠以非入侵方式對目標(biāo)進(jìn)行檢測，具有無損、實(shí)時(shí)、低成本的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于溫室機(jī) 器 人 路 徑 規(guī) 劃[67]、目 標(biāo) 識 別[68]、病 蟲 害 檢測[69]、果蔬品質(zhì)分級[70]等方面。TTA，Visser等公司基于機(jī)器視覺技 術(shù) 開 發(fā) 的 移 栽 機(jī) 極 大 提 高 了 智能化水平。這些移 栽 機(jī) 可 以 完 成 缽 苗 計(jì) 數(shù)、分 級、剔苗、補(bǔ) 苗、故 障 檢 測 等 功 能。因 此，在 移 栽 機(jī) 研發(fā)方面，應(yīng)建立標(biāo) 準(zhǔn) 化 穴 盤 苗 數(shù) 據(jù) 庫，開 發(fā) 魯 棒 性良好的識 別 算 法，基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)提升機(jī)器智能化水平。

　　3)加強(qiáng)移栽機(jī)整 體 設(shè) 計(jì)。著眼于移栽機(jī)整體設(shè)計(jì)，優(yōu)化 移 栽 工 藝，改 善 移 栽 策 略，注 重 研 究 持續(xù)性和技術(shù)延續(xù) 性。積 極 吸 收 已 有 研 究 中 的 較 優(yōu)技術(shù)方案，攻克未 解 關(guān) 鍵 技 術(shù) 難 題，將 技 術(shù) 點(diǎn) 連 成技術(shù)面。同 時(shí) 根 據(jù) 國 內(nèi) 市 場 現(xiàn) 狀 和 需 求，開 發(fā) 符合國情的移栽機(jī) 器，降 低 成 本，提 高 移 栽 機(jī) 性 能 和效率，以其良好的普適性和較高的性價(jià)比加速推廣與應(yīng)用。

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　　作者：田志偉1，2 馬 偉1* 楊其長1 姚 森1，2 張 梅3 段發(fā)民1 徐海東1，4