旱地移栽機械取苗機構發展現狀與趨勢

黃鳴輝，湯慶，，宋哲文，劉浩，吳洋，朱庭偉

（1.國機重工集團常林有限公司，江蘇常州，213000；2.農業農村部南京農業機械化研究所，江蘇南京，210014）

0 引言

旱地移栽作業屬于勞動密集型，涉及大量的人工勞動和手工操作［1-2］。人工移栽勞動強度大，成本高，耗時，而且相對于機器移栽均勻性差［3-6］。特別是番茄、茄子和辣椒等蔬菜移栽對株距、深度要求高，機器移栽是必然的選擇［7］。移栽機替代人工實現作物移栽具有以下作用［8］：（1）開溝至所需深度；（2）獲得適宜株距；（3）將秧苗垂直栽植在溝或穴中；（4）用足夠的土壤覆蓋秧苗，并將秧苗周圍的土壤壓實。移栽替代直播可以增加作物產量，因為作物在田間的生長期短減少灌溉用水，減少了對肥料、病蟲控制化學品、除草劑和種植的需求［9］。傳統機械移栽往往需要人工取苗、投苗，移栽效率取決于取苗、送苗的時間，因為需要人工喂苗操作導致效率低［10］。

從20 世紀60 年代開始，移栽自動化的需求越來越突 出［11］。HUANG 等［12］和KUIKEN 等［13］最開始研究育苗移栽，并用大的壓縮泥塊和一組刀來切成獨立的幼苗用于機械移栽。自動移栽過程準確、精確和有效，可以獲得高的栽植質量和均勻性［10］。全自動移栽機包括取苗、送苗、栽苗三個過程，取苗是移栽的第一步，也是最重要的一步，取苗質量直接影響最終的秧苗栽植質量。秧苗自動取苗機構是自動移栽機的重要組成部分，用于從秧盤中取苗，并將秧苗放置于種植機構上或直接投到溝中［14］，全程由機構完成，不需要人工參與。

不同的取苗機構適應不同的秧苗以及不同的場景需求，本文總結歸納了6 種典型取苗機構，并比較分析了每種取苗機構的優缺點，提出了取苗機構的研究發展趨勢和前景，對于全自動移栽機的設計研發提供參考。

1 典型取苗機構

1.1 連桿式取苗機構

連桿傳動機構是用鉸鏈、滑道方式，將構件相互連接成的機構，用以實現運動變換和傳遞動力。采用連桿結構的取苗機構可以實現需要的取苗路徑曲線。連桿機構相對簡單，早期的取苗機構大多采用四連桿曲柄搖桿機構［15］。許多學者都對這種結構進行了研究，ERDMAN 等［16］指出，單自由度機構是最常用的形式。NORTON［17］指出，四桿機構應該是首先解決運動控制問題的方法之一。PAUL［18］提出用Newton-Raphson方法求解四桿機構位置問題的非線性方程組。他指出，如果其中一個連桿的長度大于其他3 個連桿的長度之和，四桿機構在物理上是不可能的。HIRSCHHORN［19］指出，在四桿機構中，可以通過反轉獲得不同類型的機構。CHOI 等［20］開發了一個由固定滑槽、主動桿、從動桿、連接桿和滑塊組成的五連桿取苗機構（圖1），用于驅動針式取苗頭將白菜苗從高密度盤（200 株/盤）移栽到低密度盤中。試驗測試顯示，取苗速度超過30 株/min，合格率達到97%。洋馬蔬菜移栽機取苗機構采用的是滑塊固定槽式機構［14］。徐麗明等［21］采用四桿式實現取苗運動，如圖2 所示。將幼苗圖形固定在四桿機構中，然后將曲柄AB 繞點A 旋轉，驅動取苗針插入缽苗來拾取幼苗。當幼苗輸送到導苗管上方時，排苗桿動作取下幼苗放入導苗管中。

圖1 五連桿取苗機構Figure 1 Five–bar seedling pick-up mechanism

圖2 四連桿取苗機構Figure 2 Four–bar seedling pick-up mechanism

丁文芹等［22］結合凸輪、滑槽、齒輪以及連桿開發了滑槽凸輪式取苗機構，如圖3 所示。

圖3 滑槽凸輪式取苗機構Fig.3 Chute-cam seedling pick-up mechanism

行星齒輪Ⅰ分別與中心齒輪、行星齒輪Ⅱ連線的夾角為α，行星輪軸與行星架之間的相位角為β。此外，幼苗夾持器通過連桿固定在行星輪軸上。

在工作中，行星架作為一個驅動連桿繞著中心齒輪的中心旋轉，而行星齒輪4 相反方向兩倍速度旋轉，即ω2＝-2ωH。同時，通過輥子在滑槽中滑動，實現了取苗器的姿態。

1.2 行星齒輪系取苗機構

桿式機構由于占用空間大以及穩定性問題，推廣受到限制，行星齒輪箱提供了良好的重復性，并在較小的空間提供了較高的減速比［23］，能夠更好地實現取苗運動。在行星齒輪系統中，如圖4 所示［24］，固定在行星非圓齒輪組成的行星齒輪系中的一對取苗臂繞中心軸O 旋轉，同時行星架H 相對于行星架以不均勻的速度間歇旋轉。由于這兩個動作的共同作用，取苗臂尖點P 運動軌跡如圖4 所示。通過結構參數優化，可以得到取苗臂最優軌跡［25］。

圖4 行星齒輪系取苗機構Figure 4 Planetary gear seedling pick-up mechanism

趙雄等［26］開發了連續傳動的二階自由非圓齒輪行星輪系取苗機構，以實現取苗爪周期性二次不等幅擺動規律。利用曲線擬合方法構建自由傳動比函數，建立機構不等速傳動的數學模型。如圖5 所示，機構運動中假定行星架作順時針勻速轉動，太陽輪固定不動，行星輪節曲線與太陽輪節曲線相同。太陽輪與中間輪、中間輪與行星輪齒輪嚙合，中間輪與中間輪軸固接，中間輪軸與行星架鉸接，取苗爪與行星輪通過行星輪軸固定連接成一體。取苗爪端點的取苗軌跡如圖6所示。ZUO 等［27］為保證玉米高產穩產推廣玉米移栽技術，開發了非圓齒輪取苗機構，建立了運動學數學模型。通過計算機輔助分析優化軟件優化非圓齒輪的節曲線和結構參數。蔣蘭等［28］采用橢圓齒輪行星輪系分插機構對油菜毯狀苗進行取苗移栽。

圖5 取苗機構初始位置圖Figure 5 Initial position of seedling pick-up mechanism

圖6 取苗機構軌跡圖Figure 6 Trajectory of seedling pick-up mechanism

1.3 氣動式取苗機構

氣動技術的發展，使取苗機構自動化成為了可能。通過氣動技術的應用，促進了取苗機構的發展。氣動技術的應用簡化了取苗機構，節省了空間。通過氣動裝置驅動取苗執行器來完成取苗過程。LUAN 等［29］采用氣動技術開發了一種黃瓜和番茄幼苗的取苗機構，能夠連續完成取苗、送苗，移栽效率達到40 株/min。SYLVESTER 等［30］發明了一種移栽機，它由移栽頭、氣動機械連桿、托架和計算機控制器組成。張詩等［31］開發了一種氣動式取苗機械手，如圖7 所示。

圖7 氣動取苗機構Figure 7 Pneumatic seedling pick-up mechanism

它主要由水平缸，提升缸，下部底座，夾緊缸和末端執行器組成。機械手由缸驅動，缸由PLC 的電磁閥控制。此外，在機械手的下方，用于苗盤運輸的傳送帶有兩條。它們的功能是與機械手一起移栽盆栽秧苗。在工作過程中，PLC 的移動樣本可以到達操縱器的托盤的準確位置，然后在夾緊缸的作用下，操縱器的末端執行器完成抓緊和放松的運動。同時，開發了盆栽秧苗的精確鉗夾和卸料。此外，在ADAMS 的應用下，研究人員分析了合成運動軌跡的運動學仿真，然后確定了氣缸的速度和機械手的合理性。RYU 等［32］開發了一種氣動取苗機構。利用機器視覺技術，判斷葉片方向信息，取苗指根據幼苗的葉片方向旋轉并向下移動到秧苗上方，通過氣缸使取苗指夾住幼苗的根部，并將其從秧盤中拉出，移栽效率30 株/min。TIAN 等［33］介紹了一種簡單實用花卉全自動移栽機，采用氣動技術控制機械手取苗。

1.4 頂桿式取苗機構

為了適應頂出式取苗，對應育秧盤底部需要有孔，SUGGS 等［9］采用針形取苗器進行取苗，取苗器不動，當取苗器移動到秧苗上方，通過秧盤底部頂桿將秧苗推出，正好推向針形取苗器，使取苗器進入秧苗基質塊完成取苗，過程如圖8 所示。取苗效率可以達到180株/min，但在取苗過程中損失了一些根系土壤，導致在取苗過程中幼苗掉落。

圖8 頂桿推出秧苗過程Figure 8 Process of pushing out seedling by top pole

李建橋等［34］開發了頂桿式取苗機構（圖9）。其工作原理是秧苗推動機構的推桿從孔進入秧盤的底部，將育秧盤中的秧苗推出，將幼苗移至所需位置。

圖9 頂桿頂出苗示意圖Figure 9 Schematic diagram of jacking out

在此過程中，平移了托盤，可以推出幾盆苗。該裝置結合氣動系統和機械系統，自動化程度高，工作穩定，提高了蔬菜自動移栽機的移栽效率。該研究可用于避免幼苗莖的損傷。徐玉娟等［35］開發了油菜缽苗移栽機頂桿式取苗機構，采用凸輪機構執行頂苗動作，頂苗頻率為70 株/min，取苗成功率達到95%。

1.5 夾取式取苗機構

YAMANOBE 等［36］提出了一種有效的利用平行顎式抓取器對原始形狀物體進行抓取規劃的方法，成功地將抓取規劃方法應用于平行顎式夾持器對圓柱形罐的抓取。RAHUL 等［37］針對紙缽苗開發了二自由度的機械手，開發了一種完整的單片機邏輯編程技術，使兩個獨立的輸入鏈同時平滑地驅動。在機器人輸入關節軌跡的開始和結束采用拋物線混合，以最小化連續運行時的動態振動。

此外，機器人手臂可以根據速度、移栽效率和各種傳感器的有效性柔性控制。HU 等［38］設計了一種夾持器用于在溫室中對穴盤苗進行移栽。在某些情況下，全器械平行爪鉗是開發的重點。IRWIN［39］開發了一種具有集成的伺服/觸覺感應功能的抓爪，該抓爪具有兩個可互換的平行手指，能夠獨立運動。每個手指獨立提供的力/扭矩信息減少了對工作物體的精確固定要求。HWANG 等［40］使用平行的指形取苗器并配有圓形板，在圓形板上覆蓋海綿材料，避免損傷秧苗苗徑。KUTZ 等［41］將平行顎式夾持器修改為幼苗夾持器，將兩個由鍍鋅金屬板制成的扁平指形取苗器安裝在夾持器上，夾取秧苗。

1.6 移栽取苗機器人

將機器人應用到農業生產中，一直是研究人員的研究熱點，在許多農業領域很早就開始了應用［42］。機器人能夠很好的應用在移栽上，主要因為移栽是重復性動作，不需要復雜的傳感器和控制系統。移栽為勞動密集型產業，勞動力緊缺是普遍問題，機器人的應用可以減少勞動力。

MODEN 等［43］所描述的移栽機在送苗和取苗過程中使用電氣控制。在早期的移栽機為了實現取苗的自動化，使用帶有末端執行器的工業機器人來完成移栽任務。HWANG 等［40］開發了一個5 度自由度的機械手和一個夾持器，并應用于辣椒移栽機，采用8 位微型計算機控制機械手，移栽效率達到6 株/min。KUTZ等［41］采用Puma 560 機器人和一個平行的鉗形夾持器將高密度（392 株/盤）缽苗移植到低密度（36 株/盤）秧盤上，移栽效率11 株/min。TING 等［44-45］使用選擇性柔順裝配機器人手臂（SCARA）型機器人，通過末端執行器垂直接近育苗盤，機器人末端執行器完成完成圖10 中的路徑1-2-3-4，垂直離開育苗盤完成取苗過程。單苗移栽效率達18～23 株/min。

圖10 機器人取苗過程Figure 10 Robot seedling pick-up process

LI 等［46］通過尺寸綜合設計了一種4 自由度SCARA 輕型取送苗并聯機器人。該虛擬機器人的設計可以達到150 次/min 的取苗速度。PANDILOV［47］以及BOURBONNAIS 等［48］得出結論并聯機器人相對于串聯機器人具有很大優勢。LI 等［49］提出了一種利用量化B 樣條曲線生成運動的高速取苗并聯機器人軌跡規劃方法，運動平滑，末端執行器的殘余振動較小。

1.7 取苗機構性能比較

上述6 種取苗機構適應于不同場景，其優缺點見表1。針對的秧苗形態也不一樣，最大取苗速度可達180 次/min。

表1 取苗機構性能比較Table 1 Performance comparison of seedling taking mechanism

2 機器視覺技術在取苗機構上應用

在秧盤中，有些秧苗可能缺失或生長不良。為了提高秧盤育秧的質量，很多學者使用機器視覺系統來監測秧苗引導機械手進行移栽。TAI 等［50］研制了一種機器視覺輔助的自動移栽機。通過機器視覺系統對秧盤空穴進行識別和定位，有利于取苗機構選擇性準確取苗，通過對15 種秧苗的視覺評估，移栽合格率達95%。BEAM 等［51］設計了一種補苗系統，使用機器視覺系統檢查秧苗移栽是否成功，引導一臺自動取苗機構重新取苗移栽。SANDINI 等［52］使用機器視覺基于顏色、體積和三維形狀等來評估要秧盤中秧苗的質量。LING等［53］用機器視覺技術測量番茄幼苗的冠層表明其質量，人工和機器視覺分割的冠層部分邊界測量的冠層面積差異-2.6%～2.3%。FENG 等［54-55］使用機器視覺系統來評估秧苗質量，以實現秧苗的自動分類和后續移栽。TONG 等［56］采用機器視覺技術檢測秧苗狀況，定位空穴和不良秧苗，引導機械手進行秧苗移栽。采用二值圖像中的噪聲去除方法進行了比較，選擇了較為合適的方法。結果表明，識別成功率較高（96.2%）。

3 旱地移栽取苗機構發展趨勢

3.1 現有取苗機構存在問題

現有旱地移栽取苗機構對于多數需要移栽的作物已經實現了機器替人的作用，取苗速度也大大提升。但還仍然存在以下問題：

1）取苗速度仍然需要提升?，F有取苗機構理論取苗速度達到180 次/min，還有提升空間。

2）取苗質量待提升?，F有取苗機構通過夾取秧苗或者基質，秧盤底部頂出秧苗等取苗方式都需要直接與秧苗或者基質接觸，在高速取苗過程易造成損傷。

3）智能化程度需加強。很多全自動移栽機上已經實現了自動化，但距離智能化還有距離。缺少能夠智能識別秧苗狀態調整取苗機構的速度和軌跡等智能系統。

3.2 取苗機構發展趨勢

1）向高速方向發展。通過創新機構形式以及增加智能化等手段可以提高取苗速度，例如農業農村部南京農業機械化研究所針對油菜移栽效率低問題，借鑒了水稻插秧機原理，創新了油菜毯狀苗切塊取苗對縫插栽的移栽方式，取苗速度達到220 次/min，但僅適用于不是嚴格一穴一株的作物。

2）向智能化方向發展。旱地移栽取苗機構總的來說以實現自動化為目的，提高效率降低勞動強度，最終實現智能化。對于同一盤秧苗秧苗狀態對取苗機構的取苗速度、軌跡等參數要求不一樣，可通過檢測秧苗狀態實時調整取苗機構參數，實現高速、低損取苗。

3）農機農藝融合方向發展。取苗機構要與秧盤類型相互匹配，為了實現全自動移栽Nambu 等［57］開發了一種由紙缽連接形成的“紙缽鏈”苗，這種秧苗一般的取苗機構都無法實現高質量取苗移栽。取苗機構對于移栽至關重要，但是對應的育苗技術也同樣重要，機械需要標準的育秧盤［58］不同秧苗型式對應最適合的取苗機構。通過工廠化育秧等配套技術完善以及取苗機構的發展，移栽機的性能和可靠性能夠大大提高。對于移栽作物的產量和推廣移栽機意義重大。

4 結論

1）取苗機構對于移栽自動化，提高作業效率和質量都很重要，針對取苗機構的研究較多，也取得了很多成果。機械式的取苗機構結構簡單，成本低，目前在廣泛使用，但存在取苗不成功的問題，例如夾持式取苗器可以通過夾緊其莖將其拔出，由于秧苗的大小，品質，秧盤中的位置和采摘力的不同，取苗機構的夾緊可靠性不好。為了解決這個問題，頂桿式取苗器用于蔬菜缽苗，損傷較小。但是對育苗盤的水分含量提出了一些要求，而且對秧盤的質量要求很高。

2）機器人取苗機構目前還只適應于固定的溫室作物移栽作業，大田作業環境不受控制［59］，導致行走在不平的土壤表面機具振動，移栽質量不可靠以及影響機具壽命。成熟的取苗機器人都是應用于靜態情況下，從高密度育秧盤中移栽到低密度盤中。研究人員正在開發用于野外應用的自動機器人系統［60］，通過適應大田環境的機器人系統的成熟，移栽機將更加的高效。

3）采用了圖像識別加裝傳感器的方法來識別是否準確取苗，如果未能準確取苗可以重新取苗。如果取苗機構的軌跡合理，則可以拔出秧苗，而不會損傷秧苗根部。但是這些機構相對復雜，有時會發生傷苗現象，而它們的運動穩定性還需要進一步研究。