蔬菜穴盤苗自動取苗機構研究進展

劉 洋，何義川 ，韓綠化，李 斌，王士國，董云成，劉向新

（1.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學?，F代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾，843300；2.新疆農墾科學院機械裝備研究所；3.塔里木大學機械電氣化工程學院；4.江蘇大學現代農業裝備與技術教育部重點實驗室）

蔬菜穴盤苗育苗移栽可以避開春季災害性天氣，延長生育期，提高產量和品質，在農業生產中得到應用。機械化移栽蔬菜穴盤苗時，半自動移栽機可以降低勞動強度，但只做到了省力不省工，移栽效率并沒有顯著提高[1]，而自動移栽機可顯著提高移栽效率，減少用工。國外移栽機自動化程度較高，但是與我國的蔬菜種植模式、育苗農藝不相符，我國在移栽機取苗機構、取苗末端執行器的結構上進行了大量研究。本文對相關研究進行綜述，對我國典型地區的蔬菜移栽機使用現狀進行介紹，分析我國蔬菜穴盤苗自動移栽機取苗裝置存在的不足，并對未來開展取苗裝置研究提供思路。

1 自動取苗機構研究現狀

自動取苗機構是自動移栽機的核心部件，按照取苗方式的不同，可以分為夾針式取苗、夾莖式取苗、頂出式取苗和頂出-夾取式取苗。

1.1 夾針式取苗

夾針式取苗爪較為先進的有荷蘭飛梭公司研制的PC-21型溫室穴盤苗自動移栽機，可以實現穴盤苗從高密度盤向低密度盤移栽（圖1）。該機包含氣力驅動取苗爪、自動分苗機構和穴盤輸送裝置，整排8個4針結構取苗爪可以實現12 000～16 800株/h穴盤苗的移栽，移栽效率非常高。日本有多家企業研制了夾針式蔬菜穴盤苗移栽機，如洋馬PF2R型自動移栽機，取苗爪為兩根片狀的夾針，取苗爪由滑槽控制取投苗運動，用一個凸輪控制夾針的張合，該機的移栽速度約45株/min（圖2）。

圖1 PC-21型自動移栽機

圖2 洋馬PF2R型自動移栽機

我國學者對夾針式取苗機構做了大量研究。俞高紅等[2]設計了非圓齒輪旋轉式取苗機構；葉秉良等[3]設計了偏心齒輪-非圓齒輪行星系取苗機構；趙雄等[4]設計了二階非圓齒輪行星系取苗機構；崔巍等[5]設計的二階橢圓行星輪系取苗機構，采用Visual Basic可視化平臺、三維運動仿真軟件優化了結構參數。這些取苗機構借鑒了插秧機的工作原理，但是蔬菜穴盤苗與水稻秧苗的生長結構特點不一樣，導致取苗效率和取苗成功率不高。

李華等[6]研制了基于行星齒輪-滑道組合的夾取式取苗結構，根據取苗機構軌跡曲線模型求解得到機構的初始參數，并以取苗爪夾針長度、夾針開度、取苗速度為試驗因素開展試驗，得出在夾針長度為198 mm，開度為19 mm，取苗頻率為57株/min時，取苗成功率為94.38%（圖3）。胡建平等[7]根據穴盤和投苗杯的位置規劃取苗路徑，設計了門形擺動整排取投苗機構，取苗爪為2指4針結構，整機采用電氣控制驅動。試驗表明，增大移栽速度，取苗成功率降低；128孔穴盤培育的黃瓜苗取苗成功率低于72孔穴盤，主要原因是取苗爪在夾取128孔穴盤苗后容易脫落。謝守勇等[8]設計了一種四桿機構的取苗機構，用2根片狀的取苗爪斜插入苗缽進行取苗，通過實驗得出苗盤傾斜角度為45°時，取投苗效果最佳。

圖3 行星齒輪-連桿組合取苗機構

在取苗爪結構優化方面，王躍勇等[9]以取苗爪形狀、苗缽含水率和苗根系效果為因素進行夾苗試驗。結果表明，取苗爪的形狀和苗缽含水率對取苗完整率影響顯著，U形取苗爪、苗缽含水率50%時苗缽完整率最高。童俊華等[10]以夾針的夾持角、夾針數量、苗缽含水率和穴盤苗長勢為試驗因素，夾緊力為優化目標進行單因素試驗。結果表明，當夾持角度為7°、四針、苗缽含水率為84%、長勢中等以上時，夾針夾取苗缽可以得到穩定上升的夾緊力。以上兩個研究在取苗爪的結構設計方面具有參考價值，但是他們的試驗都是在速度較慢的情況下夾取，而實際上取苗爪是在較快的速度情況下插入并夾取苗缽。

高國華、胡建平等[11-12]設計了斜入式和兩指四針結構、兩針結構的取苗爪，以夾取角度、夾針開度、夾針插入苗缽深度、苗缽含水率等為試驗因素，通過臺架試驗和三維模型測試了夾取力和脫盤力，并通過取苗試驗測試了取苗成功率和苗缽破損率，得到較優的試驗因素組合。通過以上研究可以發現，夾針取苗爪夾取苗缽時苗缽易發生破碎是導致取苗失敗的主要因素，但苗缽破損是從苗缽內部發生的，由于無法弄清苗缽內部的破裂如何發生，導致即使優化了取苗爪的結構和夾取參數，卻始終不能從根本上解決苗缽破損問題。

1.2 夾莖式取苗

謝守勇等[13]用貼有橡膠墊片的探頭對辣椒苗莖進行力學壓縮試驗，得出莖稈抗壓力-變形曲線近似呈線性關系。為保證莖稈夾取時不受損傷，應夾取苗莖高度為16 mm的位置，橡膠墊片之間的夾緊距離為0.51 mm，此時苗莖的抗壓力為8.74 N。李華等[14]提出了斜夾直拔夾莖式取苗方法，基于二階橢圓齒輪行星輪系與凸輪擺桿機構設計了一種夾莖式取苗機構，取苗爪呈片狀。試驗表明，取苗頻率為80株/min時，取苗成功率為92%。張靜等[15]設計了一種移盤、取投苗、分苗、輸送苗都為機械驅動的整排取投苗機構，整排夾莖取苗爪靠凸輪機構驅動取投苗。該取苗機構結構非常復雜，試驗表明，取苗速度由64株/min增大到88株/min時，取投成功率由89.84%降到81.25%。

夾莖式取苗爪存在的主要問題是，穴盤苗枝葉纏繞，取苗時取苗爪易將領近穴孔缽苗一同帶離，造成投苗空穴的現象。特別是對采用1穴2株的穴盤苗，這增大了相鄰穴孔連帶夾苗現象的發生。連帶夾苗和夾傷苗莖是夾莖取苗需要解決的技術難題。

1.3 頂出式取苗

意大利Checchimagli公司研制了頂出取苗方式的自動移栽機，用一排頂桿將硬質泡沫穴盤中的穴盤苗頂出到柔性轉動的苗盒中，每個苗盒內裝載一株苗，苗盒轉動到投苗位置，然后逐個將苗投落到栽植機構中。該機的自動化程度很高，主要是針對裸地移栽（圖4）。王超等[16]針對組合式穴盤，設計了一種氣動下壓自動取苗機構，用頂苗器將穴盤苗從組合式穴盤中向下擠壓出穴盤，掉落到導苗管中。這種組合式穴盤目前使用較少。

圖4 意大利自動移栽機和硬質穴盤

張敏等[17]對一種曲柄滑道連桿式頂苗機構進行了研究，該機構由頂苗機構整排水平頂出穴盤苗，靠穴盤苗自身重力轉換為直立方向落至落苗板，不需配置推苗機構，整機結果簡單。尹大慶等[18]設計了一種杠桿頂出式有序分苗機構，采用連續送苗與杠桿快出頂出的方式進行取苗作業，頂出的玉米缽苗落入到導苗管中。頂出苗后靠苗自由落體進行移栽的機構，拋出后的缽苗存在翻滾、落苗軌跡不可控、落苗位置一致性差的問題。

為了解決上述問題，文永雙等[19]結合頂出式和插入夾持式取苗的特點，設計了一種插入頂出式取苗裝置（圖5），取苗時用一排頂桿將穴盤苗從苗缽中頂出，梳理板對頂出的穴盤苗導向，防止發生偏轉，然后穴盤苗落入帶有苗格的輸送帶上。用72孔穴盤培育的蔬菜穴盤苗進行取苗試驗表明，苗缽含水率為60%，取苗速度為120株/min時，取苗合格率為97.22%。同時指出，穴孔過密的穴盤育苗，穴盤苗莖葉展幅較大的苗和苗之間交叉纏繞，莖葉與梳理板發生摩擦，對取苗性能有影響。

圖5 頂出式取苗裝置

1.4 頂出-夾取式取苗

頂出-夾取式取苗可以分為頂出-夾缽式和頂出-夾莖式。

國外頂出-夾缽式移栽機最具代表的是意大利Ferrari公司生產的FUTURA型全自動移栽機，用整排頂桿將泡沫穴盤中的苗頂出后，用片狀的取苗爪從苗缽兩側夾取，然后投放到柔性連續轉動的苗盒中，配置有監測裝置用于查看空苗盒并進行補苗，電氣化和自動化水平很高（圖6）。

圖6 FUTURA自動移栽機

王蒙蒙等[20]設計了一種曲柄擺桿式夾苗機構，該機構采用逐個取苗的方法將穴盤苗從穴孔中取出，V形取苗爪由復位彈簧提供夾緊力，可以根據苗缽的含水率、苗缽的寬度尺寸調節彈簧的夾緊力和取苗爪的開度。劉大慶等[21]研究了一種基于頂出機構與旋轉式取苗機構配合工作的頂取苗機構，工作時先由頂桿將穴盤苗頂出，取苗爪靠近穴盤時頂桿將苗缽頂入取苗爪，取苗爪夾緊苗缽移動到投苗位置，由取苗爪上的推苗桿將苗缽推離取苗爪。

胡建平等[22]設計了一種頂夾拔組合的取苗裝置，氣缸從穴盤底部將苗缽頂出，同時夾針式取苗爪垂直穴盤上方夾取苗缽，然后氣缸驅動取苗爪擺動到投苗位置，向柔性轉動的投苗盒投苗。用72孔穴盤培育的黃瓜穴盤苗進行取苗試驗，當頂桿頂入位移為15 mm、夾針插入苗缽深度為35 mm，插入取苗速度為225 mm/s時，取苗成功率94.12%，苗缽完整率94.12%，但是該試驗未說明取苗速度。

韓綠化等[23]設計了一種氣吹式穴盤苗缽體松脫裝置，用直線模組移位單元和雙聯氣缸升降單位組合輸送系統，驅動氣嘴從穴盤底部的穴孔排水口逐排頂吹穴盤苗缽體，實現穴盤苗缽體與穴孔壁之間非機械接觸式放松（圖7）。對128孔穴盤培育的黃瓜苗進行氣吹松脫試驗結果表明，當氣嘴回路中氣流噴射壓力控制為0.2 MPa，缽體含水率為55%～60%，黃瓜苗齡為25 d，穴盤苗頂吹作用達到既能將穴盤苗缽體頂松脫離穴孔壁粘附，又最大程度保證缽體完整度的效果。

圖7 氣吹式穴盤苗缽體松脫裝置結構示意圖

在頂取-夾莖取苗研究方面，陳斌等[24]設計了一種曲柄搖桿附加直線氣缸的對置穴盤交替自動取投苗機構，采用兩排取苗爪分別取兩盤穴盤苗，然后由曲柄搖桿將取苗爪移動到分苗裝置并投苗（圖8）。在取苗爪取苗時，采用頂苗桿先從苗盤底部頂苗缽，使苗缽與穴盤孔脫離，然后用片狀的取苗爪夾取苗莖。取苗實驗表明，取苗頻率從70株/min增大到120株/min時，取投苗成功率由96%下降到42%。

圖8 對置穴盤交替自動取投苗機構結構示意圖

2 典型地區蔬菜穴盤苗移栽現狀

新疆是我國加工番茄、工業辣椒種植面積最大的區域，種植面積分別為40.49 khm2和74.09 khm2，目前已經普遍采用育苗移栽技術[25]。新疆加工番茄和工業辣椒都是采用128穴盤育苗，加工番茄采用1穴1株，工業辣椒根據品種不同，線椒、鐵皮椒是1穴1株，板椒是1穴2株。由于氣候不同，新疆的北疆地區在每年的3月初進行育苗，4月底5月初進行移栽。成品苗株高在12～20 cm，根系可以將育苗基質包裹住，取苗時苗缽散坨現象較少。

使用的移栽機械有半自動移栽機和全自動移栽機。半自動移栽機都是吊杯式結構，可以進行膜上成穴栽苗，并配置膜面穴口覆土機構。為了提高半自動移栽機的作業效率，降低勞動強度，在吊杯式栽植機構上配置了多種形式的輔助喂苗機構（圖9a）。目前使用較多的是重慶北卡農業科技有限公司研制的2行移栽機，需要駕駛員、投苗人員、輔助用工共6 人，一臺半自動移栽機移栽效率約0.4～0.53 hm2/d，而人工移栽效率約0.067 hm2/d·人。新疆巴州良佳公司研制的一種自動移栽機，采用夾取苗莖整排取苗，將辣椒苗投落到轉動的投苗杯中，整機采用機械驅動，由凸輪控制夾苗氣缸的動作（圖9b）。該機需要駕駛員、檢查補苗人員、輔助用工共4人，移栽效率并沒有比半自動移栽機顯著提高，只是降低了人工取投苗的勞動強度，且夾苗爪在夾取苗莖時容易傷苗，導致該自動移栽機在新疆并沒有普遍使用。

圖9 新疆應用的移栽機

目前新疆加工番茄和工業辣椒移栽作業，人工、半自動移栽機和全自動移栽機三種使用情況都存在。移栽技術的落后，降低了加工番茄和工業辣椒種植的經濟效益，嚴重制約了新疆加工番茄和工業辣椒產業的發展。

3 蔬菜穴盤苗自動移栽發展分析

3.1 蔬菜穴盤苗自動移栽的現實基礎

（1）移栽種植模式和技術水平多樣。我國地域遼闊，裸地移栽、鋪膜移栽和溫室大棚移栽方式多樣，起壟、平地、窄行株距等移栽模式眾多且規格不一。移栽前土地整備條件、蔬菜穴盤苗育苗質量差異較大。這些因素給自動移栽帶來了很大的難度。

（2）育苗穴盤尺寸不一。穴盤的規格從72穴到288穴不等；相同規格的穴盤，穴盤的長寬相等，但是穴孔的尺寸和底部的漏水孔存在誤差；穴盤邊緣有翻邊加強，不適合彎曲變形。這些都給機械取苗帶來較大的難度。

（3）移栽效率低。目前使用的半自動和全自動移栽機的移栽效率都低于80株/min·行，雖然高于人工移栽，但是機械移栽需要配備輔助用工。機械移栽的使用成本高，導致農戶使用機械移栽的愿望不高[26]。

3.2 蔬菜穴盤苗自動移栽技術發展展望

（1）與宜機化改造深度融合。對與機械移栽相配套的深松、起壟、鋪膜機械進行改進，提供移栽專用整地機械，提高移栽前土地的耕整地水平，為自動移栽提供良好的作業環境，這是提高移栽質量和效率的必要條件。

（2）控制育苗穴盤質量，育苗標準化。提高穴盤的生產質量，穴盤在外形、穴孔尺寸和穴盤塑料厚度等方面保持一致。采用機械裝填育苗基質和播種，嚴格調控溫室育苗的水、肥、光、熱，注重穴盤苗根系發育，使培育的蔬菜穴盤苗易于取苗。

（3）自動取苗裝置智能化。通過對自動取苗機構引進智能控制系統及作業監控，促進取苗技術與機械化、自動化和信息化相融合，進一步提高取苗裝置的易操作性和智能化，使取苗機構的成功率和速度相適應，減少輔助用工。