苗移栽机自动取投苗装置的研究与进展

杨腾，杨闽，石乔，姚思博，刘剑雄

（1.650504 云南省 昆明市 昆明理工大学 机电工程学院；2.650504 云南省 昆明市 北京航空航天大学云南创新研究院）

0 引言

随着生活的持续改善，人们对农经类作物的需求呈逐年上升趋势。与2019 年相比，仅2020 年，我国人均蔬菜消费增长了约12.1%[1]。目前，中国蔬菜育苗移栽的种植面积已高达4×106hm2、产量突破了2.5 亿t[2-3]，但绝大多数蔬菜苗的移栽仍然采用传统手工方式进行。手工移栽生产效率低、劳动强度大、耗费时间长，造成蔬菜生产成本持续攀升。为蔬菜生产提质增效，国内开始逐步应用一些简单的蔬菜苗移栽机具和半自动机械，一定程度上开扩了人们的眼界，也为解决传统蔬菜苗移栽提供了很好的途径。但机具和半自动移栽仍需人工“取-分-投”苗操作，当需要大面积连续移栽作业时，人工“取-分-投”苗环节不可避免地成为了制约蔬菜生产的瓶颈[4]。使用全自动“取-分-投”苗装置可大大改善这一被动局面，并兼具减轻作业强度、提高苗成活率、提高生产效率等优点。本文综述了苗移栽机自动取投苗装置的发展现状及目前仍然存在的一些问题，并对其发展做出了展望。

1 自动取投苗装置

自动取投苗装置主要采用机、液、气驱动的插入、顶出机构实现自动取投苗[5-7]。由于上述机构的固有局限性，致使其自动取投苗存在一些不可避免的不足，导致“取-分-投”苗过程中幼苗一定程度的损伤、基质构型不同程度的破坏，严重降低了幼苗成活率。目前，国内采用的“取-分-投”苗方式主要以插入夹取投苗式、顶出夹取投苗式、气吹投苗式等为主[8]。

周梅芳[9]等研究开发了如图1 所示的花卉自动“取-分-投”苗装置，通过可视化平台对虚拟样机进行了分析与优化，并对物理样机进行了试验研究。该装置利用手爪插入含根基质后将幼苗从穴盘中取出，降低了手指对苗茎的损伤，但在花卉叶片过大、基质较为松散的情况下，取苗效果降低，而且移栽过程对叶片有一定程度损伤。试验表明，在较为理想的条件下，该装置“取-分-投”苗成功率可达97.27%，平均移栽成功率可达77.62%，但对含根基质的破坏无法避免。

图1 取苗机构工作状态Fig.1 Active status of seedlings unloading mechanism

针对取苗机构对苗茎造成的损伤，赵匀[10]等研究开发了如图2 所示的探入式取投苗装置，并以计算机及Visual Basic 6.0 为工具，对其运动轨迹进行了优化。该装置利用秧针在取苗阶段形成的近似直线轨迹，较好地解决了非探入式取投苗装置作业时转角过大等难题，避免了含根基质的损伤。该装置结构简单，生产成本较低，取投苗成功率达到92%，移栽成功率为85%。

图2 探入式取苗机构Fig.2 Extensible seedlings unloading mechanism

韩振浩[11]等研究开发了如图3 所示的由单侧气缸驱动的顶夹组合式取苗装置。通过建立该装置的数学模型，以顶杆行程为优化目标，对其进行了优化，得到了满足功能要求的最优空间结构参数解。利用MATLAB 对顶苗装置中的驱动轴进行仿真，得到其扭矩曲线。用扭矩曲线确定驱动轴的强度，对顶苗杆驱动气缸进行了分析，为气动系统研究提供了依据。对物理样机进行试验，顶苗成功率高于90%，性能良好，但该装置的动力源较为复杂。

图3 顶苗机构Fig.3 Seedling ejecting mechanism

刘卫想[12]等研究开发了如图4 所示的顶出-夹取式取苗装置。该装置主要由顶苗机构、苗爪翻转机构、横移机构和纵移机构等构成，研究建立了各机构的运动学模型，通过Visual Studio 对各个机构进行了参数优化，获得了一组最佳的参数组合。试验研究表明，该装置的取苗速度分别为70、110和140 株/min 时，成功率可达98%，但会对含根基质造成一定的损伤，损伤率均高于34%。

图4 取苗装置结构简图Fig.4 Schematic diagram of seedlings unloading device structure

金鑫[13]等研发了一种顶夹式取苗装置，通过对取苗机构运动建模的仿真，获得了一组最佳参数。以番茄苗为移植对象进行了试验研究，结果表明，苗含水率和取苗速度对取苗成功率、基质损伤率存在一定影响，其影响如表1 所示。取苗机构示意图如图5 所示。

图5 取顶苗机构Fig.5 Seedling unloading and crank ejector mechanism

表1 含水率、取苗速度对成功率、基质损伤率的影响Tab.1 The influence of moisture content and seedling retrieval speed on success rate and substrate loss rate

针对现有间歇式送苗机构工作效率较低等问题，尹大庆[14]等研究开发了如图6 所示的玉米苗顶出式分苗装置。该装置主要由拨杆、杠杆、压轮和钵盘驱动轮构成，为使顶杆将苗顶出后快速复位，拨杆对杠杆的作用时间需控制在很短范围内。试验研究表明，该装置分苗有序，顶出时间间隔基本一致，平均误差小于4.07%，但含水率对幼苗的顶出有一定影响，含水率越高，不能被顶出苗就越多。幼苗移栽成功率为90.4%。

图6 分苗装置工作原理图Fig.6 Working schematic diagram of seedling unloading mechanism

毛罕平[15]等利用空气喷射原理研发了如图7所示的底部气吹式松脱装置。该装置通过气体射流冲击力将穴盘中的苗顶松，降低了苗和含根基质的损伤。试验表明，气流喷射压力为0.2 MPa、苗含水率为55%～60%时，顶松后苗的完整率高于96%，苗与孔穴实现非机械式接触松脱，减小了对含根基质的损伤，但整盘苗松脱时间较长，需要48 s。

图7 气吹式松脱装置结构简图Fig.7 Structure diagrams of loosening mechanism with air blast

针对气吹式取苗装置耗能较大、取苗失败率较高、对幼苗及含根基质损伤较大等问题，袁挺[8]等研发了一款气吹振动复合式取苗装置，利用振动使含根基质与穴孔间松脱，穴盘运动到指定位置，气吹装置对含根基质产生吹力，使幼苗脱离穴盘。试验表明，在给定条件下，幼苗含水率为55%、振动频率为36 Hz、吹气气压为0.45 MPa 时，取苗成功率可达到92%，含根基质的损坏率为3.46%，但该装置结构较为复杂，实用性较差。

针对现有全自动取投苗装置的育苗穴盘需要特制、苗排序均匀性较难、漏苗率较高、对含根基质损伤较大等一系列问题，郭警伟[16]等基于射流冲击理论研发了如图8 所示的气吹式取苗装置。该装置使用气动装置将幼苗从穴盘中吹出，幼苗凭借自身重力和空气阻力的共同作用下落在输送带上，幼苗通过输送带送至苗杯。试验表明，气体压强为0.6 MPa，穴盘角度为70°，穴盘到输送带的铅锤距离为150 mm 时，有序排苗的合格率高于95%，基质脱落率为5%，为今后进一步优化气吹式落苗装置有序排苗提供了一定依据。

图8 气吹式取苗装置结构图Fig.8 Structure diagram of seedlings unloading mechanism with air blast

针对目前自动取投苗装置结构复杂、成本高等问题，党玉功[17]等研发了一款单自由度四连杆取投苗装置，通过对幼苗力学特性进行分析，为取苗爪轮廓的确定提供了一定依据，并对相关参数进行了优化，减小了取苗过程中对含根基质的损坏。试验研究表明，其取苗成功率约为91%，幼苗破损率为3.13%，投苗成功率达到97.74%，但该装置的实用性还有待提高。

贾毕清[18]等研发了图9 所示的凸轮-连杆式取投苗装置。通过对取苗机构运动规律的分析认为，该装置关键在L 型滑道的性能上，通过形成J→K→L 的运动轨迹，使取苗末端执行器垂直于穴盘取投苗，在取投苗点的速度和加速度均为零，取投苗时较为平稳。试验研究表明，取苗频率为40 株/min 时，取投苗成功率高于90%，但育苗质量会影响自动取投苗的成功率。

图9 凸轮-连杆组合式取苗机构Fig.9 Cam-link combination pick-up device

俞高红[19]等研发了图10 所示的椭圆-不完全非圆齿轮蔬菜钵苗取苗装置。为提高效率，该装置在传动箱两侧对称设置2 个取苗臂，传动箱每旋转1 周，可取苗2 次，单行取苗效率高于160 株/min。通过优化与动态仿真，验证了该取苗装置的可实现性。与同类旋转式取苗装置相比，其结构更简单，但该装置仅适合于固定行距的经济作物。

图10 椭圆-不完全非圆齿轮行星取苗机构结构Fig.10 Oval-incomplete non-circular gear planetary seedlings taking mechanism structure

孙慧[20]等设计研发了如图11 所示的双臂式取苗装置。对导向槽和凸轮-连杆机构进行了设计，导向槽取苗部分设计为直线段，可实现垂直取苗，投苗部分设计可改变投苗姿态。凸轮-连杆机构的设计满足了取投苗速度为零。试验研究表明，取苗机构的运动轨迹符合要求，在低速取苗条件下，取苗成功率满足要求；在高速取苗时，机构会出现振动，要满足高速取苗需进一步优化，该装置结构简单，协调性好，取苗效率较高。

图11 双臂式取苗机构Fig.11 Double-arm picking seedling mechanism

综上所述，插入夹取式取苗装置具有结构简单、取苗较快等优点，但取苗容易损伤幼苗叶片，破坏含根基质；顶出夹取式取苗效率高、对幼苗的损伤较低，但取苗会损伤含根基质，对幼苗的生长造成不利影响；气力式取苗对幼苗的损伤较小，取苗失败率低，但增加了一些辅助装置，增加了取苗装置的成本。其他几种形式的取苗装置结构复杂、对零件的精度要求较高，可靠性较低，在国内推广使用较为困难。

2 自动取投苗装置存在的问题

（1）育苗、取苗等操作不规范，穴盘的硬度不一、穴盘孔大小和深度等没有实现标准化，导致穴盘种类较多，在取苗时无法实行精确定位，这些因素将影响育苗技术和自动取投苗技术的发展[15]。

（2）研发周期长、投入大。从自动取投苗装置的设计研发、虚拟样机的绘制，再到物理样机的试验，花费的时间较长。在研发过程中，需要试验验证装置的可行性并不断优化该装置，花费的资金较多。

（3）高效自动取投苗装置缺乏。近年来，国内的自动取投苗装置发展迅速，各大高校、研究所和农机公司的研究团队发表的高质量论文和获得的各项专利较多，但大多数停留在虚拟样机和试验阶段，投入到市场的较少，研发的取投苗装置只针对一种或几种蔬菜类幼苗，不具有普适性，取苗过程对含根基质和幼苗的损伤较大，取苗效率较低。

3 结语

制定育苗、取苗的统一标准，依据目前现有的国家和行业的相关标准，结合各地的自然条件，制定详细的育苗、取投苗的技术标准，为研发自动取投苗装置提供一定的依据。

研发新的取投苗技术，积极借鉴国内外先进的自动取投苗技术，了解我国复杂的气候特点、蔬菜移栽的农艺，总结现有的自动取投苗装置的优缺点，设计研发出结构简单、可靠性好、取投苗效率更高，对含根基质和幼苗的损伤尽可能小的自动取投苗装置，运用仿真等手段进行结构与功能的优化，更好地适应我国复杂气候环境下的蔬菜幼苗移栽。