方 芹，肖名濤，孫松林，劉 奇，陳 斌

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展， 城市化范圍擴大，工業(yè)、商業(yè)、住房占地面積日益增加，人均可耕地面積正逐年減少，農(nóng)村勞動力流失嚴(yán)重，而市場對糧食和經(jīng)濟(jì)作物的需求總量卻日漸增加，農(nóng)作物產(chǎn)量可持續(xù)增長成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要難題[1]。目前，我國由于缺乏土地資源與勞動力資源，難以依靠增加耕種面積來大幅度提升作物產(chǎn)量，只能采取品種改良和推廣新農(nóng)藝等方法提高作物產(chǎn)量[2-3]。而作物移栽能夠充分利用光熱資源，提升復(fù)種指數(shù)和作物的單產(chǎn)，具有對天氣的補償作用和使作物生長提前的綜合效益，是我國提升作物產(chǎn)量的重要手段[4-6]。過去，農(nóng)民移栽作物時大部分工作環(huán)節(jié)都是依靠人力完成，導(dǎo)致工作強度大、勞動力需求大、作業(yè)效率低、被移栽作物的產(chǎn)量低；目前，國內(nèi)廣泛使用的是半自動移栽機，作業(yè)時靠人工送苗，作業(yè)效率仍然不高、勞動力需求仍然較大、機械化效益較低，很難達(dá)到現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)模化生產(chǎn)的目標(biāo)；未來，全自動移栽機是必然發(fā)展趨勢。缽苗移栽技術(shù)發(fā)展的重點是提高移栽效率、節(jié)約勞動力資源。隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)勞動力大量轉(zhuǎn)移和可耕土地資源緊缺的背景下，傳統(tǒng)的農(nóng)機具已不足以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求，因此研究全自動移栽機成為缽苗移栽技術(shù)發(fā)展的重中之重。

為了解決自動移栽機人工送苗裝置存在的一系列難題，研究缽苗移栽機自動送苗裝置是大勢所趨。自動送苗裝置是自動移栽機的重要組成部分，可將缽苗精準(zhǔn)地移到取苗位置，在取苗機構(gòu)將缽苗取出后自動移動缽苗盤并等待取苗機構(gòu)進(jìn)行下一次取苗。送苗裝置的設(shè)計對移栽機的工作效率、移栽質(zhì)量以及勞動成本有很大的影響[7]。自動送苗裝置對缽苗移栽機作業(yè)機械化水平的提高乃至現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。本項目組對國內(nèi)外現(xiàn)有的缽苗移栽機自動送苗裝置進(jìn)行了研究和分析，以便于下一步開展缽苗移栽機自動送苗裝置的設(shè)計與試驗。

1 缽苗移栽機自動送苗裝置的類型

目前，缽苗移栽機自動送苗裝置的分類根據(jù)取苗裝置差異而定，按驅(qū)動模式和定位系統(tǒng)的不同主要分為機械驅(qū)動及定位、機電氣控制及定位、視覺系統(tǒng)定位3種類型[8]。

1.1 機械驅(qū)動型送苗裝置的特點及原理

機械驅(qū)動型送苗裝置控制苗盤的橫向和縱向間歇運動，其結(jié)構(gòu)主要由凸輪、鏈輪、往復(fù)式絲杠組成。這種純機械結(jié)構(gòu)的送苗裝置對零件的加工精度要求極高，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對各機構(gòu)間工作同步性要求高，可能因為制造精度與使用磨損導(dǎo)致產(chǎn)生累計誤差，進(jìn)而影響移栽質(zhì)量[9]。

1.2 機電氣控制型送苗裝置的特點及原理

機電氣控制型送苗裝置由控制電機或者氣缸來實現(xiàn)送苗裝置的橫向和縱向運動，其結(jié)構(gòu)主要由控制系統(tǒng)、電機組成。該類型送苗裝置的優(yōu)點是提高了送苗精度，裝置的控制系統(tǒng)與拖拉機的速度配合嚴(yán)密，保證了移栽苗之間株距的穩(wěn)定性，解決了傳統(tǒng)缽苗移栽機取苗和送苗之間的干涉問題，可以適應(yīng)大田作業(yè)環(huán)境[10]。

1.3 視覺系統(tǒng)定位型送苗裝置的特點及原理

視覺系統(tǒng)定位型送苗裝置的結(jié)構(gòu)主要由視覺定位系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成[11]。視覺系統(tǒng)的作用是獲取圖像和分析圖像并將獲取到的圖像以及分析過的圖像信息加以處理，如圖1所示[12]。將視覺系統(tǒng)應(yīng)用于缽苗移栽機的自動送苗裝置，可以根據(jù)識別到的信息智能識別是否為空穴或者壞苗。利用攝像機、圖像采集卡和圖像處理器等設(shè)備搭建視覺系統(tǒng)平臺，如圖2所示。通過算法運算自動識別空穴或者壞苗后，由處理器處理識別出空穴和壞苗[13]。相對于另外2種類型的送苗裝置，這種類型的送苗裝置具有智化程度高、作業(yè)效率高、作業(yè)效果好等優(yōu)點。機器視覺型送苗裝置的識別系統(tǒng)對機器震動敏感，會影響到機器視覺識別的精度[14]。

圖1 基于機器視覺的壞苗識別系統(tǒng)流程

圖2 機器視覺監(jiān)測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 國內(nèi)外自動送苗裝置研究現(xiàn)狀

國外研究缽苗移栽機較早。20世紀(jì)初，歐洲發(fā)達(dá)國家研究并制造出了適用于蔬菜生產(chǎn)的秧苗移栽機具，這種移栽機具采用人工送苗；20世紀(jì) 30年代末至 40年代初期，研制出了送苗裝置并逐步代替人工送苗，使送苗入土的過程實現(xiàn)了機械化；20世紀(jì)50年代至60年代，研制出了多種不同結(jié)構(gòu)型式的半自動移栽機和用于育苗的土缽制缽機；20世紀(jì) 80年代，各種半自動移栽機、制缽機形成了完整的產(chǎn)品系列，并且廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

我國研究缽苗移栽機已有 30多年的歷史，目前移栽作業(yè)機具仍然以半自動移栽機為主[5]。半自動移栽機的出現(xiàn)，一定程度上有效緩解了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中人工移栽勞動強度大、效率低、用工量大等難題，但仍然存在以下問題：使用半自動移栽機，必須在人工送苗的情況下才能完成作業(yè)；人工送苗過程中速度不能太快，工作時間較長，操作者容易疲勞，易造成漏苗現(xiàn)象[6]；人工送苗的速度不夠快和移栽過程中勞動力需求量過大，制約了缽苗移栽機械的大面積應(yīng)用[15-16]。研制缽苗移栽機自動送苗裝置將提高整個移栽機械的效能和價值[17]。基于缽苗移栽機對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的價值，研究與設(shè)計缽苗移栽機是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必不可少的工作。而研究與設(shè)計自動送苗機構(gòu)，是缽苗移栽機發(fā)展的關(guān)鍵。

2.1 機械驅(qū)動型送苗裝置

國外研究機械驅(qū)動型自動送苗裝置的時間較長，研究成果較多，市場上許多缽苗移栽機的送苗裝置采用的就是純機械驅(qū)動。目前我國純機械驅(qū)動全自動缽苗移栽機的相關(guān)研究較少，很多機械驅(qū)動型的自動送苗裝置機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、移栽效率不高。機械驅(qū)動型送苗裝置的結(jié)構(gòu)主要由凸輪、鏈輪、往復(fù)式絲杠組成，主要是采用橫向與縱向送苗方式。這類送苗裝置的機械結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，零件加工精度和裝配要求高。

國外主要的代表機型為洋馬公司生產(chǎn)的 PF2R型乘坐式全自動蔬菜移栽機，如圖3所示。其送苗裝置為橫向與縱向送苗，采用純機械驅(qū)動。此送苗裝置的原理是：由雙螺旋凸輪軸實現(xiàn)橫向往復(fù)送苗；縱向送苗則是由雙螺旋凸輪軸一側(cè)的凸輪帶動棘輪，再由棘輪傳遞到鏈條，最后帶動鏈條上的缽苗來實現(xiàn)[18]。采用這種送苗方式的還有井關(guān)公司生產(chǎn)的PZP-80型全自動蔬菜移栽機，如圖4所示。

圖3 PF2R型乘坐式全自動蔬菜移栽機

圖4 PZP-80型全自動蔬菜移栽機

2011年，KUMAR等[19]研究出一種全自動蔬菜移栽機。該移栽機主要是針對移栽過程多種因素影響缽苗漏栽率與成活率等問題,采用帶定時軸、凸輪和離合器等自動送苗機構(gòu),可實現(xiàn)垂直方向運送多株缽苗,移栽結(jié)果表明該機的缽苗漏栽率較低、直立度率較高、栽植質(zhì)量良好。

國外純機械驅(qū)動的送苗裝置對工件的加工精度要求高，機械機構(gòu)較為復(fù)雜，對各機構(gòu)間工作同步性要求高，可能會因為制造精度與使用磨損導(dǎo)致產(chǎn)生累計誤差，進(jìn)而影響移栽質(zhì)量。此種移栽機送苗裝置的加工精度要求高，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且送苗效率較低。

國內(nèi)其主要的代表機型有浙江理工大學(xué)裘利鋼等[20]2012年設(shè)計的一種橫向和縱向送苗機構(gòu)。此裝置缺點是設(shè)計復(fù)雜，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，但未能測試出高速移栽狀態(tài)下的控制精度。

河南科技大學(xué)金鑫等[21]，2016年設(shè)計了一種純機械傳動式蔬菜移栽穴盤苗自動輸送裝置。該裝置的取苗速度高達(dá) 140株/min，且取苗成功率超過95%，滿足移栽農(nóng)藝要求且遠(yuǎn)超人工移栽效率。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)薛向磊等[22]，2020年設(shè)計了一種棘輪連桿式缽苗移栽機縱向送苗機構(gòu)，如圖5所示。此送苗裝置橫向送苗原理是撥桿跟著雙向螺旋軸運動，棘輪、連桿等跟著秧箱做往復(fù)橫向運動。此送苗裝置的縱向送苗原理是連桿將動力傳至驅(qū)動臂，再由驅(qū)動臂帶動驅(qū)動桿運動，驅(qū)動桿帶動棘輪轉(zhuǎn)動，棘輪驅(qū)動送秧鏈輪轉(zhuǎn)輪齒槽，限定棘輪及送秧鏈輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)角，復(fù)位彈簧帶動機構(gòu)回復(fù)原位。此送苗裝置的送苗成功率高達(dá)99.17%。相對比國外純機械驅(qū)動的送苗裝置，此送苗裝置的結(jié)構(gòu)簡單，定位準(zhǔn)確，且對累積誤差有一定補償作用[23]。

圖5 縱向送苗方案

國內(nèi)純機械驅(qū)動的送苗裝置的機械結(jié)構(gòu)由復(fù)雜轉(zhuǎn)向簡單，降低了工藝制作難度；送苗運動時機構(gòu)的運動軌跡由復(fù)雜轉(zhuǎn)向簡單，同時減小了缽苗的損失率。

2.2 機電氣控制型送苗裝置

機電氣控制型自動送苗裝置采用電機或者氣缸等驅(qū)動，精準(zhǔn)實現(xiàn)自動送苗。機電氣控制型自動送苗裝置對取送苗的控制精確，實際作業(yè)過程中操作方便，移栽精度高。

國外的主要代表機型是日本井關(guān)公司研發(fā)的PVHR2-E18型缽苗移栽機[24]，如圖 6所示。此移栽機采用苗杯輸送鏈形式送苗，苗杯附著在鏈條上，鏈輪帶動鏈條進(jìn)行轉(zhuǎn)動，當(dāng)苗杯運動到落苗口時，觸發(fā)開關(guān)控制缽苗落下，最后到栽植器，完成送苗。

圖6 井關(guān) PVHR2-E18型缽苗移栽機

荷蘭飛梭公司生產(chǎn)的 PC-21 溫室移栽機，如圖7所示。動力來源于氣缸和電機。其取送苗裝置采用四針式取苗爪進(jìn)行取送苗，由氣缸控制取苗爪的抓取與釋放動作。

圖7 PC-21 型自動移栽機

以上機械采用機、電、氣控制技術(shù)的移栽機送苗裝置，送苗動作相對簡單，適用范圍廣，移栽效率和成活率較高，穩(wěn)定性好，但其體積龐大，成本高[25]。

國內(nèi)主要的代表機型有江蘇大學(xué)胡建平、楊麗江[26]等 2011年設(shè)計的一種乘坐式蔬菜缽苗全自動移栽機。該裝置采用了PLC控制電磁閥，驅(qū)動氣缸實現(xiàn)橫向間歇輸送穴盤；采用步進(jìn)電機通過鏈條實現(xiàn)縱向間歇平行輸送。該裝置由 PLC控制取苗部件，實現(xiàn)自動取送苗。試驗表明該裝置的移栽頻率達(dá)到70株/min，其綜合栽植成功率高達(dá)96%。

石河子大學(xué)的張海蕓[27]于2017年設(shè)計了實用性較強的玉米移栽機自動送苗裝置；馬銳[28]于2018年研究出整排夾持式穴盤苗移栽機取送苗裝置；李樹峰[29]于2019年研制出整排取送苗裝置。石河子大學(xué)研發(fā)的這三類移栽機送苗裝置一步步實現(xiàn)了步進(jìn)電機的精準(zhǔn)定位，提高了送苗效率和送苗精度。

西南大學(xué)的宋磊[30]于 2020年設(shè)計了一種穴盤苗取投送苗裝置，如圖8所示。該裝置應(yīng)用機電一體化原理，通過步進(jìn)電機、環(huán)形軌道、鏈條、鏈輪等實現(xiàn)一系列運動，包括穴苗盤橫向及縱向移動、取苗爪斜插式取投苗動作、循環(huán)送苗動作。對比荷蘭飛梭公司生產(chǎn)的 PC-21 溫室移栽機，此送苗裝置可以實現(xiàn)穩(wěn)定高效地取投苗過程，減少穴苗損傷率，提高移栽存活率，同時簡化整個機械機構(gòu)，達(dá)到輕簡而又高效的目的。但此送苗裝置的自動化程度低于荷蘭飛梭公司生產(chǎn)的 PC-21 溫室移栽機。

圖8 送苗裝置結(jié)構(gòu)圖

國內(nèi)的機、電、氣驅(qū)動的送苗裝置與國外相比，存在機、電、氣成本高，送苗時定位準(zhǔn)確率低的問題。通過不斷地研究和探索，我國機、電、氣定位的缽苗移栽機送苗裝置的結(jié)構(gòu)往輕簡化發(fā)展，送苗定位的準(zhǔn)確率提高，從而提高缽苗移栽機送苗的成功率。

2.3 視覺系統(tǒng)定位型送苗裝置

視覺系統(tǒng)定位型自動送苗裝置不僅可以降低漏栽率提高移栽效果，而且還可以提高移栽效率。視覺系統(tǒng)定位類型的自動送苗裝置因其高度的智能化，可以保證植入缽苗的直立度從而提升缽苗的成活率。因為視覺技術(shù)在全自動移栽機的應(yīng)用還處于初級階段，且對機器震動敏感，價格昂貴，目前還未得到大規(guī)模的研究與應(yīng)用。

國外主要代表的機型是荷蘭VISSES公司生產(chǎn)的Pic-O-Mat GR-2700型自動化溫室穴盤移栽機，其送苗裝置采用視覺定位的方式進(jìn)行工作，如圖 9所示。其控制系統(tǒng)由上位機和PLC組成，通過機器視覺系統(tǒng)實時采集缽苗的圖像并處理，根據(jù)識別結(jié)果驅(qū)動PLC控制電機再帶動苗盤運動，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置時取苗手取苗。機器視覺系統(tǒng)具有較為靈敏的識別功能，可以識別出苗盤的狀態(tài)，提高送苗精度，加快送苗速度；缺點是機器識別對于移栽裝置的振動敏感，影響其識別精度，所以暫時無法運用到大田作業(yè)中。

圖9 Pic-O-Mat GR 2700型自動化溫室穴盤移栽機

ALBERTUS J V V等[31]于2004年研究出一種運用特有視覺識別系統(tǒng)的移栽機。這種移栽機可以同時運送多盤苗盤，并且可以實現(xiàn)補苗和移缽功能,提高移栽成功率。

意大利 Ferrari公司開發(fā)了具有機器視覺功能的Futura型全自動移栽機。該移栽機設(shè)計了缺苗檢測裝置，其取苗裝置采用成排取苗的方式，缽苗取出后放入投苗裝置，使用激光對射式光電傳感器檢測移栽機投苗裝置中是否有缽苗，有苗時投苗裝置把缽苗放入栽植機構(gòu)，無苗時投苗裝置直接轉(zhuǎn)過[32]。國外對視覺定位型的移栽機送苗裝置研究時間久，發(fā)展較快，視覺技術(shù)相比國內(nèi)成熟，智能化程度高。同時，研究的視覺定位型移栽機功能廣泛，取送苗定位精度高，有效提高了送苗精度和送苗效率。

國內(nèi)主要代表的機型有江蘇大學(xué)魏新華等[33]于 2016年設(shè)計的一套穴盤苗全自動移栽機，如圖10所示。該裝置采用步進(jìn)電動機驅(qū)動實現(xiàn)苗盤橫向進(jìn)給運動，伺服電動機驅(qū)動實現(xiàn)取苗機械手縱向往復(fù)運動。該裝置采用圖像采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行取送苗，該系統(tǒng)能夠識別苗株是否健康，然后協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)決定是否移栽。此移栽機的取/放苗速度為每行40株/min)，在整機單行移栽39.9株/min的平均移栽速度下喂苗成功率達(dá)到96.9%。該裝置提高了取苗定位精度和輸苗柔性度，減少了缽苗基質(zhì)損失，改善了移栽效果。

圖10 移栽機結(jié)構(gòu)示意圖

浙江大學(xué)王永維等[34]于 2018年設(shè)計了穴盤苗缺苗檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)對獲得的擬南芥穴盤苗彩色圖像進(jìn)行判斷，確定穴孔是否有苗。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張甘等[35]于2020年研究了基于maxIOU算法的快速自動移植器中白菜苗體缺陷的識別。得出結(jié)論maxIOU算法在基板和苗區(qū)分割中精度高。缺陷識別算法對白菜幼苗的缺陷識別精度高，具有良好的實時性能，可應(yīng)用于高速現(xiàn)場移植器。

國內(nèi)視覺系統(tǒng)定位型送苗裝置的研究起步晚，但發(fā)展較為迅速，與國外視覺系統(tǒng)定位移栽機相比，取送苗精度和智能化程度都較低，缺點主要體現(xiàn)在視覺定位的功能單一，精度低，檢測效果一般。

3 送苗裝置存在的主要問題

根據(jù)對國內(nèi)外送苗裝置現(xiàn)狀分析得出，國內(nèi)學(xué)者研究的移栽機送苗裝置基本由一個直流電機提供動力，通過機械結(jié)構(gòu)改變動力輸出的方向來實現(xiàn)橫向與縱向送苗，這類送苗裝置機械結(jié)構(gòu)普遍較為復(fù)雜。國外機構(gòu)主要著眼于機械式送苗裝置與非機械式送苗裝置的研究。機械式送苗裝置機械加工精度高，送苗效果好，送苗效率高，但成本過高，在國內(nèi)暫時無法廣泛推廣；非機械式送苗裝置采用整排送苗的方式實現(xiàn)送苗，這類送苗裝置不能進(jìn)行大田移栽作業(yè)。

現(xiàn)階段我國移栽機自動送苗裝置主要存在以下3個問題。

(1) 移栽機自動送苗裝置作業(yè)效率低。國內(nèi)研究出的送苗裝置普遍存在智能化程度低、機具的精度不高、依舊需要人工參與等問題。

(2) 移栽機自動送苗裝置機具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。國內(nèi)研究出的送苗裝置機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度較高，導(dǎo)致成本高，無法大范圍推廣，商用性能較低。

(3) 移栽機自動送苗裝置通用性差。國內(nèi)研究出的送苗裝置基本上都有其特定的工作環(huán)境以及工作對象，機具的適應(yīng)性不佳。

4 對策與展望

(1) 現(xiàn)有國家政策極力扶持農(nóng)業(yè)機械行業(yè)，科研工作者要抓住發(fā)展的好時機，在國家政策的扶持下，結(jié)合我國的基本國情，基于我國現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機械研究基礎(chǔ)，大力開展全自動移栽機送苗裝置的創(chuàng)新研究，利用先進(jìn)加工制造工藝，提高零部件的質(zhì)量，提高全自動移栽機的工作效率和可靠性，降低操作者的勞動強度，減少操作者的勞動時間。

(2) 我國的人均 GDP還達(dá)不到發(fā)達(dá)國家的水平，農(nóng)民的資金有限，如何簡化農(nóng)業(yè)機具，提高農(nóng)業(yè)機具的適應(yīng)性，讓每一個農(nóng)民都能用上便利的現(xiàn)代農(nóng)機設(shè)備成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的新目標(biāo)。在研究全自動移栽機時，除了保證移栽機具有高技術(shù)含量的同時，還要具備價格便宜、操作便利等優(yōu)點。政府也可以制定相關(guān)的新型農(nóng)業(yè)機具補貼政策，鼓勵農(nóng)民主動購買和學(xué)習(xí)如何操作新型農(nóng)業(yè)機具。目前，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的新時代，現(xiàn)代智能化農(nóng)場成為發(fā)展趨勢，通過國家政策的導(dǎo)向和農(nóng)機部門的配合，可以推廣規(guī)范化移栽種植，促進(jìn)集約化機械化生產(chǎn)。

(3) 從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢來看，研制出可以適用于各種作物移栽的移栽機送苗裝置意義重大。新型的移栽機送苗裝置將具備高度自動化、智能化等特點，并且擁有較高的自適應(yīng)性能和通用性，因此視覺系統(tǒng)定位型自動送苗裝置的全自動移栽機將成為未來研究的熱點。