田志偉 馬 偉 楊其長 姚 森 張 梅 段發(fā)民 徐海東,4

(1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 都市農(nóng)業(yè)研究所，成都 610213； 2. 成都農(nóng)業(yè)科技中心，成都 610213； 3.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院，成都 611130； 4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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%，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)。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。人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，栽植質(zhì)量難以保證。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。因此，穴盤苗機(jī)械化移栽是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

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(duì)缽苗品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)篩選，對(duì)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(duì)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(duì)比，對(duì)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(duì)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(shì)，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 移栽機(jī)分類

缽苗栽培模式較多，針對(duì)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(圖1)?；|(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(duì)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(duì)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(duì)移栽機(jī)的要求更高，作業(yè)動(dòng)作需要十分輕盈。

圖1 不同栽培模式的種苗Fig.1 Seedlings of different cultivation modes

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(duì)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(duì)多株缽苗進(jìn)行移栽。

1.2 缽苗移栽過程

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(chǎng)上占比最大，絕大部分移栽機(jī)也是針對(duì)基質(zhì)苗研發(fā)的。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(圖2)：

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、②、…、⑧分別為缽苗移栽關(guān)鍵步驟，詳見1.2。 ①, ②, …, ⑧ are the crucial steps for plug seedling transplanting, which is detailed in section 1.2 of the paper.圖2 缽苗移栽過程Fig.2 Seedling transplanting process

1.3 移栽質(zhì)量評(píng)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(píng)價(jià)尚無國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)范。已有研究中對(duì)于移栽機(jī)的質(zhì)量評(píng)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(duì)一些指標(biāo)的評(píng)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(duì)而言，大田蔬菜幼苗移栽質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)較為完善。DB 36/T1360—2020《茄果類蔬菜機(jī)械化移栽作業(yè)技術(shù)規(guī)范》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)DB 62/T2974—2019《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量》針對(duì)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(píng)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 國外移栽機(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。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(duì)穴盤苗和組培苗移植技術(shù)展開研究。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(jiǎn)單的缽苗移植、剔苗、補(bǔ)苗向分級(jí)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(jí)。

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(cè)，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)(圖3(a))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(duì)5個(gè)穴盤進(jìn)行作業(yè)。意大利UrbinatiS.r.l.公司研發(fā)的RW64移栽機(jī)(圖3(b))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。

圖3 RW2100Twin(a) 和RW64移栽機(jī)(b)Fig.3 RW2100Twin (a) and RW64 (b) transplanters

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 Horti Systems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)(圖4(a))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。針對(duì)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)(圖4(b))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。

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)(圖5(a))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。除了土壤基質(zhì)外，瓊脂常被用來作為基質(zhì)對(duì)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(duì)瓊脂較軟、不易抓取的特點(diǎn)開發(fā)了MidiFlat移栽機(jī)(圖5(b))，針對(duì)組培植物該裝備作業(yè)效率為1.5萬株/h。

除了上述代表性的移栽機(jī)以外，本研究還針對(duì)國外其他移栽裝備的關(guān)鍵參數(shù)及性能特征進(jìn)行對(duì)照，結(jié)果見表1。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(duì)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(chǎng)景。

圖4 Pic-O-MatVision移栽機(jī)(a)和AutoStix扦插苗移栽機(jī)(b)Fig.4 Pic-O-MatVision transplanter (a) and AutoStix cutting seedling transplanter (b)

圖5 MidiVision視覺移栽選苗機(jī)(a)和MidiFlat移栽機(jī)(b)Fig.5 MidiVision visual transplanting seedling selector (a) and MidiFlat seedling transplanter (b)

2.2 國內(nèi)移栽機(jī)械現(xiàn)狀

我國大田移栽機(jī)械研究開展相對(duì)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(duì)成熟，已有一定程度的推廣和應(yīng)用。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)范云翔等針對(duì)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)，其中典型代表為2005年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)強(qiáng)麗慧等設(shè)計(jì)的生菜自動(dòng)移栽機(jī)(圖6(a))。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)(圖6(b))，該機(jī)基于視覺系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)幼苗和空穴的識(shí)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)。

2007—2017年，浙江大學(xué)童俊華等研發(fā)了一款帶有視覺檢測(cè)功能的溫室缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)流水線產(chǎn)品(圖7(a))，可實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)苗識(shí)別并將其剔除。江蘇大學(xué)周昕2019年基于RGB-D相機(jī)提出穴盤苗智能檢測(cè)方案和智能分選-移栽-補(bǔ)栽一體機(jī)整體方案(圖7(b))，所設(shè)計(jì)的機(jī)器當(dāng)移栽循環(huán)為1 000 次/h時(shí)作業(yè)效果最佳，補(bǔ)栽后成苗率達(dá)到99.33%，對(duì)應(yīng)的換盤移栽效率為5 000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(duì)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(duì)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(jí)。

表1 國外代表性移栽機(jī)性能對(duì)比
Table 1 Performance comparison of representative foreign transplanters

國家/公司Country/Company產(chǎn)品型號(hào)Productmodel適用穴盤規(guī)格Applicableseedlingtray取苗器數(shù)量/個(gè)Number ofgripers效率/(萬株/h)Efficiency耗氣量/(L/min)Airconsump-tion功能特征Feature美國AgriNomixRW1500512～50穴242.4170每個(gè)取苗器獨(dú)立運(yùn)動(dòng);無線通訊;圖形用戶界面;無需頂苗器;移栽深度和穴盤高度可調(diào)節(jié)。RW2100Twin288～50穴726.1雙臂移栽,無需頂苗器;移栽深度和穴盤高度可調(diào);同時(shí)可從5個(gè)橫向放置的穴盤進(jìn)行移栽。意大利Urbinati S.r.l.RW64—805.680獨(dú)特電動(dòng)無線取苗器;彩色觸摸屏可用于機(jī)器編程和自診斷;可設(shè)置側(cè)方抓取;雙排同時(shí)移栽。FlexPlanter孔穴直徑為9～60 mm—0.3～3.060通過內(nèi)置成像系統(tǒng)檢測(cè)缽苗,確保移栽成功率為100%。荷蘭TTAFlexPlanterXF孔穴直徑為9～60 mm—1.0～3.015推針系統(tǒng)從穴盤下方頂起植株;成像系統(tǒng)通過攝像頭對(duì)單棵植株進(jìn)行鑒定,不合格的苗將被剔除。MidiVision孔穴直徑為9～60 mm—0.5～4.017利用成像系統(tǒng)檢測(cè)缽苗狀況并避免空穴移栽,能夠動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)移栽后的缽苗數(shù)量。英國TEATEA2000 N最大穴盤尺寸40 cm×60 cm161.680最多放置3個(gè)穴盤;工作速度、種植深度、拾取高度等參數(shù)可調(diào),多個(gè)模式可選。TEA2000 J最大穴盤尺寸40 cm×60 cm161.680支持線性軌道或圓形排列的穴盤移栽。最多可配置2～16個(gè)取苗器,參數(shù)可調(diào),2種尺寸的取苗器可更換。Pic-O-MatGR-2700512～72穴16～244.5—獨(dú)立伺服控制的取苗器精度高、速度快;通過觸摸屏參數(shù)可調(diào);100種移栽程序可選,最多一次放置9個(gè)穴盤。荷蘭Visser HortiSystemsPic-O-MatVision—12～241.9—基于視覺系統(tǒng)可剔除長勢(shì)不好的苗或者空穴;觸摸屏可選擇100種移栽組合程序;支持穴盤-穴盤、穴盤-盆移栽。AutoStix—61.2—用于扦插苗移栽,人工將扦插苗放入AutoSitx條帶中,然后通過機(jī)器進(jìn)行移栽;扦插條可降解,方便運(yùn)輸和計(jì)數(shù)。

圖6 生菜自動(dòng)移苗機(jī)(a)和花卉幼苗自動(dòng)移栽機(jī)(b)Fig.6 Lettuce automatic transplanter (a) and flower seedling automatic transplanter (b)

圖7 缽苗全自動(dòng)移栽機(jī)(a)和分選-移栽-補(bǔ)栽一體機(jī)(b)Fig.7 Automatic transplanting machine for pot seedlings (a) and sorting-transplanting-replanting integrated machine (b)

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(duì)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 取苗機(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(duì)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等提出的兩指式取苗器(圖8(a))末端增加了梯形夾片，并通過EDEM軟件對(duì)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0.3 m/s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(圖8(b))，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。

1.T型骨架；2.轉(zhuǎn)軸；3.管接頭；4.墊塊；5.橡膠氣囊；6.支撐桿；7.雙作用微型氣缸；8.收緊彈簧；9.限位塊；10.擋塊；11.活塞桿；12.幼苗；13.夾取針；14.缽體；15. 孔穴；16.限位螺釘；17.腰型槽 1.T-shape frame; 2.Shaft; 3.Pipe joint; 4.Spacer; 5.Air bag; 6.Support rod; 7.Double-acting cylinder; 8.Tightening spring; 9.Limit block; 10.Blocking block; 11.Piston rod; 12.Seedling; 13.Clamping needle; 14.Substrate; 15.Hole; 16.Limit screw; 17.Slot圖8 兩指式取苗器(a)和鑷子型兩指四針取苗器(b)Fig.8 Two-finger transplanting gripper (a) and two-finger four-needle seedling gripper (b)

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，王超等設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)下壓式高速“U”型取苗裝置(圖9)，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(duì)非標(biāo)準(zhǔn)的無底穴盤，普適性不強(qiáng)。

1.取苗氣缸；2.頂苗器；3.安裝板 1.Cylinder for taking seedlings; 2.Seedling push device; 3.Mounting plate圖9 “U”型取苗機(jī)構(gòu)Fig.9 U-shaped seedling taking mechanism

四指取苗器因其作業(yè)穩(wěn)定性好而被廣泛采用， Choque等設(shè)計(jì)的電動(dòng)四針式取苗器(圖10(a))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等設(shè)計(jì)了原理類似的取苗器(圖10(b))，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(cè)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%。

圖10 電動(dòng)針式取苗器(a)和氣動(dòng)針式取苗器(b)Fig.10 Electric needle transplanting gripper (a) and pneumatic needle transplanting gripper (b)

Jorg等完成了用于蔬菜缽苗移栽的雙指夾(圖11(a))和針夾(圖11(b))的設(shè)計(jì)、開發(fā)和測(cè)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(duì)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。

圖11 雙指夾(a)和針型夾(b)Fig.11 Two-finger gripper(a) and needle gripper(b)

Han等設(shè)計(jì)的四缸針型取苗器(圖12(a))自動(dòng)移栽時(shí)基質(zhì)完整率達(dá)到93.37%，試驗(yàn)還探索了鋼針插入深度、缽苗生長周期、工作壓力等因素對(duì)自動(dòng)移栽成功率的影響。這種取苗器需要4個(gè)氣缸分別控制四根針的伸縮，結(jié)構(gòu)繁重，成本較高。Li等設(shè)計(jì)的取苗器用了4個(gè)矩形截面的不銹鋼鋼片，如圖12(b)所示，垂直驅(qū)動(dòng)方式通過對(duì)鋼指施加不同的約束組合，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)插入基質(zhì)和收縮的耦合效果。但是一側(cè)的2根鋼片是平行的，與穴盤的孔穴棱臺(tái)形狀無法很好的貼合，取苗時(shí)會(huì)影響基質(zhì)完整性。

圖12 四缸針型取苗器(a)和鋼片取苗器(b)Fig.12 Four-cylinder needle-type gripper (a) and steel sheet gripper (b)

上述報(bào)道中科研人員設(shè)計(jì)了不同的穴盤苗移栽機(jī)取苗器，大部分移栽成功率在90%以上，基本上可滿足使用要求。但這些取苗機(jī)構(gòu)并沒有被廣泛應(yīng)用，其主觀原因在于一些裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上較為復(fù)雜，體積大，缺乏對(duì)取苗器—基質(zhì)塊—孔穴之間互作機(jī)理的研究，因此無法較好地適應(yīng)結(jié)構(gòu)化、規(guī)?；睦徝缫圃晕锢韴?chǎng)景。同時(shí)這些裝置均針對(duì)具體某一穴盤型號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，自適應(yīng)能力弱，應(yīng)用范圍有限。還有一些機(jī)構(gòu)單獨(dú)作業(yè)時(shí)效果穩(wěn)定，一旦將其成排安裝形成取苗組件后作業(yè)效果不佳?？陀^方面，國內(nèi)溫室穴盤苗栽培農(nóng)藝差異較大，基質(zhì)用料、配比、基質(zhì)含水率、苗木品種、穴盤材質(zhì)、移栽苗生長期等因素的不確定性均會(huì)影響取苗器的拔取效果。

3.2 移栽執(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。趙雄等設(shè)計(jì)了一種混合驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)(圖13(a))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(duì)高速移栽作業(yè)的需求。周昕等從框架結(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(圖13(b))，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20 mm/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(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)軌跡進(jìn)行仿真，然后對(duì)其誤差進(jìn)行補(bǔ)償，平均誤差由7.6 mm降低到1.2 mm。

圖13 混合驅(qū)動(dòng)五桿機(jī)構(gòu)(a)和聯(lián)動(dòng)取苗機(jī)器人(b)Fig.13 Hybrid drive five-bar mechanism (a) and linkage seedling removal robot (b)

Rahul等提出了一種完整的5R 2DOF機(jī)電一體化移栽機(jī)械臂(圖14(a))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(cè)試，機(jī)械臂從116.6 mm的距離取下缽苗時(shí)耗時(shí)2.1～2.4 s，最大功耗為20.47 W。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(圖14(b))，增加了上下移動(dòng)工作空間。通過拾取和放置紙盆幼苗測(cè)試，得出每個(gè)幼苗操作時(shí)間為3.5 s，成功率為93.3%。

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。朱春燕等設(shè)計(jì)了一種分配盤(圖15)，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。

圖14 5R 2DOF機(jī)械臂(a)和4DOF并行機(jī)械臂(b)Fig.14 5R 2DOF robotic arm (a) and 4DOF parallel robotic arm (b)

圖15 分配盤分栽機(jī)構(gòu)Fig.15 Distribution plate and planting mechanism

童俊華等提出了一種緩沖帶式分栽機(jī)構(gòu)(圖16(a))，取苗器相鄰組件通過柔性受拉緩沖帶連接，氣缸拉扯推桿末端取苗器組件，從而分散相鄰取苗器至使其與目標(biāo)穴盤孔穴間距一致；氣缸縮回推桿帶動(dòng)末端取苗器組件依次壓縮組件間距，直至與供苗穴盤相鄰孔穴間距一致。Assal等采用剪叉機(jī)械結(jié)構(gòu)(圖16(b))和帶式輸送組件實(shí)現(xiàn)多個(gè)取苗器的分散，并基于動(dòng)力學(xué)仿真分析了該設(shè)計(jì)在應(yīng)力和形變方面的安全性。分栽機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)多個(gè)取苗器同步控制，增加單次移栽規(guī)模，提高移栽作業(yè)效率方面發(fā)揮著重大作用，因此是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。尋求設(shè)計(jì)成本和作業(yè)效果之間的平衡點(diǎn)是最終目標(biāo)，目前市場(chǎng)上還沒有較為成熟的分栽方案。

1.移植手組件；2.分離氣缸；3.安裝板 1.End effector component； 2.Separation cylinder; 3.Fixing board圖16 緩沖帶式分栽機(jī)構(gòu)(a)和“剪叉式”分栽機(jī)構(gòu)(b)Fig.16 Buffer belt type planting mechanism (a) and “scissor type” planting mechanism (b)

3.3 移栽軌跡優(yōu)化

穴盤苗移缽路徑優(yōu)化可節(jié)省單次移栽時(shí)間，提高效率，同時(shí)保證移栽質(zhì)量。缽苗移栽可分為按行和按列移栽。以從128孔穴盤到4孔的托盤花盆移栽為例，為減少移栽平臺(tái)水平總位移量，同時(shí)確保取苗器的安全性，王留柱分析得到的最佳路徑為：取苗器自供苗穴盤中按從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的順序依次取苗，到目標(biāo)穴盤時(shí)第一個(gè)盤從內(nèi)側(cè)到外側(cè)而第二個(gè)盤從外側(cè)到內(nèi)側(cè)的順序依次植苗。張麗娜等針對(duì)單個(gè)取苗器，基于免疫克隆選擇算法和免疫遺傳算法構(gòu)建了2種適于求解穴盤苗移栽路徑優(yōu)化問題的模型。相比固定順序法，這2種模型的路徑長度分別縮短了7.59%和7.65%。Zhao等設(shè)計(jì)了一種從多點(diǎn)取苗到單點(diǎn)種植的2-DoF五桿移栽機(jī)構(gòu)，并建立了數(shù)學(xué)模型，通過遺傳算法優(yōu)化了該機(jī)構(gòu)的參數(shù)與兩個(gè)執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，對(duì)苗高約80～100 mm的花椰菜進(jìn)行移栽試驗(yàn)，得出移栽速度為40株/min，平均移栽成功率為91.81%。

不同算法在路徑規(guī)劃方面的性能差異不一。童俊華等對(duì)比了不同算法在移栽順序與路徑規(guī)劃中的優(yōu)化性能，得出貪婪算法優(yōu)化得到的移栽路徑最短。Jiang等比較了蟻群算法、遺傳算法與常規(guī)順序在補(bǔ)栽時(shí)在供苗穴盤和目標(biāo)穴盤之間的往返耗時(shí)，發(fā)現(xiàn)蟻群算法的效果最佳。并基于遺傳算法提出了一種新的孔穴逐一補(bǔ)栽路徑優(yōu)化算法。劉繼展等針對(duì)穴盤苗向立柱移栽的特殊空間路徑問題，進(jìn)行了無碰撞最短路徑研究設(shè)計(jì)，對(duì)33種不同取苗-栽植方案的路徑距離差異及其影響因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)取苗與栽植順序?qū)β窂介L度、移栽作業(yè)效率有重要影響，基于該結(jié)論優(yōu)化得到最近相鄰法和近端開始同向逐行或逐列取苗、自下而上的栽植方案，作者建立了面向立柱的移栽控制系統(tǒng)。

上述路徑規(guī)劃多針對(duì)單個(gè)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行，事實(shí)上，國外具有整排取苗機(jī)構(gòu)的移栽機(jī)作業(yè)路徑相對(duì)較為單調(diào)，多采用龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，線性位移即可滿足移栽動(dòng)作要求。

3.4 作業(yè)過程監(jiān)測(cè)

為確保移栽機(jī)較高作業(yè)質(zhì)量，國外成熟產(chǎn)品采用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)缽苗移栽工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。該技術(shù)以非入侵方式進(jìn)行信息采集，具有處理速度快、實(shí)時(shí)性好、無損檢測(cè)等諸多優(yōu)勢(shì)，對(duì)提高移栽效率和缽苗成活率，降低生產(chǎn)成本具有重要意義。視覺檢測(cè)移栽前可判斷缽苗適宜性和健壯度，同時(shí)標(biāo)記無苗空穴。移栽后對(duì)穴盤中的缽苗計(jì)數(shù)并評(píng)估移栽成功率。

視覺監(jiān)測(cè)的難點(diǎn)在于缽苗的圖像準(zhǔn)確分割和識(shí)別。楊振宇在HSI顏色空間中采用OTSU算法對(duì)缽苗進(jìn)行分割，通過頂點(diǎn)鏈碼主軸法和角點(diǎn)直線擬合算法獲取缽苗高度和直立度，以此判斷其移栽適宜度。為提高穴盤網(wǎng)格圖像分割精度和空穴識(shí)別率，Xiao等提出一種圖像二值化-方格分割方法，并設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)栽末端執(zhí)行器，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。為將不合格的幼苗從傳送帶格子中剔除，Wen等開發(fā)的機(jī)器視覺缽苗識(shí)別系統(tǒng)可根據(jù)缽苗莖桿和葉面積等特征對(duì)其健壯度進(jìn)行判別。試驗(yàn)表明安裝該系統(tǒng)后健壯苗率平均提高了15.2%。穴盤在輸送帶移動(dòng)過程中容易發(fā)生傾斜，導(dǎo)致幼苗葉片很容易越過虛擬網(wǎng)格邊界，從而影響幼苗識(shí)別精度。文獻(xiàn)[58]介紹了一種基于Canny算子和Hough變換的傾斜穴盤圖像校正算法，經(jīng)過角度校正后幼苗識(shí)別準(zhǔn)確率提高了1.1%～9.4%。

綜上，目前用于植物識(shí)別的方法主要包括K-means、支持向量機(jī) (SVM)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN) 及其他基本圖像處理算法，例如 Ostu、決策樹、隨機(jī)森林、閾值分割和霍夫變換。這些經(jīng)典圖像識(shí)別算法應(yīng)用時(shí)需要人工定義識(shí)別對(duì)象的特征，如顏色、紋理、形狀等，導(dǎo)致識(shí)別效果受人為主觀因素影響較大。此外算法的魯棒性和泛化性不強(qiáng)，光照條件、幼苗生長狀況等因素的改變往往導(dǎo)致算法失效。為解決上述問題，研究人員提出了基于深度學(xué)習(xí)的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，通過海量原始數(shù)據(jù)和具有多個(gè)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自主學(xué)習(xí)，速度更快，可避免人為因素干擾。然而，因缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的缽苗圖像數(shù)據(jù)集，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在移栽機(jī)作業(yè)工況監(jiān)測(cè)方面進(jìn)展甚微。

4 存在問題與應(yīng)對(duì)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》只規(guī)定了林業(yè)工廠化育苗用穴盤的術(shù)語、型號(hào)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(duì)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(píng)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》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(cè)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》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)DB 62/T2974—2019《蔬菜移栽機(jī)作業(yè)質(zhì)量》針對(duì)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(duì)林業(yè)或大田作物缽苗移栽技術(shù)進(jìn)行規(guī)范，而針對(duì)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(chǎng)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(píng)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(chǎng)上已有產(chǎn)品生產(chǎn)不規(guī)范，四棱臺(tái)型的孔穴規(guī)格(上孔尺寸×下孔尺寸×深度)從(23×23) mm×(11×11) mm×40 mm、(25×25) mm×(10×10) mm×30 mm到(24×24) mm×(10×10) mm×43 mm都有涉及。

2)移栽機(jī)智能化程度較低。

種子質(zhì)量、播種機(jī)械造成的種子損傷、后期栽培環(huán)境等因素均會(huì)造成穴盤出苗率無法達(dá)到100%，對(duì)于一些缺苗的空穴如果不及時(shí)識(shí)別和處理，移栽機(jī)會(huì)默認(rèn)其有苗而進(jìn)行正常移栽，這會(huì)將供苗穴盤的缺苗率傳導(dǎo)到目標(biāo)穴盤中去。Jin等采用模糊C均值聚類(FCM)算法實(shí)現(xiàn)了幼苗個(gè)體的分割和缺苗孔穴的識(shí)別。所設(shè)計(jì)的自動(dòng)移栽機(jī)缽苗識(shí)別準(zhǔn)確率為97.33%，移栽效率為每分鐘70株，但機(jī)器作業(yè)穩(wěn)定性和效果依舊不完善，無法形成成熟的產(chǎn)品。另外，與國外先進(jìn)移栽機(jī)相比，國內(nèi)移栽裝備功能單調(diào)，無法自動(dòng)完成缽苗計(jì)數(shù)、缽苗質(zhì)量檢測(cè)、空穴補(bǔ)苗等功能，這導(dǎo)致作業(yè)時(shí)一部分工作仍舊需要人工完成，加之購機(jī)成本高昂，所以農(nóng)戶使用積極性不高，裝備推廣困難。雖然目前工廠化技術(shù)已經(jīng)非常成熟，計(jì)算機(jī)和傳感器等技術(shù)也被廣泛應(yīng)用在溫室生產(chǎn)中，但在穴盤苗移栽方面這些技術(shù)使用十分有限，導(dǎo)致移栽機(jī)總體智能化水平不高。

3)機(jī)器研發(fā)整體設(shè)計(jì)不足。

移栽機(jī)設(shè)計(jì)上存在缺乏整體布局規(guī)劃和移栽策略、工藝流程優(yōu)化等諸多問題。例如取苗器移動(dòng)過程存在損傷缽苗葉片、供苗穴盤和目標(biāo)穴盤分布不科學(xué)、機(jī)器外觀過于龐大以及設(shè)計(jì)感不強(qiáng)等。單從移栽效率上來看，一些裝備已經(jīng)可以達(dá)到相當(dāng)高的水平，但是其體積龐大、價(jià)格昂貴、缺乏良好的柔性作業(yè)能力，因此很難在國內(nèi)進(jìn)行推廣。另一方面，研究持續(xù)性不夠。針對(duì)移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)已有多家科研單位和學(xué)者作了大量探索，一些結(jié)果甚至達(dá)到領(lǐng)先水平，但由于這些研究均為一個(gè)個(gè)相互獨(dú)立的點(diǎn)，每個(gè)研究點(diǎn)沒有持續(xù)拓展以將其串聯(lián)形成技術(shù)面，加之成果沒有及時(shí)向企業(yè)進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致重復(fù)性工作多，突破性成果少的局面。

4.2 應(yīng)對(duì)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(duì)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(píng)價(jià)體系，明確具體的評(píng)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(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，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、目標(biāo)識(shí)別、病蟲害檢測(cè)、果蔬品質(zhì)分級(jí)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(jí)、剔苗、補(bǔ)苗、故障檢測(cè)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(shí)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(chǎng)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。