楊騰，楊閩，姚思博，石喬，劉劍雄

（1.650504 云南省 昆明市 昆明理工大學 機電工程學院；2.650504 云南省 昆明市 北京航空航天大學 云南創(chuàng)新研究院）

0 引言

當前我國部分旱地經(jīng)濟類作物，如蔬菜、中草藥、花卉及煙草等，均采用“種子→育苗→苗移栽→生長→成熟→收獲”模式種植，旱地苗移栽機就是將各種類型及尺寸的苗，從育苗溫室移栽到大田或大棚里的通用農(nóng)業(yè)機械。旱地苗移栽作物的種類繁多，種植管理較為復雜，從種到收歷經(jīng)數(shù)十道工序，用工數(shù)量較大，而且費力、費時、費工的手工作業(yè)至今仍占據(jù)著旱地苗移栽生產(chǎn)的主導地位[1]，很難像機械化程度較高的其他農(nóng)作物一樣，將其生產(chǎn)及經(jīng)濟效益發(fā)揮到極致，從而導致我國旱地經(jīng)濟類作物生產(chǎn)增速較為緩慢，成本持續(xù)上揚，競爭力普遍偏弱，未來穩(wěn)定發(fā)展難度較大。

隨著工業(yè)化、城鎮(zhèn)化進程的迅猛推進，農(nóng)村人口大量城市轉(zhuǎn)移，導致勞動力成本持續(xù)上升，對經(jīng)濟類作物生產(chǎn)提出了新的挑戰(zhàn)[2]。逐步和全程機械化可大幅降低旱地農(nóng)經(jīng)作物生產(chǎn)的勞動強度。這既是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方向，也是穩(wěn)定發(fā)展經(jīng)濟的重要措施。

雖然旱地苗移栽作業(yè)是農(nóng)經(jīng)作物生產(chǎn)中最難實現(xiàn)機械化的環(huán)節(jié)之一，但只有實現(xiàn)旱地苗的機械化栽植，才能使農(nóng)經(jīng)作物的生產(chǎn)潛力釋放出來、從而實現(xiàn)快捷、高效、有機種植。因此，發(fā)展旱地苗移栽機，對實現(xiàn)我國旱地農(nóng)經(jīng)作物種植的跨越式發(fā)展具有十分重要和深遠的現(xiàn)實意義。

1 國外移栽機

移栽機在歐美國家推廣較早，所研發(fā)的移栽機種類也較多，可以滿足多種蔬菜幼苗的移栽。美國RENATO 公司生產(chǎn)的RTME1100 半自動移栽機[3-4]，如圖1 所示，該移栽機是集苗移栽系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、澆水系統(tǒng)、安全保護裝置、地膜處理系統(tǒng)于一體的半自動移栽機，并擁有底盤自動升降功能，適應不同蔬菜品種所要求的節(jié)行、株距、種植深度和壟高，但該移栽機的體型較大、自重偏重，不適合山坡地、小地塊作業(yè)。

圖1 RTME1100 半自動移栽機Fig.1 RTME1100 semi-automatic transplanter

針對辣椒幼苗的移栽，HWANG[5]等研究開發(fā)了具有圖像識別功能和溫度控制單元的機器人式移栽機，如圖2 所示。該移栽機通過抓取辣椒苗的葉或莖進行取苗，并在取苗手指上設有一組海綿圓板，以減小取苗過程中對幼苗的損傷，該移栽機適用于高氣溫、較潮濕和多塵土的工作環(huán)境，但移栽機的取苗機構結構復雜、可靠性較低、生產(chǎn)成本過高，因此較難推廣。

圖2 機器人機械手Fig.2 Robotic manipulator

TING[6]等研究開發(fā)了圖3 所示的取苗移栽機器人。該移栽機的取苗機構通過直接夾取幼苗基質(zhì)的方式，將蔬菜幼苗從穴盤中取出，降低了對幼苗莖葉的損傷，但會對含根基質(zhì)造成一定程度的破壞，需要根據(jù)含根基質(zhì)的破壞情況適當調(diào)節(jié)取投苗裝置，以提高幼苗的移栽成活率。試驗研究表明，幼苗根系的質(zhì)量會影響取苗效果，該取苗機構結構簡單、生產(chǎn)成本較低，對穴盤無特殊要求，適用于多品種蔬菜的移栽，但每次是單株取苗，移栽的工作效率較低。

圖3 苗移栽機器人Fig.3 Seedling transplanting robot

荷蘭MDE 公司研發(fā)的PM20 TWIN 型拖掛式蔬菜移栽機[7]，可以實現(xiàn)3 行或4 行蔬菜幼苗的開溝移栽，并可清除溝里的雜草，移栽行距范圍7.5～20.0 cm，生產(chǎn)效率較高，但該移栽機需用拖拉機牽引，額外增加了蔬菜生產(chǎn)的成本。

PRASANNA KUMAR[8]等研發(fā)的如圖4 所示的自走式蔬菜移栽機，以手扶拖拉機為動力源，苗通過傳送帶運輸，需要使用專用育苗紙杯，育苗過程較復雜、成本偏高，因此適應性較差，但其傳送帶輸送苗的方式為今后全自動移栽機的發(fā)展提供了一個新的發(fā)展方向。

圖4 自走式拖拉機驅(qū)動蔬菜移栽機Fig.4 Walk-behind type and hand-tractor-powered vegetable transplanter

針對伊朗農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特點，SEYED[9]等研究開發(fā)了一款錐形分配器杯式半自動蔬菜苗移栽機，以適應大面積種植不同品種的西紅柿，通過適合調(diào)節(jié)移栽的株行距與深度，減小了對幼苗的損傷，提高了移栽的成活率，改善了不同品種西紅柿的移栽效果，但該移栽機不適合中國番茄幼苗的移栽。

日本的蔬菜移栽機的自動化程度較高，但所研發(fā)移栽機大多僅能移栽某幾種蔬菜幼苗，適應性較差[10]。久保田研究開發(fā)的自走式KN-P6 大蔥移栽機[11]，僅能移栽單一品種的蔬菜幼苗。雖然其結構簡單、自動化程度較高，但適用性差、效率較低，移栽效率0.013～0.020 hm2/h；洋馬公司研發(fā)的如圖5 所示的2ZYG-6 乘坐式油菜移栽機[12]，雖然可一次性完成取投苗及移栽等工作、生產(chǎn)效率較高，但僅適合于單一品種蔬菜種植。

提升養(yǎng)殖場：想要生存，就得進步。農(nóng)民要在養(yǎng)殖場的規(guī)模、糞便處理、日常管理上，進行改進和提升，要按照標準化來進行，這樣才能順應改革的大潮。

圖5 2ZYG-6 乘坐式油菜移栽機Fig.5 2ZYG-6 riding rapeseed transplanter

洋馬公司研究開發(fā)了如圖6 所示的PF2R 型全自動移栽機[13]。該機取、投苗及移栽完全實現(xiàn)了自動化，可實現(xiàn)單壟雙行或雙壟雙行移栽，行距可在45～65 cm 調(diào)節(jié)、株距可在26～80 cm 調(diào)節(jié)。該機增加了方向盤、行走機構踏板無級變速，保證了移栽機在變速行進過程中做直線運動，使作業(yè)人員在較長工作時間不易感到疲勞，但該機僅適合某幾個品種的蔬菜移栽。

圖6 洋馬PF2R 型全自動蔬菜移栽機Fig.6 YANMAR PF2R automatic vegetable transplanter

意大利Ferrari 公司研發(fā)的圖7 所示的全自動移栽機[14]，通過液氣壓裝置控制機械手將幼苗從穴盤中取出，取苗機構自動化程度較高，但機器結構復雜、生產(chǎn)成本較高、適用的地形地貌極其有限。

圖7 旱田全自動移栽機Fig.7 Dry field automatic transplanter

2 國內(nèi)移栽機的種類

國內(nèi)移栽機研發(fā)起步較國外晚，大多還處在虛擬和試驗樣機階段，投放市場的移栽機較少。

針對大棚移栽空間有限，郭德偉[15]等研發(fā)了如圖8 所示的大棚蔬菜移栽機。該機主要由移栽機構、空間槽輪機構和覆土機構等組成，株距通過齒輪機構調(diào)節(jié)，移栽機構上下往復運動實現(xiàn)植苗，但需要工人跟隨移栽機行走投苗，整機由人力推行實現(xiàn)運動，大大增加了作業(yè)人員的勞動強度。

圖8 大棚蔬菜移栽機Fig.8 Greenhouse vegetable transplanter

針對大蔥移栽密度大、行距可變等實際情況，張吉強[11]等研發(fā)了如圖9 所示的半自動組合式大蔥移栽機。

圖9 半自動組合式大蔥移栽機總體結構圖Fig.9 Overall structure of semi-automatic combined spring onion transplanter

該移栽機主要由旋耕起壟機構、供苗機構、栽苗機構、栽植變速箱和覆土輪等組成，雙行移栽，行距為75～85 cm，移栽深度為5～13 cm。研究表明，移栽機行進速度為0.2 km/h 時，埋苗率和傷苗率均低于3%，移栽深度合格率為85.3%，工作過程穩(wěn)定可靠，但移栽大蔥前需人工取投蔥苗。

為實現(xiàn)行距、株距、移栽深度、工作速度均可調(diào)的目標，余建國[16]等研究開發(fā)了如圖10 所示的2ZB-2 型蔬菜移栽機。該移栽機由主電機、供苗機構、栽植機構、方向控制機構和覆土機構等部分組成，雙行移栽，輪距調(diào)節(jié)范圍為8～10 cm，移栽深度為0～10 cm，株距10～60 cm，移栽速度可達3 000～7 200 株/h。通過對大白菜、西蘭花和甘藍的移栽試驗表明，漏苗率小于2%，移栽頻率均高于35/（株·行）/min，移栽合格率高于90%，傷苗率極小，但該機的動力較小，僅適合在坡度較小的田間移栽。

圖10 2ZB-2 型蔬菜移栽機Fig.10 2ZB-2 vegetable transplanting machine

綜合考慮移栽機的自動化程度與效率，參考日本井關PVHR2 型半自動移栽機，嚴宵月[17]等研發(fā)了如圖11 所示的移栽機。

圖11 整排取苗間隔投苗自動移栽機Fig.11 Full-row-pick-up and single-dropping seedling transplanter

該機主要由取苗器、幼苗輸送裝置、底盤及其旋轉(zhuǎn)升降機構等構成，取苗器可實現(xiàn)穴盤整排取苗，然后間隔單獨投苗，旋轉(zhuǎn)升降機構輔助移栽機適應不同的地形地貌，具有較高工作效率。試驗研究表明，整排取間隔投苗裝置合理分配，栽苗速度可達3 600 株/h。夾苗深度為27 mm、取苗夾角為10 °時，取苗成功率可達95%。但存在相鄰取苗爪的間距與接苗杯的相鄰中心不匹配,導致取苗執(zhí)行器將整排幼苗取出后,不能同時投入旋轉(zhuǎn)的苗杯中的問題。

針對新疆蔬菜移栽特點，張振國[18]等研發(fā)了如圖12 所示的頂夾組合式全自動移栽機。該移栽機主要由傳送帶、機械手、送苗裝置、動力桿、動力系統(tǒng)和投苗器等組成，機械手抓取幼苗基質(zhì)時會對基質(zhì)造成有一定破壞，但減小了幼苗莖稈的損傷，提高了成活率。為適應不同移栽環(huán)境，通過控制系統(tǒng)可對參數(shù)進行設置，實現(xiàn)蔬菜幼苗全自動移栽，該機自動化水平高，移栽速度快，但結構復雜，移栽農(nóng)作物的品種相對較少。

圖12 頂夾組合式全自動移栽機Fig.12 Top-pinch-combined type automatic transplanting machine

3 原因分析與發(fā)展對策

國內(nèi)地域環(huán)境復雜，農(nóng)經(jīng)作物幼苗的移栽差異較大，移栽條件與移栽環(huán)境沒有很好的結合；培育幼苗的基質(zhì)各異，同品種蔬菜在各地移栽的行、株距不一，這些因素沒有進行很好的標準化統(tǒng)一，使得國內(nèi)移栽機的研發(fā)進展緩慢，導致了國內(nèi)移栽機研究開發(fā)的困難。由于移栽環(huán)境的限制，國外移栽機也不能在國內(nèi)得到很好的推廣[19]。

國內(nèi)自主研發(fā)移栽機起步較晚，且主要以半自動為主，需要人工取投苗等系列操作，生產(chǎn)效率偏低，而全自動移栽機大多處于試驗研究階段，目前尚未投入規(guī)?；a(chǎn)實踐[20-21]。國外雖有較為成熟的全自動移栽機及技術，但由于結構復雜、體積較大、價格偏高、適應品種單一，不適合我國復雜地形地貌，因而還需要國內(nèi)眾多企業(yè)和團隊的繼續(xù)努力，爭取早日取得突破，使高效能的全自動移栽機盡早服務我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[22]。

國內(nèi)蔬菜種植業(yè)應建立統(tǒng)一的標準化育苗機制，至少在一定區(qū)域范圍內(nèi)，針對相同的蔬菜品種制定統(tǒng)一的栽植農(nóng)藝參數(shù)，并以此降低移栽機研究開發(fā)難度，使移栽機的使用更加廣泛，從而盡早實現(xiàn)機器換人的目標。

4 結語

本文綜述了從半自動到全自動的旱地蔬菜移栽機，包括其移栽的適用范圍、優(yōu)缺點，為今后移栽機研究者提供一定的參考。為彌補現(xiàn)存移栽機存在的一些不足，可借鑒目前旱地移栽機的優(yōu)點，早日研發(fā)出高效的全自動取-分-投苗機構，代替人工勞作。研發(fā)的旱地蔬菜移栽機應具有質(zhì)量輕、體積小、移栽效率高、故障率低、適應性強以及價格低廉等特點。