缽苗移栽機取苗裝置研究現(xiàn)狀及展望.pdf

書書書 缽苗移栽機取苗裝置研究現(xiàn)狀及展望 馮世 杰 1 2 吳明 亮 1 3 顏 波 1 全 偉 1 1 湖南 農(nóng) 業(yè)大學(xué) 工學(xué)院 長沙 410128 2 信陽農(nóng)林學(xué)院 園藝學(xué)院 河南 信陽 464000 3 湖南省現(xiàn)代農(nóng) 業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心 長沙 410128 摘 要 缽苗自動化移栽是提高作物單產(chǎn) 保障我國糧食供給安全的重要手段 為此 對國內(nèi)外缽苗移栽機取 苗裝置的研究現(xiàn)狀進行了闡述 按照取苗方式的不同將取苗裝置分為氣力輔助式 頂出式 夾取式 組合式和帶 式 5 類 指出了現(xiàn)有取苗裝置存在的問題 提出了相應(yīng)的建議 并對缽苗自動移栽機取苗裝置的發(fā)展趨勢進行了 探討 關(guān)鍵詞 缽苗 移栽機 取苗裝置 中圖分類號 S233 2 S223 9 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2020 12 0009 01 0 引言 隨著社會的發(fā)展 我國農(nóng)業(yè)勞動人口和 人 均可耕 地面積正逐年減少 而對糧食和經(jīng)濟作物的需求總量 日漸增加 作物移栽能夠充分利用光熱資源 提高復(fù) 種指數(shù)和作物的單產(chǎn) 是我國未來確保農(nóng)產(chǎn)品供給安 全的重要手段 1 3 目前 半自動化移栽機是國內(nèi) 移 栽 作業(yè)的主力軍 作業(yè)時靠人工取喂苗 作業(yè)效率低 用工量大 機械化效益不明顯 很難滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī) ?；a(chǎn)模式的需要 4 6 自動移栽機的出現(xiàn)很好 地解 決 了上述問題 其取苗裝置能連續(xù) 高效地將缽 苗從穴盤中有序取出并快速移送到目標位置 真正意 義上實現(xiàn)了移栽作業(yè)的自動化 取苗裝置作為自動移栽機的標志性部件 7 已經(jīng) 成為 自動移栽領(lǐng)域研究中的熱點 8 12 其對移 栽機 作業(yè)械化水平的提高乃至現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展都具有重 要的意義 為此 對國內(nèi)外取苗裝置的現(xiàn)狀進行了分 析 針對當前取苗裝置存在的問題進行歸納 并對取 苗裝置的發(fā)展方向進行了預(yù)測 以期為缽苗自動移栽 機的研究提供參考 1 國內(nèi)外取苗裝置的研究現(xiàn)狀 以歐 美 日為代表的發(fā)達國家由于國民生活水平 較高 人工成本昂貴 在 20 世紀 80 年代就開始了自 收稿 日 期 2019 06 18 基金項目 國家油菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項 CA S 12 十三五 國家 重點研發(fā)計劃項目 2017YFD0700800 作者簡介 馮世杰 1979 男 河南信陽人 博士研究生 E mail fsj 6688 126 com 通 訊作 者 吳明亮 1972 男 湖南常寧人 教授 博士生導(dǎo)師 E mail lmlwu hunau edu cn 動 取 苗 技術(shù)的研究 近年來 隨著自動控制技術(shù) 傳 感器技術(shù) 驅(qū)動技術(shù)及機器視覺技術(shù)在取苗裝置中的 應(yīng)用 取苗自動化程度也越來越高 目前已有成熟產(chǎn) 品應(yīng)用于實際生產(chǎn)中 國內(nèi)對自動取苗技術(shù)的研究起步較晚 移栽作業(yè) 目前以半自動化移栽機為主 近年來 隨著人民經(jīng)濟 收入和生活水平的提高 我國移栽作業(yè)機械化水平的 提高已成為亟待解決的問題 由于國外移栽裝備不 適合我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的國情 難以在我國推廣 因此國 內(nèi)相關(guān)科研院所對自動取苗技術(shù)開展了研究 目前多 數(shù)研究成果處于試驗 試用階段 根據(jù)自動移栽作業(yè)時取苗方式的不同 將取苗裝 置分為氣力輔助式 頂出式 夾取式 組合式及帶式 5 種類型 1 1 氣力輔助式取苗裝置 氣力輔助式取苗裝置作業(yè)時利用氣流的作用力 使苗缽和穴盤分離 主要由氣力產(chǎn)生裝置和穴盤移位 裝置組成 Frank W Faulring 等 13 設(shè)計 了氣力輔助式取苗 裝 置 如圖 1 所示 圖 1 空氣 輔 助取苗裝置 取苗 時 在 穴盤移位裝置控制下 待取缽苗隨盤 1 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 12 001 依次移位至落苗孔正 上 方 在自重和氣流負壓作用下 與穴盤分離 通過落苗孔落入導(dǎo)苗管 為了降低基質(zhì)損失率 提高取苗成功率 Law rance N Shaw 等 14 設(shè)計 了 氣動 頂出式取苗裝置 如 圖 2 a 所示 在頂桿軸向 45 開噴氣孔 借助氣流的 作用力使苗缽與穴盤分離 然后頂出 解決了頂出式 取苗中頂桿刺入 頂破苗缽導(dǎo)致取苗失敗的問題 韓綠化等 15 在 Lawrance N Shaw 設(shè)計 基 礎(chǔ)上研 制了底部吹氣式缽體與穴盤松脫裝置 如圖 2 b 所 示 該裝置借助壓縮空氣瞬間釋放的沖擊力沖頂缽 苗 實現(xiàn)了缽苗與缽穴壁之間非機械接觸式松脫 圖 2 氣動 頂出式取苗裝置 包春 江 等 16 研制 了 氣吸式水稻缽苗取苗裝置 孫廷綜等 17 18 研制 了 真空落苗機構(gòu) 這兩種取苗裝 置都用于水稻缽苗移栽取苗 均采用單片機控制來控 制落苗管內(nèi)部空氣壓力 達到氣力輔助取苗目的 羅錫文等 19 20 研制 了 氣力有序拋秧機 采用壓 縮氣流從苗盤底部將水稻缽苗吹出秧盤 來實現(xiàn)水稻 穴盤苗的取苗 氣力輔助式取苗在最大程度上減少了苗缽基質(zhì) 損失和幼苗的損傷 不足之處是瞬時氣流強度控制難 度較大 下落取苗對育苗穴盤缽穴形狀要求特殊 落 苗孔不適用于葉幅寬較大的葉菜類作物等 制約了氣 力輔助式取苗裝置的推廣應(yīng)用 1 2 頂出式取苗裝置 頂出式取苗裝置由頂苗機構(gòu)和移位機構(gòu)組成 作 業(yè)時移位機構(gòu)和頂苗機構(gòu)互相配合 使頂苗桿通過穴 盤底部孔把缽苗有序頂出并落入栽植機構(gòu) 或經(jīng)輸送 帶送至栽植機構(gòu) E C Armstrong 等 21 設(shè)計 的 頂出式取苗裝置 如 圖 3 所示 取苗時 穴盤在移位機構(gòu)驅(qū)動下在垂直方 向逐行喂苗 做往復(fù)直線運動的頂桿將缽苗從穴盤中 逐行頂出 圖 3 頂出 式 取苗裝置 吳崇 友 等 22 研制 了 棘爪 棘輪頂出式取苗裝置 如圖 4 所示 該裝置適用于秧苗移栽機 取苗時頂苗 桿將缽苗頂出 然后在撥秧輪的作用下有序落入導(dǎo) 苗管 圖 4 棘爪 棘輪頂出式取苗 裝置 宮成 宇 等 23 設(shè)計 了 用于玉米缽苗移栽的內(nèi)槽盤 式取苗裝置 實現(xiàn)了整排頂出取苗 大幅提高了取苗 作業(yè)效率 尹大慶等 24 設(shè)計了一種有序頂出式分秧 機構(gòu) 如 圖 5 所 示 圖 5 有序 頂 出式取苗裝置 2 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 該機構(gòu)作業(yè)時秧 盤縱向勻速送秧 在 勻速旋轉(zhuǎn)的 撥桿作用下 通過對應(yīng)杠桿推動頂桿將同一排缽苗有 序頂出 徐玉娟等 25 研制 了 凸輪滾子頂出式取苗裝置 通過提高頂苗凸輪和雙螺旋送苗機構(gòu)的精度 提高取 苗成功率 該裝置完全由機械傳動 成本低 精度高 取苗成功率達到 95 以上 如圖 6 所示 圖 6 雙螺 旋 凸輪頂出式取苗裝置 為提高取苗作業(yè)效率和缽苗移栽自動 化水平 楊 傳華 26 研制了 基于 PLC 控制的頂出式取苗裝置 在 PLC 控制下步進電機驅(qū)動頂桿將苗頂出至輸送帶 然 后按序?qū)⒗徝巛斔偷酵睹鐧C構(gòu) 如圖 7 所示 圖 7 伺服 頂 出式取苗裝置 頂出 式 取苗裝置結(jié)構(gòu)相對簡單 作業(yè)效率高 但 對穴盤的制造工藝和穴盤的移位機構(gòu)控制精度要求 較高 同時要求待取苗缽有足夠大的內(nèi)聚力 以免頂 桿刺入缽體或頂碎缽體 影響取苗成功率 1 3 夾取式取苗裝置 夾取式取苗裝置主要由移位機構(gòu)及取苗手爪組 成 作業(yè)時 移位機構(gòu)帶動穴盤移動 將穴盤缽穴有 序移送到目標位置 取苗手爪末端執(zhí)行器采用扎入夾 缽或直接夾缽苗莖稈的方式 將苗缽從穴盤取出并移 送到投苗位置 如圖 8 所示 圖 8 夾取 式 取苗裝置示意圖 K C Ting 和 Y Yang 等 27 設(shè)計了氣動滑針式取 苗 裝 置 主要由壓縮氣缸 滑 針組成 如圖 9 所示 作 業(yè)時 以氣缸驅(qū)動帶有傳感器的滑針式夾持器垂直接 近苗盤缽穴 取苗針下移從幼苗側(cè)面傾斜插入土缽 將缽苗取出 取苗過程距離傳感器用來檢測缽苗與 滑針的相對位置避免取苗滑針傷害秧苗 力傳感器用 來檢測取苗針對苗缽施加的夾持力 以避免取苗針對 苗缽夾持力過大而導(dǎo)致苗缽破損影響取苗成功率 圖 9 氣動 滑 針式取苗器 洋馬公司研發(fā)了齒輪 連桿式取苗機構(gòu) 28 主要 由 齒 輪箱 連桿 滑槽機構(gòu)和取苗爪構(gòu)成 如圖 10 所示 圖 10 齒輪 連 桿 式取苗裝置 3 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 作業(yè) 時 在 齒輪和連桿 滑槽機構(gòu)作用下取苗爪 實現(xiàn)扎入苗缽 然后由盤形凸輪控制取苗爪開合來完 成苗缽夾取和投送動作 該機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊 體積較 小 但取苗效率不高 滑槽易磨損 荷蘭 Visser 公司生產(chǎn)的 PC 21 型取苗裝置如圖 11 所示 該裝置采用由獨立伺服電機驅(qū)動的四針式 取苗爪 可適應(yīng)多種穴盤規(guī)格 并通過機器視覺技術(shù) 識別苗的生長情況判別缺苗缽穴 取苗成功率較高 作業(yè)時 取苗爪垂直扎入苗缽 容易傷害幼苗 破壞苗 缽?fù)暾?美國 APID 公司研制的 TW 型取苗裝置 中 取苗器末端采用片狀夾指 結(jié)合氣動和電控技術(shù) 從側(cè)面抓取缽苗 有效地降低了取苗器對缽苗的 損傷 29 圖 11 PC 21 型取 苗 裝置 K H yu 等人 30 31 開發(fā) 了 一種基于機器視覺 的取苗裝置 并對取苗末端執(zhí)行器進行優(yōu)化處理 取 苗時 取苗爪向視覺裝置提供的缽苗坐標位置運行 然后由氣缸分別驅(qū)動取苗末端執(zhí)行器夾指來完成對 缽苗的夾取 移動和投放 取苗成功率達 98 毛罕平團隊對夾持式取苗裝置研究較多 韓綠化 等 32 33 設(shè)計了兩針鉗夾式取苗末端執(zhí)行器和兩指四 針 鉗 夾式扎入夾缽取苗器 來提高取苗成功率 如圖 12 所示 圖 12 鉗夾 式 取苗器 作業(yè) 時 當 穴盤苗移位到目標位置后 在氣缸驅(qū) 動下取苗針完成扎入 夾取和釋放缽苗動作 嚴宵月 等 34 研發(fā)了整排取苗裝置 極大地提高了取苗效率 俞高 紅 團隊 35 37 開發(fā)了一種基于非圓齒輪 行 星 輪系的回轉(zhuǎn)式取苗機構(gòu) 并對其機構(gòu)進行優(yōu)化處理 研制出三臂回轉(zhuǎn)取苗機構(gòu) 如圖 13 所示 該取苗機 構(gòu)齒輪箱通過齒輪傳動實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動 驅(qū)動取苗爪按 預(yù)定取苗軌跡運行 在凸輪頂桿作用下完成扎入 夾 取和釋放缽苗動作 該取苗機構(gòu)效率高 性能穩(wěn)定 但機構(gòu)中非圓齒輪加工難度較大 圖 13 三臂 回 轉(zhuǎn)取苗裝置 崔巍 等 38 設(shè)計 出 了齒輪 五桿式取苗機構(gòu) 如圖 14 所示 該機構(gòu)同時解決了洋馬齒輪 連桿式取苗機 構(gòu)中滑槽易磨損問題和非圓齒輪行星輪系取苗機構(gòu) 中非圓齒輪加工困難問題 圖 14 齒輪 五 桿 式取苗機構(gòu) 金鑫 等 39 研制 了 一種五桿 定軸輪系取苗機構(gòu) 由 1 對直齒圓柱齒輪機構(gòu)和平面五桿機構(gòu)組合而成 胡敏娟等 40 設(shè)計了滑針式取苗器 利用滑動取苗針 扎入 夾 取缽苗 韓長杰等 41 設(shè)計了多組氣缸驅(qū)動的 翻轉(zhuǎn) 擺 位式取苗機械手 利用氣缸控制取苗爪扎苗 放苗動作 廖慶喜團隊 42 為油菜紙質(zhì)缽移栽機設(shè)計 了氣動嵌入式取苗機 構(gòu) 在氣缸驅(qū)動下實現(xiàn)取苗針扎 入 夾取苗缽 取苗成功率達 92 宋建農(nóng)等為提高水稻缽苗移栽質(zhì)量研制出對輥 式拔秧機構(gòu) 43 主要由 輸秧輥 壓秧板 上下拔秧輥 4 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 等部 件 組成 作業(yè)時 上下拔秧輥運行使夾苗板配合 來完成夾莖取苗和松開莖稈投苗動作 如圖 15 所示 圖 15 對輥式拔秧機構(gòu) 韓長 杰 等 44 設(shè)計了基于平行移動夾片 式 取苗機 械手 主要由擺臂 滑桿 長夾片與短夾片組成 作業(yè) 時 擺臂控制長 短夾片在滑桿上的移動方向 使相鄰 長 短夾片完成夾莖取苗和投苗動作 趙勻等 45 46 為降低基質(zhì)損失 研制 了 反轉(zhuǎn)式共 軛凸輪蔬菜缽苗取苗機構(gòu)和夾片式夾苗機構(gòu) 這兩種 機構(gòu)都是利用取苗末端執(zhí)行器夾取缽苗莖稈進行取 苗 作業(yè)時 夾秧片從缽苗基質(zhì)附近的莖稈位置進行 夾取 通過控制機構(gòu)來完成取苗末端執(zhí)行器夾取和投 苗動作 夾持式取苗裝置對移位機構(gòu)和取苗末端執(zhí)行器 的運行精準度要求高 受末端執(zhí)行器尺寸限制 不適 用于缽體尺寸較小的缽苗移栽取苗 由于取苗末端 執(zhí)行器從缽苗的上方對對穴盤苗進行夾持作業(yè) 容易 傷及幼苗的莖葉 末端執(zhí)行器扎入苗體后對苗缽施以 夾持力會破壞缽體的內(nèi)聚力 在缽體與缽穴內(nèi)壁間的 粘附力和摩擦力作用下很容易發(fā)生苗缽破損或散坨 現(xiàn)象 導(dǎo)致取苗成功率下降 1 4 組合式取苗裝置 組合式取苗裝置由移位機構(gòu) 頂苗機構(gòu) 取苗末 端執(zhí)行器和控制機構(gòu)組成 具有頂出式取苗和夾取式 取苗的優(yōu)點 能降低取苗末端執(zhí)行器對幼苗的傷害和 缽體破損 作業(yè)時 移位機構(gòu)將帶苗穴盤移送到目標 位置 頂苗桿穿過苗盤底部漏水孔將缽苗頂出 隨后 取苗機構(gòu)末端執(zhí)行器夾取或扎取苗缽并送到投苗位 置 根據(jù)缽苗頂出后末端執(zhí)行器對苗缽的作用方式 不同 分為頂夾結(jié)合式取苗和頂扎結(jié)合式取苗 如圖 16 所示 Ferrari 取苗裝置即為頂夾式取苗 47 取苗 爪 運動 至取苗位置后靜止 由頂桿將缽苗整排頂出并推入取 苗爪夾持區(qū) 隨后 取苗爪夾持苗缽并將缽苗送至分 苗機構(gòu) 該裝置中苗與穴盤的分離由頂桿完成 取苗 爪靜止接收被頂出的秧苗 其動作穩(wěn)定可靠 傷苗率 低 作業(yè)效率高 Isao Mikawa 等 48 人設(shè)計的取苗裝 置 如圖 17 所 示 穴盤水平放入苗盤移位機構(gòu) 逐行向前進給供 苗 當傳感器檢測到目標位置有缽苗時 頂苗桿上行 將苗缽從穴盤頂出 同時取苗滑針插入苗缽中 然后 持苗逆時針旋轉(zhuǎn)將缽苗送至栽植機構(gòu) 縮回滑針完成 送苗 這種取苗裝置結(jié)構(gòu)簡單 運行可靠 工作效率 較高 圖 16 組合 式 取苗裝置 圖 17 Mikawa 取苗 裝 置 王蒙 蒙 等 49 設(shè)計了曲柄擺桿式穴 盤 苗取苗機 構(gòu) 采用擺桿式夾取爪與頂苗機構(gòu)配合完成取苗 如 圖 18 所示 研究中 通過力學(xué) 運動學(xué)分析和仿真的 方法 來確定和優(yōu)化取苗機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù) 該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單 性能可靠 取苗成功率為 95 8 圖 18 曲柄 擺 桿式取苗機構(gòu) 5 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 為降 低 取苗裝置的制造成本 金鑫等 50 51 設(shè)計 了 純 機械傳動的頂 夾結(jié)合式取苗裝置 如圖 19 所 示 其采用圓柱凸輪機構(gòu)和齒輪 槽輪機構(gòu)控制苗盤 移位 曲柄滑塊機構(gòu)完成頂苗動作 凸輪和齒輪齒條 機構(gòu)完成夾苗 移苗和投苗任務(wù) 同時 結(jié)合建模和 仿真技術(shù)對各機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化 來降低取苗基 質(zhì)損失率 圖 19 頂 夾結(jié)合式取苗裝置 為 了 提 高取苗裝置的作業(yè)效率 倪有亮等 47 設(shè) 計 了 一 種由 PLC 控制的取送苗裝置 取苗過程中 由 PLC 控制苗盤移位機構(gòu) 集排式頂苗機構(gòu)和取苗爪協(xié) 同作業(yè)完成取苗任務(wù) 取苗頻率可以達到 7 次 min 為了降低取苗時基質(zhì)損失率和對幼苗莖葉的傷 害 何亞凱 52 設(shè)計 了 頂 扎結(jié)合式取苗裝置 取苗 時 頂苗桿先將苗缽從盤中頂出 隨后 針狀取苗末端 執(zhí)行器從缽體側(cè)面傾斜扎取苗缽 并移送至投苗機 構(gòu) 該裝置取苗時基質(zhì)損失率低 成功率高 適用于 葉幅寬較大 莖稈不明顯作物幼苗 組合式取苗裝置具有頂出式取苗和夾取式取苗 的優(yōu)勢 能減少取苗設(shè)備對苗體和苗缽的傷害 特別 是采用 PLC 控制技術(shù)和氣 液驅(qū)動技術(shù)后 取苗效率 和取苗性能穩(wěn)定性都得到有效提高 解決了葉幅寬較 大和無莖稈類作物穴盤苗取苗難的問題 組合式取 苗裝置結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜 受缽苗形態(tài)影響取苗末端執(zhí)行 器尺寸較大 制約了作業(yè)效率的提高 1 5 帶式取苗裝置 帶式取苗裝置主要用于鏈式紙缽移栽取苗 由剝 紙帶機構(gòu)和輸送帶組成 圖 20 為 Tetsuo Nanbu 等 53 設(shè)計的帶式取苗裝 置 作 業(yè)時 用引導(dǎo)盤將兩條紙帶 分別引到剝紙帶機構(gòu)將包裹紙帶剝除 隨后第一傳輸 帶夾持缽體有效完成了取苗作業(yè) 待缽苗運行到兩組 輸送帶重合位置時 第 2 組輸送帶夾住缽苗莖稈將缽 苗送到投苗位置 陳海濤等 54 55 為解決鏈式紙缽苗取苗問 題 設(shè) 計了鏈式紙質(zhì)缽苗分離裝置 該分離裝置能有效提 高鏈式紙質(zhì)缽苗的分離速度 降低紙質(zhì)缽苗的破 損率 這類取苗裝置結(jié)構(gòu)簡單 運行可靠成本低 與專 門串聯(lián)紙質(zhì)缽配合時作業(yè)效率高 但對幼苗莖葉有一 定的傷害 圖 20 帶式 取 苗裝置 2 取苗裝置存在的主要問題 2 1 取苗裝置對缽苗損傷率高 根據(jù)對國內(nèi)外取 苗 裝置現(xiàn)狀分析可知 現(xiàn)階段用 于缽苗自動移栽的取苗方式主要有夾取式 頂出式和 組合式等 這幾類取苗裝置在作業(yè)時末端執(zhí)行器直 接作用于苗缽或幼苗 將缽苗從缽穴中取出 在這個 過程中 末端執(zhí)行器作用于缽苗的力在豎直方向的合 力要克服缽苗脫盤時缽體受到的切向粘附力 f 1 摩擦 力 f 2 法向 粘 附力 f 3 及苗缽自身的重力 如圖 21 所 示 圖 21 中 F 1 為夾取時苗缽受到向上的合力 F 2 為頂 出時缽底受到頂桿作用力 G 為 苗 缽重力 f 1 為脫 盤 時 苗缽受到切向粘附力 f 2 為脫 盤 時苗缽受到摩擦力 f 3 為苗缽與缽穴底部的粘附力苗缽 4 個側(cè)面受力相同 圖 21 取苗 過 程中苗缽受力示意圖 由于苗缽自身物 理 成分的不均一性 使得苗缽與 6 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 缽穴壁間粘附力 及苗缽內(nèi)部粘聚力差異較大 因 此 當取苗過程中末端執(zhí)行器對苗缽的作用力大于苗缽 內(nèi)部粘聚力時 會造成缽體變形 破損 散坨等現(xiàn)象 苗缽破損輕者會影響缽苗栽后長勢 苗缽散坨直接導(dǎo) 致取苗失敗 另外 缽體損失過大的苗缽在后續(xù)投苗 過程中 由于質(zhì)量過小影響缽苗自由下落 導(dǎo)致漏栽 率增大 取苗過程中 由于缽苗的生長受溫 光 水 肥及 基質(zhì)成分等多因素的影響 使缽苗的株形差異較大 同時 受限于缽穴的尺寸 數(shù)量及取苗裝置末端執(zhí)行 器的結(jié)構(gòu)形狀 現(xiàn)有的夾取式 頂取式或結(jié)合式等取 苗方式在取苗時末端執(zhí)行器都不可避免地與幼苗的 莖 葉 根相接觸 使幼苗受到傷害 輕微的幼苗傷害 會導(dǎo)致缽苗栽后緩苗期延長 幼苗受損嚴重時會使幼 苗致殘 直接影響到幼苗的成活率 2 2 取苗裝置作業(yè)效率低 取苗裝置作業(yè)效率取決于末端執(zhí)行器單位時間 內(nèi)向栽植機構(gòu)提供缽苗的數(shù)量 目前 常用取苗機構(gòu) 每次僅能實現(xiàn)單株取苗或單排取苗 取苗效率相對較 低 制約了自動移栽機的作業(yè)效率的提高 在自動移 栽機技術(shù)較成熟的發(fā)達國家中 如日本洋馬公司研制 的齒輪連桿式取苗裝置采用單株取苗 作業(yè)效率僅為 60 70 株 min 要提高其作業(yè)效率必須提高各機構(gòu)的 運行虛度 但受取苗裝置整體各機構(gòu)力學(xué)性能的限 制 運行速度提高后取苗裝置取苗成功率則大幅下 降 7 倪有亮等設(shè)計的整排式頂 夾組合式取苗機構(gòu) 作 業(yè) 效率也只有 91 株 min 在進一步研究中發(fā)現(xiàn)隨 著取苗頻率的升高 取苗成功率迅速降低 47 目前 移 栽 技術(shù)最為成熟的歐美等國的大型自動移栽機作 業(yè)效率也不超過 150 株 行 min 52 由于 取 苗裝置 的作業(yè)效率直接制約著自動移栽機的使用成本 因此 其作業(yè)效率還有待于進一步提高 2 3 取苗裝置通用性 自適應(yīng)性差 目前 取苗裝置的研究雖然取得了較大進展 但 其通用性和自適應(yīng)性不能滿足實際生產(chǎn)需要 導(dǎo)致移 栽作業(yè)中生產(chǎn)成本升高 取苗質(zhì)量得不到有效保證 具體體現(xiàn)如下 由于不同種類之間的作物幼苗在株形 尺寸和種 植要求等方面差異較大 因此在育苗時要選用不同規(guī) 格的穴盤 導(dǎo)致在實際移栽中就必須有相應(yīng)的取苗裝 置來完成取苗作業(yè) 為了滿足不同種類作物缽苗移 栽作業(yè)的要求 科研人員必須設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)的取苗 裝置 無形中增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本 另外 由于受到溫 光 水 肥等因素的影響 導(dǎo)致 同種作物的株形也具有不均一性 同時 育苗穴盤由 于受制造工藝 育苗 搬運及重復(fù)使用等因素的影響 使穴盤發(fā)生變形 扭曲 破損等情況 導(dǎo)致穴盤和取苗 裝置之間的配合誤差增大 取苗質(zhì)量下降 因此 要求缽苗移栽機的取苗裝置具有較好的通 用性和自適應(yīng)功能 針對育苗穴盤尺寸 形狀 完整性 的變化進行自動調(diào)節(jié) 在降低移栽作業(yè)成本同時保證 取苗裝置的取苗質(zhì)量 3 對策 與 展望 3 1 采用新的設(shè)計理念設(shè)計取苗裝置 針對常 見取苗裝置作業(yè)中由于末端執(zhí)行器直接 與缽苗相互作用而對缽苗產(chǎn)生損傷的現(xiàn)象 在分析現(xiàn) 有取苗裝置作業(yè)過程中缽苗受力的基礎(chǔ)上 總結(jié)不同 取苗裝置取苗時對缽苗產(chǎn)生損傷的共性 從求新 求 異 求變的角度對育苗穴盤及取苗裝置的結(jié)構(gòu)進行創(chuàng) 新性設(shè)計 而不是僅僅立足現(xiàn)有裝置進行功能彌補性 改進 筆者所在團隊開發(fā)出缽穴可開式活動苗 盤 56 通過 降 低缽苗與缽穴之間接觸面積及相互作 用力來降低苗缽脫盤時的基質(zhì)損失 同時 在此基礎(chǔ) 上設(shè)計出托舉式取苗裝置 57 將脫盤后的苗缽從 底 部 托起 避免作業(yè)時取苗末端執(zhí)行器與缽苗之間產(chǎn)生損 傷性接觸 以提高取苗質(zhì)量 針對現(xiàn)有取苗裝置受自身結(jié)構(gòu)力學(xué)的限制不能 大幅提高取苗頻率 且采用逐一取苗或逐行取苗的作 業(yè)方式 導(dǎo)致取苗效率較低的問題 打破傳統(tǒng)認知 采 用整盤缽苗一次性取出 筆者所在團隊設(shè)計的托舉 式取苗機構(gòu)采用整盤取出式 57 在不提高取苗頻 率 的 前提下大幅提高取苗裝置的作業(yè)效率 3 2 運用智能技術(shù)武裝取苗裝置 針對實際生產(chǎn)中取苗裝置通用性 自適應(yīng)性差的 問題 將智能技術(shù)應(yīng)用于取苗裝置的研制中 智能技 術(shù)具有自動采集信息 傳遞信息 處理信息并根據(jù)處 理結(jié)果發(fā)出控制指令的功能 當育苗穴盤規(guī)格 缽苗 株形發(fā)生變化或穴盤因破損 變形導(dǎo)致缽苗移位出現(xiàn) 偏差時 取苗裝置控制中心能根據(jù)采集到的穴盤和缽 苗相關(guān)的形狀 位置參數(shù) 控制中心存儲的標準參數(shù) 進行比較 經(jīng)計算和分析后對取苗裝置執(zhí)行機構(gòu)的運 行參數(shù)進行優(yōu)化 在保證取苗質(zhì)量和取苗效率的前提 下完成取苗任務(wù) 3 3 展望 1 自動移栽機取苗裝置對穴盤規(guī)格和缽苗整體 質(zhì)量要求較高 在研究取苗裝置和育苗設(shè)施的同時育 苗農(nóng)藝也會有較大提高 使農(nóng)機和農(nóng)藝能夠真正融為 7 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 一體 2 隨 著 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械研究的不斷進步 結(jié)構(gòu)簡 單 性能可靠 作業(yè)效率高且不損傷缽苗的取苗裝置 將會應(yīng)用在缽苗自動化移栽作業(yè)中 3 從現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用需求的角度來看 能識別不同 規(guī)格的穴盤結(jié)構(gòu)特征及缽苗株形差異 并能根據(jù)識別 結(jié)果進行自適應(yīng)調(diào)節(jié)的 高度自動化 甚至智能化的 通用型取苗裝置是今后的發(fā)展趨勢 參考文獻 1 于曉 旭 趙 勻 陳寶成 等 移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2014 45 8 44 53 2 于亞波 武 萍輝 馮青春 等 我國蔬菜育苗裝備研究應(yīng)用 現(xiàn)狀及發(fā)展對策 J 農(nóng)機化研究 2017 39 6 1 6 3 張 會娟 胡 志超 吳峰 等 國內(nèi)育苗移栽機械概況與發(fā)展 思考 J 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010 6 570 572 4 胡 敏娟 穴 盤苗移栽關(guān)鍵技術(shù)的研究 D 南京 南京農(nóng)業(yè) 大學(xué) 2011 5 金鑫 蔬菜穴盤苗自動移栽技術(shù)與裝置研究 D 北京 中 國農(nóng)業(yè)大學(xué) 2014 6 崔巍 旱地缽體苗自動移栽機理論與實驗研究 D 北京 中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 2015 7 趙雄 陳建能 楊茂祥 等 二階非圓齒輪行星系缽苗移栽 機取苗機構(gòu) J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2014 45 4 123 127 8 張振國 曹 衛(wèi)彬 王 僑 等 穴盤苗自動移栽機的發(fā)展與展 望 J 農(nóng)機化研究 2013 35 5 236 241 9 劉 存祥 李 曉虎 岳修滿 等 我國旱地移栽機械的現(xiàn)狀與 發(fā)展趨勢 J 農(nóng)機化研究 2012 34 11 249 251 10 韓長杰 張學(xué)軍 楊宛章 等 旱地缽苗自動移栽技術(shù)現(xiàn)狀 與分析 J 農(nóng)機化研究 2011 33 11 238 24 11 俞高紅 俞 騰飛 葉秉良 等 一種旋轉(zhuǎn)式穴盤苗取苗機構(gòu) 的設(shè)計 J 機械工程學(xué)報 2015 51 7 67 76 12 Wan Ishak W I Awal M A Elango Development of an automatic transplanter for the gantry system J Asian Jour nal of Scientific esearch 2008 1 4 451 457 13 Shaw L N Automatic transplanter for vegetable J Proc Fla State Hort Soc 1998 110 262 263 14 Shaw L N emoving and handling modular vegetable seed ling from nursery trays J Proc Fla State Hort Soc 1999 112 152 155 15 韓 綠化 毛 罕平 趙慧敏 等 蔬菜穴盤育苗底氣吹式缽 體松脫裝置設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2019 35 4 37 45 16 包春江 李 寶筏 李永奎 等 水稻缽苗空氣整氣吸式有序 移栽機的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2003 35 6 59 61 17 孫 廷琮 馬 成林 紀春千 空氣整根營養(yǎng)缽及移栽系統(tǒng)技 術(shù)研究開發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 1991 7 2 86 90 18 范云翔 楊 子萬 K A Adekola 等 溫室全自動移栽機的 研究開發(fā) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 1996 12 2 111 115 19 王 玉興 羅 錫文 唐艷芹 等 氣力有序拋秧機輸秧機構(gòu)動 態(tài)模擬研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2004 20 2 109 112 20 向 衛(wèi)兵 羅 錫文 王玉興 等 氣力有序拋秧氣流場的有限 元仿真分析與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2004 20 1 44 47 21 Armstrong E C Hanacek W A Spinetti T A etal Auto matic soil plug loader and feeder United Statent 4443151 P 1984 04 17 22 吳 崇友 盧 晏 涂安富 等 插秧機工作原理與使用經(jīng)濟效 果 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2000 16 5 60 63 23 宮成宇 趙 勻 馮江 等 基于 ADAMS 玉米移栽機頂出機 構(gòu)設(shè)計與仿真 J 農(nóng)機化研究 2013 35 6 127 130 24 尹大慶 張 爍 辛亮 等 玉米缽苗頂出式有序分秧機構(gòu) 的設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2018 34 9 68 74 25 徐 玉娟 吳 明亮 向偉 等 油菜缽苗移栽機取送苗系統(tǒng)設(shè) 計與試驗 J 中國農(nóng)學(xué)通報 2016 32 16 185 192 26 楊傳華 方 憲法 楊學(xué)軍 等 基于 PLC 的蔬菜缽苗移栽 機自動輸送裝置 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2013 44 S1 18 23 18 27 Yang Y Ting K C Giacomelli G A Factors affecting per formance of sliding needles gripper during robotic transplan ting of seedlings J Applied Engineering in Agriculture 1991 7 4 493 498 28 Tsuga K Development of fully automatic vegetable trans planter J Japan Agricultural esearch Quartely 2000 34 21 28 29 張 振國 呂 全貴 陳青云 等 盆栽花卉移栽機取苗機構(gòu)的 現(xiàn)狀分析 J 江蘇大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2016 37 4 18 23 18 30 yu K H Kim G Development of a gripper for robotic transplanter and evaluation of its transplanting performance J Korean Society for Agricultural Machinery 1998 23 3 271 276 31 yu K H Kim G Han J S Development of a robotic trans planter for bedding plants J Automation and Emerging Technologies 2001 78 2 141 146 32 韓 綠化 毛 罕平 繆小花 等 基于穴盤苗力學(xué)特性的自動 取苗末端執(zhí)行器設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2013 44 11 260 265 33 韓 綠化 毛 罕平 嚴蕾 等 穴盤育苗移栽機兩指四針鉗夾 式取苗末端執(zhí)行器 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2015 46 7 23 30 34 嚴 宵月 胡 建平 吳福華 等 整排取苗間隔放苗移栽機設(shè) 計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2013 44 S1 7 13 35 俞 高紅 劉 炳華 趙勻 等 橢圓齒輪行星輪系蔬菜缽苗自 動移栽機構(gòu)運動機理分析 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2011 42 4 53 57 36 俞 高紅 陳 志威 趙勻 等 橢圓 不完全非圓齒輪行星系 8 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期 蔬菜 缽 苗取機構(gòu)的研究 J 機械工程學(xué)報 2012 48 13 32 39 37 童 俊華 俞 高紅 朱贏鵬 等 三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜缽苗取苗機 構(gòu)設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 50 1 113 121 38 崔巍 方憲 法 趙亮 等 齒輪 五桿取苗裝置機構(gòu)優(yōu)化與 試驗驗證 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2013 44 8 74 77 39 金鑫 李樹 君 楊學(xué)軍 等 穴盤苗取苗機構(gòu)分析與參數(shù)優(yōu) 化 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2013 44 S1 1 6 13 40 胡 敏娟 尹 文慶 穴盤苗變形滑針式取苗器的研究 J 浙 江農(nóng)業(yè)學(xué)報 2011 23 1 154 158 41 韓長杰 楊 宛章 張學(xué)軍 等 穴盤苗移栽機自動取喂系統(tǒng) 的設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2013 8 51 61 42 廖慶喜 張 照 胡喬磊 等 油菜紙缽苗移栽機氣動取苗 機構(gòu)設(shè)計與軌跡分析 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2017 48 11 70 80 43 宋建農(nóng) 黃 育仕 魏文軍 等 水稻缽苗對輥式拔秧機構(gòu) J 江蘇大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2006 27 4 291 294 44 韓長杰 郭 輝 楊宛章 等 取苗機械手雙氣缸三位置的驅(qū) 動及優(yōu)化 J 農(nóng)機化研究 2014 36 2 17 21 45 趙 勻 樊福 雷 宋志超 等 移栽機構(gòu)的設(shè)計與仿真 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2014 30 14 8 16 46 趙 勻 薛向 磊 茄子缽苗全自動移栽機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試 驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 49 5 152 160 47 倪有亮 金 誠謙 劉基 全自動移栽機取送苗系統(tǒng)的設(shè)計 與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2015 31 23 10 19 48 Isao Mikawa Hokkaido Seedling transportation apparatus for transplantation machine 5784984 P 1998 06 28 49 王 蒙蒙 宋 建農(nóng) 劉彩玲 等 蔬菜移栽機曲柄擺桿式夾 苗機構(gòu)的設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2015 31 14 49 57 50 金 鑫 杜新 武 楊傳華 等 蔬菜移栽穴盤苗自動輸送裝置 設(shè)計與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2016 47 7 103 111 51 王 東洋 金 鑫 姬江濤 等 自動頂 夾式蔬菜穴盤苗取苗 裝置設(shè)計與試驗 J 農(nóng)機化研究 2016 38 10 64 68 52 何亞凱 蔬菜穴盤苗高速栽植自動取苗系統(tǒng)設(shè)計與研究 D 北京 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)院 2018 53 Kaizu Y Okamoto T Imou K obotic separation of stage IV micropropagated sugarcane shoots C 2001 ASAE An nual Meeting Sacramento American Society of Agricultural and Biological Engineers 1998 1 54 韓 霞 陳海濤 番茄鏈式紙缽苗移栽機分離機構(gòu)設(shè)計與 優(yōu)化試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 49 5 161 168 55 趙作偉 陳 海濤 賴慶輝 等 甜菜鏈式紙缽苗分離裝置參 數(shù)優(yōu)化 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2010 26 9 154 158 3 56 吳明亮 顏 波 馮世杰 等 缽體苗育苗活動苗盤結(jié)構(gòu)設(shè) 計 J 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2018 44 6 666 671 57 吳 明亮 馮 世杰 官春云 一種缽苗取苗送苗裝置 ZL201710224850 3 P 2018 05 08 esearch Status and Prospect of Seedling Pick up Device of Pot Seedling Transplanter Feng Shijie 1 2 Wu Mingliang 1 3 Yan Bo 1 Quan Wei 1 1 College of Engineering Hunan Agricultural University Changsha 410128 China 2 College of Horticulture Xin yang Agriculture and Forestry University Xinyang 464000 China 3 Hunan Provincial Engineering Technology e search Center for Modern Agricultural Equipment Changsha 410128 China Abstract Automatic transplanting of pot seedlings is an important means to improve crop yield per unit area and ensure food security in China In this paper the author expounded the research status of seedling pick up device of pot seedling transplanter According to the different ways of pick up seedlings the seedling pick up device can be divided into five types pneumatic aided type push out type gripper type combined type and belt type Meanwhile the writer pointed out the existing problems of the seedling pick up device put forward the corresponding suggestions and discussed the trend of the seedling pick up device for automatic seedling transplanter Key words pot seedling transplanter picking up device 9 2020 年 12 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 12 期