梁喜鳳，肖璽澤，朱宇豪，王永維※，武傳宇

（1. 浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，杭州 310018；2. 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058；3. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引 言

中國(guó)是世界最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，2015年全國(guó)蔬菜播種面積21 999.67×103hm2[1]，占世界蔬菜播種面積的43%[2]。但蔬菜產(chǎn)業(yè)是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，我國(guó)蔬菜生產(chǎn)綜合機(jī)械化水平約為20%[3-4]，且機(jī)械化作業(yè)主要集中在耕整地和田間管理環(huán)節(jié)，種植、收獲等作業(yè)環(huán)節(jié)的機(jī)械化率極低，嚴(yán)重制約著蔬菜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。由于蔬菜育苗移栽的種植方式可充分利用光熱資源、提高產(chǎn)量等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前蔬菜生產(chǎn)的主要種植方式，全球大約60%的蔬菜品種采用育苗移栽[5]。目前，法國(guó)、德國(guó)、荷蘭、西班牙、意大利和丹麥等國(guó)多數(shù)蔬菜生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)移栽[6-7]，國(guó)內(nèi)研發(fā)和應(yīng)用的旱地移栽機(jī)主要有鉗夾式[8-9]、撓性圓盤式栽植器[10-11]、導(dǎo)苗管式[12-13]、吊杯式[14-15]、連桿式[16]等半自動(dòng)移栽機(jī)，栽植性能良好，由于受到人工送苗速度的限制，單行移栽頻率小于40株/min[17]，作業(yè)效率低，中國(guó)蔬菜種植對(duì)高速、全自動(dòng)移栽機(jī)的需求十分迫切。但全自動(dòng)移栽需要供給健壯、無空穴的秧苗才能保證移栽質(zhì)量。如果采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求發(fā)芽率高于 85%[18]的蔬菜種子進(jìn)行精量播種育苗，使用達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定栽植合格率大于 90%的全自動(dòng)移栽機(jī)進(jìn)行移栽[19]，移栽定植后田間有效苗也可能低于 80%，顯然穴盤缺苗是影響全自動(dòng)移栽質(zhì)量的主要因素之一。

為了減少由于種子質(zhì)量、基質(zhì)環(huán)境等引起穴盤出現(xiàn)無苗空穴而影響移栽作業(yè)質(zhì)量，須在移栽過程或育苗階段對(duì)穴盤無苗穴孔進(jìn)行補(bǔ)苗。移栽過程中補(bǔ)苗多是通過缺苗檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到穴盤的無苗空穴，再通過控制系統(tǒng)控制補(bǔ)苗裝置進(jìn)行補(bǔ)苗，主要研究如Tai等[20]開發(fā)了一種機(jī)器視覺移缽系統(tǒng)，檢測(cè)空穴孔的準(zhǔn)確率達(dá)95%；金鑫[21]開發(fā)的自動(dòng)識(shí)別取苗系統(tǒng)通過對(duì)幼苗莖桿進(jìn)行識(shí)別，判斷穴盤穴格有無苗；蔣煥煜等[22]開發(fā)了穴盤缽苗健康狀態(tài)信息檢測(cè)，利用機(jī)器視覺技術(shù)獲取穴盤缽苗的健康信息等；劉姣娣等[23]開發(fā)了自動(dòng)補(bǔ)苗裝置并通過PID控制實(shí)現(xiàn)了大田移栽時(shí)缺苗的補(bǔ)苗；賀磊盈[24]、童俊華等[25]針對(duì)溫室內(nèi)缽苗從高密度到低密度穴盤稀植移栽進(jìn)行了利用貪心遺傳算法優(yōu)化穴盤苗移栽路徑研究，但現(xiàn)有研究成果主要集中在基于視覺成像的成苗檢測(cè)與識(shí)別，對(duì)枝葉茂盛的成苗檢測(cè)成功率會(huì)降低，自動(dòng)移栽過程增加補(bǔ)苗系統(tǒng)也會(huì)增加移栽機(jī)的復(fù)雜性。如果在育苗早期或中期對(duì)穴盤空穴補(bǔ)苗，可以在苗床上批量、集中、高效地開展補(bǔ)苗工作，特別是子葉期幼苗枝葉相互無遮擋，圖像識(shí)別成功率高，補(bǔ)苗部件不損傷周圍的幼苗，不影響成苗后根坨與穴孔壁粘附力，將為全自動(dòng)移栽提供無空穴、長(zhǎng)勢(shì)整齊、健康的缽體苗，提高自動(dòng)移栽的作業(yè)質(zhì)量。但子葉期幼苗莖葉細(xì)小、脆嫩，根系尚未與基質(zhì)形成相對(duì)結(jié)實(shí)的根坨，取苗時(shí)幼苗易受到損傷、培養(yǎng)基質(zhì)易松散，而現(xiàn)有移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)如頂出式[26]、頂出夾取式[27]、夾取式[28-29]、四針鉗夾式[30]、兩針鉗夾式[31-32]等，均是針對(duì)成苗取苗開發(fā)的，適用于根系發(fā)達(dá)已形成結(jié)實(shí)根坨的缽體苗取苗，對(duì)于子葉期穴盤苗采用上述方式直接取苗會(huì)使根坨潰碎，無法完整無損地取出松散的子葉期缽體苗或無苗基質(zhì)。因此，完整無損地取出子葉期缽苗是育苗早期補(bǔ)苗的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

為了實(shí)現(xiàn)將子葉期缽體苗或無苗基質(zhì)完整取出并為補(bǔ)苗機(jī)械手提供性能優(yōu)良的末端執(zhí)行器，本文設(shè)計(jì)并試制了包裹式子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器及試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)研究了補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取出不同基質(zhì)配比、不同含水率和不同苗齡缽體幼苗時(shí)的取苗性能，以及基質(zhì)配比與含水率、苗齡對(duì)取苗性能的影響，確定較佳的取苗參數(shù)，為育苗階段子葉期補(bǔ)苗系統(tǒng)開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)⒆尤~期缽體苗完整無損地取出，針對(duì)子葉期缽體苗植株脆嫩、根系不發(fā)達(dá)、根坨松散易碎等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，F(xiàn)形機(jī)架與底臺(tái)固定組成E字形結(jié)構(gòu)，滾珠絲桿機(jī)構(gòu)的絲桿通過軸承安裝在底臺(tái)和機(jī)架上，X形壓桿中心與絲桿螺母固定并可沿垂直導(dǎo)軌升降，底臺(tái) 4個(gè)均布的傾斜面安裝傾斜導(dǎo)軌，4只苗鏟固定在傾斜導(dǎo)軌的滑塊上，苗鏟通過X形壓桿推壓固定在苗鏟上的導(dǎo)向板和滑輪完成運(yùn)動(dòng)方向的改變并上下移動(dòng)，4只苗鏟同步傾斜向下運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸形成接近封閉的包裹式梯臺(tái)結(jié)構(gòu),能夠伸入穴孔內(nèi)將子葉期缽體苗四周包圍后取出；苗鏟向上運(yùn)動(dòng)時(shí)逐漸橫向擴(kuò)大，直到4只苗鏟底部與穴孔4個(gè)角重合，完成補(bǔ)苗[33]。

圖1 子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

1.1 補(bǔ)苗方法

子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取苗、補(bǔ)苗方法如圖2所示，具體過程如下：

1）取苗初始時(shí)，子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器在備用苗正上方，4只苗鏟在上極限位置；

2）末端執(zhí)行器整體垂直下降到備用苗穴孔上方，4只苗鏟下邊緣與穴孔4個(gè)角相對(duì),此時(shí)子葉期植株地上部分位于底臺(tái)下方空間且不受壓；

3）控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，滾珠絲桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)X形壓桿向下運(yùn)動(dòng)，X形壓桿的 4支傾斜桿壓向?qū)虬迳系幕?，?dǎo)向板帶動(dòng)苗鏟沿傾斜導(dǎo)軌向下運(yùn)動(dòng)，4只苗鏟插入穴孔基質(zhì)中并在最大深度處形成四周接近封閉的包裹式結(jié)構(gòu)，待取缽體苗的外側(cè)便被4只苗鏟包裹；

4）子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器整體垂直上移，取出待取缽體苗；然后平移至待補(bǔ)苗穴盤的穴孔正上方；

5）子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器垂直下降，直到 4只苗鏟到達(dá)補(bǔ)苗穴孔最深處；

6）控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，X形壓桿、苗鏟做相反的運(yùn)動(dòng)，以傾斜導(dǎo)軌下端作為擋土板反推缽體苗，4只苗鏟傾斜上升，苗鏟退出待補(bǔ)苗穴孔，完成備用苗釋放至目標(biāo)穴孔的補(bǔ)苗過程；

7）子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器上升，完成1次取出備用苗并補(bǔ)入目標(biāo)穴孔的動(dòng)作。

從目標(biāo)穴盤取出無苗穴孔中的基質(zhì)過程同上述1）～3），然后將子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器平移到預(yù)定位置，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)工作，去除被取出的無苗基質(zhì)，為補(bǔ)苗穴孔清空原始的基質(zhì)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)參數(shù)要依據(jù)育苗采用的穴盤穴孔形狀與尺寸以及取苗要求進(jìn)行設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有育苗穴盤的穴孔形狀多為梯臺(tái)形，圖 3為苗鏟插入穴孔缽體苗后苗鏟與穴孔壁的位置關(guān)系。取苗要求：1）不得損傷植株地上部分；2）盡量多取出基質(zhì)，保持根坨形狀以避免對(duì)根系的損傷。為了能夠完整無損地取出子葉期缽體苗，采用分別與穴孔4個(gè)傾斜壁面平行的4塊平板插入基質(zhì)中，形成包裹式結(jié)構(gòu)將根坨側(cè)面包圍，平板在插入、拔出根坨過程中其垂直面不對(duì)基質(zhì)形成擠壓，從而防止了對(duì)根坨的破壞和根系的損傷。由預(yù)試驗(yàn)知，穴孔中根坨的 4角最易破裂，不易取出，同時(shí)考慮提高苗鏟的剛度，苗鏟設(shè)計(jì)為角形結(jié)構(gòu)，兩角面寬約為穴孔傾斜臺(tái)面的 50%，分別與穴孔兩傾斜面平行；為了防止損傷脆嫩的植株莖葉，底臺(tái)與穴孔上口平面的距離大于子葉期后期植株高度。由圖 3知，補(bǔ)苗機(jī)械手末端執(zhí)行器的幾何約速條件為式（1）

式中M為苗鏟頂部半角面寬，mm；N為苗鏟底部半角面寬，mm；H為苗鏟在穴孔壁面插入長(zhǎng)度，mm；h為穴孔深度，mm；L為苗鏟插入穴孔時(shí)底臺(tái)下表面與穴孔上口平面的距離，mm；m為穴孔上口內(nèi)部尺寸，mm；n為穴孔底部?jī)?nèi)部尺寸，mm；l為子葉后期幼苗高，mm；α為穴孔縱向?qū)ΨQ面半錐角，（°）。

圖2 子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取苗補(bǔ)苗過程Fig.2 Process of seedling picking and supplementing of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

圖3 苗鏟插入缽體后苗鏟與穴孔壁位置關(guān)系Fig.3 Position relationship while seedling shovels inserting into the pot hole

式中τ為泥炭土抗剪強(qiáng)度，Pa；c為泥炭土粘聚力，Pa；k為泥炭土內(nèi)摩擦系數(shù)；σ為正應(yīng)力，Pa。

苗鏟插入缽苗是苗鏟剪切穴孔中基質(zhì)的過程，可按式（3）計(jì)算

式中F為苗鏟插入缽苗的阻力，N；S為苗鏟面積，m2。

因苗鏟插入缽苗時(shí)在垂直于苗鏟壁無正壓力，苗鏟插入缽苗的阻力主要由基質(zhì)黏聚力引起，根據(jù)泥炭土剪切試驗(yàn)結(jié)果取粘聚力c=3.4 MPa[34]，依據(jù)4個(gè)苗鏟實(shí)際插入缽體苗的最大面積計(jì)算，苗鏟插入缽苗阻力為8.54 N，并依此力計(jì)算配置滾珠絲桿機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等，集成

常用 72孔穴標(biāo)準(zhǔn)穴盤的穴孔規(guī)格尺寸為上口徑38 mm × 38 mm，底部 19 mm × 19 mm，深 45 mm。根據(jù)式（1）結(jié)構(gòu)參數(shù)約束條件，同時(shí)考慮補(bǔ)苗機(jī)械手末端執(zhí)行器移動(dòng)時(shí)的精度，按苗鏟外壁面與穴孔保持1 mm的間隙計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)并圓整得 M=16.5 mm、N=8.0 mm、H=40.0 mm、L=60.0 mm、α=12°，為降低苗鏟插入基質(zhì)時(shí)的阻力，苗鏟下緣為弧形并加工成銳邊。

苗鏟插入缽體苗時(shí)的阻力為苗鏟剪切基質(zhì)的剪切力，從穴孔中取出苗時(shí)阻力只有苗鏟外壁與基質(zhì)的摩擦力，補(bǔ)苗至已取出無苗基質(zhì)穴孔后苗鏟收縮時(shí)，阻力主要是苗鏟內(nèi)外壁面與基質(zhì)的摩擦力，可見苗鏟插入穴孔時(shí)阻力最大。育苗時(shí)基質(zhì)主要成份為泥炭土，而泥炭土抗剪強(qiáng)度符合摩爾破壞理論并按式（2）計(jì)算[34]：了子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所選缽苗為浙雜 809番茄苗，育苗穴盤為標(biāo)準(zhǔn)蔬菜育苗72孔穴穴盤。育苗基質(zhì)采用德國(guó)維特泥炭、蛭石和珍珠巖，按照不同基質(zhì)成分體積比配置。穴盤苗于2016年3月25日在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站玻璃溫室內(nèi)播種培育，采用噴淋式灌溉。

為了對(duì)子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的性能進(jìn)行試驗(yàn)，試制了能夠升降、平移的二維運(yùn)動(dòng)工作平臺(tái)，并與子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器組成補(bǔ)苗試驗(yàn)臺(tái)，如圖 4所示。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、控制軟件、單片機(jī)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等組成，如圖 4a，計(jì)算機(jī)通過控制軟件輸入命令至單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)控制各步進(jìn)電機(jī)工作，從而完成子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器升降、平移、取苗、放苗等動(dòng)作。

圖4 子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器補(bǔ)苗控制系統(tǒng)與試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Control system and test-platform of seedling supplementing of pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

2.2 試驗(yàn)方案

子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器主要功能是在蔬菜缽體苗育苗子葉期將穴盤穴孔中無苗的基質(zhì)取出，將備用的同齡苗及其培育基質(zhì)整體移入待補(bǔ)苗的穴孔中，為全自動(dòng)機(jī)械化移栽提供無空穴盤苗。取苗過程中，子葉期幼苗與基質(zhì)構(gòu)成的缽體苗的機(jī)械力學(xué)特性直接影響子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的性能，因此需在不同缽苗性狀時(shí)試驗(yàn)研究子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器性能以及缽苗特性如基質(zhì)組成與含水率、苗齡等對(duì)子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器性能的影響。

2.2.1 試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

取苗時(shí)保持子葉期缽體苗完整性的重要指標(biāo)是取苗過程中基質(zhì)散落比例，但目前尚無相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)。為了客觀評(píng)價(jià)子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的取苗、補(bǔ)苗性能，以穴孔基質(zhì)取凈率、無苗基質(zhì)取出成功率、缽苗取苗成功率和補(bǔ)苗成功率作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，并作如下定義：子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器為包裹式結(jié)構(gòu)，損失的基質(zhì)主要是取苗鏟外側(cè)與穴孔間的基質(zhì)、穴孔底部未取出基質(zhì)和取苗后移動(dòng)過程中從 4個(gè)苗鏟間漏出的基質(zhì)，定義基質(zhì)取凈率為子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器由子葉期備用苗穴孔取出后缽苗的質(zhì)量占取苗前缽體苗總質(zhì)量的百分比

式中P為基質(zhì)取凈率，%；ma為取出前缽苗的總質(zhì)量，g；mb為取出后缽苗的質(zhì)量，g。

缽苗取出成功與否和整體取出基質(zhì)量密切相關(guān)，由于子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器苗鏟與穴孔四周有一定的間隙，使無苗待補(bǔ)苗穴孔、備用苗穴孔在取苗時(shí)苗鏟外側(cè)的基質(zhì)均未取出，這部分基質(zhì)不影響補(bǔ)苗質(zhì)量；另外，子葉期幼苗較小且十分細(xì)弱，根系主要分布于缽苗的中上部，試驗(yàn)時(shí)未取出基質(zhì)集中在穴孔底部以及苗鏟外側(cè)的穴孔壁上，同時(shí)參考缽體散落試驗(yàn)結(jié)果番茄成苗缽體跌落后基持損失22.73%仍保持形狀[35]，因此，子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出缽苗、無苗基質(zhì)時(shí)基質(zhì)取凈率大于 75%時(shí)判為取苗成功，并以此標(biāo)準(zhǔn)定義取苗成功率為子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出缽苗時(shí)基質(zhì)取凈率大于 75%穴孔數(shù)占取缽苗穴孔總數(shù)的百分比

式中ks為取苗成功率，%；Xss為取缽苗時(shí)取凈率大于75%穴孔數(shù)；Xst為取缽苗穴孔總數(shù)。

定義無苗基質(zhì)取出成功率為子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器從穴孔中取出無苗基質(zhì)時(shí)基質(zhì)取凈率大于75%穴孔數(shù)占取空穴穴孔總數(shù)的百分比

式中kn為無苗基質(zhì)取出成功率，%；Xns為取出空穴基質(zhì)時(shí)基質(zhì)取凈率大于75%的穴孔數(shù)；Xnt為取空穴穴孔總數(shù)。

備用穴盤苗由穴孔中取出并移動(dòng)、補(bǔ)入目標(biāo)穴孔的過程中缽苗的基質(zhì)均可能發(fā)生損失，將備用缽苗補(bǔ)入目標(biāo)穴孔后的質(zhì)量占取出前缽苗總質(zhì)量的百分比定義為基質(zhì)保持率

式中λ為基質(zhì)保持率，%；mc為補(bǔ)入目標(biāo)穴孔后缽體苗的質(zhì)量，g。

參考番茄成苗缽體跌落后基持損失22.73%仍保持形狀[35]，定義補(bǔ)苗成功率為子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器將缽苗取出、移動(dòng)并補(bǔ)入目標(biāo)穴孔后缽苗基質(zhì)保持率大于75%穴孔數(shù)占總補(bǔ)苗穴孔數(shù)的百分比

式中kb為補(bǔ)苗成功率，%；Xbs為補(bǔ)苗后基質(zhì)保持率大于75%的穴孔數(shù)；Xbt為補(bǔ)苗總穴孔數(shù)。

2.2.2 試驗(yàn)因素與水平

影響子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的取苗性能主要因素為缽苗自身物理機(jī)械特性，而基質(zhì)配比、含水率和幼苗苗齡通過影響基質(zhì)孔隙性、彈塑性、幼苗根系與基質(zhì)結(jié)合狀態(tài)而影響缽體苗自身物理機(jī)械特性。因此，選擇基質(zhì)配比、基質(zhì)含水率和幼苗苗齡為試驗(yàn)因素。

1）基質(zhì)配比?；|(zhì)配比直接影響基質(zhì)孔隙性、彈塑性、密度，從而影響缽體苗的彈性、塑性，依照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2118-2012的蔬菜育苗基質(zhì)要求，育苗基質(zhì)是泥炭、蛭石、珍珠巖的混合物，參考適宜番茄育苗常見的基質(zhì)配比[35-37]，泥炭、蛭石、珍珠巖的體積比為配比1（2∶2∶1）、配比2（6∶3∶1）、配比3（7∶2∶1），因此選以上3個(gè)配比并作為3個(gè)水平。

2）基質(zhì)含水率。基質(zhì)含水率影響基質(zhì)的粘結(jié)力和幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，由于含水率過低缽苗易干枯死亡，長(zhǎng)時(shí)間的飽和含水率也不利于幼苗生長(zhǎng)發(fā)育，取苗時(shí)缽苗基質(zhì)含水率應(yīng)在適宜的范圍內(nèi)。相關(guān)研究缽苗力學(xué)特性時(shí)基質(zhì)含水率在60%～90%之間[33-34]，因缽苗基質(zhì)含水率難以精確控制和提前預(yù)知，所以通過控制灌溉后間隔的時(shí)間進(jìn)行取苗試驗(yàn)，以取苗時(shí)實(shí)測(cè)基質(zhì)含水率為準(zhǔn)，對(duì)每種基質(zhì)配比的缽苗分別測(cè)定基質(zhì)含水率 3次并取平均值，選取3個(gè)平均含水率水平。

3）苗齡。缽苗是幼苗根系與基質(zhì)纏繞形成的基 質(zhì)-根系復(fù)合體，而缽苗根系生長(zhǎng)情況與幼苗苗齡密切相關(guān)。由于子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的補(bǔ)苗在子葉期進(jìn)行，試驗(yàn)用番茄苗在苗齡16 d時(shí)進(jìn)入子葉期，苗齡 26 d時(shí)為子葉期未2葉期初，故分別取16、21、26 d為3個(gè)苗齡水平。

綜上確定試驗(yàn)因素與水平如表1。

表1 因素水平表Table 1 Factors and levels

2.2.3 試驗(yàn)方法

為了研究子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取出不同性狀缽體苗的取凈率，同時(shí)獲得缽體苗的基質(zhì)配比、含水率、苗齡對(duì)取凈率的影響，按表 1進(jìn)行三因素三水平的L934正交試驗(yàn)，共9次試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)取苗24株，測(cè)定基質(zhì)取凈率，取平均值。

基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率測(cè)定方法：對(duì)子葉期蔬菜缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取出缽苗的整體質(zhì)量、殘留在培養(yǎng)穴孔中基質(zhì)質(zhì)量、補(bǔ)入目標(biāo)穴孔中缽苗質(zhì)量分別利用MW-6000C電子天平（精度：0.01 g）稱量，并分別按式（4）、式（7）計(jì)算基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率。

基質(zhì)含水率測(cè)定：對(duì)每種基質(zhì)配比的缽苗隨機(jī)取 3株，采用干濕質(zhì)量法測(cè)量分別測(cè)定基質(zhì)含水率，平均值。

試驗(yàn)時(shí)，通過計(jì)算機(jī)設(shè)定子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器苗鏟插入、退出缽體苗的速度為30 mm/s；同時(shí)設(shè)定子葉期缽苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器整體升降速度為720 mm/s、平移速度800 mm/s。因末端執(zhí)行器整體升降、平移時(shí)苗鏟與缽體苗無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且實(shí)際補(bǔ)苗時(shí)未端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手上因路徑不同而移動(dòng)速度也不同，所以末端執(zhí)行器升降、平移速度未進(jìn)行測(cè)試；而苗鏟插入、退出缽體苗時(shí)對(duì)缽體苗直接接觸且影響缽體苗的完整性，故對(duì)苗鏟插入、退出缽體苗時(shí)速度進(jìn)行采用speedtro-50激光測(cè)距測(cè)速儀（精度：±1 mm/s）測(cè)定，測(cè)取10次取苗時(shí)苗鏟插入、退出缽體苗時(shí)的苗鏟速度，并分別計(jì)算平均值。

以基質(zhì)取凈率試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，選擇最適宜子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器子葉期取苗的缽體苗條件進(jìn)行取苗試驗(yàn)，測(cè)定基質(zhì)取凈率、基質(zhì)保持率并統(tǒng)計(jì)計(jì)算無苗基質(zhì)取出成功率、取苗成功率、補(bǔ)苗成功率。

3 結(jié)果與分析

試驗(yàn)于2016年4月10日至20日在浙江大學(xué)進(jìn)行，為了能夠定量測(cè)定取苗前后缽苗的質(zhì)量，待補(bǔ)穴孔采用空穴，取苗、補(bǔ)苗試驗(yàn)過程如圖5。實(shí)測(cè)取苗時(shí)苗鏟插入與退出缽體苗時(shí)的苗鏟平均速度分別為29.85、31.12 m/s。

圖5 子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器補(bǔ)苗過程Fig.5 Process of seedling supplementing of the pot-seedling supplementing end-effector for vegetables in cotyledon phase

3.1 缽苗性狀對(duì)取凈率的影響

按照 L934正交試驗(yàn)表，不同基質(zhì)配比、含水率和苗齡組合時(shí)的進(jìn)行9次試驗(yàn)結(jié)果如表2。由表2可知，在基質(zhì)配比（6∶3∶1）、基質(zhì)含水率67.1%、苗齡21 d時(shí)平均基質(zhì)取凈率為71.52%，主要是由于基質(zhì)中蛭石含量高同時(shí)含水率低導(dǎo)致基質(zhì)粘結(jié)性差引起的，隨著基質(zhì)含水率升高，平均基質(zhì)取凈率明顯升高并大于 75%；其余試驗(yàn)條件下子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器對(duì)穴孔基質(zhì)的平均基質(zhì)取凈率基本大于 75%，取出后缽體苗保持完整，滿足子葉期無苗基質(zhì)和備用缽缽苗取出的要求，且基質(zhì)配比（2∶2∶1）、基質(zhì)含水率79.2%、苗齡26 d時(shí)平均基質(zhì)取凈率最高，為89.45%。可見，在常見的基質(zhì)配比、適宜幼苗生長(zhǎng)的基質(zhì)含水率條件下子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器對(duì)苗齡16～26 d的番茄穴盤苗基本均能完整、無損地取出。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of orthogonal experiments

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3，基質(zhì)配比和苗齡對(duì)取凈率的影響均為顯著（P<0.05），含水率對(duì)取凈率的影響為不顯著（P>0.05）。

表3 取凈率方差分析Table 3 Variance analysis of net rate

對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖6。極差最大的為苗齡，其值為8.3%，其在子葉期苗齡越大幼苗根系越發(fā)達(dá)，有利于提高取凈率。其次是基質(zhì)配比，其值為7.6%，采用水平1（2∶2∶1），可有效提高取凈率；極差最小的因素為含水率，基質(zhì)含水率為74.1%左右時(shí)，缽體粘結(jié)力和可塑性最好。根據(jù)以上 L934正交試驗(yàn)分析可得，使取凈率最大的較優(yōu)組合為C3A1B2，即苗齡為26 d、基質(zhì)配比2∶2∶1、含水率74.1%，此時(shí)移植后缽苗能夠較完整的保持其形狀和體積，適于機(jī)械化補(bǔ)苗作業(yè)。

圖6 指標(biāo)因素圖Fig.6 Index factors

3.2 缽苗取出、補(bǔ)苗成功率試驗(yàn)結(jié)果與分析

選取基質(zhì)配比2∶2∶1、苗齡26 d的子葉期未6盤番茄幼苗，共 432穴，進(jìn)行取出無苗基質(zhì)和取苗、投苗試驗(yàn)，結(jié)果如表4。取苗后測(cè)定平均基質(zhì)含水率為75.5%。由表 4知，子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的無苗基質(zhì)取出成功率、取苗成功率、補(bǔ)苗成功率均達(dá)100%，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)植株脆嫩、根坨易松散的子葉期缽體苗整體取出并完整補(bǔ)入目標(biāo)穴孔，取苗、補(bǔ)苗性能良好。

表4 取苗-補(bǔ)苗試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of seedling taking and supplementing

4 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了一種用于育苗過程中對(duì)穴盤無幼苗穴孔在子葉期進(jìn)行補(bǔ)苗的子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器，在取出穴孔中無苗基質(zhì)或備用缽體苗時(shí)，4只苗鏟同步沿穴孔壁插入無苗基質(zhì)或備用缽體苗中，對(duì)根坨四周形成接近包裹式結(jié)構(gòu)并整體取出缽體苗，移至目標(biāo)穴孔后收回苗鏟將備用苗移入待補(bǔ)苗穴孔，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植株柔嫩、根系不發(fā)達(dá)、根坨易松散的子葉期缽體苗整體取苗并補(bǔ)入目標(biāo)穴孔。

2）幼苗苗齡、基質(zhì)配比對(duì)子葉期缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器取出無苗基質(zhì)或子葉期缽體苗的取凈率影響顯著，在子葉期隨著苗齡的增長(zhǎng)，取凈率逐漸增大，子葉期未、2真葉期補(bǔ)取凈率最高為 89.45%；育苗基質(zhì)中泥炭、蛭石、珍珠巖配比為 2∶2∶1時(shí)取凈率較高；基質(zhì)含水率在67.1%～79.2%時(shí)對(duì)基質(zhì)取凈率影響不顯著，但基質(zhì)含水率74.1%時(shí)，缽體粘結(jié)力和可塑性好，取凈率較高；取凈率最大的較優(yōu)組合苗齡為26 d、基質(zhì)配比2∶2∶1、基質(zhì)含水率74.1%，此時(shí)補(bǔ)苗缽苗能夠完整地保持其形狀和體積。對(duì)常見的基質(zhì)配比、基質(zhì)含水率67.1%～79.2%、苗齡16-26 d的番茄穴盤苗子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器基本均能完整、無損地取出。

3）對(duì)子葉期26 d番茄缽體苗，基質(zhì)配比2∶2∶1、基質(zhì)含水率75.5%，子葉期蔬菜缽體苗補(bǔ)苗末端執(zhí)行器的取出無苗基質(zhì)成功率、取苗成功率、補(bǔ)苗成功率均為100%，補(bǔ)苗成功率為100%。

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