胡雙燕，胡敏娟，王佳

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

辣椒、番茄等茄果類(lèi)蔬菜是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖卟祟?lèi)型。我國(guó)的辣椒種植面積占世界總面積的40%，是世界上最大的辣椒生產(chǎn)國(guó)與消費(fèi)國(guó)。截止到2020年4月份，我國(guó)有28個(gè)省進(jìn)行辣椒的種植，種植面積超過(guò)2 000 khm2，占我國(guó)蔬菜總種植面積的12%[1]。辣椒是經(jīng)濟(jì)效益較為可觀的蔬菜之一，露天栽培的辣椒每公頃收益可達(dá)9萬(wàn)元以上，經(jīng)過(guò)日光溫室等設(shè)施栽培的辣椒，每公頃的收益可以達(dá)到150萬(wàn)元以上[2]。辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用，在農(nóng)民增收方面也發(fā)揮著重要作用。

近些年，辣椒育苗移栽的生產(chǎn)方式受到廣泛認(rèn)可，不過(guò)人工移栽的方式勞動(dòng)量大，人工成本也逐年升高，育苗移栽的勞動(dòng)時(shí)間約占總勞動(dòng)時(shí)間的30%，勞動(dòng)力成本占總生產(chǎn)成本的50%[3]。目前我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力外流嚴(yán)重，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多為中老年群體，對(duì)于需要付出大量體力的移栽工作力不從心，而且雇傭勞動(dòng)力的費(fèi)用逐年升高，提高辣椒移栽的機(jī)械化水平、研制出適合我國(guó)國(guó)情的輕簡(jiǎn)化自動(dòng)移栽機(jī)械就顯得非常重要。我國(guó)開(kāi)始重視蔬菜移栽機(jī)械化的研究，由于我國(guó)各大辣椒種植區(qū)氣候、農(nóng)藝等差異，導(dǎo)致辣椒種植方式多樣，加大了我國(guó)辣椒移栽機(jī)械研制難度。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的半自動(dòng)、全自動(dòng)辣椒機(jī)械化移栽的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，闡述移栽原理和關(guān)鍵部件的同時(shí)，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其未來(lái)的發(fā)展提出可行性建議。

1 機(jī)械化移栽關(guān)鍵環(huán)節(jié)

辣椒育苗移栽是辣椒種植環(huán)節(jié)中最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)，辣椒穴盤(pán)苗育苗移栽質(zhì)量好壞關(guān)系著辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)高低。辣椒穴盤(pán)苗移栽的機(jī)械化程度也在一定程度上反映出辣椒生產(chǎn)種植全過(guò)程的整體機(jī)械化水平。辣椒穴盤(pán)苗機(jī)械化移栽的基本環(huán)節(jié)如下。

1.1 育苗環(huán)節(jié)

不論是人工移栽還是機(jī)械移栽，育苗環(huán)節(jié)都是保證移栽質(zhì)量的首要環(huán)節(jié)[4]。辣椒屬于茄果類(lèi)蔬菜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類(lèi)蔬菜主要采用的育苗方式是穴盤(pán)苗育苗，除此之外還有基質(zhì)塊育苗、無(wú)土栽培育苗等其他形式。20世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)等國(guó)家陸續(xù)在育苗移栽過(guò)程中使用穴盤(pán)，穴盤(pán)育苗[5]給蔬菜、花卉的后續(xù)生長(zhǎng)和種植品質(zhì)帶來(lái)更好的提升。穴盤(pán)育苗具有機(jī)械化移栽適配程度高的優(yōu)勢(shì)，半自動(dòng)、全自動(dòng)辣椒移栽機(jī)配套使用的穴盤(pán)大多為128穴，目前，對(duì)于穴盤(pán)苗育苗農(nóng)藝上的研究較多，基質(zhì)配比、苗期管理、產(chǎn)量品質(zhì)等研究不勝枚舉，卻缺乏對(duì)育苗質(zhì)量與機(jī)械化移栽質(zhì)量相關(guān)性的研究。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院唐玉新等[6]提出與辣椒移栽機(jī)械相配套使用的辣椒育苗標(biāo)準(zhǔn)，從基質(zhì)類(lèi)型、種子處理到育苗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳盡的規(guī)范，規(guī)范化的育苗環(huán)節(jié)為后期辣椒移栽環(huán)節(jié)準(zhǔn)備了適合機(jī)械化移栽的辣椒穴盤(pán)苗。

1.2 取苗環(huán)節(jié)

取苗環(huán)節(jié)是辣椒移栽機(jī)作業(yè)過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，其過(guò)程主要是通過(guò)取苗機(jī)構(gòu)將穴盤(pán)苗從穴盤(pán)中取出，并移送至栽植部件。辣椒穴盤(pán)苗半自動(dòng)、全自動(dòng)移栽機(jī)最主要的區(qū)別就是是否能完成自動(dòng)化取苗的過(guò)程。半自動(dòng)移栽機(jī)械雖然栽植過(guò)程實(shí)現(xiàn)了機(jī)械作業(yè)，但取苗、投苗作業(yè)仍然需要人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。全自動(dòng)移栽機(jī)械能夠做到取苗、送苗、栽植全程自動(dòng)化，具有工作效率高、人工成本低的優(yōu)勢(shì)，成為目前移栽機(jī)械研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1.3 栽植環(huán)節(jié)

栽植環(huán)節(jié)是移栽機(jī)工作過(guò)程中直接與土壤接觸的環(huán)節(jié)，辣椒穴盤(pán)苗栽植屬于單株定植過(guò)程，雖然單株定植有利于提升茄果類(lèi)蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì)，但是對(duì)于栽植直立度要求更加嚴(yán)格。栽植環(huán)節(jié)中的定植過(guò)程可以按定植工作原理分為打穴定植和開(kāi)溝定植[7]兩大類(lèi)，其中打穴定植主要適用于穴盤(pán)育苗的葉菜和茄果類(lèi)蔬菜等，適用范圍廣闊；開(kāi)溝定植主要適用于甘薯、大蔥等裸苗等，適用范圍有限。半自動(dòng)移栽機(jī)劃分為吊杯式、鏈夾式、撓性圓盤(pán)式、導(dǎo)苗管式等就是根據(jù)栽植部件的工作原理作為劃分依據(jù)的。

2 國(guó)內(nèi)外辣椒機(jī)械化移栽裝備發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 半自動(dòng)移栽機(jī)

歐美和日本等國(guó)家發(fā)展移栽機(jī)械較早，20世紀(jì)初期就研制出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的栽植工具，到20世紀(jì)50年代就已經(jīng)研制出多種結(jié)構(gòu)形式的半自動(dòng)移栽機(jī)，并將其應(yīng)用于蔬菜生產(chǎn)中。20世紀(jì)80年代，半自動(dòng)移栽機(jī)械研究已經(jīng)比較全面[8]。我國(guó)在20世紀(jì)60年代開(kāi)始旱地移栽機(jī)械的研究，研制的重點(diǎn)主要是水稻、棉花等作物的移栽機(jī)械，20世紀(jì)70—90年代，經(jīng)歷了裸根苗移栽、缽苗移栽、穴盤(pán)苗移栽半自動(dòng)機(jī)械的研制[9]。目前，我國(guó)已經(jīng)研制出多種機(jī)構(gòu)類(lèi)型的半自動(dòng)穴盤(pán)苗移栽機(jī)械。不過(guò)國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的旱地移栽機(jī)主要是仿制國(guó)外的半自動(dòng)移栽機(jī)并進(jìn)行改進(jìn)，因此，國(guó)內(nèi)外的半自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)械種類(lèi)和原理基本一致，大致可以劃分為以下幾種類(lèi)型。

2.1.1 吊杯式移栽機(jī)

吊杯式移栽機(jī)構(gòu)[10]的顯著優(yōu)點(diǎn)是能在膜上打孔，不傷苗，適合根系不深、不發(fā)達(dá)以及缽體容易破碎的缽苗的移栽。我國(guó)生產(chǎn)的2行半自動(dòng)吊杯式移栽機(jī)，主要應(yīng)用于番茄、辣椒等茄果類(lèi)蔬菜的移栽，一些移栽機(jī)只適合土質(zhì)較硬的黏土，而沙土比較松散，在沙土環(huán)境下作業(yè)時(shí)，就會(huì)造成膜上覆土量過(guò)大，導(dǎo)致埋苗，使用范圍受限。

2.1.2 鏈夾式移栽機(jī)

鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)依靠著鏈條作為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，人工將秧苗放置在鉗夾上，秧苗在鉗夾上隨鏈條做圓周運(yùn)動(dòng)，完成秧苗的栽植過(guò)程。國(guó)內(nèi)外研制推廣的鉗夾式移栽機(jī)主要有日本KN-P6大蔥移栽機(jī)，采用開(kāi)溝自走的方式進(jìn)行移栽工作，工作效率較低，只有0.013～0.02 hm2/h[11]。我國(guó)生產(chǎn)的2ZT型移栽機(jī)和UT-2型移栽機(jī)，雖然鏈夾式機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升，但移栽速率依舊較低，且容易傷苗，存在著株距不易調(diào)節(jié)的弊端，只能用于大蔥等裸苗移栽，不適合辣椒等茄果類(lèi)蔬菜的穴盤(pán)苗移栽，通用性較差，使用范圍有限。

2.1.3 撓性圓盤(pán)式移栽機(jī)

撓性圓盤(pán)式移栽機(jī)構(gòu)[12]具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在栽植過(guò)程中，當(dāng)圓盤(pán)張開(kāi)時(shí)，依靠人工將幼苗放入，隨后運(yùn)動(dòng)至聚點(diǎn)將秧苗夾緊，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至放苗位點(diǎn)時(shí)圓盤(pán)張開(kāi)，秧苗落入溝中，由覆土鎮(zhèn)壓裝置完成穴盤(pán)苗的定植。國(guó)內(nèi)外主要推廣使用的機(jī)型有日本研制的CT-4S 型甜菜移栽機(jī)、我國(guó)研制的2ZT-2型紙筒甜菜移栽機(jī)和2ZS-3型甘藍(lán)補(bǔ)水移栽機(jī)。機(jī)構(gòu)采用兩片撓性圓盤(pán)夾持秧苗，優(yōu)勢(shì)是不易傷苗，對(duì)株距有較好的適應(yīng)能力，但是圓盤(pán)(橡膠材料)容易損傷，與鏈夾式移栽機(jī)類(lèi)似，都是比較適合甘藍(lán)、甜菜移栽，由于對(duì)不同的類(lèi)型的土壤適應(yīng)性較差，栽植深度的穩(wěn)定性不高，不太適用于辣椒等對(duì)栽植深度要求較高的茄果類(lèi)蔬菜的移栽。

2.1.4 導(dǎo)苗管式移栽機(jī)

導(dǎo)苗管式移栽機(jī)構(gòu)[13]主要是依靠秧苗自身的重力作用，經(jīng)過(guò)導(dǎo)苗管，落入到開(kāi)好的溝中，完成栽植工作。國(guó)外主要推廣使用的機(jī)型有意大利的Maxi Multipla導(dǎo)苗管式蔬菜移栽機(jī)[14]。我國(guó)主要推廣使用的機(jī)型有中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2ZDF型半自動(dòng)導(dǎo)苗管式移栽機(jī)，作業(yè)行數(shù)為2～6行。這種機(jī)構(gòu)的自由度高，可以保證較好的秧苗直立度、株距均勻性和深度穩(wěn)定性，栽植效率較高，不傷苗，也不會(huì)出現(xiàn)窩眼的現(xiàn)象，適用于茄果、煙草等打穴定植的作物。但導(dǎo)苗管式移栽機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，造價(jià)不菲，推廣使用受限。

2.1.5 輸送帶式移栽機(jī)

輸送帶式移栽機(jī)主要是通過(guò)人工將基質(zhì)塊、穴盤(pán)苗取出，將其擺放在輸送帶上，通過(guò)輸送帶帶動(dòng)至分苗、落苗位置，隨后通過(guò)分苗裝置推入栽植部件，入溝定植。輸送帶式移栽機(jī)起源于美國(guó)，后來(lái)歐洲發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此機(jī)構(gòu)進(jìn)行深入的研究和改進(jìn)，主要推廣使用的機(jī)型有意大利TRE TREMATIC型移栽機(jī)等。輸送帶式移栽機(jī)最大的優(yōu)勢(shì)是高速、高效的移栽，移栽速度是半自動(dòng)移栽機(jī)類(lèi)型中最快的，但是輸送帶式移栽機(jī)對(duì)于穴盤(pán)苗的基質(zhì)要求較高，主要適用于基質(zhì)不易破損、站立穩(wěn)定的基質(zhì)塊育苗。我國(guó)辣椒穴盤(pán)苗育苗質(zhì)量不一，限制了輸送帶式移栽機(jī)的推廣使用。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外的半自動(dòng)移栽機(jī)種類(lèi)多樣，適用作業(yè)對(duì)象眾多，可以完成多種蔬菜的移栽，但是由于工作需要人工輔助喂苗，對(duì)勞動(dòng)力需求較大。作業(yè)效率低，移栽效率僅為人工移栽的3～5倍，半自動(dòng)移栽機(jī)的工作效率逐漸不能滿(mǎn)足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的蔬菜移栽的需求，提高辣椒移栽的機(jī)械化水平、研制出適合我國(guó)國(guó)情的全自動(dòng)移栽機(jī)械就顯得非常重要。

2.2 全自動(dòng)移栽機(jī)

2.2.1 國(guó)外全自動(dòng)移栽機(jī)

20世紀(jì)80年代，歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始了全自動(dòng)移栽機(jī)的探索，全自動(dòng)移栽機(jī)與半自動(dòng)移栽機(jī)最大的區(qū)別是實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)取苗過(guò)程，不再受到人工喂苗速度的限制，移栽效率得到大幅度提升。

歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家在進(jìn)行全自動(dòng)移栽機(jī)的研制和開(kāi)發(fā)過(guò)程中，還重視農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝配套發(fā)展。在21世紀(jì)初期，各個(gè)國(guó)家就開(kāi)始將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的種植技術(shù)、整地技術(shù)、蔬菜種植技術(shù)以及育苗移栽技術(shù)相互配套，形成相應(yīng)的體系。與移栽作業(yè)相配套的育苗、整地技術(shù)也逐漸發(fā)展起來(lái)。國(guó)外蔬菜種植種類(lèi)較少，育苗專(zhuān)業(yè)化程度高、研制出的蔬菜移栽機(jī)大多通用性較強(qiáng)，往往一種移栽機(jī)可以滿(mǎn)足多種蔬菜穴盤(pán)苗的移栽要求。

各種移栽機(jī)在原理上也是多種多樣，有電機(jī)結(jié)合式，也有純機(jī)械形式的，還有采用機(jī)、電、液方式相結(jié)合的形式，既有穴盤(pán)苗移栽機(jī)也有壓縮基質(zhì)苗自動(dòng)移栽機(jī)。國(guó)外的全自動(dòng)移栽機(jī)主要可以劃分為兩大類(lèi)型：一種是適合歐美大面積種植使用的多行寬幅作業(yè)的全自動(dòng)移栽機(jī)，另一種是適合日本土地特點(diǎn)的單行小型全自動(dòng)移栽機(jī)。全自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)流程基本包括取苗、送苗、栽植三大環(huán)節(jié)。各種機(jī)型最主要的區(qū)別在于取苗關(guān)鍵部件的差異，將全自動(dòng)移栽機(jī)按照取苗方式進(jìn)行劃分大致可以劃分為整排缽苗扎取基質(zhì)式、單株缽苗夾取缽體式、整排缽苗底端頂出與夾取缽體相結(jié)合式三種類(lèi)型。

1)整排缽苗扎取基質(zhì)式。英國(guó)Fountain的全自動(dòng)移栽機(jī)是一種5行全自動(dòng)移栽機(jī)，主要適用于草莓、辣椒等缽苗移栽，通過(guò)將育苗盤(pán)水平放置，扎取基質(zhì)式取苗最大的特點(diǎn)是可以一次取一整行，可以達(dá)到7 200株/h的工作效率，與此同時(shí)，還制定了一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有通用性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。美國(guó)研制的RTW系列的全自動(dòng)穴苗移栽機(jī)，也是采用扎取基質(zhì)式的取苗方式，采用氣缸推動(dòng)輥道輸送穴盤(pán)苗的方式，從側(cè)面完成穴盤(pán)苗的抓取和移送工作。該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是可以通過(guò)對(duì)抓取高度的調(diào)整，進(jìn)行不同高度穴盤(pán)苗的移栽。

2)單株缽苗夾取缽體式。竹山智洋[15]發(fā)明的自動(dòng)移栽機(jī)采用栽植爪夾取苗缽式的取苗方式。其驅(qū)動(dòng)部件是由兩套行星輪系通過(guò)串聯(lián)方式組成，其中一套行星軸是作為輸出運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)栽植爪完成取投苗動(dòng)作，另外一套行星軸驅(qū)動(dòng)栽植爪完成栽植動(dòng)作。機(jī)構(gòu)效率有很大程度的提升，但這種方式取苗運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，造價(jià)比較高。洋馬PF2R型乘坐式全自動(dòng)移栽機(jī)[16]也是采用這種取苗方式，適用于辣椒、番茄等采用128穴穴盤(pán)育苗的蔬菜，可以一次性完成開(kāi)溝、取苗、栽植、覆土、鎮(zhèn)壓全過(guò)程，但是僅適用于128穴、200穴的可彎曲穴盤(pán)，通用性較差。Yang等[17]在工業(yè)機(jī)器人ADEPT-SCARA基礎(chǔ)上，使用其帶有傳感器的滑移指針作為末端執(zhí)行器，利用頂部的視覺(jué)傳感器檢測(cè)穴盤(pán)苗的位置，利用力覺(jué)傳感器可以對(duì)夾苗缽的力進(jìn)行控制，可以有效地減少末端執(zhí)行器對(duì)苗缽造成的損傷。該技術(shù)需要配備相應(yīng)的輸送裝置，主要適用于育苗工廠等工廠化生產(chǎn)使用，對(duì)于適用條件的要求較高。

3)整排缽苗底端頂出+夾取缽體式。意大利Futura全自動(dòng)蔬菜移栽機(jī)，頂出夾取式[18]的原理是首先在頂苗桿的作用下將整排穴盤(pán)苗進(jìn)行頂出，再利用取苗爪對(duì)穴盤(pán)苗進(jìn)行夾取取苗，工作效率可以達(dá)到8 000 株/h，可以完成辣椒、番茄、生菜、卷心菜等多種蔬菜的穴盤(pán)苗移栽。澳大利亞生產(chǎn)的Williams16行自動(dòng)移栽機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行16行的自動(dòng)移栽，也是采用頂出夾取式的取苗方式，取苗爪采用液壓、氣動(dòng)控制等技術(shù)，提升了取苗的精度和準(zhǔn)確性。意大利的Urbinati RW32移栽機(jī)同樣采用頂出夾取式的取苗方式，該機(jī)構(gòu)最大的優(yōu)勢(shì)是可以實(shí)現(xiàn)自我診斷功能和連續(xù)種植，工作效率高達(dá)36 000株/h。

2.2.2 國(guó)內(nèi)全自動(dòng)移栽機(jī)

近幾年，我國(guó)在蔬菜移栽機(jī)的研制方面也有很大的進(jìn)步，逐漸的從半自動(dòng)向全自動(dòng)轉(zhuǎn)變，目前，我國(guó)推廣使用的辣椒穴盤(pán)苗移栽機(jī)主要是半自動(dòng)移栽機(jī)，全自動(dòng)移栽機(jī)還處于研制與開(kāi)發(fā)階段，未有進(jìn)行推廣使用的機(jī)械。未來(lái)隨著我國(guó)育苗移栽技術(shù)的不斷成熟，全自動(dòng)移栽機(jī)也會(huì)隨之推廣使用，會(huì)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更高的效率和更大的便利，具有廣闊的發(fā)展前景。由于我國(guó)辣椒種植面積廣闊，種植區(qū)域的土壤、氣候條件存在較大差異，因此國(guó)內(nèi)研制的辣椒穴盤(pán)苗全自動(dòng)移栽機(jī)可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境的不同進(jìn)行劃分為：露地全自動(dòng)移栽機(jī)、覆膜全自動(dòng)移栽機(jī)、設(shè)施全自動(dòng)移栽機(jī)三種類(lèi)型。

1)露地全自動(dòng)移栽機(jī)。張振國(guó)等[19]基于辣椒大田生產(chǎn)使用背景下，采用頂夾組合式取苗方式，設(shè)計(jì)出一種適合旱地辣椒穴盤(pán)苗移栽使用的全自動(dòng)移栽機(jī)，通過(guò)頂桿將穴盤(pán)苗頂出，再利用機(jī)械手抓取，抬升裝置將苗送至穴盤(pán)苗輸送帶上方，機(jī)械手松開(kāi)，完成整個(gè)取、送苗過(guò)程。機(jī)構(gòu)適用于穴盤(pán)規(guī)格為128穴、育苗苗齡為40天的辣椒穴盤(pán)苗，穴盤(pán)苗莖粗較粗，育苗質(zhì)量良好。辣椒全自動(dòng)移栽機(jī)配備的栽植部件和覆土鎮(zhèn)壓部件能夠做到與露地移栽作業(yè)環(huán)境相匹配，為緩解新疆地區(qū)的番茄和辣椒等經(jīng)濟(jì)作物大面積移栽的勞動(dòng)強(qiáng)度，提供了解決思路。

2)覆膜全自動(dòng)移栽機(jī)。張晨等[20]研制出2ZB-2型缽苗旱地膜上自動(dòng)移栽機(jī)。工作原理是通過(guò)氣動(dòng)裝置完成缽苗盤(pán)的移動(dòng)和取苗擲苗，采用夾取苗缽式取苗，通過(guò)機(jī)械手完成夾取、提苗上行的動(dòng)作，需要配備一名裝盤(pán)人員，與半自動(dòng)移栽機(jī)相比省人工3個(gè)，但是工作效率不高，沒(méi)有得到很好的推廣。李華等[21]根據(jù)日本洋馬齒輪連桿組合式取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行改良制成2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤(pán)苗鋪膜移栽機(jī)，采用夾取苗缽式取苗方式，如圖1所示?？梢砸淮涡酝瓿砷_(kāi)溝、鋪設(shè)地膜和滴灌帶、移栽、覆土的全過(guò)程，該機(jī)構(gòu)為一膜二行移栽機(jī)，可以同時(shí)進(jìn)行鋪設(shè)地膜與滴灌帶和自動(dòng)取苗兩個(gè)過(guò)程，移栽機(jī)在前進(jìn)過(guò)程中，開(kāi)溝器進(jìn)行開(kāi)溝和平整地面，這一步驟與露地移栽機(jī)沒(méi)有差異。最大的區(qū)別在于地膜通過(guò)膜輥展平，將地膜平整的鋪設(shè)，覆土裝置設(shè)計(jì)成圓盤(pán)狀，可以輕松的刮帶起土壤覆蓋于膜上，最后壓膜輪進(jìn)行鎮(zhèn)壓的工作。

圖1 2ZXM-2型全自動(dòng)蔬菜穴盤(pán)苗鋪膜移栽機(jī)Fig.1 2ZXM-2 automatic plastic film mulch vegetable plug seedling transplanter1.行走輪 2.栽苗器 3.自動(dòng)送苗系統(tǒng) 4.取苗機(jī)構(gòu) 5.栽植機(jī)構(gòu) 6.滴灌帶輥支撐架 7.膜輥支撐架 8.劃行器 9.支架 10.動(dòng)力輸入軸 11.平地滾筒 12.圓片開(kāi)溝器 13.展膜輥 14.壓膜輪 15.覆土圓盤(pán)支架 16.覆土圓盤(pán) 17.覆土滾輪 18.分動(dòng)箱 19.鎮(zhèn)壓輪 20.機(jī)架

3)設(shè)施全自動(dòng)移栽機(jī)。郝忻等[22]針對(duì)溫室大棚辣椒的幼苗全自動(dòng)移栽提出相關(guān)方法研究，移栽機(jī)核心功能的兩個(gè)主要部件分別是回轉(zhuǎn)夾取部件和移栽部件。對(duì)關(guān)鍵部位即取苗關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，針對(duì)辣椒穴盤(pán)苗設(shè)計(jì)出一種曲柄搖桿夾取機(jī)構(gòu)，可以完成取、投苗兩種功能的自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)構(gòu)主要作用對(duì)象是溫室移栽的辣椒幼苗，取苗方式為頂出夾取式取苗方式，溫室大棚中辣椒移栽采用一壟一行或雙行的農(nóng)藝要求，移栽機(jī)與露地移栽機(jī)最大的區(qū)別是機(jī)型小巧，沒(méi)有配備覆土鎮(zhèn)壓裝置，行走部件采用行走輪設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足溫室內(nèi)移動(dòng)靈活、轉(zhuǎn)彎方便的需求。該機(jī)構(gòu)移栽成功率達(dá)到90%，有利于提高溫室內(nèi)辣椒移栽的工作效率和自動(dòng)化水平。但是由于栽植直立度受到機(jī)組行進(jìn)速度影響較大，未能得到推廣使用。

3 關(guān)鍵部件及相關(guān)理論研究

3.1 取苗機(jī)構(gòu)

國(guó)內(nèi)許多高校、科研院所對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)取苗機(jī)構(gòu)進(jìn)行了許多研究，大致可以概括為以下三種：通過(guò)全自動(dòng)取苗，在半自動(dòng)移栽機(jī)的基礎(chǔ)上提升工作效率；解決取苗過(guò)程中存在的基質(zhì)破損、散落問(wèn)題；解決取苗爪取苗過(guò)程中的傷苗、漏苗問(wèn)題。

為了解決吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)的工作效率低、受人工喂苗速度限制的問(wèn)題，趙曉偉等[23]基于吊籃式半自動(dòng)移栽機(jī)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種辣椒穴盤(pán)苗自動(dòng)取喂裝置，對(duì)取苗機(jī)械手進(jìn)行改進(jìn)，每組含有8個(gè)機(jī)械手。當(dāng)自動(dòng)取喂裝置移動(dòng)到機(jī)械手正下方時(shí)，機(jī)械手打開(kāi)的同時(shí)推苗板進(jìn)行推苗，穴盤(pán)苗落入自動(dòng)喂苗裝置的苗筒中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取喂操作。經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，取苗成功率為98.18%，喂苗成功率為96.30%，采用自動(dòng)取喂系統(tǒng)代替半自動(dòng)移栽機(jī)中的人工喂苗，移栽效率達(dá)到4 500株/h，顯著提升了吊籃式移栽機(jī)的工作效率。

浙江大學(xué)童俊華等[24]設(shè)計(jì)出三臂回轉(zhuǎn)式蔬菜穴盤(pán)苗取苗機(jī)構(gòu)，如圖2所示。在保持回轉(zhuǎn)速度不變的前提下，通過(guò)增加取苗臂數(shù)量的形式來(lái)提高工作效率，可達(dá)6 000 株/h。通過(guò)吸取夾取式和插拔式兩者的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出插拔夾取式的取苗器，但是由于機(jī)構(gòu)通過(guò)單氣缸驅(qū)動(dòng)，插入和夾取分為兩個(gè)部分進(jìn)行，還是給機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)造成了一定程度的限制。俞高紅等[25]在日本旋轉(zhuǎn)式行星輪系取苗機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一種基于橢圓—不完全非圓齒輪傳動(dòng)的行星系蔬菜缽苗取苗機(jī)構(gòu)，采用夾取缽苗缽體的取苗方式，同時(shí)在旋轉(zhuǎn)式傳動(dòng)箱體對(duì)稱(chēng)分布兩個(gè)取苗臂，起到在降低機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度的基礎(chǔ)上，解決行星輪系機(jī)構(gòu)工作效率不高的問(wèn)題。

圖2 三臂回轉(zhuǎn)式取苗機(jī)構(gòu)Fig.2 Three-arm rotary seedling taking mechanism1，9，12.凹鎖止弧 2，10，13.中間輪 3，8，14.行星輪 4，7，15.取苗臂 5.太陽(yáng)輪 6.行星架 11.凸鎖止弧

為了解決夾取基質(zhì)過(guò)程中存在的基質(zhì)受損散落的問(wèn)題，韓長(zhǎng)杰等[26]設(shè)計(jì)基于PLC的氣壓驅(qū)動(dòng)穴盤(pán)苗移栽自動(dòng)取喂系統(tǒng)，如圖3所示。穴盤(pán)步進(jìn)位移送苗，取苗手翻轉(zhuǎn)擺位取苗，機(jī)械手采用的是3根柔性滑針扎取基質(zhì)進(jìn)行取苗，可靠性程度高，步進(jìn)移位機(jī)構(gòu)在喂入機(jī)構(gòu)的側(cè)上方呈傾斜狀態(tài)布置，具有縮小機(jī)器水平空間的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)取苗試驗(yàn)驗(yàn)證：取苗可靠率可以達(dá)到98%以上，平均基質(zhì)損失率約為9%。但是機(jī)械手在與苗盤(pán)同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，增大了協(xié)調(diào)控制的難度，在大田作業(yè)過(guò)程中容易出現(xiàn)自動(dòng)系統(tǒng)隨著移栽機(jī)作業(yè)出現(xiàn)振動(dòng)的情況。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)[27]在夾取苗缽式取苗方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出曲柄擺桿式的取苗機(jī)構(gòu)，取苗爪的“V”型設(shè)計(jì)可以有效減少穴盤(pán)苗在夾取過(guò)程中脫落情況的發(fā)生，取苗成功率達(dá)到94.4%。該取苗機(jī)構(gòu)需要與頂出機(jī)構(gòu)相配合才能完成整個(gè)取苗過(guò)程，不能單獨(dú)完成取苗。

圖3 穴盤(pán)苗移栽自動(dòng)取喂系統(tǒng)Fig.3 Automatic picking and feeding system for pot plate seedling transplanting1.扎取放苗氣缸 2.苗筒記數(shù)傳感器 3.穴盤(pán)左右移位氣缸 4.翻轉(zhuǎn)氣缸回位傳感器 5.穴盤(pán)步進(jìn)移位氣缸 6.翻轉(zhuǎn)氣缸伸出傳感器 7.機(jī)械手翻轉(zhuǎn)氣缸 8.擺動(dòng)馬達(dá) 9.機(jī)械手?jǐn)[位氣缸

為了解決穴盤(pán)苗移栽機(jī)取苗過(guò)程中造成的傷苗的問(wèn)題，高國(guó)華等[28]對(duì)取苗器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)出斜入式取苗器。通過(guò)單驅(qū)動(dòng)下的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斜入式取苗動(dòng)作，指針按照一定的角度插入可以有效地減少穴苗的劃痕，有利于移栽后穴盤(pán)苗的后續(xù)生長(zhǎng)，雖然這個(gè)研究利用紅掌幼苗為研究對(duì)象，但也為辣椒穴盤(pán)苗解決取苗爪傷苗問(wèn)題的探索提供了新的思路和試驗(yàn)方法。

3.2 取苗相關(guān)的物理機(jī)械特性研究

科研工作者除了對(duì)全自動(dòng)移栽機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與理論研究之外，還對(duì)移栽機(jī)作業(yè)對(duì)象的物理機(jī)械特性和生物學(xué)特性進(jìn)行了相關(guān)研究。

為了獲得穴盤(pán)苗基質(zhì)的力學(xué)特性參數(shù)，任志端等[29]研究了穴盤(pán)苗缽體抗壓特性，獲得穴盤(pán)苗缽體的壓縮特性規(guī)律。其次，對(duì)穴盤(pán)苗含水率、基質(zhì)配比、夾取速度對(duì)基質(zhì)破損率之間的影響進(jìn)行研究，得到對(duì)缽苗基質(zhì)抗壓力的敏感性按大小排序?yàn)椋夯|(zhì)配比>夾持角度>含水率。確定了最適合缽苗夾取式取苗方式的基質(zhì)含水率、基質(zhì)配比、夾持角度等參數(shù)，為辣椒穴盤(pán)苗宜機(jī)化移栽提供了理論基礎(chǔ)。

為了獲得與頂出夾取式取苗部件的參數(shù)優(yōu)化和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)的理論數(shù)據(jù)，姬江濤等研究了與頂出夾取式取苗方式相關(guān)的苗缽的頂出力和抗壓性能等力學(xué)特性，分析了頂桿直徑、頂出速率等因素對(duì)穴盤(pán)苗頂出效果的影響。研究對(duì)象為番茄，屬于茄果類(lèi)蔬菜，與辣椒具有一定的共性，對(duì)研究辣椒穴盤(pán)苗頂出式取苗相關(guān)的力學(xué)特性研究的研究具有一定的借鑒意義。

為了驗(yàn)證番茄夾莖式取苗移栽的可行性，馬曉曉等對(duì)番茄莖稈進(jìn)行了拉伸、彎曲、壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)，基于此，通過(guò)番茄莖稈物理機(jī)械特性研究，對(duì)番茄穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗過(guò)程中產(chǎn)生的損傷特性規(guī)律有更深入的了解，既有利于掌握番茄穴盤(pán)苗這一作用對(duì)象的機(jī)理特性，也為番茄夾莖式取苗方式的全自動(dòng)移栽機(jī)的研究提供了理論數(shù)據(jù)支持，辣椒與番茄在穴盤(pán)苗特征上，具有一定的相似性，這一研究為設(shè)計(jì)辣椒夾莖式全自動(dòng)取苗機(jī)構(gòu)的研究提供了參考。浙江大學(xué)童俊華等[30]為了研究取苗爪抓取苗缽的力學(xué)特性，進(jìn)行各種取苗參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)可以進(jìn)行調(diào)節(jié)壓縮夾持苗缽的測(cè)力平臺(tái)，如圖4所示，可以直接獲得取苗爪指針對(duì)苗缽的夾緊力數(shù)值。為探究取苗爪三指、四指指針對(duì)苗缽產(chǎn)生的夾緊力的影響進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明四指式夾持相比三指式能更好地使苗坨向中心壓縮變形，產(chǎn)生更大的夾緊力，有助于更好的夾取苗缽。這項(xiàng)研究為后續(xù)研究末端執(zhí)行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供了苗缽測(cè)力平臺(tái)和理論數(shù)據(jù)支持。

圖4 夾持苗缽測(cè)力平臺(tái)Fig.4 Force measuring platform with holding seedling pot1.夾持指針 2.裝夾臺(tái)機(jī)架 3.直線(xiàn)滑軌 4.直線(xiàn)滑塊 5.受力三角斜塊 6.指針角度固定圈 7.轉(zhuǎn)換架支撐彈簧 8.力方向轉(zhuǎn)換軸承 9.直線(xiàn)軸承光桿移動(dòng)副 10.垂直施力轉(zhuǎn)化架 11.萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)受力桿

4 存在問(wèn)題及發(fā)展建議

4.1 存在問(wèn)題

1)我國(guó)幅員遼闊，地形、氣候差異大，辣椒的種植方式多樣，難以因地制宜研發(fā)出通用機(jī)型。國(guó)內(nèi)研發(fā)的辣椒移栽機(jī)械主要是借鑒國(guó)外樣機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，但忽視了我國(guó)各個(gè)辣椒產(chǎn)區(qū)的地理位置、種植技術(shù)以及育苗方式之間的差異。我國(guó)新疆地區(qū)辣椒種植主要是大田種植，移栽采用覆膜移栽的方式；而南方地區(qū)主要是小田種植，采用旱地移栽的方式。二者對(duì)于辣椒穴盤(pán)苗移栽機(jī)的功能需求各不相同，無(wú)法實(shí)現(xiàn)地區(qū)間的機(jī)具通用，造成了一定程度上的資源浪費(fèi)。

2)目前，我國(guó)推廣使用的移栽機(jī)大多為半自動(dòng)移栽機(jī)，該機(jī)型工作效率僅為人工移栽的3～5倍，在移栽作業(yè)時(shí)效率相對(duì)較低。半自動(dòng)移栽機(jī)只是實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)栽植的過(guò)程，取苗、投苗的過(guò)程仍然需要人工去完成，作業(yè)過(guò)程需要配備專(zhuān)門(mén)的喂苗人員，沒(méi)有將勞動(dòng)力從辣椒移栽環(huán)節(jié)中完全解放出來(lái)。

3)我國(guó)全自動(dòng)移栽機(jī)的研制還處于前期階段，還未達(dá)到成熟，在全自動(dòng)穴盤(pán)苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)和研制中，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化取苗，但我國(guó)缺少育苗規(guī)范、機(jī)械性能等方面標(biāo)準(zhǔn)，造成辣椒育苗品質(zhì)差異，影響到取苗精準(zhǔn)度，甚至導(dǎo)致傷苗、漏苗等情況。目前的研究中缺乏對(duì)各種穴盤(pán)苗的各項(xiàng)植物表型和力學(xué)等特性進(jìn)行深入研究，在確定夾持方式、設(shè)置拔苗力度、設(shè)計(jì)夾持力度等參數(shù)上的不合理選取，運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究不夠深入，使得穴盤(pán)苗在移栽過(guò)程中機(jī)構(gòu)互相影響，影響全自動(dòng)移栽機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。裝備類(lèi)型方面也存在不夠全面的問(wèn)題，我國(guó)目前對(duì)于辣椒全自動(dòng)移栽機(jī)的研究主要集中于適用于辣椒穴盤(pán)苗移栽的機(jī)械，對(duì)于辣椒基質(zhì)塊育苗移栽機(jī)械的研究較少。

4.2 發(fā)展建議

1)我國(guó)的土壤條件、環(huán)境氣候、積溫條件等因素決定了我國(guó)蔬菜種植的多樣性，近些年鄉(xiāng)村振興等相關(guān)政策扶持我國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)，大力發(fā)展工廠化育苗，我國(guó)已初步建立了工廠化育苗技術(shù)體系，育苗的規(guī)范化可以為我國(guó)辣椒等蔬菜的移栽工作起到輔助作用。早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的耕整地技術(shù)、蔬菜種植技術(shù)以及育苗移栽技術(shù)相互配套，擺脫我國(guó)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不配套的現(xiàn)狀。

2)當(dāng)前國(guó)內(nèi)的辣椒半自動(dòng)移栽機(jī)存在著移栽效率低、傷苗、漏苗等問(wèn)題，成為制約我國(guó)半自動(dòng)移栽機(jī)發(fā)展的主要原因?？蓮慕档蜋C(jī)具的復(fù)雜程度、使用柔性?shī)A持材料、改進(jìn)育苗基質(zhì)等方面進(jìn)行研究和改進(jìn)，在提升半自動(dòng)移栽機(jī)技術(shù)含量和移栽效率的同時(shí)，研制出操作簡(jiǎn)單、省時(shí)省力的國(guó)產(chǎn)化機(jī)型。

3)我國(guó)的辣椒穴盤(pán)苗全自動(dòng)移栽機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)更加趨于取苗、栽植一體化，利用最少的機(jī)構(gòu)去完成整個(gè)移栽過(guò)程，在研制過(guò)程中，對(duì)于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)需要更加全面的考慮各個(gè)因素的影響。需要對(duì)直接接觸的目標(biāo)作物的各項(xiàng)性質(zhì)進(jìn)行充分的了解，因?yàn)樽鳂I(yè)對(duì)象的柔嫩性、不規(guī)則性、作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變都會(huì)關(guān)系到移栽效率和成功率；在對(duì)取送苗裝置設(shè)計(jì)約束條件時(shí)，作業(yè)過(guò)程中的目標(biāo)位置要盡可能達(dá)到精準(zhǔn)；在軌跡規(guī)劃上，盡可能做到提高運(yùn)行效率，減少等待時(shí)間，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)行更加順暢，設(shè)置合理的時(shí)間間隔，減少發(fā)生卡苗、漏苗等現(xiàn)象；目前在穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)的取苗方式的研究中，對(duì)于夾缽式的力學(xué)性質(zhì)研究較多，但是缺少對(duì)于夾莖式取苗的力學(xué)特性的研究，應(yīng)該多進(jìn)行相關(guān)研究，為夾莖式取苗方式的移栽機(jī)的研制提供更多理論數(shù)據(jù)的支持。未來(lái)在開(kāi)發(fā)和研制過(guò)程中，除了要提高移栽效率和移栽質(zhì)量，移栽機(jī)械的研發(fā)也要逐漸與信息技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)控制等相結(jié)合，逐漸向智能化與信息化方向發(fā)展。