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(xué) 機(jī)電工程學(xué)院；2.650504 云南省 昆明市 北京航空航天大學(xué) 云南創(chuàng)新研究院）

0 引言

當(dāng)前我國部分旱地經(jīng)濟(jì)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(jī)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(jī)械。旱地苗移栽作物的種類繁多，種植管理較為復(fù)雜，從種到收歷經(jīng)數(shù)十道工序，用工數(shù)量較大，而且費(fèi)力、費(fèi)時、費(fèi)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(dǎo)地位[1]，很難像機(jī)械化程度較高的其他農(nóng)作物一樣，將其生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮到極致，從而導(dǎo)致我國旱地經(jīng)濟(jì)類作物生產(chǎn)增速較為緩慢，成本持續(xù)上揚(yáng)，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(jìn)程的迅猛推進(jìn)，農(nóng)村人口大量城市轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致勞動力成本持續(xù)上升，對經(jīng)濟(jì)類作物生產(chǎn)提出了新的挑戰(zhàn)[2]。逐步和全程機(jī)械化可大幅降低旱地農(nóng)經(jīng)作物生產(chǎn)的勞動強(qiáng)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(jì)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化的環(huán)節(jié)之一，但只有實(shí)現(xiàn)旱地苗的機(jī)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(shí)現(xiàn)快捷、高效、有機(jī)種植。因此，發(fā)展旱地苗移栽機(jī)，對實(shí)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(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 國外移栽機(jī)

移栽機(jī)在歐美國家推廣較早，所研發(fā)的移栽機(jī)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(jī)[3-4]，如圖1 所示，該移栽機(jī)是集苗移栽系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、澆水系統(tǒng)、安全保護(hù)裝置、地膜處理系統(tǒng)于一體的半自動移栽機(jī)，并擁有底盤自動升降功能，適應(yīng)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(jī)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(jī)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(jī)器人式移栽機(jī)，如圖2 所示。該移栽機(jī)通過抓取辣椒苗的葉或莖進(jìn)行取苗，并在取苗手指上設(shè)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(jī)適用于高氣溫、較潮濕和多塵土的工作環(huán)境，但移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性較低、生產(chǎn)成本過高，因此較難推廣。

圖2 機(jī)器人機(jī)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(jī)器人。該移栽機(jī)的取苗機(jī)構(gòu)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(dāng)調(diào)節(jié)取投苗裝置，以提高幼苗的移栽成活率。試驗(yàn)研究表明，幼苗根系的質(zhì)量會影響取苗效果，該取苗機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)[7]，可以實(shí)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(jī)需用拖拉機(jī)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(jī)，以手扶拖拉機(jī)為動力源，苗通過傳送帶運(yùn)輸，需要使用專用育苗紙杯，育苗過程較復(fù)雜、成本偏高，因此適應(yīng)性較差，但其傳送帶輸送苗的方式為今后全自動移栽機(jī)的發(fā)展提供了一個新的發(fā)展方向。

圖4 自走式拖拉機(jī)驅(qū)動蔬菜移栽機(jī)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(diǎn)，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(jī)，以適應(yīng)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(jī)不適合中國番茄幼苗的移栽。

日本的蔬菜移栽機(jī)的自動化程度較高，但所研發(fā)移栽機(jī)大多僅能移栽某幾種蔬菜幼苗，適應(yīng)性較差[10]。久保田研究開發(fā)的自走式KN-P6 大蔥移栽機(jī)[11]，僅能移栽單一品種的蔬菜幼苗。雖然其結(jié)構(gòu)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(jī)[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(jìn)步。農(nóng)民要在養(yǎng)殖場的規(guī)模、糞便處理、日常管理上，進(jìn)行改進(jìn)和提升，要按照標(biāo)準(zhǔn)化來進(jìn)行，這樣才能順應(yīng)改革的大潮。

圖5 2ZYG-6 乘坐式油菜移栽機(jī)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(jī)[13]。該機(jī)取、投苗及移栽完全實(shí)現(xiàn)了自動化，可實(shí)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(jī)增加了方向盤、行走機(jī)構(gòu)踏板無級變速，保證了移栽機(jī)在變速行進(jìn)過程中做直線運(yùn)動，使作業(yè)人員在較長工作時間不易感到疲勞，但該機(jī)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(jī)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(jī)[14]，通過液氣壓裝置控制機(jī)械手將幼苗從穴盤中取出，取苗機(jī)構(gòu)自動化程度較高，但機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)Fig.7 Dry field automatic transplanter

2 國內(nèi)移栽機(jī)的種類

國內(nèi)移栽機(jī)研發(fā)起步較國外晚，大多還處在虛擬和試驗(yàn)樣機(jī)階段，投放市場的移栽機(jī)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(jī)。該機(jī)主要由移栽機(jī)構(gòu)、空間槽輪機(jī)構(gòu)和覆土機(jī)構(gòu)等組成，株距通過齒輪機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，移栽機(jī)構(gòu)上下往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)植苗，但需要工人跟隨移栽機(jī)行走投苗，整機(jī)由人力推行實(shí)現(xiàn)運(yùn)動，大大增加了作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。

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

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

圖9 半自動組合式大蔥移栽機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Overall structure of semi-automatic combined spring onion transplanter

該移栽機(jī)主要由旋耕起壟機(jī)構(gòu)、供苗機(jī)構(gòu)、栽苗機(jī)構(gòu)、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(jī)行進(jìn)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(shí)現(xiàn)行距、株距、移栽深度、工作速度均可調(diào)的目標(biāo)，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(jī)。該移栽機(jī)由主電機(jī)、供苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)、方向控制機(jī)構(gòu)和覆土機(jī)構(gòu)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(dá)3 000～7 200 株/h。通過對大白菜、西蘭花和甘藍(lán)的移栽試驗(yàn)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(jī)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(jī)Fig.10 2ZB-2 vegetable transplanting machine

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

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

該機(jī)主要由取苗器、幼苗輸送裝置、底盤及其旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)等構(gòu)成，取苗器可實(shí)現(xiàn)穴盤整排取苗，然后間隔單獨(dú)投苗，旋轉(zhuǎn)升降機(jī)構(gòu)輔助移栽機(jī)適應(yīng)不同的地形地貌，具有較高工作效率。試驗(yàn)研究表明，整排取間隔投苗裝置合理分配，栽苗速度可達(dá)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(dá)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(dǎo)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(diǎn)，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(jī)。該移栽機(jī)主要由傳送帶、機(jī)械手、送苗裝置、動力桿、動力系統(tǒng)和投苗器等組成，機(jī)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(yīng)不同移栽環(huán)境，通過控制系統(tǒng)可對參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)蔬菜幼苗全自動移栽，該機(jī)自動化水平高，移栽速度快，但結(jié)構(gòu)復(fù)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(jī)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(fù)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(jié)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(jìn)行很好的標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)一，使得國內(nèi)移栽機(jī)的研發(fā)進(jìn)展緩慢，導(dǎo)致了國內(nèi)移栽機(jī)研究開發(fā)的困難。由于移栽環(huán)境的限制，國外移栽機(jī)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(jī)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(jī)大多處于試驗(yàn)研究階段，目前尚未投入規(guī)?；a(chǎn)實(shí)踐[20-21]。國外雖有較為成熟的全自動移栽機(jī)及技術(shù)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、價格偏高、適應(yīng)品種單一，不適合我國復(fù)雜地形地貌，因而還需要國內(nèi)眾多企業(yè)和團(tuán)隊(duì)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(jī)盡早服務(wù)我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[22]。

國內(nèi)蔬菜種植業(yè)應(yīng)建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化育苗機(jī)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(jī)研究開發(fā)難度，使移栽機(jī)的使用更加廣泛，從而盡早實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人的目標(biāo)。

4 結(jié)語

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