摘 要：茄果類蔬菜種植規(guī)模大，育苗移栽環(huán)節(jié)勞動強度大、效率低。為提高茄果類蔬菜移栽質量和效率，自動移栽機應運而生。夾取式取苗機構是茄果類蔬菜自動移栽機的關鍵部件，該部件的性能將直接影響移栽缽苗的質量。綜述了夾取式（夾莖式和夾缽式兩類）取苗機構的研究現狀，在總結和分析夾莖式和夾缽式取苗機構的優(yōu)缺點和工作原理的基礎上，分析了制約夾取式取苗機構和茄果類自動移栽機發(fā)展的原因，并從提高農機與農藝融合程度；提高控制系統(tǒng)精度，增強對取苗機構材質的相關研究；提高移栽機的自動化、智能化和一體化程度等方面提出了該領域未來的研發(fā)重點。

關鍵詞：茄果類蔬菜；自動移栽機；取苗機構；夾取式；綜述

中圖分類號：S223.94；S641.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-060X（2023）04-0103-06

Abstract： Solanaceous vegetables are grown on a large scale. Their seedling transplanting is labor-intensive and inefficient. In order to improve the quality and efficiency of solanaceous vegetables transplanting， automatic transplanting machine comes into being. A clamping type seedling picking mechanism is a key component of the automatic transplanting machine for solanaceous vegetables， and the performance of this component will directly affect the quality of transplanting potted seedlings. This paper summarizes the research status on two types of commonly used seedling picking mechanisms， namely， stem clamping type and bowl clamping type， and according to their advantages， disadvantages and working principle， further analyzes the reasons limiting the development of clamping type seedling picking mechanism and automatic transplanting machine for solanaceous vegetables. Finally， it points out the future research will focus on： enhancing the combining of agricultural machinery and agronomy; improving accuracy of the control system of seedling extraction mechanism， and strengthening research on materials of seedling picking mechanisms; and improving the automated， intelligent and integrated levels of transplanters.

Key words： solanaceous vegetables; automatic transplanting machine; seedling picking mechanism; clamping type; review

茄果類蔬菜是人們日常生活中的必需品，有較高的經濟價值[1]。育苗移栽是目前最主要的蔬菜移栽種植方式[2]，育苗移栽機有利于提高移栽效率、減輕勞動強度、降低人工成本等優(yōu)點[3]。隨著農業(yè)勞動力人口的減少以及老齡化的加劇，移栽機的自動化、智能化、多功能化和通用性逐漸成為了發(fā)展趨勢。

蔬菜移栽取苗機構是移栽機的核心裝置[4]，目前普遍采用夾取方式取苗。為了提高育苗移栽的效率和質量，人們對取苗機構的結構類型和驅動方式做了較多的研究[5]。筆者綜述了目前國內外夾取式自動移栽機取苗機構的研究現狀，并根據缽苗的夾持部位將夾取式取苗機構分為夾莖式和夾缽式2大類，分析了其優(yōu)缺點，并對我國茄果類蔬菜自動移栽機取苗機構的設計提出建議，為今后我國茄果類蔬菜自動移栽機的取苗機構的研制提供參考。

1 夾取式取苗機構國內外研究現狀

國內外常用的夾取式取苗機構總體上分為夾莖式、夾缽式2大類。夾莖式取苗機構的取苗方式是通過夾持手指末端夾持靠近缽苗根部往上的莖稈處進行莖稈夾取和移栽。現有的夾莖式取苗機構適應于辣椒、茄子、番茄等莖稈粗壯的幼苗品種[6]。為減小缽苗移栽的損傷率，夾持力精確控制逐漸成為重點研究內容[7]。夾缽取苗機構的取苗方式為取苗針插入缽苗基質，對缽苗進行提取和移栽，夾缽式取苗方式對取苗針插入基質的夾取角度、取苗針個數和取苗爪的夾持力也有較高要求。

1.1 夾莖式取苗機構

1.1.1 凸輪擺桿式取苗機構 凸輪擺桿式取苗機構的工作原理為凸輪機構的旋轉運動轉化為控制夾持手指實現張開和閉合功能的執(zhí)行機構的直線運動，擺桿的運動路徑確定了取苗機構的運動路徑，提高了缽苗的移栽成功率[8]。李華等[9]設計了一種凸輪擺桿式夾莖式取苗機構（圖1），凸輪將旋轉運動通過擺桿變?yōu)閵A緊塊的直線運動，夾緊塊的直線往復運動控制夾苗片的張開和閉合，實現取苗機構的取苗和投苗作業(yè)。

1.1.2 推桿式取苗機構 推桿式取苗機構的驅動機構由電機、氣缸、電動推桿等組成，其工作原理是通過驅動機構控制推桿做間歇直線往復運動，從而間接控制夾持手指張開和閉合來實現自動移栽機取苗和投苗作業(yè)?？刂茒A持手指張開和閉合的執(zhí)行機構一般采用連桿、彈簧或者滑塊等機構來實現。Shao等[10]采用可以往復移動的末端執(zhí)行器，研制了一種多適應性秧盤的插秧自動移載裝置（圖2），通過調整整排末端執(zhí)行器的數量和間距，提高了其效率和適應性。

1.1.3 行星輪系–齒輪取苗機構 行星輪系–齒輪取苗機構的結構主要由行星架、取苗臂、行星輪、中間輪與太陽輪等組成。其工作原理是齒輪的嚙合驅動行星架轉動，行星架帶動固接于行星輪的取苗臂完成取苗和投苗動作[11]。趙勻等[12]為提高茄子缽苗的移栽效率，設計了一種非圓齒輪行星輪系移栽機構，通過運動學建模和仿真分析驗證了移栽機構的可行性。沈明[13]設計了一種非圓齒輪行星輪系移栽機構，滿足了水稻“8”字型特定軌跡移栽要求，其運動學模型如圖3所示，當時該項目已完成了軌跡的驗證和關鍵位置的姿態(tài)分析，并采用單排取苗的方式驗證了取苗機構的可行性。

1.1.4 夾取振動復合式取苗機構 夾取振動復合式取苗機構的工作原理是利用振動裝置將缽苗震動松脫，再用取苗機構將缽苗從穴盤中取出[14]。姚思博等[15]設計了一種夾取振動式取苗機構，結構新穎，取苗機構整機圖如圖4所示，通過力學模型和振動學模型得出了振動電機的振動頻率、振幅和缽苗基質含水率與取苗成功率的關系。

1.1.5 機械手式取苗機構 機械手式取苗機構主要由機械手抓取機構、機械臂或者滑臺等運動執(zhí)行機構、電機和氣缸等驅動機構、傳感器和控制器等組成。其工作原理是運動執(zhí)行機構攜帶抓取機構運動到取投苗位置，控制器讀取傳感器檢測信號，進行取苗和投苗動作，完成缽苗的移栽[16]。為提高新疆半自動移栽機的效率，韓長杰等[17]設計了一種機械手式取苗機構的辣椒缽苗自動移栽機，提高了辣椒缽苗移栽效率，試驗測得移栽機平均取投苗成功率達到97.07%。

1.1.6 曲柄滑塊取苗機構 曲柄滑塊取苗機構由曲柄滑塊、滑槽、夾持手指、用于控制苗針開合的推桿或滑塊等組成，其工作原理是曲柄滑塊機構連接取苗爪在滑槽內做往復運動，滑槽的兩端點分別為取苗和投苗位置，取苗機構在取投苗位置完成取苗和投苗動作[18]。Wen等[19]設計了一種雙曲柄五桿栽植機構，實現了零速度栽植。

1.1.7 旋轉式取苗機構 旋轉式取苗機構工作原理為先將缽苗從穴盤中取出，通過旋轉機構進行移栽[20]。朱興亮等[21]設計一種基于導軌和驅動輥實現取苗爪自轉和公轉的取放苗機構，如圖5所示。

1.2 夾缽式取苗機構

1.2.1 機械臂取苗機構 機械臂取苗機構的工作原理是通過控制系統(tǒng)控制機械臂的運動機構移動、旋轉、伸縮使其械臂末端的手爪到達指定位置完成取苗和投苗動作[22]。Paradkar等[23]研制了一種蔬菜插秧機自動計量機構（圖6），運用一個三軸的機械臂取苗機構來采摘和投放在可生物降解紙罐中培育的番茄幼苗，提高了蔬菜幼苗的機械化移栽。

為進一步開發(fā)機械臂取苗機構的自動化程度，Rahul等[24]提出采用機電一體化方法來設計和開發(fā)一種包含2個自由度、5個旋轉關節(jié)的平行機械臂結構，可以更改一行內拾取點的數量和拾取位置的坐標。

1.2.2 行星輪系–齒輪取苗機構 夾缽式與夾莖式行星輪系–齒輪取苗機構工作原理相同。二者夾持手指不同，夾莖式夾持手指為夾片式，夾缽式夾持手指為指針式。Wang等[25]設計了一種非圓齒輪行星輪系移栽機構，可以滿足缽苗不同位姿的移栽要求，具有不傷苗、通風充分等優(yōu)點。機械臂式取苗機構可以滿足對取苗位姿的較高要求，Zhao等[26]提出了一種雙行星架齒輪移栽機構，實現了花卉的高垂直度、大位移栽要求。Yin等[27]針對雙臂移栽機構的移栽臂容易造成秧苗損傷和缺失的問題，設計了一種水稻盆栽三臂插秧機構，建立虛擬樣機，通過虛擬仿真獲得移植機構的工作軌跡和姿態(tài)該機構的工作原理為通過非圓輪系的不等速傳動實現采摘、運輸、種植，提高了移栽缽苗的質量。

1.2.3 曲柄滑塊取苗機構 夾缽式與夾莖式曲柄滑塊取苗機構的工作原理相同。石河子大學的馬曉曉等[28]設計了一種番茄缽苗自動取苗裝置（圖8），通過試驗驗證了該裝置的傷苗率、漏苗率、取苗成功率，取得了較為理想的結果，而且該裝置還具備良好的抗干擾能力。

1.2.4 擺桿式取苗機構 擺桿式取苗機構主要特點為取苗機構與穴盤苗輸送機構之間形成一定夾角，其工作原理為電機驅動擺桿構件在取苗和投苗位置往復擺動，完成缽苗的移栽[29]。Han等[30]設計了一種門框自動移栽機擺動取苗裝置（圖9），可以有效完成取苗、轉移和投苗的有效工作循環(huán)。

1.2.5 推桿取苗機構 夾缽式推桿取苗機構與夾莖式推桿取苗機構的工作原理是相同的，二者夾持手指不同。浙江大學的蔣卓華等[31]基于常規(guī)插拔式和夾取式末端執(zhí)行器的優(yōu)點，設計了一種單氣缸驅動的插拔夾取式末端執(zhí)行器，解決了大多數夾缽式末端執(zhí)行中根部插頭或者釋放插頭存在的問題，該末端執(zhí)行器指針可調節(jié)插入深度和入土角度。

2 目前取苗機構存在的主要問題

2.1 取苗機構運動控制精度低、傷苗率高

例如行星輪系–齒輪取苗機構一般都存在齒輪間隙的嚙合誤差，使得控制運動精度偏低，進而導致夾片夾取莖稈的力度出現誤差，存在因控制精度低而導致傷苗率的問題。

2.2 取苗機構功能簡單、效率低

育苗移栽機存在運動過程單一、功能簡單、精度低等問題，導致缽苗移栽效率低。移栽機還存在作業(yè)速度慢、取苗效率低、傷苗率較高、整機作業(yè)時震動大的問題。

2.3 機械結構和材質難以創(chuàng)新

例如大多數推桿式取苗機構由驅動機構和推桿間接控制夾片的開合實現取苗，機械結構難以創(chuàng)新。同時，由于植株幼苗比較細嫩，沒有較為合適的高質量、高效率、低損傷的取苗材質。

3 發(fā)展建議

3.1 提高農機與農藝融合程度

提高農機和農藝的融合，促進制缽、育苗、移栽等幾個階段體系化、規(guī)范化，減少人工成本。增加對不同品種穴盤苗適宜移栽的土壤類型展開研究，提高育苗移栽質量。

3.2 提高控制系統(tǒng)精度，增強對取苗機構材質的相關研究

一方面提高取苗機構的控制系統(tǒng)精度，如增加PID算法、神經網路算法、機器視覺等先進技術。另一方面從取苗機構的機械式結構和材質等方面來改進和創(chuàng)新，優(yōu)化移栽機各機構的性能，提高移栽機作業(yè)速度。

3.3 提高移栽機的自動化、智能化和一體化程度

未來應從人工智能技術、算法的融合角度來改進和創(chuàng)新育苗移栽機，應加速機器視覺、導航、無線遙感等先進技術的應用，研發(fā)出趨向于機電一體化、智能化、無人化和多功能化的機械設備。在自動移栽機滿足高速、穩(wěn)定、無損傷移栽作業(yè)要求的同時，減少移栽作業(yè)時整機產生的震動、噪聲和其他因素對蔬菜幼苗的影響。

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（責任編輯：張煥裕）