引言
育苗移栽技術可充分利用光熱資源，提高作物復種指數，具有對氣候的補償作用和使作物生長提前的綜合效益，是我國未來確保農產品供給安全的重要手段。目前，國內移栽機械以半自動移栽機為主。半自動移栽由人工取苗，取出的缽苗被放置在相應的輸送裝置或直接送入栽植裝置，因人工喂苗速度有限、作業人員數量較多、作業效率不高，不適合短時間內完成大面積移栽，機械化效益不明顯。目前，其僅在種植利潤較高的經濟作物\\( 如煙草、油菜\\) 中有一定的推廣。對于蔬菜、玉米和棉花等，由于作物本身種植利潤低，半自動移栽機由于效率低下成本回收慢，因此至今還未見大面積推廣。此外，新疆、東北等地區人口少而種植面積廣，作物移栽期勞動力緊張情況尤為突出，對移栽機的工作效率提出了更高的要求。全自動移栽機機械自動取苗，工作效率可以提高至半自動移栽機的 2 ～4 倍，極大地降低了操作者的勞動強度，并可很好地解決勞動力不足、作業效率低下等問題，被國內外普遍認為是最終的發展方向。
1 國內外發展現狀
國外特別是歐美國家的全自動移栽技術研究較國內而言起步早，也相對成熟，部分全自動移栽機已經有較好的推廣。美國 Ｒenaldo 公司于 2003 年開發的基于空氣整根苗盤的全自動蔬菜移栽機，針對特制的倒錐形硬質組合苗盤所育的苗，采用了負壓取苗方式，將苗從上向下吸出后沿著輸送管道送給栽植器;缺點是苗盤價格高、構造復雜，取苗時容易致基質松散，而且只能適合幼小的苗。當前推廣較多的全自動移栽機有意大利 Ferrari 公司的 Futura 系列全自動移栽機、英國的 Pearson 全自動移栽機以及澳大利亞的Williames 自動移栽機等。此類移栽機多為排式取苗，通過橫、縱向輸送及定位系統控制苗盤位置，采用頂苗桿將穴盤中的苗成排頂出或通過取苗爪將苗從穴盤中成排取出，實現精準取苗、投苗，每組部件取苗效率超過 8 000 株/h。這些機型主要針對基質缽苗，融合了先進的多傳感器技術、自動控制技術，大幅提高作業效率、大量節省勞動力，滿足了現代農業的發展需要; 但是價格昂貴，結構復雜，維護困難。另外，日本旱地自動移栽技術也有很好的發展，如洋馬、井關和久保田株式會社都有比較成熟的自動移栽機。以洋馬自動移栽機為例，以原有插秧機技術為基礎并加以改進，1 行只有 1 個取苗機械手。這種形式的移栽機整機體積小，移動靈活，特別適用于丘陵小地塊作業; 缺點是 1 次只取 1 株苗，速度較低，洋馬自動移栽機作業效率為 3 000 株/行·h。
目前，國內還沒出現成熟的自動移栽機，大部分自動移栽技術研究多處于部件研究和試驗階段。吉林工業大學孫廷琮等人發明了空氣整根營養缽育苗及移栽系統?？諝庹鶢I養缽育苗及移栽系統在原理和技術上都實現了穴盤育苗移栽自動化，但是多年來一直沒有推廣使用。
2 國內外自動移栽機關鍵技術分析
自動移栽機主要由 3 大部件組成: 取苗部件、給苗部件和栽植部件。栽植部件在半自動移栽機上已有應用并且發展較為成熟，因此設計穩定、可靠的取苗部件和給苗部件是實現全自動移栽的關鍵。
2． 1 國內外自動移栽取苗技術研究現狀現有國內外自動移栽技術在取苗方式上大致可分為兩類，即排式取苗和單株取苗。
2． 1． 1 排式取苗每個工作單元有多個取苗爪，一次取多株苗。此類結構通常融合自動控制技術和氣動技術于一體，實現一組取苗爪的精準定位、準確動作，取苗速度較高，能達到 8 000 株/h。排式取苗根據具體動作方式又可分為兩大類: 頂出式取苗和拔出式取苗。
1\\) 頂出式取苗: 取苗爪運動至取苗位置后靜止;頂針從育苗穴盤后部將苗頂出并推入取苗爪夾持區域; 取苗爪夾緊苗缽，完成取苗; 被取出的秧苗隨取苗爪移動至輸送部件上方，完成投苗。此種取苗方式動作穩定可靠，不傷苗體或基質，對不同種類秧苗的通用性強; 但是取苗過程需要不同部件配合完成，對定位、動作控制要求高，結構復雜。代表機型有 Ferrari\\( 見圖 1\\) 全自動移栽機、Williames\\( 見圖 2\\) 全自動移栽機及 Agitiplanter 全自動移栽機等。2\\) 拔出式取苗: 取苗爪主動加持苗莖干或插入秧苗土缽內，將苗拔出穴盤，而帶苗移動至輸送部件上方，投苗。此種形式取苗動作由單一工作部件完成，結構相對簡單，動作快捷; 但是由于取苗爪要加持莖干或基質，對加持部位會有一定的損傷。代表機型有Teaproject\\( 見圖 3\\) 全自動移栽機及 Pearson 全自動移栽機等。
國內學者研究的取苗機械手以拔出式取苗居多。
比較典型的有北京工業大學高國華等人、沈陽農業大學邱立春等人，集合氣動技術和自動控制技術設計移栽爪\\( 見圖 4\\) ，通過氣缸控制取苗爪的移動1設計。南京農業大學韓長杰等人設計了多組氣缸驅動的翻轉擺位式取苗機械手\\( 見圖 5\\) ，利用扎苗、放苗氣缸控制取苗爪的取苗、放苗，翻轉氣缸和擺位氣缸控制機械手在取苗位和投苗位的姿態變換; 通過室內取苗試驗得出，系統取喂苗總可靠率達 98． 92% ，平均基質損失質量 9． 26% ，取喂速度達 4 200 株/h，未見明顯傷苗。南京農業大學尹文慶等人設計的機械手的工作原理為通過滑道\\( 槽形凸輪\\) 控制取苗爪的張開和閉合。浙江大學任燁等人研究了基于機器視覺的設施農業移栽機器人，包括視覺系統、控制系統、機器臂等。機器臂由步進電機驅動，氣缸驅動末端執行器，并對針式、鏟式和錐形 3 種手指的取苗效果進行了對比試驗，認為鏟式效果最好。江蘇大學毛罕平、胡建平等人設計了旱地穴盤移栽裝置末端執行器\\( 見圖 6\\) ，多個取苗執行器并聯安裝，通過凸輪控制開合。
2． 1． 2 單株取苗單株取苗即 1 次取 1 株秧苗，每行只有 1 個取苗爪工作，大多采取拔出式取苗方式。取苗爪從育苗盤中將苗取出，直接加持至栽植部件上方，投入栽植器。
此類取苗方式要求取苗爪以特殊軌跡運動，并在運動中不斷變換姿態，以滿足取苗和投苗要求。
單株取苗機械手從取苗、送苗到投苗至栽植器的動作都由單一部件完成，結構簡單緊湊，生產成本低;缺點是一次只取 1 株苗，速度較低，通常不高于 4 500株/h。單株取苗形式多見于日本洋馬、井關、久保田等公 司 開 發 的 全 自 動 移 栽 機。國 內 浙 江 理 工 大學開發的回轉箱式取苗機械手、江蘇大學開發的凸輪連桿組合式取苗部件、中國農機院開發的齒輪 － 五桿取苗機械手都是比較典型的單株取苗機械手。
江蘇大學毛罕平等人開發的自動取苗機械手由取苗爪、回轉箱驅動機構及槽形凸輪機構組成，機構運動時以圖 7 所示軌跡實現從穴盤中取苗和向植苗機構投苗的動作。浙江理工大學俞高紅等人采用回轉式取苗機械手在行星減速箱內配置非圓齒輪和不完全齒輪，形成插值臂末端特定的運動軌跡，從而完成取苗和向栽植部件投苗的動作，如圖 8 所示。中國農機院趙亮等人采用雙曲柄的五桿機構控制取苗爪，實現苗爪的取苗和投苗動作，取苗工作效率為 4 200株/h，如圖 9 所示。
2． 2 國內外自動移栽機給苗技術研究現狀設計與取苗裝置動作準確配合的苗盤的進給裝置也是自動移栽機開發的關鍵技術之一。
不管排式取苗還是單株取苗，相對應的苗盤進給原理基本一致。整個進給大致可分為橫向進給和縱向進給。橫向進給目的是取同一排苗，進給 1 次，取 1株或多株苗。整排苗取完后縱向進給動作，將下一排苗送至待取行，繼續取下一排苗。假定取苗部件 1 次取 a 株苗，對于一個規格為 m × n 的苗盤，橫向進給ma－ 1 次，縱向進給 n － 1 次，即可將整盤苗取完。
給苗部件要求進給準確、無累積誤差，現有機型具體實現形式主要有兩種: 純機械驅動進給和機電氣動聯合控制的間歇進給。前者通常與單株取苗機械手配合使用，后者通常與排式取苗配合使用。洋馬自動移栽機送苗機構為純機械驅動，橫向進給利用凸輪軸控制，縱向進給由凸輪軸一側的邊凸輪觸發棘輪動作，結構簡單、緊湊，如圖 10 所示。Ferrari、Williames等自動移栽機的送苗機構均為電氣結合控制，機構由氣動元件驅動，通過傳感器、PLC 等電子器件控制其動作的頻率和幅度，從而達到精準送苗的目的，如圖11 所示。
國內專門進行給苗部件的研究較少，中國農機院設計的給苗部件采用凸輪軸與間歇運動機構結合控制苗盤的橫向間歇進給，采用棘輪結構控制其縱向進給。韓長杰基于氣動技術設計穴盤步進移位機構，通過步進移位氣缸結合棘輪實現苗盤的橫向進給，通過左右移位氣缸實現苗盤的左右進給。
2． 3 國內外全自動移栽機栽植技術研究現狀國內外全自動移栽機常見的栽植方式主要有導苗管式、撓性圓盤式及輸送帶式等。
2． 3． 1 導苗管式秧苗由輸送裝置送到導苗管上方，順著導苗管在重力作用下落入開溝器開好的土槽中，后在回流土與壓實 裝 置 作 用 下 定 植。Ferrari 全 自 動 移 栽 機 和Williames 全自動移栽機均為此種栽植方式，如圖 12所示。
2． 3． 2 撓性圓盤式通常撓性圓盤式移栽機的輸送裝置是全程輸送帶式，秧苗在輸送帶末端被交接至撓性圓盤，再隨撓性圓盤栽入土中。典型機具有 Agitiplanter 全自動移栽機和FMC 全自動移栽機等，如圖 13 所示。
2． 3． 3 輸送帶式此種形式是指由輸送帶直接將秧苗送入開好的土槽中，后在回流土與壓實裝置作用下覆土定植。代表機型是 Pearson 全自動移栽機，如圖 14 所示。
以上幾種栽植形式在半自動移栽機中都有應用，但是有個共同的缺點是無法實現膜上移栽，在我國大部分地區\\( 如東北、西北甚至部分南方地區\\) 推廣使用都受到限制。
2． 3． 4 鴨嘴式栽植部件鴨嘴式栽植部件可以實現膜上移栽，是目前我國半自動移栽機中使用較多的栽植方式。目前，國外自動移栽機使用鴨嘴栽植器\\( 見圖 15\\) 的只有洋馬生產的全自動移栽機，但是移栽效率較低，僅為 35 ～ 50株/min。國內中國農機院的就是鴨嘴式栽植器。3 結論國外自動移栽機技術先進、性能可靠，并且已經有一定規模的推廣使用; 但是價格非常昂貴，是半自動移栽機的 10 倍以上，大大超出了國內用戶的購買能力，且多數機型不能滿足國內移栽農藝需求，在國內難以推廣。半自動移栽機推廣受阻使國內學者越來越重視自動移栽機的研究，近幾年有了很大的發展，但是目前多處于研究試驗階段，還沒有出現性能穩定可靠的自動移栽機產品，自動移栽機的開發任重而道遠。自動移栽機開發過程中應注意以下幾點:
1\\) 自動移栽對苗盤規格、成苗大小、育苗質量都有較高要求，因此在研究自動移栽技術的同時，發展與之配套的育苗農藝。
2\\) 國內各地的整地條件參差不齊，部分地區地況較差，限制了移栽機械的使用。自動移栽機結構較復雜，對地況的要求會更嚴格，應開發與其配套的整地機械，盡可能減少影響其正常作業的不利因素。
3\\) 當前國內學者對自動移栽技術的研究重點多放在取苗裝置上，忽略了對給苗裝置的研究，而給苗裝置對整個機具運行速度和可靠性有重要影響。
4\\) 在發展自動移栽技術的同時，不應過分追求速度，同時也應考慮生產成本和性能可靠性問題，尋求高效率和低成本的最佳契合點?！緢D略】
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