温室穴盘苗移栽机械研究现状及问题分析

　　摘要：为帮助科研人员开阔移栽机械研发思路，系统了解温室穴盘苗移栽机的研究现状和存在问题，从 而 查 漏补缺，着力提升我国温室钵苗机械化移栽水平。采用文献综述和归纳总结的方法，对国内外温室穴盘苗移栽现状和代表性装备进行对比，同时对穴盘苗移栽关键技术部件研究进展进行梳理。结 果 表 明：当前我国穴盘苗移栽领域相关标准缺失引起的栽培模式、装备作业评价标准等因素的不确定性，导致移栽机研发难以为继;已有装备功能单调，智能化程度低，无法自动完成钵苗质量检测、分 级、计 数、补苗等一机多用功能;移栽机设计缺乏整体布局规划和移栽策略、工艺流程优化，致使机器体积庞大，适 用 性 不 强。针对上述问题提出以下建议：尽快制定温室穴盘苗移栽标准，规范行业发展;加速以机器视觉技术为代表的高新技术应用，提升机器功能和智能化程度;加 强 移 栽机整体设计和作业流程优化。

　　关键词 温室;穴盘苗;移栽机;现状分析

　　温室是我国反季节蔬菜的主要生产方式。2018年全国温室蔬菜产量占当年蔬菜总产量的30%[1]，温室蔬菜穴盘育苗技术应用规模日益扩大。与传统育苗方式相比，穴盘育苗抗逆性强，具有发芽率高、占地面积小、育苗周期短、便于机械化统一管理等优点[2]。当幼苗长到一定程度时，为满足其进一 步 生长发育要求，需要将高密度穴盘培育的幼苗移植到低密度穴盘，以缩短作物生长发育期，错开成熟期，提高产量[3]。人工移栽劳动强度大，效率低，栽植质量难以保证[4]。这种粗放的生产方式已无法满足现代育苗工厂作业精准化、集约化的发展要求。另一方面，随着农村人口向城市大量转移，农业劳动力严重短缺，雇佣成本上升[5]。

　　因此，穴盘苗机械化移栽是未来的发展趋势。国外温室穴盘苗移栽机已非常成熟，基于先进工业技术和计算机技术开发的移栽机不仅效率高，作业质量稳定，适用性强，而且可以对钵苗品质进行检测筛选，对移栽数量进行统计。相比之下，我国温室移栽机发展起步较晚，但研究热度不减。科研人员先后开展了大量的探索和研发工作，积累了丰富的经验。但由于作物栽培品种和模式不一，致使移栽机发展较为缓慢。本研究拟采用文献综述和归纳总结的方法，对国内外现有温室穴盘苗移栽机代表性产品和最新研究进展进行对比，对移栽机关键技术部件进行归纳，分析国内移栽机械当前发展所面临的主要问题，并提出相应的应对措施，以期为科研人员研发移栽机提供思路，同时帮助相关从业人员准确把握移栽机发展趋势，系统了解行业现状和存在的问题，从而查漏补缺，提高我国温室钵苗机械移栽水平和推动标准化育苗工厂发展。

　　1 移栽机技术特征

　　1.1 栽机分类钵苗栽培模式较多，针对不同的栽培模式移栽方法也有差异。温室生产中采用机械化移栽的钵苗按照不同栽培方式主要分为基质培种苗、水培种苗、扦插无根苗以及组培种苗等[6]。基质培种苗在不同规格的穴盘中培育，一般基质由泥炭、蛭石和珍珠岩等组成，这种方式更接近大田种苗生长环境，取苗器通常需要插入基质块进行取苗。水培种苗则利用专用的定植篮或海绵将种苗固定在栽培板上，通过板下的营养液进行培育，移栽时需要设计特殊的取苗器抓取定植篮。近年来，无性繁殖育苗在种苗生产中的规模不断发展壮大。无性繁殖主要指扦插、嫁接及组织培养。扦插苗有一个非常大的特点，即幼苗均是不带基质的裸苗。对于裸苗而言，直接触碰柔嫩苗体极易造成损伤，这给机械夹持、移载作业带来挑战。为此国外有公司研发了一种可降解的扦插苗条带，人工剪下苗后扦插在条带上，然后通过机械进行移 栽，这种扦插苗条带方便运输和计数。

　　组培苗是指对植物组织进行培养，使其通过部分组织再生出完整植株的过程。琼脂常被用来作为组培基质，这种苗对移栽机的要求更高，作业动作需要十分轻盈。按照移栽穴盘孔数区分，移栽机有多穴-多穴和多穴-单穴2种。多穴-多穴一般指将高密度穴盘培育的钵苗移植到具有低密度孔穴的穴盘继续培养。而多穴-单穴指将高密度的钵苗移植到单孔容器中，主要针对盆栽花卉生产和移栽。按照取苗器数量不同移栽机可分为2种：一种是单个取苗器每次只移栽单株钵苗;另一种则由整排取苗器同时对多株钵苗进行移栽[7]。

　　1.2 苗移栽过程尽管钵苗栽培模式多种多样，目前基质培种苗依旧在市场上占比最大，绝大部分移栽机也是针对基质苗研发的[8]。以基质种苗为例，常见针式 移 栽机作业过程可分解为8个关键步骤：

　　1)根据钵苗空间坐标驱动取苗器移动到供苗穴盘及靶标钵苗正上方的预定位置;2)取苗器下降直至其贴近基质表面;3)末端的钢针伸出并插入基质块内部;4)整个取苗器开始上升，完成取苗动作;5)取苗器移动到目标穴盘及靶标孔穴正上方的特定位置;6)取苗器下降将钵苗精准投放到靶标孔穴中;7)钢针缩回，利用针筒端面的反推力将基质块从针上捋下，完成钵苗释放动作;8)取苗器上升，移动到下一个待移栽的钵苗上方。如此重复1)～8)步骤。移栽过程中，取苗器的移动路径需要根据机器布局、穴盘位置、钵苗生长状况等因素进行合理设计和优化，一方面可以缩短路径长度，提高效率;另一方面能够避免其与钵苗和机器部位发生碰撞。

　　1.3 栽质量评价方法

　　目前，有关温室钵苗移栽机的作业质量评价尚无国家标准进行规范。已有研究中对于移栽机的质量评价主要集中在移栽合格率、幼苗损伤率、基质破损率、移栽倒伏率、取苗成功率、成活率等指标。这些报道中，针对一些指标的评判标准也有差异，例如基质破损程度因主观因素影响每个文献中判断结果有所不同。相对而言，大田蔬菜幼苗移栽质量评价标准较 为 完 善。DB36/T1360—2020《茄果 类 蔬 菜机械化移栽作业技术规范》[9]规定了茄果类蔬菜大田机械化移栽的漏载率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等术语，并指明了作业要求，检验方法和检验规则。地方标准 DB62/T2974—2019《蔬菜移栽机 作业质量》[10]针对导苗管式移栽机和钳夹式、链 夹 式移栽机的立苗率、埋苗率、伤苗率、露苗率、漏栽率等参数进行了规定。由此可见，温室钵苗移栽质量评价标准亟需颁布，以指导行业规范化发展。

　　2 国内外温室钵苗移栽发展现状

　　2.1 外移栽机械现状

　　国外温室钵苗移栽机研究起步较早，最早的报道始于美国普渡大学的 Kutz[11]。早期移栽机通常以工业机器人为主体，通过安装不同的末端执行器完成移栽作 业 任 务。90年代 初，日 本、英 国 一 些 院校针对穴盘苗和组培苗移植技术展开研究[12-13]。21世纪初荷兰设施农业装备生产企业 Visser、TTA 等公司开始 生 产 穴 盘 苗 移 植 机 械。经过几十年的发展，欧洲目前已涌现出 Flier、Ubinati和 Tea等一批设施移栽机生产企业。在功能方面，这些移栽机已由简单的钵苗移植、剔苗、补苗向分级移植和裸苗移植等方向扩展。

　　同时为满足多元化的机械移植作业要求，一些辅助装置，例如纸钵苗、塑料穴盘、可降解扦插苗条带等得到了长足的发展，这不仅提高了移栽机作业质量和生产效率，而且带动了整个产业链的结构升级。随着机器视觉等最新工业技术的应用，近年来这些移栽机智能化程度明显提升，可通过触摸屏完成数据 监 测，作 业 参 数 设 置 及 故 障 诊 断。美 国 的AgriNomix 公 司 研 发 的 RW2100Twin 移 栽 机每小时可移栽6.1万株 苗。这 款 装 备 双臂同时移栽，种植 深 度 和 穴 盘 高 度 可 调，同 时 能 针对5个 穴 盘 进 行 作 业[14]。意 大 利 UrbinatiS.r.l.公司研发 的 RW64 移 栽 机 作 业 效 率 为5.6万株/h，该机多个电动取苗器采用独立无线控制方式，可双排同时移栽，并通过触摸屏能进行机器编程和自我诊断[15]。

　　荷兰老牌设施农业装备公司众多，其设施园艺相 关 技 术 也 处 于 世 界 领 先 地 位。Visser HortiSystems公司自1967年以来，一直聚焦于园艺苗圃作业机器和生产线的研究与设计。其生产的 Pic-O-MatVision移栽机基于视觉系统可以剔除穴盘中的空穴 和 品 质 差 的 苗，保 证 移 栽 苗100%优质，每小时最 多 可 移 栽1.92万株 钵 苗[16]。

　　针对 扦插苗机械化移栽的广泛需求，Visser公司研发了一种可降解 AutoStix? 插条。这种插条使用时人工将剪下的苗扦插在条带上，然后通过 AutoStix移栽机切下条带单体并进行移植，插条能够无损夹持不同茎秆粗细的钵苗，还能促进幼苗生根，移栽效率为1.2万株/h[17]。TTA 公司创立 于1996年，开发 了 多 款 钵 苗 移栽机，其中 MidiVision视觉选苗移栽机作业效率为0.5～4万株/h。该装备移栽时能够自动跳过空 穴，极 大 降 低 了 漏 栽 率[18]。除 了 土 壤 基 质外，琼脂常被用来作为基质对植物组织进行培养，使其通过部分组织再生出完整植株。

　　组培苗生长后期需要将其移栽到穴盘或盆中，帮助植物发育出更繁茂的根系。TTA 公司针对琼脂较软、不易抓取的特点开发了 MidiFlat移栽机，针对组培植物该装备作业效率为1.5万株/h[19]。除了上述代表性的移栽机以外，本研究还针对国外其他移栽装备的关键参数及性能特征进行对照。这些装备无论在作业质量、效 率，还是在功能、机器设计等方面都十分成熟。同时，价格也很昂贵，对于国内中小型设施蔬菜生产企业而言难以承受其引进成本。此外，这些机器都是按照国外的设施种植模式和标准进行设计，无法适应国内温室钵苗移栽场景。

　　2.2 内移栽机械现状

　　我国大田移栽机械研究开展相对较早，20世纪60年代就成功研制了裸根苗插秧机，经过几十年发展，大田钵苗移栽装备相对成熟，已有一定程度的推广和应用[20]。但温室钵苗移栽机起步较晚，20世纪90年 代 初 国 内 才 开 始 相 关 机 械 的 研 究。1991—1999年，吉林工业大学范云翔等[21]针对空气整根营养钵育苗开展了一系列研究，包括穴盘设计、播种装置和移栽装置的研发。2000年以后，国内出现了一批具有龙门架式结构的温室穴盘苗移栽机[22]，其中典型代表为2005年中国农业大学强丽慧等[23]设计的生菜自动移栽机。

　　近些年，移栽机发展速度明显变快。2012年，北京智能农业装备研究中心冯青春等[24]研制了一种基于三坐标平移串联机器人机构的花卉幼苗自动移栽机，该机基于视觉系统可实现幼苗和空穴的识别，然而机器仍以人工移栽和半自动移栽为主。半自动移栽需要人工进行取苗、喂苗，移栽机仅完成自动移植动作;全自动移栽机在半自动移栽机的基础上增加了自动供苗、取苗、送苗和收盘等机构[25]。2007—2017年，浙江大学童俊华等[26]研发了一款带有视觉检测功能的温室钵苗全自动移栽机流水线产品，可实 现 劣 质 苗 识 别 并 将 其 剔 除。江苏大 学 周 昕[27]2019年基 于 RGB-D 相机 提 出 穴盘苗智能检测方案和智能分选-移栽-补栽一体机整体方案 ，所 设 计 的 机 器 当 移 栽 循 环 为1000 次/h时作 业 效 果 最 佳，补 栽 后 成 苗 率 达 到99.33%，对应的换盘移栽效率为5000株/h。

　　上述探索为温室穴盘苗移栽机的研发积累了丰富经验，但与国外移栽技术相比依旧存在较大差距。其原因主要在于国内设施园艺装备总体发展起步晚，技术积累薄弱。同时温室种植模式因缺乏相应标准指导而差异明显，导致装备开发难以推进。另外，农机农艺融合欠佳，种植方对移栽技术要领不了解，非标准化的种植模式和栽培装置无法适应机械化移栽要 求;而移栽机生产方对温室种植现状缺乏全面调 研 和 理 解，大 部 分 装 备 是 根 据 某 一 具 体生产流程 和 模 式 定 制 的，产 品 难 以 推 广 至 其 他 种植企业，因此研发、推 广 积 极 性 不 足。这 些 因 素 严重阻碍了我国温室 穴 盘 苗 移 植 技 术 发 展 和 装 备 的升级。

　　3 移栽机关键技术研究

　　成熟的移栽机是集上苗、移栽、取苗等功能于一身的流水线产品。随着工业技术的发展，上苗和取苗工艺很容易实现，通过输送带、传感器、PLC控制器即可完成穴盘的精准定位和运输。相比之下，作为移栽对象的幼苗具有易损伤和难抓取的特点，移栽机构柔性作业的同时还要保证效率，因此在整个移栽机研发中移栽部件和工艺是难点，这一步骤的关键技术部件包括取苗机构和移栽执行机构。同时为实现取苗机构较优运动轨迹，提高作业质量和效率，路径规划也是一个研究重点。

　　3.1 苗机构取苗机构

　　作为移栽机的末端执行部件，将钵苗从穴盘中拔取出来，夹持，然后在目标孔穴中释放。其设计合理性直接影响移栽机的作业质量和效率。缺乏科学论证的取苗机构在抓取过程中容易造成基质块破损和钵苗损伤、移栽过程中钵苗提前掉落或钵苗释放不流畅等问题。为此，研究人员针对这一关键机构做了大量研究。一般而言，取苗机构分为两指式和四指式。Wang等[28]提出的两指式取苗器末端 增 加 了 梯 形 夹 片，并 通 过 EDEM 软件对夹片形状和取苗加速度进行离散元仿真分析。结果表明，采用拔苗加速度为0.3m/s2 时孔穴内基质残留最少。但由于抓取平衡性较差，两指式的取苗器较为少见，国外成熟移栽机大多采用四指式取苗器。韩绿化 等[29]采用镊子型两指四针钳夹式结构设计了一种取苗器，两指末端的夹取针为叉子型，在双作用微型气缸作用下4根夹取针伸出并插入基质，两指合拢夹取针夹紧基质块，放苗时通过橡胶气囊撑开机械手指放松夹持，夹取针收缩放苗。

　　上述这些取苗器均采用向上拔取的取苗方式，拔取钵苗时加持过力大容易造成基质块破损，夹持力过小而又无法顺利将钵苗从穴盘中拔出，同时还会出现移栽机构移动过程中钵苗掉落问题。为解决此问题，王超等[30]设计了一种气动下压式高速“U”型取苗装置，该装置以向下剁的方式取苗，可实现7200株/h的高 速 取 苗 任 务，但其只能针对非标准的无底穴盘，普适性不强。

　　四指取苗器因其作业稳定性好而被广泛采用，Choque等[31]设计的电动四针式取苗器通过舵机和丝杆结构驱动移栽针在针筒中完成下降和上升动作。针筒上端为铰连接方式，作业时可以向内摆动引导移栽针夹紧基质。该设计通过一根螺杆即可控制4根针的动作，同步性较好，但通过电机驱动丝杆来控制钢针升降速度较慢。为提升移栽机取苗 速 度，Jiang 等[32]设计了原理类似的取 苗 器，将电机驱动更改为气缸驱动，并在取苗器上安装了传感器系统来监测分析基质与孔穴壁的粘附力和取苗时基质所受的挤压力。试验表明该取苗器的总移植成功率为 100%，根 插 损 伤 率 低 于17%。Jorg等[33]完成了用于蔬菜钵苗移栽的双指夹和针夹的设计、开发和测试。这2种取苗器抓取方向与孔穴棱角不平行，移栽试验表明双指夹和针型指的平均移植成功率分别为95%和81.75%。虽然两种取苗器类型都不影响移植后幼苗的 生 长，但 两 指 夹 对 莴 苣 和 菊 苣 更 可 靠。而针夹只适合具有更高硬度和凝聚力的基质块，同时取苗过程需要借助顶苗器，因此钵苗基质块完整率不高。

　　3.2 栽执行机构移栽

　　执行机构是移栽机的另一核心部件，在取苗机构拔取动作完成后负责钵苗的平稳运输。赵雄等[36]设计了一种混合驱动五杆机构来实现花卉 穴 盘 苗 的 单 株 移 栽，并 基 于 遗 传 算 法 和ADAMS软件优化了机构参数，该 机 构 移 栽 平 均 成功率为87.16%。并联 机 构 具 有 运 动 速 度 快、精 度高、动态性能好等一系列优点，可以满足设施农业对高速移栽作业的需求。周昕等[37]从框架结构、移栽部件及输送装置3部分设计了一款并联移栽机器人，这款装置只有一个取苗机构，可实现黄瓜苗从128孔穴盘到72孔穴盘的移栽。试验表明移栽加速度超过20mm/s时，钵苗破损 数 量、掉 落数量增 加，移 栽 合 格 率 极 大 降 低。为 消 除 这 种 并联机构在实际工作环境中由于装配误差、柔 性 变形、构件质量等引 起 的 运 动 误 差，科 研 人 员 提 出 了刚柔耦合动力学 模 型，对 并 联 机 构 轨 迹 进 行 仿 真，然后对其误差进行补偿，平均误差由7.6mm 降低到1.2mm[38]。

　　Rahul等[39]提出了一种完整的5R2DOF机电一体化移栽机械臂用于花盆苗移栽。该机械臂具有两个自由度和五个旋转关节，文献重点分析了机构的运动学原理和工作空间。经测试，机械臂从116.6 mm 的 距 离 取 下 钵 苗 时 耗 时 2.1～2.4s，最大功耗为20.47W。但是机械臂只能实现左右摇摆和 夹 取-松开 动 作，无法满足实际移栽需求。研究人员在此基础上采用实时嵌入式系统又设计了一种4DOF并行机械臂，增加 了上下移动工作空 间。通过拾取和放置纸盆幼苗测试，得 出 每 个 幼 苗 操 作 时 间 为 3.5s，成 功 率 为93.3%[40]。分栽机构是移栽机执行机构的另一特殊形式。通过分栽机构的运行，使得整排取苗器在取苗时相邻间距缩小，与供苗穴盘相邻孔穴间距一致;在放苗时取苗器相邻间距增大，均匀分散，与目标穴盘相邻孔穴间距一致，从而满足高密度穴盘向低密度穴盘移栽的要求。

　　国外移栽机大都采用多个电机驱动方式，使每个取苗器作为独立个体实现分散和聚集位移。这种设计每个取苗器独立可控，移栽时能有效回避空穴，保证移栽质量，同时能进行补栽作业，但成本较高。为适应国内设施发展现状，节省机器成本，绝大多数分栽机构均采用联动设计，通过一个驱动器完成所有取苗器的控制。朱春燕等[41-42]设计了一种分配盘，工作时气缸推动取苗器沿着分配盘上的导 轨 槽 向 下 运 动，增 大 相 邻 取 苗 器 间 距。释放钵苗后，气缸收缩，取苗器则沿着分配盘导轨槽向上运动，从而缩小相邻间距。

　　4 存在问题与应对措施

　　4.1 存在的主要问题

　　近几年国内科研人员在温室穴盘苗移栽机械方面的研究日益增多，这为行业的发展积累了不少数据和经验。尽管如此，国内移栽机在作业效率、功能等方面与国外装备相比还存在较大的差距。而引起这些差距的主要原因在于：

　　1)温室移栽领域标准缺乏。检索相关标准发现，LY/T2234—2013《林业 机械林业工厂化育苗育苗穴盘》[63]只规定了林业工厂化育苗用穴 盘 的 术 语、型 号 编 制、试 验 与 检 验 规 则等。其中育苗穴盘系列型谱中最多只有128孔，且未对单个孔穴的尺寸参数进行说明。就移栽作业质量评价而言，行业标准 NY/T3486—2019《蔬菜移栽机作业质量》[64]定义了裸地和膜上蔬菜机械化移栽的幼苗参数、相关术语、作业条件、行距株距检测方法和检验规则。江西地方标准 DB36/T1360—2020《茄果类蔬菜机械化移栽作业技术规范》[9]规定了茄果类蔬菜大田机械化移栽的漏栽率、重栽率、倒伏率以及移栽合格率等术语，作业要求，检验方法和检验规则。甘肃地方标准 DB62/T2974—2019《蔬菜 移栽机作业质 量》[10]针对 导 苗 管 式 移 栽 机 和 钳 夹 式、链夹式移栽机的立苗率、埋苗率、伤苗率、露苗率、漏栽率等参数进行了规定。

　　由此可见，我国钵苗移栽领域的现有标准主要针对林业或大田作物钵苗移栽技术进行规范，而针对温室穴盘苗移栽的标准仍处于空白状态。温室穴盘苗移栽和大田作业工况完全不同，装备差异明显，已有标准显然无法适应现代温室的高标准作业要求。这就导致目前市场上存在的穴盘尺寸参数不一，种植模式各异，装备开发不规范、作业质量评价不严谨等问题，致使行业发展缓慢。以200孔的穴盘为例，因缺乏标准指导，目前市场上已有产品生产不规范，四棱台型的孔穴规格(上孔尺寸×下孔尺寸×深度)从(23×23)mm×(11×11)mm×40mm、(25×25)mm×(10×10)mm×30mm 到(24×24)mm×(10×10)mm×43mm 都有涉及。

　　4.2 应对措施与建议

　　1)制定温室穴盘苗移栽标准。标准是规范行业健康、快速发展的“风向标”和“指路灯”。面对温室穴盘移栽领域穴盘规格不统一、种植模式多样等乱象，亟需发布行业标准，统一穴盘规格，规范术语名称、编制型谱、制定技术参数。同时依据现有行业、国家、地方标准，制定温室穴盘育苗、栽培、移栽等过程的详细技术要求，严格规范移栽机作业评价体系，明确具体的评价指标、试验与检验规则等，从而使育苗辅助装置生产、栽培模式、移栽机研发等各项环节有章可循。这是促进温室穴盘苗机械化移栽快速发展的关键一步。

　　2)加速高新技术应用。先进工业和计算机技术的快速发展为农业装备注入了新的活力，农用无人机，无人驾驶拖拉机等智能农机装备相继问世。温室移栽机研发时也有必要借鉴这些高新技术，从而使其形成一个集成系统，可实现一机多用。近年来，机器视觉技术因其能够以非入侵方式对目标进行检测，具有无损、实时、低成本的优点而被广泛应用于温室机 器 人 路 径 规 划[67]、目 标 识 别[68]、病 虫 害 检测[69]、果蔬品质分级[70]等方面。TTA，Visser等公司基于机器视觉技 术 开 发 的 移 栽 机 极 大 提 高 了 智能化水平。这些移 栽 机 可 以 完 成 钵 苗 计 数、分 级、剔苗、补 苗、故 障 检 测 等 功 能。因 此，在 移 栽 机 研发方面，应建立标 准 化 穴 盘 苗 数 据 库，开 发 鲁 棒 性良好的识 别 算 法，基于深度学习技术提升机器智能化水平。

　　3)加强移栽机整 体 设 计。着眼于移栽机整体设计，优化 移 栽 工 艺，改 善 移 栽 策 略，注 重 研 究 持续性和技术延续 性。积 极 吸 收 已 有 研 究 中 的 较 优技术方案，攻克未 解 关 键 技 术 难 题，将 技 术 点 连 成技术面。同 时 根 据 国 内 市 场 现 状 和 需 求，开 发 符合国情的移栽机 器，降 低 成 本，提 高 移 栽 机 性 能 和效率，以其良好的普适性和较高的性价比加速推广与应用。

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　　作者：田志伟1，2 马 伟1* 杨其长1 姚 森1，2 张 梅3 段发民1 徐海东1，4