穴盤缽苗智能移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀 馮青春 王 秀 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心 北京 100097 摘 要 對國內(nèi)外穴盤缽苗智能移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述 針對缽苗特征識別 定位機(jī)構(gòu)以及缽苗夾 持手爪 3 個(gè)方面介紹當(dāng)前缽苗移栽主要研究成果 分析了制約缽苗智能移栽技術(shù)推廣應(yīng)用的主要因素 最后 提出了相應(yīng)對策 研究缽苗特征識別技術(shù) 改善缽苗移栽農(nóng)藝條件 拓展缽苗移栽技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域 關(guān)鍵詞 穴盤缽苗 智能移栽 研究現(xiàn)狀 中圖分類號 S223 94 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1003 188X 2013 11 0250 03 0 引言 20 世紀(jì) 60 年代美國率先將穴盤用于蔬菜育苗以 來 工廠化育苗技術(shù)因其諸多優(yōu)勢得到了廣泛的推廣 應(yīng)用 在荷蘭 日本等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)逐步取代傳 統(tǒng)育苗方式 成為主要種苗生產(chǎn)方式 工廠化種苗生 產(chǎn)過程中為提高空間利用率 保證種苗充足的養(yǎng)分和 生長空間 需要在穴盤缽苗生長不同階段對其進(jìn)行不 同密植規(guī)格穴盤之間的移栽 1 同時(shí) 隨著種苗產(chǎn)業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)逐步規(guī)范 自動(dòng)嫁接設(shè)備以及植物工廠相關(guān)技術(shù) 發(fā)展 對于種苗品質(zhì)提出了更高的要求 移栽過程中 的需要對穴盤缽苗進(jìn)行分選 2 從而保證了種苗特征 一致性 防止穴盤缺苗 種苗病變和畸形 因此 移栽 作業(yè)效果對于花卉 蔬菜等種苗品質(zhì)以及作物后續(xù)生 長以及種苗產(chǎn)業(yè)效益具有很大影響 然而 由于缽苗 數(shù)量多 移栽作業(yè)周期短以及勞動(dòng)強(qiáng)度大等因素 穴 盤缽苗移栽已成為集約化育苗生產(chǎn)過程中勞動(dòng)量需 求較大工序之一 1 為提高缽苗移栽自動(dòng)化水平 降低人工作業(yè)強(qiáng) 度 保證種苗品質(zhì) 荷蘭 美國 韓國等國家研制了具 有缽苗分選移栽功能的自動(dòng)化設(shè)備 1 8 通過缽苗識 別傳感器對其進(jìn)行識別定位 由運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)對缽苗 夾持手爪進(jìn)行定位后 將缽苗在不同穴盤之間進(jìn)行移 栽 近年來 隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 國外智能移栽機(jī) 功能模型已擴(kuò)展應(yīng)用到了組培苗木移栽 植物工廠苗 收稿日期 2012 12 10 基金項(xiàng)目 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目 2012BAF07B02 北京市創(chuàng)新團(tuán) 隊(duì)項(xiàng)目 D101105046310003 作者簡介 馮青春 1987 男 山西繁峙人 工程師 碩士 E mail fengqc nercita org cn 通訊作者 王 秀 1965 男 河北萬全人 研究員 E mail wan gx nercita org cn 床移栽以及花卉苗盆移栽等設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程 帶來 了巨大的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用價(jià)值 隨著我國對工廠化育苗以 及設(shè)施農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)的引進(jìn)和發(fā)展 對于智能穴盤移 栽機(jī)需求逐漸增加 但鑒于購買國外現(xiàn)有產(chǎn)品價(jià)格昂 貴 通用性差 一些高校和公司已在引進(jìn)吸收基礎(chǔ)上 開始了相關(guān)技術(shù)和樣機(jī)研制 9 13 筆者通過對國內(nèi) 外缽苗智能移栽設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的綜述 分析其進(jìn)一步 研究應(yīng)用過程中的關(guān)鍵問題 并且提出相應(yīng)對策 1 研究進(jìn)展 穴盤智能移栽機(jī)樣機(jī)研制開始于 20 世紀(jì) 80 年代 美國奧本大學(xué) Kutz 等人 1 其功能模塊構(gòu)成方式一直 為后續(xù)研究者所采用 主要由缽苗識別傳感器 定位 機(jī)構(gòu)以及缽苗夾持手爪 3 部分構(gòu)成 由缽苗識別傳感 器對缽苗特征進(jìn)行識別 計(jì)算穴盤各個(gè)穴孔位置 并 對缺苗 病苗以及畸形苗穴孔位置進(jìn)行標(biāo)記 將此信 息傳送于定位機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng) 定位機(jī)構(gòu)控制夾持手爪 對正常缽苗進(jìn)行移栽 剔除不良缽苗 目前 澳大利亞生產(chǎn)的茶葉穴盤苗專用移栽機(jī) 荷蘭飛梭公司生產(chǎn)的玫瑰智能移栽機(jī)以及美國 RAP ID 公司生產(chǎn)的 RTW 系列穴苗移栽機(jī)已經(jīng)在特定設(shè)施 農(nóng)業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化應(yīng)用 10 針對我國當(dāng)前工廠 化育苗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中 華南農(nóng) 業(yè)大學(xué)辜松 北京農(nóng)機(jī)所楊仁全等人也開展了缽苗智 能移栽機(jī)的研發(fā) 7 11 但要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有諸多 問題需要解決 其中 針對形態(tài)各異缽苗的識別定位 算法 研制無損傷可靠夾持手爪 是實(shí)現(xiàn)缽苗個(gè)體準(zhǔn) 確分選和高效移栽的關(guān)鍵技術(shù) 1 1 缽苗特征識別 缽苗特征識別為智能移栽機(jī)提供缽苗位置和品質(zhì) 信息 直接決定個(gè)體定位和分選精度 針對早期缽苗 052 2013 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期 移栽過程中由于穴盤規(guī)格各異 穴盤人工放置位置誤 差以及缺少移栽深度信息等原因 造成對缽苗移栽定 位不準(zhǔn)確 精度不高等情況 1994 年 美國羅格斯新澤 西州立大學(xué) Tai 等人將機(jī)器視覺技術(shù)引入智能移栽機(jī) 系統(tǒng) 3 通過單攝像機(jī)對穴盤規(guī)格和缽苗穴孔位置進(jìn) 行定位 同時(shí)采用條形激光照射穴盤 依據(jù)光條紋成 像特征 計(jì)算穴孔深度數(shù)據(jù) 實(shí)現(xiàn)移栽定位機(jī)構(gòu)在深 度方向精確控制 Mizuochi 等人采用機(jī)器視覺技術(shù)對 缽苗移栽過程中缺苗 病苗以及畸形苗等情況進(jìn)行處 理 4 通過分析穴盤缽苗彩色圖像 G 通道色彩差異 采用固定閾值實(shí)現(xiàn)子葉與背景蛭石分割 根據(jù)周長 圓形度等形狀特征對正常缽苗進(jìn)行識別 從而實(shí)現(xiàn)對 病變 畸形缽苗剔除 浙江大學(xué)任燁也采用機(jī)器視覺 技術(shù)對移栽缽苗特征進(jìn)行提取 統(tǒng)計(jì)分析苗盤彩色圖 像 RGB 色差 C 3 G R B 分布特征 并進(jìn)行缽苗 與背景分割 依據(jù)缽苗像素統(tǒng)計(jì)數(shù)量對其品質(zhì)進(jìn)行評 價(jià) 剔除病變 畸形缽苗 識別準(zhǔn)確率達(dá) 98 13 1 2 缽苗夾持手爪 由于缽苗形狀特征各異 子葉方向隨機(jī)分布 夾 持手爪操作過程中需防止對子葉和莖稈造成損傷 同 時(shí)還需保證移栽釋放缽苗時(shí) 手爪與缽苗能有效快速 分離 因此 缽苗夾持手爪在移栽過程中可靠無損夾 持是智能移栽機(jī)關(guān)鍵技術(shù)之一 1986 年 Hwang 等人 研制的辣椒苗移栽機(jī) 通過具有柔性墊片的夾持手爪 直接夾持缽苗莖稈進(jìn)行移栽 但是容易造成缽苗子葉 和莖稈損傷 5 1994 年 美國 Kutz 等人研制的張合 式缽苗移栽夾持手爪 6 由氣動(dòng)手爪 光電傳感器以 及注水噴嘴構(gòu)成 氣動(dòng)手爪末端安裝有 0 635mm 鋼絲 手指 手指兩側(cè)有對射光電傳感器 用于檢測手指之 間是否有缽苗存在 當(dāng)沒有檢測到缽苗時(shí)則從下一個(gè) 穴孔取苗 手指上方安裝壓力水流噴嘴 手爪栽苗時(shí) 向缽苗根部噴水 有利于缽苗從手爪脫落 同時(shí)可以 清洗夾持手指 此手爪可對 30 60mm 高度缽苗進(jìn)行 移栽 操作成功率達(dá) 94 以上 1996 年 美國 K C Ting 等人研制了伸縮式缽苗移栽夾持手爪 7 套筒內(nèi) 可伸縮的針形手指插入至缽苗根部基質(zhì)進(jìn)行夾持 手 指縮回則完成缽苗釋放 克服了張合式手指不容易與 缽苗脫落的缺點(diǎn) 其采用電容式傳感器檢測手指中 間是否有缽苗存在 我國南京農(nóng)業(yè)大學(xué)周婷設(shè)計(jì)了 一種仿形曲線槽輪廓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的缽苗夾持手爪 11 其 開合行程為 10mm 1 3 定位機(jī)構(gòu) 智能移栽機(jī)定位機(jī)構(gòu)功能在于根據(jù)缽苗識別定位 數(shù)據(jù) 控制夾持手爪空間位置 輸送移栽缽苗 其運(yùn)動(dòng) 速度和精度對于移栽作業(yè)效率和可靠性具有很大影 響 1987 年 Kutz 等人構(gòu)建了缽苗移栽樣機(jī)模型 1 并對其作業(yè)模式和效率進(jìn)行了仿真試驗(yàn) 該樣機(jī)模 型針對固定安裝的特定規(guī)格穴盤缽苗進(jìn)行移栽 系統(tǒng) 由穴盤輸送帶 Puma560 型機(jī)械臂以及末端手爪構(gòu)成 機(jī)械臂控制器依據(jù)穴盤規(guī)格及其安裝位置預(yù)先設(shè)定 運(yùn)動(dòng)控制程序 對穴孔內(nèi)缽苗逐一進(jìn)行移栽 模擬作 業(yè)結(jié)果表明 并列放置穴盤有利于提高移栽作業(yè)效 率 同時(shí) 采用 L 形末端空間運(yùn)動(dòng)路徑有利于防治手 爪對缽苗損傷 該系統(tǒng)移栽成功率為 96 完成 36 株規(guī)格穴盤移栽耗時(shí) 3 3min 1990 年 美國新澤西州 立大學(xué) Ting 等人采用四自由度柱坐標(biāo)式機(jī)械臂對缽 苗移栽進(jìn)行定位 2 并引入 AHT 參數(shù)對系統(tǒng)作業(yè)環(huán)境 布置 作業(yè)工序以及作業(yè)效率進(jìn)行優(yōu)化 最佳作業(yè)效 率為單株移栽耗時(shí) 2 68s 2001 年 韓國 K H Ryu 等 人利用直角坐標(biāo)系開發(fā)出一缽苗移栽機(jī) 相對關(guān)節(jié)型 機(jī)械臂其作業(yè)空間小 運(yùn)動(dòng)速度快 有利于提高移栽 機(jī)作業(yè)效率 節(jié)省作業(yè)空間 8 北京京鵬環(huán)球科技股 份有限公司李季剛對用于植物工廠的大型移栽機(jī)進(jìn) 行了研究 12 在苗床上方架設(shè)軌道 移栽機(jī)構(gòu)本體行 走于軌道之上 實(shí)現(xiàn)對缽苗長距離的搬運(yùn)移栽 強(qiáng)麗 慧針對深池浮板種植的生菜設(shè)計(jì)了自動(dòng)移栽機(jī) 9 采 用穴盤輸送帶和直線導(dǎo)軌結(jié)合對缽苗進(jìn)行定位 2 研究存在的關(guān)鍵問題及對策 2 1 研究缽苗特征識別技術(shù) 20 世紀(jì) 90 年代缽苗移栽機(jī)研發(fā)初期 由于計(jì)算 機(jī)和機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展水平有限 為降低系統(tǒng)開發(fā)成 本 選用光電 電容等傳感元件對缽苗進(jìn)行識別 6 8 獲取信息量有限 容易誤判 造成移栽失敗 嚴(yán)重影響 系統(tǒng)作業(yè)可靠性和效率 近年來 隨著機(jī)器視覺技術(shù) 的發(fā)展 并逐漸被應(yīng)用到缽苗識別中 通過獲取缽苗 彩色圖像信息 可以有效監(jiān)測缺苗 病苗 充分發(fā)揮智 能移栽機(jī)分選缽苗的功能 機(jī)器視覺技術(shù)因其對目 標(biāo)適應(yīng)性強(qiáng) 誤判率低等特點(diǎn)在后續(xù)智能移栽機(jī)研發(fā) 使用過程中可能發(fā)揮重要作用 2 2 改善缽苗移栽農(nóng)藝條件 國外高度結(jié)構(gòu)化的設(shè)施農(nóng)業(yè)配套技術(shù)有效促進(jìn)了 智能移栽機(jī)推廣應(yīng)用 在構(gòu)建智能移栽機(jī)作業(yè)環(huán)境和 對象時(shí) 需要對目前我國工廠化育苗生產(chǎn)工藝和設(shè)備 進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn) 逐步適應(yīng)自動(dòng)化作業(yè)裝備使用要求 在我國針對缽苗夾持手爪 穴盤運(yùn)輸以及幼苗識 別等制約推廣應(yīng)用的難點(diǎn)技術(shù)已進(jìn)行了大量相關(guān)研 究 由于要求其適應(yīng)不規(guī)范的農(nóng)藝環(huán)境 容易導(dǎo)致制 152 2013 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期 造成本急劇增加 因此 通過改變缽苗種植環(huán)境來提 高移栽機(jī)作業(yè)性能的研究也需要進(jìn)行 如改變缽苗栽 培基質(zhì)成分 使得手爪對根部夾持和釋放更加可靠 完善設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境穴盤運(yùn)輸系統(tǒng) 代替人工搬運(yùn)和放 置穴盤 提高移栽作業(yè)效率和精度 2 3 拓展缽苗移栽技術(shù)服務(wù)領(lǐng)域 國外缽苗智能移栽機(jī)使用起始于工廠化育苗缽苗 在不同規(guī)格穴盤之間移栽 隨著相關(guān)技術(shù)發(fā)展 其應(yīng) 用領(lǐng)域已發(fā)展到植物工廠苗盤移栽和收獲 花卉苗盤 與苗盆移栽 組培苗移栽以及缽苗分選等多種需求 帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)效益提升 進(jìn)一步促進(jìn)了缽苗移栽技 術(shù)的發(fā)展 因此 在系統(tǒng)開發(fā)研究過程中基于模塊 化 多功能的設(shè)計(jì)理念 逐步發(fā)掘系統(tǒng)使用功能需求 增加缽苗移栽機(jī)通用性 有利于降低系統(tǒng)研發(fā)和使用 成本 3 結(jié)束語 穴盤缽苗苗移栽是一種勞動(dòng)密集型作業(yè) 耗時(shí) 長 強(qiáng)度大 隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)以及農(nóng)業(yè)人 口的轉(zhuǎn)移 單調(diào)繁重的移栽作業(yè)急需高效率 通用化 低成本自動(dòng)化設(shè)備來完成 穴盤缽苗智能移栽機(jī)是 一種集成缽苗識別 夾取和移植等功能的自動(dòng)化設(shè) 備 涉及機(jī)械結(jié)構(gòu) 機(jī)器視覺 機(jī)器人動(dòng)力學(xué) 傳感器 技術(shù) 控制技術(shù) 以及計(jì)算信息處理等多方面的學(xué)科 領(lǐng)域技術(shù) 隨著人工勞動(dòng)成本增加 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對自動(dòng) 化生產(chǎn)水平要求不斷提高 種苗特征識別 可靠夾持 操作 末端精準(zhǔn)定位等關(guān)鍵技術(shù)方面的不斷突破和提 高 最終智能缽苗移栽機(jī)將在減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度 填 補(bǔ)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化需求以及發(fā)展高效集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 等方面將發(fā)揮重要作用 參考文獻(xiàn) 1 L J Kutz G E Miles P A Hammer et al Robotic trans planting of bedding plants J American Society of A gri cultural Engineers 1987 30 3 586 590 2 K C Ting G A Giacomelli S J Shen et al Robot work cell for transplating of seedlings patt II end effector de velopment J American Society of Agricultural Engineers 1991 33 3 1013 1018 3 Y W Tai P P Ling K C Ting Machine vision assisted ro botic seedling transpanting J AmericanSociety of Agricul tural Engineers 1994 37 2 661 667 4 Yoshinori Mizuochi Makoto Dohi Machine vision for trans planter of vegetables C ASAE Annual Meeting 2003 5 Hwang H RE Sistler A robotic pepper transplant er J Applied Engineering in Agriculture 1986 2 1 2 5 6 L J Kutz J B Craven Evaluation of photoelectric sens ors for robotic transplanting J Applied Engineering in Agricul ture 1994 10 1 115 122 7 Y Yang K C Ting G A Giacomelli Factors affecting p er formance of sliding needles gripper during robotic trans planting of seedlings J American Society of A gricultur al Engineers 1991 7 4 493 499 8 W C Choi D C Kim I H Ryu Development of a seedli ng pick up device for vegetable transplanting J Am eri can Society of Agricultural Engineers 2002 45 1 13 19 9 強(qiáng)麗慧 張鐵中 生菜自動(dòng)移苗機(jī)的設(shè)計(jì) J 黑龍江八 一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào) 2005 17 5 49 52 10 張麗華 邱立春 田素博 穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的研究進(jìn) 展 J 農(nóng)業(yè)科技與裝備 2009 185 5 28 31 11 周婷 汪小旵 王超群 溫室穴盤苗移栽機(jī)的設(shè)計(jì)與仿 真分析 J 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究 2009 25 2 122 124 12 李季剛 蘭立波 張曉慧 植物工廠移栽收獲機(jī)器人的 應(yīng)用研究 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2010 5 34 36 13 任燁 基于機(jī)器視覺設(shè)施農(nóng)業(yè)內(nèi)移栽機(jī)器人的研究 D 杭州 浙江大學(xué) 2007 Development of Research on Automatic Transplanter for Tray Seedlings Feng Qingchun Wang Xiu Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture Beijing 100097 China Abstract The internal and abroad development of key technologies on internal and abroad automatic transplanter for tray seedlings was summarized The achievement previously completed on seedling characteristics recognition holding end ef fector and transplanter mechanical structure was introduced In view of the current disadvantages the strategy to spread the use of automatic transplanter in our country was presented researching the method for automatic seedlings quality i dentification improving the agricultural situation for seedling grown and expanding the usage field of transplanter Key words tray seedling automatic transplanting research situation 252 2013 年 11 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 11 期