溫室園藝 2020 02 9 嫁接技術(shù) 本 劃 期 Special Planning 溫室園藝 2020 02 10 本 期 策 劃 Special Planning 嫁接技術(shù) 國(guó)外蔬菜嫁接機(jī)器人研究動(dòng)態(tài) DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 04 001 摘要 蔬菜嫁接機(jī)器人是工廠化育苗發(fā)展的迫切需要和必然趨勢(shì) 被公認(rèn)為是能夠最先投入實(shí)際生 產(chǎn)應(yīng)用的設(shè)施園藝機(jī)器人 本文概述了國(guó)外蔬菜嫁接機(jī)器人的研究動(dòng)態(tài)和應(yīng)用現(xiàn)狀 通過(guò)分析不同 類型嫁接機(jī)器人的技術(shù)特點(diǎn) 工作原理和性能參數(shù) 總結(jié)了國(guó)外嫁接機(jī)器人的應(yīng)用難點(diǎn)和制約因素 分析了嫁接機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向 為中國(guó)育苗企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)和使用嫁接機(jī)器人提供技術(shù)參 考和借鑒思路 全球蔬菜集約化種植引 發(fā)的連作障礙和病蟲(chóng)害問(wèn)題十 分嚴(yán)重 一旦種植作物染病將 造成減產(chǎn)甚至絕收 由于作物 抗病品種選育周期長(zhǎng)且過(guò)程復(fù) 雜 特效農(nóng)藥研制難度較大且 污染環(huán)境和農(nóng)作物 實(shí)行大面 積輪作更加不現(xiàn)實(shí) 當(dāng)前 蔬 菜種苗嫁接技術(shù)成為解決連作 障礙問(wèn)題的綠色 生態(tài) 可持 續(xù)性重要措施 在世界范圍內(nèi) 得到廣泛應(yīng)用 1 據(jù)測(cè)算 嫁 接作業(yè)占蔬菜種苗生產(chǎn)全過(guò)程 用工量的 20 30 屬于勞 動(dòng)密集型工種 對(duì)精細(xì)化作業(yè) 和時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求非常高 2 近 20年 國(guó)外蔬菜工廠 化育苗發(fā)展迅速 育苗產(chǎn)業(yè) 的工業(yè)化發(fā)展思維基本成型 在穴盤(pán)精量播種 種苗分選移 植 水肥一體化管理 精準(zhǔn)施 藥等環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化 和智能化作業(yè) 而人工嫁接仍 是國(guó)內(nèi)外育苗企業(yè)普遍采用 的生產(chǎn)方式 說(shuō)明機(jī)械自動(dòng)化 嫁接的難度確實(shí)很大 許多國(guó) 家都面臨農(nóng)村人口老齡化加 劇 人工成本逐年攀升的雙重 壓力 農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究作為解 決該問(wèn)題的突破口 一直是農(nóng) 業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 3 嫁接 機(jī)器人是現(xiàn)代機(jī)器人和自動(dòng) 化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的集成 創(chuàng)新 融合了機(jī)械 電子 計(jì) 算機(jī) 智能控制 園藝等多領(lǐng) 域交叉學(xué)科的技術(shù)知識(shí) 嫁接 機(jī)器人在解決用工短缺 提高 種苗生產(chǎn)質(zhì)量和效率 保障嫁 接生產(chǎn)的時(shí)效性等方面具有 重要意義 其市場(chǎng)需求潛力巨 大 應(yīng)用前景非常廣闊 4 自 20世紀(jì) 80年代初 日 本農(nóng)村人口老齡化問(wèn)題凸顯 農(nóng)機(jī)企業(yè)及科研單位積極開(kāi)展 自動(dòng)嫁接技術(shù)攻關(guān) 以日本井 關(guān) 洋馬 三菱等大型農(nóng)機(jī)公 司為主 5 到 90年代末達(dá)到 第一個(gè)發(fā)展高峰 出現(xiàn)了一批 嫁接機(jī)器人樣機(jī)產(chǎn)品 以日本 井關(guān)公司研制的嫁接機(jī)器人最 具代表性 隨后 韓國(guó) 荷蘭 意大利 西班牙等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā) 達(dá)國(guó)家也開(kāi)始嫁接機(jī)器人技術(shù) 的研究 6 相繼開(kāi)發(fā)出基于不 同類型固定物的商品化嫁接機(jī) 器人 其中荷蘭 ISO公司的技 術(shù)較為先進(jìn) 引言 1 溫室園藝 2020 02 11 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 由于國(guó)外研制嫁接機(jī)器人的嫁接方法 工作原理和技術(shù)特點(diǎn)各不相同 下面按照國(guó)別 分別詳細(xì)闡述相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)信息和應(yīng)用現(xiàn)狀 日本是嫁接機(jī)器人技術(shù)研 究的起源地 其設(shè)施園藝機(jī)器 人技術(shù)處于國(guó)際領(lǐng)先水平 顯 著特點(diǎn)在于科研單位與農(nóng)機(jī)企 業(yè)的密切合作 能夠?qū)⑾冗M(jìn)的 技術(shù)成果迅速轉(zhuǎn)化 貼接法嫁 接能夠精準(zhǔn)控制秧苗切口角度 和對(duì)接貼合精度 嫁接切口質(zhì) 量更加標(biāo)準(zhǔn) 適合工廠化育苗 生產(chǎn) 成為國(guó)內(nèi)外機(jī)械嫁接技 術(shù)研究的發(fā)展方向 2011年 日本井關(guān)公司 與生研機(jī)構(gòu)聯(lián)合推出了型號(hào)為 GRF800 U的瓜類全自動(dòng)嫁接 機(jī) 7 如圖 1所示 該機(jī)適用 于瓜類作物 以節(jié)省人工為研 發(fā)目標(biāo) 開(kāi)發(fā)出基于穴盤(pán)苗的 自動(dòng)上苗裝置代替人工上苗作 業(yè) 具有穴盤(pán)內(nèi)缺苗自動(dòng)檢測(cè) 功能 僅需一人供給穴盤(pán)上苗 生產(chǎn)效率可達(dá)800株 h 嫁 接成功率為 95 利用末端上 苗執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)穴盤(pán)內(nèi)秧苗進(jìn)行 扶苗 切斷與柔性?shī)A持 然后 利用直線移動(dòng)平臺(tái)將末端上苗 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和秧苗輸送至上苗工 位 根據(jù)砧木子葉生長(zhǎng)特點(diǎn)研 究了子葉碰撞調(diào)向方法和調(diào)向 型 如圖 3所示 它的技術(shù)特 點(diǎn)是多株同步嫁接 砧木和接 穗均采用穴盤(pán)方式上苗作業(yè) 需一人上機(jī)供給穴盤(pán) 生產(chǎn)效 率可達(dá) 1000株 h 嫁接成功 率為 97 該機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)龐大 機(jī)架上設(shè)有 3條輸送帶 用于 完成砧木 接穗和嫁接苗的穴 盤(pán)輸送 秧苗夾持 切削和對(duì) 接上夾環(huán)節(jié)均是 6株同步作業(yè) 作業(yè)時(shí) 砧木和接穗輸送帶將 穴盤(pán)精準(zhǔn)輸送至上苗工位 夾 持機(jī)構(gòu)分別將砧木和接穗夾持 并提升至切削工位 砧木和接 穗切削機(jī)構(gòu)分別對(duì)砧穗莖稈進(jìn) 行夾持定位和切削作業(yè) 然后 搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將切削好的砧木和接 穗搬運(yùn)至對(duì)接工位 將砧木和 接穗切口精準(zhǔn)對(duì)接 自動(dòng)上夾 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在秧苗搬運(yùn)過(guò)程中 完成砧木子葉的方向調(diào)整 以 及將秧苗送入上苗定位機(jī)構(gòu) 該機(jī)沿用原來(lái)的 GRF803 U型 半自動(dòng)嫁接機(jī)的核心嫁接執(zhí)行 部件 圖 2 采用瓜類砧木 斷根貼接法 使用塑料夾固定 嫁接苗切口 需要人工將嫁接 苗回栽至穴盤(pán)內(nèi)進(jìn)行愈合管 理 自動(dòng)上苗裝置的出現(xiàn)使單 株作業(yè)類型嫁接機(jī)的生產(chǎn)效率 提高了一倍 將節(jié)省人工做到 極致 但嫁接苗回栽環(huán)節(jié)仍需 人力 可以看出嫁接不是單一 化作業(yè) 是多環(huán)節(jié)復(fù)雜的系統(tǒng) 工程 需要全面加以研究 日本洋馬公司與生研機(jī) 構(gòu)聯(lián)合推出的 AG1000型嫁接 機(jī)是茄類全自動(dòng)嫁接的代表機(jī) 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 圖 1 GRF800 U 全自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 2 GRF803 U 半自動(dòng)嫁接機(jī) 溫室園藝 2020 02 12 本 期 策 劃 Special Planning 嫁接技術(shù) 裝置輸出嫁接夾完成嫁接苗的 切口固定 最后 接穗夾持手 打開(kāi) 砧木夾持手下行將嫁接 苗放入新穴盤(pán)內(nèi)完成回栽作 業(yè) 該機(jī)單次作業(yè)可完成 6株 嫁接苗 對(duì)砧木和接穗的嫁接 匹配度要求很高 嫁接質(zhì)量受 秧苗的株高和莖粗影響很大 因當(dāng)時(shí)育苗技術(shù)水平尚未實(shí)現(xiàn) 標(biāo)準(zhǔn)化 該產(chǎn)品問(wèn)世以后在日 本全國(guó)僅銷(xiāo)售 4臺(tái) 說(shuō)明全自 動(dòng)嫁接機(jī)的研發(fā)難度很大 基于營(yíng)養(yǎng)缽的嫁接育苗模 式 日本三菱公司為日本農(nóng)業(yè) 協(xié)同組織聯(lián)合會(huì) JA 定制開(kāi) 發(fā)出型號(hào)為 MGM600的半自動(dòng) 嫁接機(jī) 適用于茄類作物 生 產(chǎn)效率可達(dá) 600株 h 嫁接成 功率為 95 如圖 4所示 由 于營(yíng)養(yǎng)缽苗比穴盤(pán)苗的單株重 量大 人工上苗勞動(dòng)強(qiáng)度大且 不方便 因此 開(kāi)發(fā)了砧木和 接穗的帶式單列缽苗輸送上苗 裝置 可將缽苗精準(zhǔn)輸送至上 苗工位 接穗完成切削后由夾 持搬運(yùn)機(jī)構(gòu)將其搬運(yùn)至砧木上 韓國(guó)對(duì)蔬菜自動(dòng)嫁接技 術(shù)的研究稍晚于日本 Helper Robotech公司從韓國(guó)農(nóng)村振 興廳獲得自動(dòng)嫁接系統(tǒng)技術(shù)轉(zhuǎn) 讓 并形成商業(yè)化的產(chǎn)品 推 出型號(hào)為 AFGR 800CS的超精 密嫁接機(jī)器人系統(tǒng) 8 生產(chǎn)效 率可達(dá) 800株 h 嫁接成功率 為 95 2013年被韓國(guó)政府指 定為世界級(jí)產(chǎn)品 如圖 5所示 與國(guó)外其他嫁接設(shè)備不同 該 機(jī)適用于西瓜 黃瓜 甜瓜等 葫蘆科和番茄 茄子 辣椒等 方進(jìn)行對(duì)接 通過(guò)硅膠夾固定 嫁接苗切口 自動(dòng)輸出嫁接苗 和接穗營(yíng)養(yǎng)缽廢料 營(yíng)養(yǎng)缽嫁 接育苗模式在機(jī)器上運(yùn)輸工作 量大 且砧木和接穗匹配度要 求高 現(xiàn)階段穴盤(pán)標(biāo)準(zhǔn)化育苗 基本取代了營(yíng)養(yǎng)缽育苗方式 上述日本研制的嫁接機(jī)自 動(dòng)化程度非常高 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相 對(duì)復(fù)雜 價(jià)格昂貴 全自動(dòng)嫁 接機(jī)售價(jià)達(dá)到 100萬(wàn)元人民幣 以上 用戶難以接受 并且該 嫁接機(jī)對(duì)秧苗的標(biāo)準(zhǔn)化要求很 高 推廣應(yīng)用難度很大 因此 至今尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的商 品化和實(shí)用化 日本一些企業(yè) 和研究所意識(shí)到全球育苗市 場(chǎng)對(duì)嫁接設(shè)備的需求程度日 漸高漲 又重新投入到新型嫁 接機(jī)器人的研發(fā)當(dāng)中 預(yù)計(jì)在 3 5年內(nèi)將出現(xiàn)一批全新嫁接 機(jī)器人產(chǎn)品 圖 3 AG1000 全自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 4 MGM600 半自動(dòng)嫁接機(jī) 茄科作物 此外 該公司開(kāi)發(fā) 出一套秧苗切面信息實(shí)時(shí)獲取 系統(tǒng) 如圖 6所示 該系統(tǒng)可 對(duì)砧木和接穗的橫切面進(jìn)行實(shí) 時(shí)拍攝 找到橫切面的中心線 誤差小于1 100 mm 保證嫁 圖 5 AFGR 800CS 超精密 嫁接機(jī)器人 圖 6 秧苗切面信息實(shí)時(shí)獲取系統(tǒng) 18 500 48 500 276 000 Stock Scion 401 000 366 000 L 18 5 R 48 5 371 000 溫室園藝 2020 02 13 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 接切口對(duì)位精度 利用機(jī)器視 覺(jué)攝像機(jī)實(shí)時(shí)獲取每株秧苗 的切面圖像 確定出苗莖橫 切面偏離設(shè)定中心線的程度 通過(guò)圖像處理進(jìn)行精密計(jì)算 使切口表面可以完全對(duì)接貼 合而沒(méi)有任何誤差 通過(guò)攝 像機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察并顯示在 監(jiān)視器上 標(biāo)識(shí)出對(duì)接切口上 下位置偏差值及基準(zhǔn)中心線 的偏差值 即使莖稈彎曲的秧 苗也可使其中心基準(zhǔn)線精確 對(duì)位 該機(jī)需 2人上機(jī)操作 夾持 切削 對(duì)接和上夾作業(yè) 均自動(dòng)完成 通過(guò)輸送帶將嫁 接苗排出 韓國(guó)Ideal System公司開(kāi) 發(fā)出一種橫斷面為五棱形狀的 陶瓷針和茄果類平接嫁接方 法 并研制出平接法全自動(dòng)嫁 接機(jī) 生產(chǎn)效率可達(dá) 1200株 h 機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)至砧木苗上方 下行將陶瓷針上部插入接穗 莖內(nèi) 使得砧木和接穗切面緊 密貼合 完成嫁接作業(yè) 砧木 輸送機(jī)輸出一行嫁接苗 以此 類推 完成整盤(pán)嫁接苗作業(yè) 平接法嫁接對(duì)秧苗標(biāo)準(zhǔn)化程 度要求很高 嫁接苗切面對(duì)接 貼合的緊密度和穩(wěn)定性難以 保證 苗莖尺寸要保證基本一 致 該機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中尚未得 到驗(yàn)證 圖 7 針式全自動(dòng)嫁接機(jī) 荷蘭設(shè)施園藝自動(dòng)化生 產(chǎn)裝備技術(shù)世界領(lǐng)先 9 ISO Group公司從 2006年開(kāi)始研 究嫁接機(jī)技術(shù) 可嫁接番茄 辣椒和茄子 利用天然橡膠管 固定嫁接苗 2007年開(kāi)發(fā)出 Graft1000全自動(dòng)嫁接機(jī) 生 產(chǎn)效率可達(dá) 1000株 h 嫁接 成功率為 99 如圖 8所示 該機(jī)設(shè)有秧苗信息圖像識(shí)別 系統(tǒng)和秧苗輸送系統(tǒng) 利用 輸送系統(tǒng)將穴盤(pán)中秧苗取出 并單向輸送排列 通過(guò)圖像 采集相機(jī)精準(zhǔn)獲取秧苗子葉 和莖部參數(shù) 為切削機(jī)構(gòu)提 供切削基準(zhǔn) 并實(shí)現(xiàn)砧木和 接穗匹配嫁接選擇 橡膠套 管為三角耳結(jié)構(gòu) 利用特制 的套管夾持撐開(kāi)部件將套管 撐開(kāi) 圖 9 將切削好的砧 木和接穗上下對(duì)接插入套管 圖 8 Graft 1000 全自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 9 切口對(duì)接與自動(dòng)上套管 嫁接成功率為 95 圖 7 該機(jī)采用穴盤(pán)上苗模式 每個(gè)作業(yè)循環(huán)可完成 5株 嫁接苗 機(jī)架上設(shè)有砧木 和接穗穴盤(pán)輸送機(jī) 作業(yè) 時(shí) 砧木輸送機(jī)將砧木穴 盤(pán)輸送至切削定位導(dǎo)向 板內(nèi) 切削氣缸帶動(dòng)切刀 水平快速移動(dòng) 可將一行砧木 苗莖稈全部橫向切斷 砧木 穴盤(pán)繼續(xù)被向前輸送至插針工 位 砧木插針機(jī)構(gòu)先排出 5根 陶瓷針并向下移動(dòng)將陶瓷針插 入砧木莖中一段距離 與此同 時(shí) 接穗穴盤(pán)輸送機(jī)將接穗穴 盤(pán)輸送至夾持工位中 2根攏 苗桿伸出將 5株接穗莖稈水平 方向定位 隨后 具有攏苗對(duì) 中結(jié)構(gòu)的夾持機(jī)構(gòu)對(duì)接穗夾 持固定 切削機(jī)構(gòu)完成接穗莖 稈橫向切削 最后 接穗夾持 溫室園藝 2020 02 14 本 期 策 劃 Special Planning 嫁接技術(shù) 內(nèi) 完成一個(gè)嫁接循環(huán) 該 機(jī)將圖像識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于秧 苗信息獲取實(shí)現(xiàn)匹配嫁接 技術(shù)先進(jìn)性不言而喻 可以 為實(shí)現(xiàn)秧苗標(biāo)準(zhǔn)化處理提供 技術(shù)參考 由于天然橡膠受基礎(chǔ)材料 偏差和環(huán)境偏差影響導(dǎo)致降解 不穩(wěn)定 2010年 ISO Group 公司開(kāi)始停止使用天然橡膠 套管 開(kāi)發(fā)出一種單側(cè)開(kāi)口的 硅膠套管夾 簡(jiǎn)化了自動(dòng)上 夾機(jī)構(gòu) 研制出Graft 1200 自動(dòng)嫁接機(jī) 生產(chǎn)效率可達(dá) 1050株 h 嫁接成功率為 99 如圖 10所示 砧木苗 盤(pán)通過(guò)苗莖切削機(jī)進(jìn)行斷莖 處理 然后將砧木整盤(pán)推送至 上苗工位 人工將接穗從穴盤(pán) 中取出放置于供苗轉(zhuǎn)臺(tái)上 轉(zhuǎn) 臺(tái)上設(shè)有 12個(gè)柔性?shī)A苗手爪 且機(jī)架上設(shè)有激光發(fā)射器 通 過(guò)激光發(fā)射器在夾苗手爪上 的投影位置來(lái)確定上苗高度 如圖 11所示 嫁接作業(yè)時(shí) 首先通過(guò)頂苗機(jī)構(gòu)將一行砧 木苗從穴盤(pán)中頂出 嫁接執(zhí)行 機(jī)構(gòu)將一株接穗從供苗轉(zhuǎn)臺(tái) 上取下與一株砧木同時(shí)抓取 定位 切削機(jī)構(gòu)完成砧穗同步 切削作業(yè) 保證切削角度一致 性 嫁接執(zhí)行機(jī)構(gòu)將接穗和 砧木切口對(duì)接 套管處理單 元輸送并切斷一段套管 后 將套管撐開(kāi)夾持固定住嫁接 苗 完成一次嫁接循環(huán) 嫁 接執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于四軸機(jī)械 臂末端 利用四軸機(jī)械臂可 以實(shí)現(xiàn)嫁接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的快速 移動(dòng)和精準(zhǔn)定位 Graft 1200自動(dòng)嫁接機(jī) 售價(jià)約 150萬(wàn)元人民幣 為 降低生產(chǎn)成本 ISO公司開(kāi)發(fā) 出砧木和接穗單株人工上苗 的 Graft 1100半自動(dòng)嫁接機(jī) 生產(chǎn)效率可達(dá) 1000株 h 嫁 接成功率為 98 如圖 12所 示 接穗供苗采用單臂旋轉(zhuǎn)夾 苗手爪 旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn) 180 將 接穗苗從上苗工位搬運(yùn)至嫁 接取苗工位 在上苗過(guò)程中人 工調(diào)整接穗高度 如圖 13所 示 砧木供苗采用具有 12個(gè) 夾持手的供苗轉(zhuǎn)臺(tái) 人工將砧 木土坨放入轉(zhuǎn)臺(tái)的定位座內(nèi) 轉(zhuǎn)臺(tái)可間歇旋轉(zhuǎn) 為嫁接取苗 工位每次提供一株砧木 如 圖 14所示 嫁接執(zhí)行機(jī)構(gòu)位 于砧木和接穗供苗單元之間 可將接穗夾持切斷并搬運(yùn)至 砧木取苗工位 再將砧穗同步 夾持 利用切削機(jī)構(gòu)完成砧穗 同步切斷 待嫁接執(zhí)行機(jī)構(gòu)將 砧穗切口對(duì)接后 套管處理單 元輸出套管固定住嫁接苗 如 圖 15所示 套管處理單元能 夠?qū)⒊示頎畹奶坠芏ň噍斔?與切斷 并自動(dòng)完成套管撐開(kāi) 和嫁接苗夾持 圖 10 Graft 1200 自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 11 人工接穗上苗 圖 12 Graft 1100 自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 13 接穗夾持搬運(yùn)機(jī)構(gòu) 圖 14 砧木供苗轉(zhuǎn)臺(tái) 圖 15 嫁接執(zhí)行機(jī)構(gòu)與上夾機(jī)構(gòu) 溫室園藝 2020 02 15 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 西班牙Conic System公 司開(kāi)發(fā)出一種硅膠夾 并研制 出型號(hào)為EMP 300的單人作 業(yè)半自動(dòng)嫁接機(jī) 10 生產(chǎn)效 率 300 400株 h 嫁接成功 率為 98 如圖 20所示 砧 意大利TEA Project公司 基于一種特殊膠粘劑開(kāi)發(fā)出 GRAFT 1000自動(dòng)嫁接機(jī) 如圖 16所示 這種膠粘劑是 Henkel公司研發(fā)的專利產(chǎn)品 用來(lái)快速粘合切口而不改變莖 稈內(nèi)部結(jié)構(gòu) 被稱為嫁接領(lǐng)域 的一場(chǎng)革命性技術(shù) 粘合劑的 型號(hào)為L(zhǎng)octite 4309 專門(mén)用 于嫁接苗莖稈對(duì)接的粘合 在 紫外線光源燈照射下能夠快速 固化 并且具有生物可降解的 特性 如圖 17所示 該機(jī)需 二人上機(jī)作業(yè) 生產(chǎn)效率可達(dá) 1000株 h 一個(gè)嫁接循環(huán)時(shí)間 約為 4 s 分為 6個(gè)階段 利用 轉(zhuǎn)盤(pán)工作臺(tái)將每株嫁接苗帶入 不同工作站 在轉(zhuǎn)盤(pán)工作臺(tái)一 側(cè)設(shè)有砧木和接穗的切削單元 用于完成秧苗的切斷工作 創(chuàng)新 設(shè)計(jì)出負(fù)壓吸附定位模塊 具 有兩路獨(dú)立的吸附系統(tǒng) 將砧 木和接穗切口對(duì)接后柔性固定 莖部 為噴膠工序做準(zhǔn)備 如 圖 18所示 作業(yè)過(guò)程如下 第 一步 踩下機(jī)器腳踏開(kāi)關(guān) 砧 木苗莖切斷后放入定位模塊的 對(duì)接槽內(nèi) 并吸附固定 第二步 踩下第二個(gè)機(jī)器腳踏開(kāi)關(guān) 接 穗苗莖切斷后放入定位模塊的 對(duì)接槽內(nèi)與砧木切口對(duì)接 并 吸附固定 第三步 嫁接苗移 動(dòng)至粘合劑分配器下 檢測(cè)到 嫁接苗后分配器精準(zhǔn)噴出粘合 劑 第四步 上部霧化噴閥噴 出霧化水與下部吸氣系統(tǒng)相結(jié) 合 將粘合劑 360 均勻分布圍 繞在嫁接苗切口周?chē)瓿擅芊?第五步 利用兩個(gè)紫外線光源 燈使粘合劑迅速變干而硬化 同時(shí)啟動(dòng)霧化水降溫 第六步 機(jī)械臂將嫁接苗取出放入穴盤(pán) 內(nèi) 如圖 19所示 據(jù)筆者咨詢 了解到 該機(jī)尚未實(shí)現(xiàn)商品化 所使用的粘合劑無(wú)法找到供應(yīng) 商 可能是粘合劑研發(fā)成本過(guò) 高限制了推廣應(yīng)用 TEA公司 已不再繼續(xù)研究 但粘合劑無(wú) 毒 可降解的技術(shù)特性 對(duì)保 護(hù)種植生態(tài)環(huán)境的確是非常好 的技術(shù)創(chuàng)新 值得學(xué)習(xí)借鑒來(lái) 繼續(xù)研發(fā)新型環(huán)保材料 圖 17 嫁接用粘合劑 圖 18 粘合劑使用過(guò)程 圖 19 番茄嫁接苗 圖 16 GRAFT 1000 自動(dòng)嫁接機(jī) 木和接穗的夾持切削與對(duì)接 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同且對(duì)稱布局安 裝 能夠保證切削角度一致性 和切口對(duì)接精準(zhǔn)性 開(kāi)發(fā)出卷 狀硅膠夾自動(dòng)供給單元 具 有硅膠夾定長(zhǎng)輸送與切斷以 及自動(dòng)上夾功能 如圖 21所 示 作業(yè)時(shí) 人工將砧木和接 穗分別放入定位槽內(nèi) 踩下機(jī) 器踏板 夾持手爪下壓固定住 砧穗苗莖 切刀伸出將砧穗苗 莖切斷 對(duì)接機(jī)構(gòu)伸出使砧木 溫室園藝 2020 02 16 本 期 策 劃 Special Planning 嫁接技術(shù) 和接穗切口對(duì)接貼合 上夾機(jī) 構(gòu)輸出硅膠夾將嫁接苗固定 取苗手爪在機(jī)械臂帶動(dòng)下將 嫁接苗取出并搬運(yùn)放置于輸 送帶上 人工取下嫁接苗并放 回穴盤(pán)內(nèi) 該機(jī)操作簡(jiǎn)單 但 效率不高 僅適用于小型育苗 企業(yè) 蔬菜嫁接機(jī)器人從出現(xiàn)至 今已有 30多年的歷史 11 12 但目前仍未形成可商業(yè)化的成 熟產(chǎn)品 大部分研究仍處于試 驗(yàn)或樣機(jī)階段 所表現(xiàn)出來(lái)的 應(yīng)用缺點(diǎn)比較明顯 包括以下 幾個(gè)方面 1 作業(yè)效率低 機(jī)器 嫁接一般要完成夾持 搬運(yùn) 切削 對(duì)接和上夾作業(yè) 每個(gè) 節(jié)拍動(dòng)作不可缺少 生產(chǎn)效率 600 1200株 h 至少需要2 人操作 與純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)相比效 率提升不顯著 育苗企業(yè)無(wú)法 接受機(jī)器換人 2 生產(chǎn)制造成本高 嫁接機(jī)器人是自動(dòng)化技術(shù)及設(shè) 備的系統(tǒng)集成和創(chuàng)新 結(jié)構(gòu)和 控制系統(tǒng)復(fù)雜 國(guó)外各類型嫁 接機(jī)器人售價(jià)約 35 150萬(wàn)元 人民幣 在中國(guó)市場(chǎng)推廣難度 很大 3 生產(chǎn)模式不匹配 國(guó)外嫁接機(jī)器人是基于國(guó)外育 圖 20 EMP 300 半自動(dòng)嫁接機(jī) 圖 21 硅膠夾切削與自動(dòng)上夾 苗企業(yè)生產(chǎn)模式開(kāi)發(fā)的 育苗 使用的穴盤(pán) 基質(zhì) 種植品種 以及培育方法與我國(guó)育苗企業(yè) 的生產(chǎn)模式均有所不同 機(jī)器 直接拿來(lái)應(yīng)用完全行不通 若 改變傳統(tǒng)育苗生產(chǎn)模式又需要 投入大量資金 上述問(wèn)題也是我國(guó)蔬菜 嫁接機(jī)器人尚未大面積推廣 應(yīng)用的主要原因 制約嫁接機(jī)器人發(fā)展的 因素是多方面的 在中國(guó)從生 產(chǎn)模式和嫁接方法上做到統(tǒng) 一難度極大 發(fā)展嫁接機(jī)器人 必須要結(jié)合國(guó)情研究出一條 適合的生產(chǎn)模式 這是嫁接機(jī) 器人實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的前提條件 嫁 接機(jī)器人研究尚有很多關(guān)鍵 技術(shù)亟待解決 也是未來(lái)的發(fā) 展方向 具體表現(xiàn)在以下幾個(gè) 方面 1 機(jī)械嫁接標(biāo)準(zhǔn)苗生 產(chǎn)體系的建立 秧苗培育的標(biāo) 準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化嫁接的關(guān) 鍵 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)體系培育 出適合機(jī)械嫁接的標(biāo)準(zhǔn)苗 需 要對(duì)作物培育方法和環(huán)境調(diào) 控等方面進(jìn)行大量試驗(yàn)與總 結(jié) 是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合的集 中體現(xiàn) 2 柔性上苗執(zhí)行器 蔬菜幼苗的莖葉細(xì)小柔嫩 嫁接過(guò)程中的秧苗損傷將影 響愈合效率和成活質(zhì)量 對(duì) 秧苗的柔性處理是機(jī)器人作 業(yè)的基礎(chǔ) 要保證秧苗柔性 安全作業(yè) 另外 柔性上苗 執(zhí)行器可代替人工上苗 成 倍提高機(jī)器人生產(chǎn)效率 實(shí) 現(xiàn)減工降本 3 構(gòu)建自動(dòng)化嫁接配 套生產(chǎn)系統(tǒng) 嫁接不是單一化 作業(yè) 在嫁接前后環(huán)節(jié)都需要 輔助配套設(shè)備 實(shí)現(xiàn)嫁接一體 化作業(yè) 例如瓜類砧木定向播 種 秧苗匹配嫁接智能檢測(cè) 嫁接苗自動(dòng)回栽 以及溫室物 流等配套系統(tǒng)開(kāi)發(fā) 都是構(gòu)建 自動(dòng)化配套嫁接生產(chǎn)系統(tǒng)的重 要內(nèi)容 存在問(wèn)題和發(fā)展方向 3 溫室園藝 2020 02 17 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 國(guó)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)嫁接機(jī)技 術(shù)研究較早 產(chǎn)學(xué)研結(jié)合非常 密切 并且企業(yè)參與研發(fā)較多 因此 技術(shù)成果轉(zhuǎn)化很快 開(kāi) 發(fā)出多種類型的商品化蔬菜嫁 接機(jī)器人 嫁接機(jī)器人的應(yīng)用 需要育苗各環(huán)節(jié)技術(shù)和裝備配 套 國(guó)外設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國(guó)家的 生產(chǎn)模式完備且配套設(shè)施設(shè)備 齊全 另外 國(guó)外嫁接育苗品 種單一 育苗設(shè)施均具備環(huán)境 精準(zhǔn)調(diào)控功能 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械 嫁接標(biāo)準(zhǔn)苗培育 具備了嫁接 機(jī)器人的應(yīng)用條件 但嫁接機(jī) 器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜 屬于工業(yè) 化高技術(shù)產(chǎn)品且價(jià)格昂貴 只 有少數(shù)的大型育苗工廠有實(shí)力 購(gòu)買(mǎi)和使用 反觀中國(guó)現(xiàn)階段育苗行 業(yè)設(shè)施設(shè)備配套情況 以及果 蔬產(chǎn)品價(jià)格較低的現(xiàn)狀 構(gòu)建 完整的生產(chǎn)模式需要投入大 量資金 育苗企業(yè)難以承受 但是面對(duì)勞動(dòng)力老齡化 用工 短缺 甚至無(wú)人可用等社會(huì)難 題 育苗企業(yè)對(duì)嫁接機(jī)器人的 需求極為迫切 也表現(xiàn)出對(duì)新 技術(shù) 新生產(chǎn)模式的渴望 國(guó) 外嫁接機(jī)器人技術(shù)固然先進(jìn) 但未必適合我國(guó)實(shí)際育苗生 產(chǎn) 究其原因主要是生產(chǎn)模式 和育苗技術(shù)的差異化 中國(guó)嫁 接機(jī)器人技術(shù)研究要結(jié)合國(guó) 情 從育苗生產(chǎn)模式入手 完 善并建立一套適合工廠化嫁 接的生產(chǎn)模式 尚需要較長(zhǎng)發(fā) 展過(guò)程 要正視育苗行業(yè)發(fā)展 現(xiàn)狀 因此 中國(guó)嫁接機(jī)器人 技術(shù)研究要從簡(jiǎn)入繁逐步推 進(jìn) 機(jī)器換人是終極目標(biāo) 人 機(jī)協(xié)作是必經(jīng)之路 輕簡(jiǎn)省力 化是當(dāng)務(wù)之急 要緊密結(jié)合國(guó) 情敢于創(chuàng)新 確保嫁接裝備高 技術(shù)與實(shí)用化協(xié)同發(fā)展 解決 育苗產(chǎn)業(yè)多年無(wú)機(jī)可用的瓶 頸問(wèn)題 參考文獻(xiàn) 1 陽(yáng)燕娟 王麗萍 高攀 等 嫁接提 高蔬菜作物抗逆性及其機(jī)制研究進(jìn) 展 J 長(zhǎng)江蔬菜 2013 22 1 10 2 錢(qián)利國(guó) 趙發(fā)輝 王文霞 蔬菜嫁接 育苗技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展 J 種子科 技 2017 35 9 83 3 張鵬 張麗娜 劉鐸 等 農(nóng)業(yè)機(jī)器人 技術(shù)研究現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程 2019 9 10 1 12 4 張凱良 褚佳 張鐵中 等 蔬菜自 動(dòng)嫁接技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2017 48 3 1 13 5 辜松 蔬菜嫁接機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園藝 2012 32 13 26 6 姜?jiǎng)P 瓜類貼接式機(jī)械嫁接機(jī)理及 裝置試驗(yàn)研究 D 哈爾濱 東北農(nóng) 業(yè)大學(xué) 2019 7 ISEKI CO D Grafting robot S OL watchv 0Aj7sfEuz18 html 8 EC21 Inc Supreme precision grafting robot S OL https Supreme Precision Grafting Robot 2012260 2012262 html 9 ISO Group Inc ISO Graft 1200 S OL http www iso group nl en machines iso graft 1200 html 10 Conic System Inc EMP 300 S OL http www conic emp300 lang es html 11 劉明池 季延海 武占會(huì) 等 我國(guó) 蔬菜育苗產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) J 中國(guó)蔬菜 2018 11 1 7 12 姚彤寶 蔡峰 姜飛 中國(guó)工廠 化蔬菜育苗系統(tǒng)集成與發(fā)展趨 勢(shì) J 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 溫室園 藝 2017 37 4 10 14 項(xiàng)目支持 北京市農(nóng)林科 學(xué)院科技創(chuàng)新能力建設(shè)專項(xiàng) KJCX20180422 北京市 農(nóng)林科學(xué)院2019年度科研創(chuàng)新 平臺(tái)建設(shè) PT2019 06 作者簡(jiǎn)介 姜?jiǎng)P 男 博士 高 級(jí)工程師 主要從事設(shè)施園藝智 能裝備和農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究 通信作者 張騫 女 主要 從事農(nóng)業(yè)農(nóng)村信息化研究與現(xiàn)代 農(nóng)業(yè)園區(qū)規(guī)劃 總結(jié)與分析 4