穴盘钵苗智能移栽机关键技术研究现状_冯青春.pdf

穴盘钵苗智能移栽机关键技术研究现状 冯青春 王 秀 北京农业信息技术研究中心 北京 100097 摘 要 对国内外穴盘钵苗智能移栽机关键技术研究现状进行了综述 针对钵苗特征识别 定位机构以及钵苗夹 持手爪 3 个方面介绍当前钵苗移栽主要研究成果 分析了制约钵苗智能移栽技术推广应用的主要因素 最后 提出了相应对策 研究钵苗特征识别技术 改善钵苗移栽农艺条件 拓展钵苗移栽技术服务领域 关键词 穴盘钵苗 智能移栽 研究现状 中图分类号 S223 94 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2013 11 0250 03 0 引言 20 世纪 60 年代美国率先将穴盘用于蔬菜育苗以 来 工厂化育苗技术因其诸多优势得到了广泛的推广 应用 在荷兰 日本等农业发达国家已经逐步取代传 统育苗方式 成为主要种苗生产方式 工厂化种苗生 产过程中为提高空间利用率 保证种苗充足的养分和 生长空间 需要在穴盘钵苗生长不同阶段对其进行不 同密植规格穴盘之间的移栽 1 同时 随着种苗产业 标准逐步规范 自动嫁接设备以及植物工厂相关技术 发展 对于种苗品质提出了更高的要求 移栽过程中 的需要对穴盘钵苗进行分选 2 从而保证了种苗特征 一致性 防止穴盘缺苗 种苗病变和畸形 因此 移栽 作业效果对于花卉 蔬菜等种苗品质以及作物后续生 长以及种苗产业效益具有很大影响 然而 由于钵苗 数量多 移栽作业周期短以及劳动强度大等因素 穴 盘钵苗移栽已成为集约化育苗生产过程中劳动量需 求较大工序之一 1 为提高钵苗移栽自动化水平 降低人工作业强 度 保证种苗品质 荷兰 美国 韩国等国家研制了具 有钵苗分选移栽功能的自动化设备 1 8 通过钵苗识 别传感器对其进行识别定位 由运动定位机构对钵苗 夹持手爪进行定位后 将钵苗在不同穴盘之间进行移 栽 近年来 随着相关技术的发展 国外智能移栽机 功能模型已扩展应用到了组培苗木移栽 植物工厂苗 收稿日期 2012 12 10 基金项目 国家科技支撑计划项目 2012BAF07B02 北京市创新团 队项目 D101105046310003 作者简介 冯青春 1987 男 山西繁峙人 工程师 硕士 E mail fengqc nercita org cn 通讯作者 王 秀 1965 男 河北万全人 研究员 E mail wan gx nercita org cn 床移栽以及花卉苗盆移栽等设施农业生产过程 带来 了巨大的产业应用价值 随着我国对工厂化育苗以 及设施农业相关技术的引进和发展 对于智能穴盘移 栽机需求逐渐增加 但鉴于购买国外现有产品价格昂 贵 通用性差 一些高校和公司已在引进吸收基础上 开始了相关技术和样机研制 9 13 笔者通过对国内 外钵苗智能移栽设备关键技术的综述 分析其进一步 研究应用过程中的关键问题 并且提出相应对策 1 研究进展 穴盘智能移栽机样机研制开始于 20 世纪 80 年代 美国奥本大学 Kutz 等人 1 其功能模块构成方式一直 为后续研究者所采用 主要由钵苗识别传感器 定位 机构以及钵苗夹持手爪 3 部分构成 由钵苗识别传感 器对钵苗特征进行识别 计算穴盘各个穴孔位置 并 对缺苗 病苗以及畸形苗穴孔位置进行标记 将此信 息传送于定位机构控制系统 定位机构控制夹持手爪 对正常钵苗进行移栽 剔除不良钵苗 目前 澳大利亚生产的茶叶穴盘苗专用移栽机 荷兰飞梭公司生产的玫瑰智能移栽机以及美国 RAP ID 公司生产的 RTW 系列穴苗移栽机已经在特定设施 农业环境下实现产品化应用 10 针对我国当前工厂 化育苗技术发展现状 中国农业大学张铁中 华南农 业大学辜松 北京农机所杨仁全等人也开展了钵苗智 能移栽机的研发 7 11 但要实现产业化应用还有诸多 问题需要解决 其中 针对形态各异钵苗的识别定位 算法 研制无损伤可靠夹持手爪 是实现钵苗个体准 确分选和高效移栽的关键技术 1 1 钵苗特征识别 钵苗特征识别为智能移栽机提供钵苗位置和品质 信息 直接决定个体定位和分选精度 针对早期钵苗 052 2013 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 移栽过程中由于穴盘规格各异 穴盘人工放置位置误 差以及缺少移栽深度信息等原因 造成对钵苗移栽定 位不准确 精度不高等情况 1994 年 美国罗格斯新泽 西州立大学 Tai 等人将机器视觉技术引入智能移栽机 系统 3 通过单摄像机对穴盘规格和钵苗穴孔位置进 行定位 同时采用条形激光照射穴盘 依据光条纹成 像特征 计算穴孔深度数据 实现移栽定位机构在深 度方向精确控制 Mizuochi 等人采用机器视觉技术对 钵苗移栽过程中缺苗 病苗以及畸形苗等情况进行处 理 4 通过分析穴盘钵苗彩色图像 G 通道色彩差异 采用固定阈值实现子叶与背景蛭石分割 根据周长 圆形度等形状特征对正常钵苗进行识别 从而实现对 病变 畸形钵苗剔除 浙江大学任烨也采用机器视觉 技术对移栽钵苗特征进行提取 统计分析苗盘彩色图 像 RGB 色差 C 3 G R B 分布特征 并进行钵苗 与背景分割 依据钵苗像素统计数量对其品质进行评 价 剔除病变 畸形钵苗 识别准确率达 98 13 1 2 钵苗夹持手爪 由于钵苗形状特征各异 子叶方向随机分布 夹 持手爪操作过程中需防止对子叶和茎秆造成损伤 同 时还需保证移栽释放钵苗时 手爪与钵苗能有效快速 分离 因此 钵苗夹持手爪在移栽过程中可靠无损夹 持是智能移栽机关键技术之一 1986 年 Hwang 等人 研制的辣椒苗移栽机 通过具有柔性垫片的夹持手爪 直接夹持钵苗茎秆进行移栽 但是容易造成钵苗子叶 和茎秆损伤 5 1994 年 美国 Kutz 等人研制的张合 式钵苗移栽夹持手爪 6 由气动手爪 光电传感器以 及注水喷嘴构成 气动手爪末端安装有 0 635mm 钢丝 手指 手指两侧有对射光电传感器 用于检测手指之 间是否有钵苗存在 当没有检测到钵苗时则从下一个 穴孔取苗 手指上方安装压力水流喷嘴 手爪栽苗时 向钵苗根部喷水 有利于钵苗从手爪脱落 同时可以 清洗夹持手指 此手爪可对 30 60mm 高度钵苗进行 移栽 操作成功率达 94 以上 1996 年 美国 K C Ting 等人研制了伸缩式钵苗移栽夹持手爪 7 套筒内 可伸缩的针形手指插入至钵苗根部基质进行夹持 手 指缩回则完成钵苗释放 克服了张合式手指不容易与 钵苗脱落的缺点 其采用电容式传感器检测手指中 间是否有钵苗存在 我国南京农业大学周婷设计了 一种仿形曲线槽轮廓机构驱动的钵苗夹持手爪 11 其 开合行程为 10mm 1 3 定位机构 智能移栽机定位机构功能在于根据钵苗识别定位 数据 控制夹持手爪空间位置 输送移栽钵苗 其运动 速度和精度对于移栽作业效率和可靠性具有很大影 响 1987 年 Kutz 等人构建了钵苗移栽样机模型 1 并对其作业模式和效率进行了仿真试验 该样机模 型针对固定安装的特定规格穴盘钵苗进行移栽 系统 由穴盘输送带 Puma560 型机械臂以及末端手爪构成 机械臂控制器依据穴盘规格及其安装位置预先设定 运动控制程序 对穴孔内钵苗逐一进行移栽 模拟作 业结果表明 并列放置穴盘有利于提高移栽作业效 率 同时 采用 L 形末端空间运动路径有利于防治手 爪对钵苗损伤 该系统移栽成功率为 96 完成 36 株规格穴盘移栽耗时 3 3min 1990 年 美国新泽西州 立大学 Ting 等人采用四自由度柱坐标式机械臂对钵 苗移栽进行定位 2 并引入 AHT 参数对系统作业环境 布置 作业工序以及作业效率进行优化 最佳作业效 率为单株移栽耗时 2 68s 2001 年 韩国 K H Ryu 等 人利用直角坐标系开发出一钵苗移栽机 相对关节型 机械臂其作业空间小 运动速度快 有利于提高移栽 机作业效率 节省作业空间 8 北京京鹏环球科技股 份有限公司李季刚对用于植物工厂的大型移栽机进 行了研究 12 在苗床上方架设轨道 移栽机构本体行 走于轨道之上 实现对钵苗长距离的搬运移栽 强丽 慧针对深池浮板种植的生菜设计了自动移栽机 9 采 用穴盘输送带和直线导轨结合对钵苗进行定位 2 研究存在的关键问题及对策 2 1 研究钵苗特征识别技术 20 世纪 90 年代钵苗移栽机研发初期 由于计算 机和机器视觉技术发展水平有限 为降低系统开发成 本 选用光电 电容等传感元件对钵苗进行识别 6 8 获取信息量有限 容易误判 造成移栽失败 严重影响 系统作业可靠性和效率 近年来 随着机器视觉技术 的发展 并逐渐被应用到钵苗识别中 通过获取钵苗 彩色图像信息 可以有效监测缺苗 病苗 充分发挥智 能移栽机分选钵苗的功能 机器视觉技术因其对目 标适应性强 误判率低等特点在后续智能移栽机研发 使用过程中可能发挥重要作用 2 2 改善钵苗移栽农艺条件 国外高度结构化的设施农业配套技术有效促进了 智能移栽机推广应用 在构建智能移栽机作业环境和 对象时 需要对目前我国工厂化育苗生产工艺和设备 进行适当改进 逐步适应自动化作业装备使用要求 在我国针对钵苗夹持手爪 穴盘运输以及幼苗识 别等制约推广应用的难点技术已进行了大量相关研 究 由于要求其适应不规范的农艺环境 容易导致制 152 2013 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 造成本急剧增加 因此 通过改变钵苗种植环境来提 高移栽机作业性能的研究也需要进行 如改变钵苗栽 培基质成分 使得手爪对根部夹持和释放更加可靠 完善设施农业环境穴盘运输系统 代替人工搬运和放 置穴盘 提高移栽作业效率和精度 2 3 拓展钵苗移栽技术服务领域 国外钵苗智能移栽机使用起始于工厂化育苗钵苗 在不同规格穴盘之间移栽 随着相关技术发展 其应 用领域已发展到植物工厂苗盘移栽和收获 花卉苗盘 与苗盆移栽 组培苗移栽以及钵苗分选等多种需求 带动了相关产业效益提升 进一步促进了钵苗移栽技 术的发展 因此 在系统开发研究过程中基于模块 化 多功能的设计理念 逐步发掘系统使用功能需求 增加钵苗移栽机通用性 有利于降低系统研发和使用 成本 3 结束语 穴盘钵苗苗移栽是一种劳动密集型作业 耗时 长 强度大 随着我国农业现代化的推进以及农业人 口的转移 单调繁重的移栽作业急需高效率 通用化 低成本自动化设备来完成 穴盘钵苗智能移栽机是 一种集成钵苗识别 夹取和移植等功能的自动化设 备 涉及机械结构 机器视觉 机器人动力学 传感器 技术 控制技术 以及计算信息处理等多方面的学科 领域技术 随着人工劳动成本增加 现代农业对自动 化生产水平要求不断提高 种苗特征识别 可靠夹持 操作 末端精准定位等关键技术方面的不断突破和提 高 最终智能钵苗移栽机将在减轻人工劳动强度 填 补农业自动化需求以及发展高效集约农业生产方式 等方面将发挥重要作用 参考文献 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 强丽慧 张铁中 生菜自动移苗机的设计 J 黑龙江八 一农垦大学学报 2005 17 5 49 52 10 张丽华 邱立春 田素博 穴盘苗自动移栽机的研究进 展 J 农业科技与装备 2009 185 5 28 31 11 周婷 汪小旵 王超群 温室穴盘苗移栽机的设计与仿 真分析 J 机械设计与研究 2009 25 2 122 124 12 李季刚 兰立波 张晓慧 植物工厂移栽收获机器人的 应用研究 J 农业工程技术 温室园艺 2010 5 34 36 13 任烨 基于机器视觉设施农业内移栽机器人的研究 D 杭州 浙江大学 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 农 机 化 研 究 第 11 期