时间：2022-11-12 17:02:01
|摘要|蔬菜嫁接机器人是工厂化育苗发展的迫切需要和必然趋势，被公认为是最早能够投入实际生产应用的设施园艺机器人。 本文概述了国外蔬菜嫁接机器人的研究动态和应用现状，通过分析不同类型嫁接机器人的技术特点、工作原理和性能参数，总结了国外嫁接机器人的应用难点和制约因素，分析了嫁接机器人未来的发展方向，由我国育苗企业和研发机构
一.引言
全球蔬菜集约化栽培带来的连作障碍和病虫害问题十分严重，种植作物患病将导致减产绝收。 由于作物抗病性品种选育周期长、工艺复杂，特效农药难以开发，污染环境和农作物，实行大面积轮作更不现实。 目前，蔬菜种苗嫁接技术已成为解决连作障碍问题的绿色、生态、可持续发展的重要措施，在世界范围内得到广泛应用。 据测算，嫁接工作占蔬菜种苗生产全过程用工量的20%~30%，是劳动密集型行业，对精细化工作和时间节点要求非常高。
20年来，国外蔬菜工厂化育苗发展迅速，育苗产业工业化发展思路基本成型，通过打孔精准播种、种苗选育移植、水肥一体化管理、精准施药等环节实现自动化和智能化作业。 人工嫁接仍然是国内外育苗企业普遍采用的生产方式，表明机械自动化嫁接难度确实较大。 许多国家面临着农村老龄化、劳动力成本逐年上升的双重压力，农业机器人研究作为解决这一问题的突破口一直是农业领域的研究热点。 嫁接机器人是现代机器人和自动化技术在农业领域的集成创新，融合了机械、电子、计算机、智能控制、园艺等多个领域交叉学科的技术知识。 嫁接机器人在解决人手短缺、提高种苗生产质量和效率、保障嫁接生产时效性等方面具有重要意义，其市场需求潜力巨大，应用前景十分广阔。
20世纪80年代初，日本农村人口老龄化问题突出，农机企业和科研机构积极开展自动嫁接技术攻关，以日本井关、洋马、三菱等大型农机公司为主。 到90年代末达到第一发展高峰，出现了嫁接机器人的原型，日本井关公司开发的嫁接机器人最具代表性。 随后，韩国、荷兰、意大利、西班牙等设施农业发达国家也开始了嫁接机器人技术的研究，基于不同类型固定物的商品化嫁接机器人层出不穷，其中荷兰ISO公司技术先进。
二、国外研究现状由于国外开发嫁接机器人的嫁接方法、工作原理和技术特点各不相同，以下按国别分别详细阐述相关产品的技术信息和应用现状。 嫁接机器人
日本是嫁接机器人技术研究的发源地，其设施园艺机器人技术处于国际领先水平，科研机构与农机企业的密切合作能迅速转化先进技术成果是其显著特点。 嫁接法可以精确控制秧苗切口角度和对接贴合精度，嫁接切口质量更标准，适合工厂化育苗生产，已成为国内外机械嫁接技术研究的发展方向。
2011年，日本井关公司与生研机构共同发售了型号为GRF800-U的瓜类全自动嫁接机。 如图1所示。 该机适用于瓜类作物，以节约人力为研发目标，开发了基于孔盘苗的自动上苗装置来代替人工上苗作业，具有孔盘内缺苗的自动检测功能。 只需一人供应孔盘上苗，生产效率可达800株/h，嫁接成功率95%。 用末端上苗驱动器支撑、切割、柔性夹持穴盘内秧苗后，通过平移台将末端上苗驱动器和秧苗输送到上苗站； 根据砧木叶的生长特性研究子叶碰撞的转向方法和转向驱动器，在携苗过程中完成砧木叶的定向，将秧苗送入上苗定位机构。 该机沿用传统GRF803-U型半自动嫁接机的核心嫁接执行部件(图2 )，需要采用甜瓜基砧木切根贴合法，用塑料夹固定嫁接苗切口，人工将嫁接苗回植孔内进行复合管理。 可见，自动插秧装置的出现将使单株工作型嫁接机的生产效率提高一倍，达到节约人工的极致，但嫁接苗再植仍然需要人工，嫁接不是单一化工作，而是一个多层次的复杂系统工程，需要全面研究。
图1 GRF800-U全自动嫁接机
图2 GRF803-U半自动嫁接机
由日本洋马公司与生研机构联合推出的AG1000型嫁接机，是茄类全自动嫁接的代表机型，如图3所示，其技术特点是多株同时嫁接，砧木和接穗均采用打孔方式插秧，需要单人喂入穴盘，生产该机结构较庞大，机架上设有三条输送带，用于完成砧木、接穗、接苗的打孔输送，夹持、切削、对接上的夹持部分均为六条同时工作。 工作时，砧木和接穗输送机将穿孔盘准确输送至上苗工位，夹持机构分别夹持砧木和接穗并提升至切削工位，砧木和接穗机构分别夹持定位砧穗茎进行切削工作； 然后，搬运机构将切削好的砧木和接穗运至对接站，使砧木和接穗切口准确对接，自动上夹装置输出嫁接夹，完成秧苗切口固定； 最后，打开接穗夹持手，砧木夹持手将接穗苗放入新窖中完成栽植作业。 该机一次操作即可完成6株嫁接苗，砧木和接穗嫁接适合度高，嫁接质量受苗株高和茎粗影响较大，由于当时育苗技术水平不标准化，该产品问世后仅在日本全国销售4台，全自动嫁接机的开发
图3 AG1000全自动嫁接机
图4 MGM600半自动嫁接机
基于营养鉴的嫁接育苗模式，日本三菱公司为日本农业协同组合联合会( JA )定制开发了型号为MGM600的半自动嫁接机，应用于茄子类作物，生产效率达600株/h，嫁接成功率为95%，如图4所示由于营养钧苗比穴盘苗单株重，人工上苗劳动强度大，不方便，为此研制了砧木和接穗带式单列钧苗运输上苗装置，使钧苗能准确地输送到上苗站。 接穗完成后，通过夹持输送机构输送到砧木上方对接，用硅胶夹持固定切苗口，自动运出接苗和接穗营养鉴废料。 营养鉴嫁接育苗模式机运工作量大，要求砧木与接穗匹配度高，现阶段穴盘标准化育苗已基本取代营养鉴育苗方式。
上述日本开发的嫁接机自动化程度非常高，系统结构相对复杂，价格较高，全自动嫁接机售价达100万元以上，不被用户接受，且该嫁接机对秧苗标准化要求高，难以推广应用日本的一些企业和研究所认识到全球育苗市场对嫁接设备的需求越来越高，重新投入到新嫁接机器人的开发中，预计3~5年内将出现新的嫁接机器人产品。 韩国嫁接机器人
韩国蔬菜自动嫁接技术的研究比日本稍晚，Helper Robotech公司接受了韩国农村振兴厅自动嫁接系统的技术转让，推出了商业化的产品。 推出型号为AFGR-800CS的超精密嫁接机器人系统，生产效率达800株/h，嫁接成功率为95%，2013年被韩国政府指定为全球产品。 如图5所示。 与国外其他嫁接设备不同，该机适用于西瓜、黄瓜、哈密瓜等葫芦科及番茄、茄子、辣椒等茄科作物。 另外，该公司还开发了苗切面信息实时获取系统，如图6所示。 该系统可以实时拍摄砧木和接穗的横断面，找到横断面的中心线，误差小于1/100 mm，保证嫁接切口的定位精度。 通过机器视觉摄像机实时获取每株秧苗的切面图像，确认出苗茎切面偏离设定中心线的程度，通过图像处理精确计算，使切面能够无误差地完全对接贴合。 摄像头实时观察并显示在显示器上，显示对接切口上下位置偏差值和基准中心线的偏差值，使茎弯曲的苗也能准确定位中心基准线。 该机需要2人上机操作，夹持、切削、对接、上机操作均自动完成，通过输送带排出嫁接苗。
图5 AFGR-800CS超精密嫁接机器人
图6苗切面信息实时获取系统
韩国Ideal System公司开发了横截面为五棱形状的陶瓷针和茄子果类的平接嫁接方法，开发了平接法的全自动嫁接机。 生产效率达1200株/h，嫁接成功率为95% (图7 )。 该机采用打孔上苗模式，每个工作周期可完成5株嫁接苗。 机架上设有砧木和接穗开孔盘输送机。 工作时，将砧木钻台送入切削定位导板，通过切削缸快速水平移动刀具，可以横向切割所有的一排砧苗茎。 砧座的开孔盘继续送入销轴工位，砧座的销轴机构先弹出5根陶瓷针，下移将陶瓷针插入砧木茎中。 同时，接穗穴输送机将接穗穴盘输送到夹持站，顶出两根育秧杆将5株接穗茎水平定位。 然后，将秧苗集中在一起对中结构的夹持机构夹持固定在接穗上，切削机构完成接穗茎的横向切削。 最后，将接穗夹持机构水平移动到砧苗上，下行将陶瓷针上部插入接穗茎内，使砧木与接穗面紧密接触完成嫁接工作，砧木输送机送出一行嫁接苗，同样完成整盘嫁接工作。 嫁接法嫁接对秧苗标准化程度要求较高，嫁接苗切面对接贴紧度和稳定性难以保证，秧苗茎杆尺寸应基本一致，该机在实际生产中尚未得到验证。
图7针式全自动嫁接机
荷兰嫁接机器人
荷兰的设施园艺自动化生产设备技术处于世界领先地位。 ISO Group公司从2006年开始研究嫁接技术，可以嫁接西红柿、辣椒、茄子，用天然橡胶管固定秧苗进行嫁接。 2007年开发了Graft1000全自动嫁接机，生产效率达1000株/h，嫁接成功率99%，如图8所示。 该机设有秧苗信息图像识别系统和秧苗输送系统，利用输送系统取出穴盘秧苗单向输送，通过图像采集摄像机准确获取秧苗子叶和茎参数，为切削机构提供切削标准，实现砧木与接穗的匹配嫁接选择。 橡胶管为三角耳结构，用特殊管路夹持扩张件扩张管路(图9 )，将切好的砧木与接穗上下对接插入管路内，完成嫁接循环。 该机将图像识别技术应用于秧苗信息获取实现匹配嫁接，技术先进性自不必说，可为实现秧苗标准化处理提供技术参考。
图8 Graft 1000全自动嫁接机
图9切口配合和自动上套管
天然橡胶受基础材料偏差和环境偏差的影响，分解不稳定，2010年ISO Group公司停止使用天然橡胶管，开发单侧开口硅橡胶管夹，简化自动夹紧机构，开发Graft 1200自动嫁接机，生产效率为1050 砧盘采用苗茎切削机进行切茎处理，将整个砧盘推出供苗站，人工将切穗从孔盘中取出放在供苗转盘上。 转盘设有12个灵活的夹苗机械手，机架上设有激光发射器。 根据激光发射器在夹苗手的投影位置确定秧苗的高度。 如图11所示。 嫁接工作时，首先通过顶苗机构将一行砧苗顶出穴盘，嫁接执行机构从供苗台上卸穗与砧木同时抓取定位，切削机构完成砧穗同时切削工作，保证切削角度一致； 嫁接执行机构将接穗与砧木切口对接，由套管处理单元输送切割，展开套管夹持固定嫁接苗，完成嫁接循环。 嫁接执行器安装在4轴机械臂的前端，利用4轴机械臂可以实现嫁接执行器的快速移动和精确定位。
图10 Graft 1200自动嫁接机
图11人工穗上苗
Graft 1200自动嫁接机售价约为150万元人民币，为了降低生产成本，ISO公司开发出了一种Graft 1100半自动嫁接机，用于砧木和接穗单株人工出苗，生产效率达1000株/h，嫁接成功率98%，如图12所示接穗苗采用单臂旋转夹苗手握，旋臂180将接穗苗从上苗站运到嫁接去苗站，在上苗过程中人工调整接穗高度。 如图13所示； 砧木供苗采用12个握柄供苗旋转台，将砧木土坨人工置入旋转台定位台，旋转台间歇旋转，每次为嫁接去苗站提供一株砧木。 如图14所示； 嫁接驱动器位于砧木与接穗供苗单元之间，可以进行接穗夹持切割并运送到砧木取苗站同步夹持砧穗，通过切削机构完成砧穗同步切割。 嫁接驱动器对接砧接穗后，套管处理单元的输出套筒如图15所示固定嫁接苗。 套管处理单元可以固定尺寸输送和切割成卷的套管，自动完成套管的展开和苗的嫁接夹持。
图12 Graft 1100自动嫁接机
图13切穗夹持输送机构
图14砧木供苗转盘
图15嫁接驱动器和上夹紧机构
