溫室種苗生產(chǎn)機(jī)械化補(bǔ)苗技術(shù)*

穴盤(pán)育苗技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于蔬菜、花卉的生產(chǎn)?？昭ɑ驂拿巛^多的穴盤(pán)苗不利于成品苗的出售或后續(xù)機(jī)械化移栽，因此出苗前要嚴(yán)格控制穴盤(pán)種苗品質(zhì)。

歐洲針對(duì)穴盤(pán)種苗出現(xiàn)壞苗、空穴，一般采用兩種方式保證穴盤(pán)苗的品質(zhì)，一種是分級(jí)，先將所有穴盤(pán)苗取出，然后通過(guò)機(jī)械手抓取放入轉(zhuǎn)運(yùn)杯中，轉(zhuǎn)運(yùn)杯運(yùn)動(dòng)至機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室，在檢測(cè)室內(nèi)相機(jī)通過(guò)苗的側(cè)視圖判別每一個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)杯中種苗的級(jí)別，再依據(jù)判定的級(jí)別，通過(guò)再將每個(gè)苗依次移到對(duì)應(yīng)級(jí)別穴盤(pán)中，不合格的種苗直接丟棄；第二種是剔苗后進(jìn)行補(bǔ)苗，首先穴盤(pán)苗進(jìn)入機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室，通過(guò)穴盤(pán)苗正上方的機(jī)器視覺(jué)相機(jī)拍攝穴盤(pán)苗的俯視圖，判別整盤(pán)中哪個(gè)穴孔位置有不合格種苗或是空穴，將不合格位置坐標(biāo)傳給控制器，穴盤(pán)進(jìn)入剔苗區(qū)，通過(guò)氣流將不合格位置的基質(zhì)或不合格的種苗吹出，再通過(guò)機(jī)械手用合格苗補(bǔ)齊穴盤(pán)的空穴。荷蘭Visser 公司、Flier 公司、TTA 公司、以及意大利等都開(kāi)發(fā)了以上分級(jí)或補(bǔ)苗裝備[1]。在國(guó)內(nèi)，尋真福[2]采用光敏傳感器對(duì)穴盤(pán)苗的缺苗信息進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)計(jì)了一種穴盤(pán)苗檢測(cè)與補(bǔ)苗裝置。金鑫[3]通過(guò)機(jī)器視覺(jué)對(duì)穴盤(pán)苗莖稈進(jìn)行判別，判斷穴盤(pán)穴孔是否有苗；梁喜鳳[4]等針對(duì)子葉期蔬菜穴盤(pán)苗研制了一種包裹式補(bǔ)苗末端執(zhí)行器；丁煜華[5]基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款針對(duì)穴盤(pán)苗的剔補(bǔ)試驗(yàn)樣機(jī)。另外，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)也針對(duì)葉片遮擋穴盤(pán)苗品質(zhì)檢測(cè)和補(bǔ)苗作業(yè)進(jìn)行了相關(guān)研究[6]。

常見(jiàn)補(bǔ)苗技術(shù)

穴盤(pán)苗剔苗-補(bǔ)苗機(jī)

荷蘭Visser 公司較早開(kāi)始開(kāi)發(fā)穴盤(pán)苗的補(bǔ)苗機(jī)械，圖1 為依靠?jī)蓚€(gè)機(jī)械手進(jìn)行剔苗和補(bǔ)苗作業(yè)的裝備。作業(yè)時(shí)兩盤(pán)穴盤(pán)苗分別通過(guò)各自的輸送帶送入機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室（圖1a），視覺(jué)相機(jī)通過(guò)拍攝各穴盤(pán)俯視圖像，判斷各穴內(nèi)苗的品質(zhì)是否合格，接著將各穴苗的信息傳遞給兩個(gè)機(jī)械手。如圖1b 所示，進(jìn)入機(jī)器的兩列穴盤(pán)分別為右列待補(bǔ)苗穴盤(pán)、左列供合格苗盤(pán)，在兩機(jī)械手接到穴盤(pán)內(nèi)各穴的苗質(zhì)量信息后，右側(cè)剔苗機(jī)械手將右列穴盤(pán)不合格苗穴的基質(zhì)塊撿拾并剔除，同時(shí)左側(cè)補(bǔ)苗機(jī)械手在左列穴盤(pán)中撿拾出一合格苗，補(bǔ)入剔苗機(jī)械手剛移空的右列穴盤(pán)的空穴位。以此類推兩個(gè)機(jī)械手循環(huán)動(dòng)作完成穴盤(pán)的不合格苗剔除和合格苗補(bǔ)苗作業(yè)。

圖1 荷蘭Visser 穴盤(pán)苗剔苗-補(bǔ)苗機(jī)

荷蘭TTA 公司是穴盤(pán)種苗移植機(jī)專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，擁有多款產(chǎn)品。圖2 所示為穴盤(pán)苗剔苗-補(bǔ)苗機(jī)，作業(yè)時(shí)，穴盤(pán)首先進(jìn)入機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室判斷穴盤(pán)苗是否合格（圖2a），然后離開(kāi)檢測(cè)室采用氣力將穴盤(pán)不合格穴位剔除（圖2b），最后一個(gè)環(huán)節(jié)是由一列機(jī)械手撿拾另一穴盤(pán)里合格的苗，補(bǔ)齊剔除的穴盤(pán)空穴位（圖2c）。

圖2 荷蘭TTA 穴盤(pán)苗剔苗-補(bǔ)苗機(jī)

荷蘭Flier Systems 公司開(kāi)發(fā)出一小型穴盤(pán)剔苗機(jī)，如圖3。穴盤(pán)剔苗機(jī)主要由穴盤(pán)輸送線、機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和氣力剔除裝置構(gòu)成（圖3a），該機(jī)只對(duì)穴盤(pán)內(nèi)存在的不合格壞苗進(jìn)行剔除。作業(yè)時(shí)，首先將待剔除穴盤(pán)放入穴盤(pán)剔苗機(jī)的穴盤(pán)輸送線上（圖3b），穴盤(pán)自動(dòng)被送入機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)下方，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)將通過(guò)內(nèi)部數(shù)字相機(jī)拍攝的俯視圖像確定穴盤(pán)內(nèi)不合格苗穴的位置，將相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)控制系統(tǒng)傳給氣力剔除裝置，氣力剔除裝置根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)傳遞的不合格苗穴的位置信息，逐行通過(guò)氣力將穴盤(pán)各行中不合格苗穴位置的基質(zhì)連同不合格苗一同吹出（圖3c），根據(jù)穴盤(pán)規(guī)格的相應(yīng)變化，氣力剔除裝置的結(jié)構(gòu)尺寸可進(jìn)行相應(yīng)更換。

圖3 荷蘭Flier Systems 穴盤(pán)苗剔苗機(jī)

圖4 為荷蘭Flyer Systems 公司的小型可移動(dòng)式穴盤(pán)補(bǔ)苗機(jī)，主要由兩條輸送線、雙機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和5 個(gè)移栽機(jī)械手構(gòu)成。補(bǔ)苗作業(yè)時(shí)，補(bǔ)苗穴盤(pán)進(jìn)入補(bǔ)苗機(jī)后，穴盤(pán)被分成兩路，一路是補(bǔ)苗輸送線，輸出的是需補(bǔ)齊苗的穴盤(pán)，另一路是供苗輸送線，穴盤(pán)內(nèi)的苗作為補(bǔ)充合格苗使用，兩條輸送線均通過(guò)機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行缺苗分析，3 個(gè)機(jī)械手將補(bǔ)苗輸送線上穴盤(pán)內(nèi)的壞苗剔除干凈，另外2 個(gè)機(jī)械手將供苗輸送線上穴盤(pán)內(nèi)的合格苗移栽到前3 個(gè)機(jī)械手剔除的空穴內(nèi)，補(bǔ)苗輸送線輸送的是需要補(bǔ)齊苗的穴盤(pán)，供苗輸送線輸送的是提供補(bǔ)苗用合格苗的穴盤(pán)。

圖4 荷蘭Flier Systems 穴盤(pán)苗補(bǔ)苗機(jī)

穴盤(pán)苗分級(jí)-移栽機(jī)

圖5 為荷蘭Visser 公司的穴盤(pán)苗分級(jí)機(jī)，在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)室內(nèi)，首先將待分級(jí)穴盤(pán)苗的一列苗頂出，視覺(jué)相機(jī)拍攝苗的側(cè)視圖像（圖5a），繼而判斷每個(gè)苗的品質(zhì)是否合格，接著將信息傳遞給一列機(jī)械手，這列機(jī)械手將頂出的這列苗全部撿拾，依據(jù)分級(jí)信息，分成三級(jí)分別放入各自輸送帶的穴盤(pán)內(nèi)（圖5b），不合格苗丟棄。

圖5 荷蘭Visser 穴盤(pán)苗分級(jí)機(jī)

圖6 為荷蘭Visser 公司的穴盤(pán)苗分級(jí)移植機(jī)，其與傳統(tǒng)移植機(jī)不同點(diǎn)是被移植苗是檢測(cè)過(guò)的，不合格的苗被剔除丟棄。作業(yè)時(shí)，移植機(jī)械手將被移植苗提起，通過(guò)視覺(jué)相機(jī)拍攝側(cè)視圖像并判斷其是否合格后，將合格苗由密植穴盤(pán)移入稀植穴盤(pán)，不合格的苗丟棄。

圖6 荷蘭Visser 穴盤(pán)苗分級(jí)移植機(jī)

圖7 為荷蘭Flyer Systems 公司的一款基于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的穴盤(pán)苗快速分級(jí)系統(tǒng)，其基本原理是利用機(jī)械手將穴盤(pán)內(nèi)的種苗全部取出放置于可快速移動(dòng)的轉(zhuǎn)運(yùn)杯內(nèi)（圖7a），這些轉(zhuǎn)運(yùn)杯在自動(dòng)輸送系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下快速進(jìn)入機(jī)器視覺(jué)識(shí)別分級(jí)系統(tǒng)，依次采集轉(zhuǎn)運(yùn)杯內(nèi)的種苗側(cè)視圖像（圖7b），采集的圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)分析處理后可獲得每株種苗的植株高度、葉冠面積、莖粗和顏色等參數(shù)（圖7c），根據(jù)客戶的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求，計(jì)算機(jī)可對(duì)這些轉(zhuǎn)運(yùn)杯內(nèi)的種苗進(jìn)行分級(jí)，并分別送入不同的等級(jí)軌道內(nèi)（圖7d），再通過(guò)另一套機(jī)械手將轉(zhuǎn)運(yùn)杯內(nèi)分好等級(jí)的幼苗分別抓取放到不同等級(jí)的穴盤(pán)內(nèi)輸出（圖7e）。用后轉(zhuǎn)運(yùn)杯經(jīng)清洗，可再次循環(huán)使用（圖7f）。

圖7 荷蘭Flier Systems 種苗苗分級(jí)系統(tǒng)

圖8 是荷蘭TTA 公司的穴盤(pán)苗分級(jí)移植機(jī)，作業(yè)時(shí)一列機(jī)械手將穴盤(pán)中的一整列苗全部撿拾取出，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)苗的側(cè)視圖像判斷其級(jí)別、是否合格，機(jī)械手得到這些苗的品質(zhì)信息后，將苗按照大、小兩個(gè)級(jí)別移入不同稀植穴盤(pán)，不合格的苗丟棄。圖9 是一穴盤(pán)合格苗移植機(jī)，該機(jī)器在傳統(tǒng)穴盤(pán)苗移植機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)了穴盤(pán)苗機(jī)器視覺(jué)品質(zhì)檢測(cè)裝置，不對(duì)苗進(jìn)行分級(jí)，僅作合格與不合格判斷，合格苗移入稀植穴盤(pán)，不合格苗丟棄。

圖8 荷蘭TTA 穴盤(pán)苗分級(jí)移植機(jī)

圖9 荷蘭TTA 穴盤(pán)合格苗移植機(jī)

意大利Techmek 穴盤(pán)苗分級(jí)系統(tǒng)（圖10）與荷蘭Flier Systems 穴盤(pán)苗分級(jí)系統(tǒng)相比，工作原理基本相同，只是在通過(guò)機(jī)器視覺(jué)分級(jí)分析后的處理有所不同，F(xiàn)lier Systems 系統(tǒng)采用把不同級(jí)別苗集中分類、集中放回穴盤(pán)的作業(yè)方式，而Techmek系統(tǒng)對(duì)分完級(jí)別的苗不歸類，直接采用可快速動(dòng)作的并聯(lián)機(jī)械手臂帶動(dòng)苗夾持手快速將苗依次分別放入不同級(jí)別的穴盤(pán)內(nèi)（圖10d）。另外，Techmek 獨(dú)創(chuàng)了具有4 個(gè)開(kāi)口的運(yùn)載杯，便于種苗移栽爪由運(yùn)載杯抓取基質(zhì)塊送入相應(yīng)級(jí)別的穴盤(pán)中，其系統(tǒng)成本比Flier Systems 系統(tǒng)低。Techmek 種苗分級(jí)系統(tǒng)根據(jù)植物的大小有所差異，種苗最多可分級(jí)數(shù)為4，廢苗直接送入垃圾箱丟棄。

圖10 意大利Techmek 穴盤(pán)苗分級(jí)系統(tǒng)

總結(jié)

穴盤(pán)補(bǔ)苗技術(shù)目前以歐洲技術(shù)為主，國(guó)內(nèi)雖然開(kāi)展了研究，但是還沒(méi)有成型產(chǎn)品面市。對(duì)出售前穴盤(pán)成苗進(jìn)行補(bǔ)苗的目的是為了保證客戶拿到的種苗品質(zhì)均一，進(jìn)而確保種苗種植企業(yè)的預(yù)期售價(jià)。穴盤(pán)苗分級(jí)是在培育生產(chǎn)中進(jìn)行的，以求達(dá)到不同的苗有各自的出苗期，大苗先出貨，小苗后出貨；穴盤(pán)苗補(bǔ)苗是在出貨前剔除不合格的苗，如果前期沒(méi)有分級(jí)，有可能會(huì)剔除一批較小的苗丟棄，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。生產(chǎn)中是采用分級(jí)，還是采用補(bǔ)苗要依據(jù)企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、經(jīng)濟(jì)實(shí)力而定，一般分級(jí)模式多用于生產(chǎn)規(guī)模較大的企業(yè)，因?yàn)榉旨?jí)設(shè)備比補(bǔ)苗設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)較高。種子品質(zhì)與栽培水平也決定了作業(yè)方式，如果培育的穴盤(pán)苗出貨時(shí)的品質(zhì)均一性較好，不合格苗占比較小，那么，采用補(bǔ)苗形式就可以。另外，補(bǔ)苗方式的選擇涉及多方面的因素，如穴盤(pán)的材料與類型、種苗的形態(tài)與出苗大小、種苗葉片的遮擋程度、栽培基質(zhì)的類型等，不是選購(gòu)一款現(xiàn)有機(jī)器就可以解決的，這需要種植企業(yè)與補(bǔ)苗裝備生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)溝通才可保證栽培技術(shù)與補(bǔ)苗裝備作業(yè)能力相匹配。