國外蔬菜嫁接機器人研究動態

                            --引自《溫室園藝》

【摘要】 蔬菜嫁接機器人是工廠化育苗發展的迫切需要和必然趨勢,被公認為是能夠最先投入實際生產應用的設施園藝機器人。本文概述了國外蔬菜嫁接機器人的研究動態和應用現狀,通過分析不同類型嫁接機器人的技術特點、工作原理和性能參數,總結了國外嫁接機器人的應用難點和制約因素,分析了嫁接機器人未來的發展方向,為中國育苗企業和研發機構開發和使用嫁接機器人提供技術參考和借鑒思路。


1 引言

球蔬菜集約化種植引發的連作障礙和病蟲害問題十分嚴重,一旦種植作物染病將造成減產甚至絕收。由于作物抗病品種選育周期長且過程復雜,特效農藥研制難度較大且污染環境和農作物,實行大面積輪作更加不現實。當前,蔬菜種苗嫁接技術成為解決連作障礙問題的綠色、生態、可持續性重要措施,在世界范圍內得到廣泛應用。據測算,嫁接作業占蔬菜種苗生產全過程用工量的20%~30%,屬于勞動密集型工種,對精細化作業和時間節點要求非常高。

近20年,國外蔬菜工廠化育苗發展迅速,育 苗產業的工業化發展思維基本成型,在穴盤精量播種、種苗分選移植、水肥一體化管理、精準施藥等環節已經實現了自動化和智能化作業。而人工嫁接仍是國內外育苗企業普遍采用的生產方式,說明機械自動化嫁接的難度確實很大。許多國家都面臨農村人口老齡化加劇、人工成本逐年攀升的雙重壓力,農業機器人研究作為解決該問題的突破口,一直是農業領域的研究熱點。嫁接機器人是現代機器人和自動化技術在農業領域中的集成創新,融合了機械、電子、計算機、智能控制、園藝等多領域交叉學科的技術知識。嫁接機器人在解決用工短缺、提高種苗生產質量和效率、保障嫁接生產的時效性等方面具有重要意義,其市場需求潛力巨大,應用前景非常廣闊。

自20世紀80年代初,日本農村人口老齡化問題凸顯,農機企業及科研單位積極開展自動嫁接技術攻關,以日本井關、洋馬、三菱等大型農機公司為主。到90 年代末達到第一個發展高峰,出現了一批嫁接機器人樣機產品,以日本井關公司研制的嫁接機器人最具代表性。隨后,韓國、荷蘭、意大利、西班牙等設施農業發達國家也開始嫁接機器人技術的研究,相繼開發出基于不同類型固定物的商品化嫁接機器人,其中荷蘭 ISO公司的技術較為先進。


2 國外研究現狀

      由于國外研制嫁接機器人的嫁接方法、工作原理和技術特點各不相同,下面按照國別分別詳細闡述相關產品技術信息和應用現狀。


日本嫁接機器人

日本是嫁接機器人技術研究的起源地,其設施園藝機器人技術處于國際領先水平,顯著特點在于科研單位與農機企業的密切合作,能夠將先進的技術成果迅速轉化。貼接法嫁接能夠精準控制秧苗切口角度和對接貼合精度,嫁接切口質量更加標準,適合工廠化育苗生產,成為國內外機械嫁接技術研究的發展方向。


2011年,日本井關公司與生研機構聯合推出了型號為GRF800-U 的瓜類全自動嫁接機,如圖1所示。該機適用于瓜類作物,以節省人工為研發目標,開發出基于穴盤苗的自動上苗裝置代替人工上苗作業,具有穴盤內缺苗自動檢測功能,僅需一人供給穴盤上苗,生產效率 可達800株/h,嫁接成功率為95%。利用末端上苗執行機構對穴盤內秧苗進行扶苗、切斷與柔性夾持,然后利用直線移動平臺將末端上苗執行機構和秧苗輸送至上苗工位;根據砧木子葉生長特點研究了子葉碰撞調向方法和調向執行機構,在秧苗搬運過程中完成砧木子葉的方向調整,以及將秧苗送入上苗定位機構。該機沿用原來的GRF803-U 型半自動嫁接機的核心嫁接執行部件(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內進行愈合管理。自動上苗裝置的出現使單株作業類型嫁接機的生產效率提高了一倍,將節省人工做到極致,但嫁接苗回栽環節仍需人力。


可以看出嫁接不是單一化作業,是多環節復雜的系統工程,需要全面加以研究。


日本洋馬公司與生研機構聯合推出的AG1000型嫁接機是茄類全自動嫁接的代表機型,如圖3 所示,它的技術特點是多株同步嫁接,砧木和接穗均采用穴盤方式上苗作業,需一人上機供給穴盤,生產效率可達1000株/h,嫁接成功率為97%。該機結構相對龐大,機架上設有3條輸送帶,用于完成砧木、接穗和嫁接苗的穴盤輸送,秧苗夾持、切削和對接上夾環節均是6株同步作業。作業時,砧木和接穗輸送帶將穴盤精準輸送至上苗工位,夾持機構分別將砧木和接穗夾持并提升至切削工位,砧木和接穗切削機構分別對砧穗莖稈進行夾持定位和切削作業;然后,搬運機構將切削好的砧木和接穗搬運至對接工位,將砧木和接穗切口精準對接,自動上夾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、砧木夾持手下行將嫁接苗放入新穴盤內完成回栽作業。該機單次作業可完成 6株嫁接苗,對砧 木和接穗的嫁接匹配度要求很高,嫁接質量受秧苗的株高和莖粗影響很大,因當時育苗技術水平尚未實現標準化,該產品問世以后在日本全國僅銷售4臺,說明全自動嫁接機的研發難度很大。


基于營養缽的嫁接育苗模式,日本三菱公司為日本農業協同組織聯合會(JA)定制開發出型號為 MGM600 的半自動嫁接機,適用于茄類作物,生產效率可達600株/h,嫁接成功率為95%,如圖4所示。由于營養缽苗比穴盤苗的單株重量大,人工上苗勞動強度大且不方便,因此,開發了砧木和接穗的帶式單列缽苗輸送上苗裝置,可將缽苗精準輸送至上苗工位。


接穗完成切削后由夾持搬運機構將其搬運至砧木上方進行對接,通過硅膠夾固定嫁接苗切口,自動輸出嫁接苗和接穗營養缽廢料。營養缽嫁接育苗模式在機器上運輸工作量大,且砧木和接穗匹配度要求高,現階段穴盤標準化育苗基本取代了營養缽育苗方式。


上述日本研制的嫁接機自動化程度非常高,系統結構相對復雜,價格昂貴,全自動嫁接機售價達到100萬元人民幣以上,用戶難以接受,并且該嫁接機對秧苗的標準化要求很高,推廣應用難度很大,因此,至今尚未實現真正意義上的商品化和實用化。日本一些企業和研究所意識到全球育苗市場對嫁接設備的需求程度日漸高漲,又重新投入到新型嫁接機器人的研發當中,預計在3~5年內將出現一批全新嫁接機器人產品。


韓國嫁接機器人

韓國對蔬菜自動嫁接技術的研究稍晚于日本,HelperRobotech公司從韓國農村振興廳獲得自動嫁接系統技術轉讓,并形成商業化的產品,推出型號為 AFGR-800CS 的超精密嫁接機器人系統,生產效率可達800株/h,嫁接成功率為95%,2013 年被韓國政府指定為世界級產品。

如圖5所示。與國外其他嫁接設備不同,該機適用于西瓜、黃瓜、甜瓜等葫蘆科和番茄、茄子、辣椒等茄科作物。

此外,該公司開發出一套秧苗切面信息實時獲取系統,如圖6所示。該系統可對砧木和接穗的橫切面進行實時拍攝,找到橫切面的中心線,誤差小于1/100mm,保證嫁接切口對位精度。利用機器視覺攝像機實時獲取每株秧苗的 切面圖像。

確定出苗莖橫切面偏離設定中心線的程度,通過圖像處理進行精密計算,使切口表面可以完全對接貼合而沒有任何誤差。通過攝像 機進行實時觀察并顯示在監視器上,標識出對接切口上下位置偏差值及基準中心線的偏差值,即使莖稈彎曲的秧苗也可使其中心基準線精確對位。該機需2人上機操作,夾持、切削、對接和上夾作業均自動完成,通過輸送帶將嫁接苗排出。韓國Ideal System 公司開發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嫁接機,生產效率可達1200株/h,嫁接成功率為95%(圖7)。該機采用穴盤上苗模式,每個作業循環可完成5株嫁接苗,機架上設有砧木和接穗穴盤輸送機。作業時,砧木輸送機將砧木穴盤輸送至切削定位導向板內,切削氣缸帶動切刀水平快速移動,可將一行砧木苗莖稈全部橫向切斷,砧木穴盤繼續被向前輸送至插針工位,砧木插針機構先排出5根陶瓷針并向下移動將陶瓷針插入砧木莖中一段距離。與此同時,接穗穴盤輸送機將接穗穴盤輸送至夾持工位中,2根攏苗桿伸出將5株接穗莖稈水平方向定位。隨后,具有攏苗對中結構的夾持機構對接穗夾持固定,切削機構完成接穗莖稈橫向切削。最后,接穗夾持機構水平移動至砧木苗上方,下行將陶瓷針上部插入接穗莖內,使得砧木和接穗切面緊密貼合,完成嫁接作業,砧木輸送機輸出一行嫁接苗,以此類推,完成整盤嫁接苗作業。平接法嫁接對秧苗標準化程度要求很高,嫁接苗切面對接貼合的緊密度和穩定性難以保證,苗莖尺寸要保證基本一致,該機在實際生產中尚未得到驗證。

荷蘭嫁接機器人

荷蘭設施園藝自動化生產裝備技術世界領先。ISOGroup公司從2006年開始研究嫁接機技術,可嫁接番茄、辣椒和茄子,利用天然橡膠管固定嫁接苗。2007年開發出Graft1000全自動嫁接機,生產效率可達1000株 /h,嫁接成功率為99%,如圖8所示。該機設有秧苗信息圖像識別系統和秧苗輸送系統,利用輸送系統將穴盤中秧苗取出并單向輸送排列,通過圖像采集相機精準獲取秧苗子葉和莖部參數,為切削機構提供切削 基準,并實現砧木和接穗匹配嫁接選擇。

橡膠套管為三角耳結構,利用特制的套管夾持撐開部件將套管撐開(圖 9),將切削好的砧木和接穗上下對接插入套管內,完成一個嫁接循環。 該機將圖像識別技術應用于秧苗信息獲 取實現匹配嫁接,技術先進性不言而喻,可以為實現秧苗標準化處理提供技術參考。

由于天然橡膠受基礎材料偏差和環境偏差影響導致降解不穩定,2010年ISO Group公司開始停止使用天然橡膠套管,開發出一種單側開口的硅膠套管夾,簡化了自動上夾機構,研制出 Graft 1200自動嫁接機,生產效率可達1050 株 /h,嫁接成功率為99%,如圖10所示。砧木苗盤通過苗莖切削機進行斷莖處理,然后將砧木整盤推送至上苗工位,人工將接穗從穴盤中取出放置于供苗轉臺上,轉臺上設有 12 個柔性夾苗手爪,且機架上設有激光發射器,通過激光發射器在夾苗手爪上的投影位置來確定上苗高度。

如圖11所示。嫁接作業時,首先通過頂苗機構將一行砧木苗從穴盤中頂出,嫁接執行機構將一株接穗從供苗轉臺上取下與一株砧木同時抓取定位,切削機構完成砧穗同步切削作業,保證切削角度一致性。

嫁接執行機構將接穗和砧木切口對接,套管處理單元輸送并切斷一段套管,后將套管撐開夾持固定住嫁接苗,完成一次嫁接循環。嫁接執行機構安裝于四軸機械臂末端,利用四軸機械臂可以實現嫁接執行機構的快速移動和精準定位。

Graft1200自動嫁接機售價約150萬元人民幣,為降低生產成本,ISO公司開發出砧木和接穗單株人工上苗的Graft1000半自動嫁接機,生產效率可達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夾苗手爪,旋轉臂旋轉180°將接穗苗從上苗工位搬運至嫁接取苗工位,在上苗過程中人工調整接穗高度,如圖13所示;砧木供苗采用具有12個夾持手的供苗轉臺,人工將砧木土坨放入轉臺的定位座內,轉臺可間歇旋轉,為嫁接取苗工位每次提供一株砧木,如圖14所示;嫁接執行機構位于砧木和接穗供苗單元之間,可將接穗夾持切斷并搬運至砧木取苗工位,再將砧穗同步夾持,利用切削機構完成砧穗同步切斷,待嫁接執行機構將砧穗切口對接后,套管處理單元輸出套管固定住嫁接苗,如圖15所示。套管處理單元能夠將呈卷狀的套管定距輸送與切斷,并自動完成套管撐開和嫁接苗夾持。

意大利 TEA Project 公司基于一種特殊膠粘劑開發出GRAFT 1000自動嫁接機,如圖16所示。這種膠粘劑是Henkel公司研發的專利產品,用來快速粘合切口而不改變莖稈內部結構,被稱為嫁接領域的一場革命性技術。粘合劑的型號為 Loctite 4309,專門用于嫁接苗莖稈對接的粘合,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。        

該機需二人上機作業,生產效率可達1000 株/h,一個嫁接循環時間約為 4 s,分為6個階段,利用轉盤工作臺將每株嫁接苗帶入不同工作站。在轉盤工作臺一側設有砧木和接穗的切削單元,用于完成秧苗的切斷工作。創新設計出負壓吸附定位模塊,具有兩路獨立的吸附系統,將砧木和接穗切口對接后柔性固定莖部,為噴膠工序做準備。

如圖18所示。作業過程如下,第一步:踩下機器腳踏開關,砧木苗莖切斷后放入定位模塊的對接槽內,并吸附固定。第二步:踩下第二個機器腳踏開關,接穗苗莖切斷后放入定位模塊的對接槽內與砧木切口對接,并吸附固定。第三步:嫁接苗移動至粘合劑分配器下,檢測到嫁接苗后分配器精準噴出粘合劑。第四步:上部霧化噴閥噴出霧化水與下部吸氣系統相結合,將粘合劑 360°均勻分布圍繞在嫁接苗切口周圍完成密封。第五步:利用兩個紫外線光源燈使粘合劑迅速變干而硬化,同時啟動霧化水降溫。第六步:機械臂將嫁接苗取出放入穴盤內,如圖 19 所示。據筆者咨詢了解到,該機尚未實現商品化,所使用的粘合劑無法找到供應商,可能是粘合劑研發成本過高限制了推廣應用,TEA 公司已不再繼續研究。但粘合劑無毒、可降解的技術特性,對保護種生態環境的確是非常好的技術創新,值得學習借鑒來繼續研發新型環保材料。

西班牙嫁接機:

西班牙Conic System公司開發出一種硅膠夾,并研制出型號為EMP300的單人作業半自動嫁接機,生產效率300~400株 /h,嫁接成功率為 98%,如圖20所示。砧木和接穗的夾持切削與對接機構結構相同且對稱布局安裝,能夠保證切削角度一致性和切口對接精準性。開發出卷狀硅膠夾自動供給單元,具有硅膠夾定長輸送與切斷以及自動上夾功能,如圖 21所示。作業時,人工將砧木和接穗分別放入定位槽內,踩下機器踏板,夾持手爪下壓固定住砧穗苗莖,切刀伸出將砧穗苗莖切斷;對接機構伸出使砧木和接穗切口對接貼合,上夾機構輸出硅膠夾將嫁接苗固定;取苗手爪在機械臂帶動下將嫁接苗取出并搬運放置于輸送帶上,人工取下嫁接苗并放回穴盤內。該機操作簡單,但效率不高,僅適用于小型育苗企業。        

        


3 存在問題和發展方向

存在問題


蔬菜嫁接機器人從出現至今已有30多年的歷史,但目前仍未形成可商業化的成熟產品。大部分研究仍處于試驗或樣機階段,所表現出來的應用缺點比較明顯,包括以下幾個方面。(1)作業效率低。機器嫁接一般要完成夾持、搬運、切削、對接和上夾作業,每個節拍動作不可缺少,生產效率600~1200株 /h, 至少需要2人操作,與純人工作業相比效率提升不顯著,育苗企業無法接受機器換人。(2)生產制造成本高。嫁接機器人是自動化技術及設備的系統集成和創新,結構和控制系統復雜,國外各類型嫁接機器人售價約35~150萬元人民幣,在中國市場推廣難度很大。(3)生產模式不匹配。國外嫁接機器人是基于國外育苗企業生產模式開發的,育苗使用的穴盤、基質、種植品種以及培育方法與我國育苗企業的生產模式均有所不同,機器直接拿來應用完全行不通,若改變傳統育苗生產模式又需要投入大量資金。上述問題也是我國蔬菜嫁接機器人尚未大面積推廣應用的主要原因。


發展方向

制約嫁接機器人發展的因素是多方面的,在中國從生產模式和嫁接方法上做到統一難度極大,發展嫁接機器人必須要結合國情研究出一條適合的生產模式,這是嫁接機器人實現應用的前提條件。嫁接機器人研究尚有很多關鍵技術亟待解決,也是未來的發展方向,具體表現在以下幾個方面。


(1)機械嫁接標準苗生產體系的建立。秧苗培育的標準化是實現自動化嫁接的關鍵,通過標準化生產體系培育出適合機械嫁接的標準苗,需要對作物培育方法和環境調控等方面進行大量試驗與總結,是農機農藝深度融合的集中體現。


(2)柔性上苗執行器。蔬菜幼苗的莖葉細小柔嫩,嫁接過程中的秧苗損傷將影響愈合效率和成活質量,對秧苗的柔性處理是機器人作業的基礎,要保證秧苗柔性安全作業;另外,柔性上苗執行器可代替人工上 苗,成倍提高機器人生產效率,實現減工降本。


(3)構建自動化嫁接配套生產系統。嫁接不是單一化作業,在嫁接前后環節都需要輔助配套設備,實現嫁接一體化作業,例如瓜類砧木定向播種、秧苗匹配嫁接智能檢測、嫁接苗自動回栽,以及溫室物流等配套系統開發,都是構建自動化配套嫁接生產系統的重要內容。


4 總結與分析

國外研究機構對嫁接機技術研究較早,產學研結合非常密切,并且企業參與研發較多,因此,技術成果轉化很快,開發出多種類型的商品化蔬菜嫁接機器人。嫁接機器人的應用需要育苗各環節技術和裝備配套,國外設施園藝發達國家的生產模式完備且配套設施設備齊全,另外,國外嫁接育苗品種單一,育苗設施均具備環境精準調控功能,易于實現機械嫁接標準苗培育,具備了嫁接機器人的應用條件。但嫁接機器人系統結構復雜,屬于工業化高技術產品且價格昂貴,只有少數的大型育苗工廠有實力購買和使用。


反觀中國現階段育苗行業設施設備配套情況,以及果蔬產品價格較低的現狀,構建完整的生產模式需要投入大量資金,育苗企業難以承受。但是面對勞動力老齡化、用工短缺、甚至無人可用等社會難題,育苗企業對嫁接機器人的需求極為迫切,也表現出對新技術、新生產模式的渴望。


國外嫁接機器人技術固然先進,但未必適合我國實際育苗生產,究其原因主要是生產模式和育苗技術的差異化。中國嫁接機器人技術研究要結合國情,從育苗生產模式入手,完善并建立一套適合工廠化嫁接的生產模式,尚需要較長發展過程,要正視育苗行業發展現狀。  


因此,中國嫁接機器人技術研究要從簡入繁逐步推進,機器換人是終極目標,人機協作是必經之路,輕簡省力化是當務之急,要緊密結合國情敢于創新,確保嫁接裝備高技術與實用化協同發展,解決育苗產業多年無機可用的瓶頸問題。


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