国外蔬菜嫁接机器人研究动态.pdf

温室园艺 2020 02 9 嫁接技术 本 划 期 Special Planning 温室园艺 2020 02 10 本 期 策 划 Special Planning 嫁接技术 国外蔬菜嫁接机器人研究动态 DOI 10 16815 ki 11 5436 s 2020 04 001 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 被公认为是能够最先投入实际生 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 为中国育苗企业和研发机构开发和使用嫁接机器人提供技术参 考和借鉴思路 全球蔬菜集约化种植引 发的连作障碍和病虫害问题十 分严重 一旦种植作物染病将 造成减产甚至绝收 由于作物 抗病品种选育周期长且过程复 杂 特效农药研制难度较大且 污染环境和农作物 实行大面 积轮作更加不现实 当前 蔬 菜种苗嫁接技术成为解决连作 障碍问题的绿色 生态 可持 续性重要措施 在世界范围内 得到广泛应用 1 据测算 嫁 接作业占蔬菜种苗生产全过程 用工量的 20 30 属于劳 动密集型工种 对精细化作业 和时间节点要求非常高 2 近 20年 国外蔬菜工厂 化育苗发展迅速 育苗产业 的工业化发展思维基本成型 在穴盘精量播种 种苗分选移 植 水肥一体化管理 精准施 药等环节已经实现了自动化 和智能化作业 而人工嫁接仍 是国内外育苗企业普遍采用 的生产方式 说明机械自动化 嫁接的难度确实很大 许多国 家都面临农村人口老龄化加 剧 人工成本逐年攀升的双重 压力 农业机器人研究作为解 决该问题的突破口 一直是农 业领域的研究热点 3 嫁接 机器人是现代机器人和自动 化技术在农业领域中的集成 创新 融合了机械 电子 计 算机 智能控制 园艺等多领 域交叉学科的技术知识 嫁接 机器人在解决用工短缺 提高 种苗生产质量和效率 保障嫁 接生产的时效性等方面具有 重要意义 其市场需求潜力巨 大 应用前景非常广阔 4 自 20世纪 80年代初 日 本农村人口老龄化问题凸显 农机企业及科研单位积极开展 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 5 到 90年代末达到 第一个发展高峰 出现了一批 嫁接机器人样机产品 以日本 井关公司研制的嫁接机器人最 具代表性 随后 韩国 荷兰 意大利 西班牙等设施农业发 达国家也开始嫁接机器人技术 的研究 6 相继开发出基于不 同类型固定物的商品化嫁接机 器人 其中荷兰 ISO公司的技 术较为先进 引言 1 温室园艺 2020 02 11 农业工程技术 温室园艺 由于国外研制嫁接机器人的嫁接方法 工作原理和技术特点各不相同 下面按照国别 分别详细阐述相关产品技术信息和应用现状 日本是嫁接机器人技术研 究的起源地 其设施园艺机器 人技术处于国际领先水平 显 著特点在于科研单位与农机企 业的密切合作 能够将先进的 技术成果迅速转化 贴接法嫁 接能够精准控制秧苗切口角度 和对接贴合精度 嫁接切口质 量更加标准 适合工厂化育苗 生产 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 与生研机构联合推出了型号为 GRF800 U的瓜类全自动嫁接 机 7 如图 1所示 该机适用 于瓜类作物 以节省人工为研 发目标 开发出基于穴盘苗的 自动上苗装置代替人工上苗作 业 具有穴盘内缺苗自动检测 功能 仅需一人供给穴盘上苗 生产效率可达800株 h 嫁 接成功率为 95 利用末端上 苗执行机构对穴盘内秧苗进行 扶苗 切断与柔性夹持 然后 利用直线移动平台将末端上苗 执行机构和秧苗输送至上苗工 位 根据砧木子叶生长特点研 究了子叶碰撞调向方法和调向 型 如图 3所示 它的技术特 点是多株同步嫁接 砧木和接 穗均采用穴盘方式上苗作业 需一人上机供给穴盘 生产效 率可达 1000株 h 嫁接成功 率为 97 该机结构相对庞大 机架上设有 3条输送带 用于 完成砧木 接穗和嫁接苗的穴 盘输送 秧苗夹持 切削和对 接上夹环节均是 6株同步作业 作业时 砧木和接穗输送带将 穴盘精准输送至上苗工位 夹 持机构分别将砧木和接穗夹持 并提升至切削工位 砧木和接 穗切削机构分别对砧穗茎秆进 行夹持定位和切削作业 然后 搬运机构将切削好的砧木和接 穗搬运至对接工位 将砧木和 接穗切口精准对接 自动上夹 执行机构 在秧苗搬运过程中 完成砧木子叶的方向调整 以 及将秧苗送入上苗定位机构 该机沿用原来的 GRF803 U型 半自动嫁接机的核心嫁接执行 部件 图 2 采用瓜类砧木 断根贴接法 使用塑料夹固定 嫁接苗切口 需要人工将嫁接 苗回栽至穴盘内进行愈合管 理 自动上苗装置的出现使单 株作业类型嫁接机的生产效率 提高了一倍 将节省人工做到 极致 但嫁接苗回栽环节仍需 人力 可以看出嫁接不是单一 化作业 是多环节复杂的系统 工程 需要全面加以研究 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 国外研究现状 2 图 1 GRF800 U 全自动嫁接机 图 2 GRF803 U 半自动嫁接机 温室园艺 2020 02 12 本 期 策 划 Special Planning 嫁接技术 装置输出嫁接夹完成嫁接苗的 切口固定 最后 接穗夹持手 打开 砧木夹持手下行将嫁接 苗放入新穴盘内完成回栽作 业 该机单次作业可完成 6株 嫁接苗 对砧木和接穗的嫁接 匹配度要求很高 嫁接质量受 秧苗的株高和茎粗影响很大 因当时育苗技术水平尚未实现 标准化 该产品问世以后在日 本全国仅销售 4台 说明全自 动嫁接机的研发难度很大 基于营养钵的嫁接育苗模 式 日本三菱公司为日本农业 协同组织联合会 JA 定制开 发出型号为 MGM600的半自动 嫁接机 适用于茄类作物 生 产效率可达 600株 h 嫁接成 功率为 95 如图 4所示 由 于营养钵苗比穴盘苗的单株重 量大 人工上苗劳动强度大且 不方便 因此 开发了砧木和 接穗的带式单列钵苗输送上苗 装置 可将钵苗精准输送至上 苗工位 接穗完成切削后由夹 持搬运机构将其搬运至砧木上 韩国对蔬菜自动嫁接技 术的研究稍晚于日本 Helper Robotech公司从韩国农村振 兴厅获得自动嫁接系统技术转 让 并形成商业化的产品 推 出型号为 AFGR 800CS的超精 密嫁接机器人系统 8 生产效 率可达 800株 h 嫁接成功率 为 95 2013年被韩国政府指 定为世界级产品 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 甜瓜等 葫芦科和番茄 茄子 辣椒等 方进行对接 通过硅胶夹固定 嫁接苗切口 自动输出嫁接苗 和接穗营养钵废料 营养钵嫁 接育苗模式在机器上运输工作 量大 且砧木和接穗匹配度要 求高 现阶段穴盘标准化育苗 基本取代了营养钵育苗方式 上述日本研制的嫁接机自 动化程度非常高 系统结构相 对复杂 价格昂贵 全自动嫁 接机售价达到 100万元人民币 以上 用户难以接受 并且该 嫁接机对秧苗的标准化要求很 高 推广应用难度很大 因此 至今尚未实现真正意义上的商 品化和实用化 日本一些企业 和研究所意识到全球育苗市 场对嫁接设备的需求程度日 渐高涨 又重新投入到新型嫁 接机器人的研发当中 预计在 3 5年内将出现一批全新嫁接 机器人产品 图 3 AG1000 全自动嫁接机 图 4 MGM600 半自动嫁接机 茄科作物 此外 该公司开发 出一套秧苗切面信息实时获取 系统 如图 6所示 该系统可 对砧木和接穗的横切面进行实 时拍摄 找到横切面的中心线 误差小于1 100 mm 保证嫁 图 5 AFGR 800CS 超精密 嫁接机器人 图 6 秧苗切面信息实时获取系统 18 500 48 500 276 000 Stock Scion 401 000 366 000 L 18 5 R 48 5 371 000 温室园艺 2020 02 13 农业工程技术 温室园艺 接切口对位精度 利用机器视 觉摄像机实时获取每株秧苗 的切面图像 确定出苗茎横 切面偏离设定中心线的程度 通过图像处理进行精密计算 使切口表面可以完全对接贴 合而没有任何误差 通过摄 像机进行实时观察并显示在 监视器上 标识出对接切口上 下位置偏差值及基准中心线 的偏差值 即使茎秆弯曲的秧 苗也可使其中心基准线精确 对位 该机需 2人上机操作 夹持 切削 对接和上夹作业 均自动完成 通过输送带将嫁 接苗排出 韩国Ideal System公司开 发出一种横断面为五棱形状的 陶瓷针和茄果类平接嫁接方 法 并研制出平接法全自动嫁 接机 生产效率可达 1200株 h 机构水平移动至砧木苗上方 下行将陶瓷针上部插入接穗 茎内 使得砧木和接穗切面紧 密贴合 完成嫁接作业 砧木 输送机输出一行嫁接苗 以此 类推 完成整盘嫁接苗作业 平接法嫁接对秧苗标准化程 度要求很高 嫁接苗切面对接 贴合的紧密度和稳定性难以 保证 苗茎尺寸要保证基本一 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 荷兰设施园艺自动化生 产装备技术世界领先 9 ISO Group公司从 2006年开始研 究嫁接机技术 可嫁接番茄 辣椒和茄子 利用天然橡胶管 固定嫁接苗 2007年开发出 Graft1000全自动嫁接机 生 产效率可达 1000株 h 嫁接 成功率为 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 输送系统将穴盘中秧苗取出 并单向输送排列 通过图像 采集相机精准获取秧苗子叶 和茎部参数 为切削机构提 供切削基准 并实现砧木和 接穗匹配嫁接选择 橡胶套 管为三角耳结构 利用特制 的套管夹持撑开部件将套管 撑开 图 9 将切削好的砧 木和接穗上下对接插入套管 图 8 Graft 1000 全自动嫁接机 图 9 切口对接与自动上套管 嫁接成功率为 95 图 7 该机采用穴盘上苗模式 每个作业循环可完成 5株 嫁接苗 机架上设有砧木 和接穗穴盘输送机 作业 时 砧木输送机将砧木穴 盘输送至切削定位导向 板内 切削气缸带动切刀 水平快速移动 可将一行砧木 苗茎秆全部横向切断 砧木 穴盘继续被向前输送至插针工 位 砧木插针机构先排出 5根 陶瓷针并向下移动将陶瓷针插 入砧木茎中一段距离 与此同 时 接穗穴盘输送机将接穗穴 盘输送至夹持工位中 2根拢 苗杆伸出将 5株接穗茎秆水平 方向定位 随后 具有拢苗对 中结构的夹持机构对接穗夹 持固定 切削机构完成接穗茎 秆横向切削 最后 接穗夹持 温室园艺 2020 02 14 本 期 策 划 Special Planning 嫁接技术 内 完成一个嫁接循环 该 机将图像识别技术应用于秧 苗信息获取实现匹配嫁接 技术先进性不言而喻 可以 为实现秧苗标准化处理提供 技术参考 由于天然橡胶受基础材料 偏差和环境偏差影响导致降解 不稳定 2010年 ISO Group 公司开始停止使用天然橡胶 套管 开发出一种单侧开口的 硅胶套管夹 简化了自动上 夹机构 研制出Graft 1200 自动嫁接机 生产效率可达 1050株 h 嫁接成功率为 99 如图 10所示 砧木苗 盘通过苗茎切削机进行断茎 处理 然后将砧木整盘推送至 上苗工位 人工将接穗从穴盘 中取出放置于供苗转台上 转 台上设有 12个柔性夹苗手爪 且机架上设有激光发射器 通 过激光发射器在夹苗手爪上 的投影位置来确定上苗高度 如图 11所示 嫁接作业时 首先通过顶苗机构将一行砧 木苗从穴盘中顶出 嫁接执行 机构将一株接穗从供苗转台 上取下与一株砧木同时抓取 定位 切削机构完成砧穗同步 切削作业 保证切削角度一致 性 嫁接执行机构将接穗和 砧木切口对接 套管处理单 元输送并切断一段套管 后 将套管撑开夹持固定住嫁接 苗 完成一次嫁接循环 嫁 接执行机构安装于四轴机械 臂末端 利用四轴机械臂可 以实现嫁接执行机构的快速 移动和精准定位 Graft 1200自动嫁接机 售价约 150万元人民币 为 降低生产成本 ISO公司开发 出砧木和接穗单株人工上苗 的 Graft 1100半自动嫁接机 生产效率可达 1000株 h 嫁 接成功率为 98 如图 12所 示 接穗供苗采用单臂旋转夹 苗手爪 旋转臂旋转 180 将 接穗苗从上苗工位搬运至嫁 接取苗工位 在上苗过程中人 工调整接穗高度 如图 13所 示 砧木供苗采用具有 12个 夹持手的供苗转台 人工将砧 木土坨放入转台的定位座内 转台可间歇旋转 为嫁接取苗 工位每次提供一株砧木 如 图 14所示 嫁接执行机构位 于砧木和接穗供苗单元之间 可将接穗夹持切断并搬运至 砧木取苗工位 再将砧穗同步 夹持 利用切削机构完成砧穗 同步切断 待嫁接执行机构将 砧穗切口对接后 套管处理单 元输出套管固定住嫁接苗 如 图 15所示 套管处理单元能 够将呈卷状的套管定距输送 与切断 并自动完成套管撑开 和嫁接苗夹持 图 10 Graft 1200 自动嫁接机 图 11 人工接穗上苗 图 12 Graft 1100 自动嫁接机 图 13 接穗夹持搬运机构 图 14 砧木供苗转台 图 15 嫁接执行机构与上夹机构 温室园艺 2020 02 15 农业工程技术 温室园艺 西班牙Conic System公 司开发出一种硅胶夹 并研制 出型号为EMP 300的单人作 业半自动嫁接机 10 生产效 率 300 400株 h 嫁接成功 率为 98 如图 20所示 砧 意大利TEA Project公司 基于一种特殊胶粘剂开发出 GRAFT 1000自动嫁接机 如图 16所示 这种胶粘剂是 Henkel公司研发的专利产品 用来快速粘合切口而不改变茎 秆内部结构 被称为嫁接领域 的一场革命性技术 粘合剂的 型号为Loctite 4309 专门用 于嫁接苗茎秆对接的粘合 在 紫外线光源灯照射下能够快速 固化 并且具有生物可降解的 特性 如图 17所示 该机需 二人上机作业 生产效率可达 1000株 h 一个嫁接循环时间 约为 4 s 分为 6个阶段 利用 转盘工作台将每株嫁接苗带入 不同工作站 在转盘工作台一 侧设有砧木和接穗的切削单元 用于完成秧苗的切断工作 创新 设计出负压吸附定位模块 具 有两路独立的吸附系统 将砧 木和接穗切口对接后柔性固定 茎部 为喷胶工序做准备 如 图 18所示 作业过程如下 第 一步 踩下机器脚踏开关 砧 木苗茎切断后放入定位模块的 对接槽内 并吸附固定 第二步 踩下第二个机器脚踏开关 接 穗苗茎切断后放入定位模块的 对接槽内与砧木切口对接 并 吸附固定 第三步 嫁接苗移 动至粘合剂分配器下 检测到 嫁接苗后分配器精准喷出粘合 剂 第四步 上部雾化喷阀喷 出雾化水与下部吸气系统相结 合 将粘合剂 360 均匀分布围 绕在嫁接苗切口周围完成密封 第五步 利用两个紫外线光源 灯使粘合剂迅速变干而硬化 同时启动雾化水降温 第六步 机械臂将嫁接苗取出放入穴盘 内 如图 19所示 据笔者咨询 了解到 该机尚未实现商品化 所使用的粘合剂无法找到供应 商 可能是粘合剂研发成本过 高限制了推广应用 TEA公司 已不再继续研究 但粘合剂无 毒 可降解的技术特性 对保 护种植生态环境的确是非常好 的技术创新 值得学习借鉴来 继续研发新型环保材料 图 17 嫁接用粘合剂 图 18 粘合剂使用过程 图 19 番茄嫁接苗 图 16 GRAFT 1000 自动嫁接机 木和接穗的夹持切削与对接 机构结构相同且对称布局安 装 能够保证切削角度一致性 和切口对接精准性 开发出卷 状硅胶夹自动供给单元 具 有硅胶夹定长输送与切断以 及自动上夹功能 如图 21所 示 作业时 人工将砧木和接 穗分别放入定位槽内 踩下机 器踏板 夹持手爪下压固定住 砧穗苗茎 切刀伸出将砧穗苗 茎切断 对接机构伸出使砧木 温室园艺 2020 02 16 本 期 策 划 Special Planning 嫁接技术 和接穗切口对接贴合 上夹机 构输出硅胶夹将嫁接苗固定 取苗手爪在机械臂带动下将 嫁接苗取出并搬运放置于输 送带上 人工取下嫁接苗并放 回穴盘内 该机操作简单 但 效率不高 仅适用于小型育苗 企业 蔬菜嫁接机器人从出现至 今已有 30多年的历史 11 12 但目前仍未形成可商业化的成 熟产品 大部分研究仍处于试 验或样机阶段 所表现出来的 应用缺点比较明显 包括以下 几个方面 1 作业效率低 机器 嫁接一般要完成夹持 搬运 切削 对接和上夹作业 每个 节拍动作不可缺少 生产效率 600 1200株 h 至少需要2 人操作 与纯人工作业相比效 率提升不显著 育苗企业无法 接受机器换人 2 生产制造成本高 嫁接机器人是自动化技术及设 备的系统集成和创新 结构和 控制系统复杂 国外各类型嫁 接机器人售价约 35 150万元 人民币 在中国市场推广难度 很大 3 生产模式不匹配 国外嫁接机器人是基于国外育 图 20 EMP 300 半自动嫁接机 图 21 硅胶夹切削与自动上夹 苗企业生产模式开发的 育苗 使用的穴盘 基质 种植品种 以及培育方法与我国育苗企业 的生产模式均有所不同 机器 直接拿来应用完全行不通 若 改变传统育苗生产模式又需要 投入大量资金 上述问题也是我国蔬菜 嫁接机器人尚未大面积推广 应用的主要原因 制约嫁接机器人发展的 因素是多方面的 在中国从生 产模式和嫁接方法上做到统 一难度极大 发展嫁接机器人 必须要结合国情研究出一条 适合的生产模式 这是嫁接机 器人实现应用的前提条件 嫁 接机器人研究尚有很多关键 技术亟待解决 也是未来的发 展方向 具体表现在以下几个 方面 1 机械嫁接标准苗生 产体系的建立 秧苗培育的标 准化是实现自动化嫁接的关 键 通过标准化生产体系培育 出适合机械嫁接的标准苗 需 要对作物培育方法和环境调 控等方面进行大量试验与总 结 是农机农艺深度融合的集 中体现 2 柔性上苗执行器 蔬菜幼苗的茎叶细小柔嫩 嫁接过程中的秧苗损伤将影 响愈合效率和成活质量 对 秧苗的柔性处理是机器人作 业的基础 要保证秧苗柔性 安全作业 另外 柔性上苗 执行器可代替人工上苗 成 倍提高机器人生产效率 实 现减工降本 3 构建自动化嫁接配 套生产系统 嫁接不是单一化 作业 在嫁接前后环节都需要 辅助配套设备 实现嫁接一体 化作业 例如瓜类砧木定向播 种 秧苗匹配嫁接智能检测 嫁接苗自动回栽 以及温室物 流等配套系统开发 都是构建 自动化配套嫁接生产系统的重 要内容 存在问题和发展方向 3 温室园艺 2020 02 17 农业工程技术 温室园艺 国外研究机构对嫁接机技 术研究较早 产学研结合非常 密切 并且企业参与研发较多 因此 技术成果转化很快 开 发出多种类型的商品化蔬菜嫁 接机器人 嫁接机器人的应用 需要育苗各环节技术和装备配 套 国外设施园艺发达国家的 生产模式完备且配套设施设备 齐全 另外 国外嫁接育苗品 种单一 育苗设施均具备环境 精准调控功能 易于实现机械 嫁接标准苗培育 具备了嫁接 机器人的应用条件 但嫁接机 器人系统结构复杂 属于工业 化高技术产品且价格昂贵 只 有少数的大型育苗工厂有实力 购买和使用 反观中国现阶段育苗行 业设施设备配套情况 以及果 蔬产品价格较低的现状 构建 完整的生产模式需要投入大 量资金 育苗企业难以承受 但是面对劳动力老龄化 用工 短缺 甚至无人可用等社会难 题 育苗企业对嫁接机器人的 需求极为迫切 也表现出对新 技术 新生产模式的渴望 国 外嫁接机器人技术固然先进 但未必适合我国实际育苗生 产 究其原因主要是生产模式 和育苗技术的差异化 中国嫁 接机器人技术研究要结合国 情 从育苗生产模式入手 完 善并建立一套适合工厂化嫁 接的生产模式 尚需要较长发 展过程 要正视育苗行业发展 现状 因此 中国嫁接机器人 技术研究要从简入繁逐步推 进 机器换人是终极目标 人 机协作是必经之路 轻简省力 化是当务之急 要紧密结合国 情敢于创新 确保嫁接装备高 技术与实用化协同发展 解决 育苗产业多年无机可用的瓶 颈问题 参考文献 1 阳燕娟 王丽萍 高攀 等 嫁接提 高蔬菜作物抗逆性及其机制研究进 展 J 长江蔬菜 2013 22 1 10 2 钱利国 赵发辉 王文霞 蔬菜嫁接 育苗技术的应用与发展 J 种子科 技 2017 35 9 83 3 张鹏 张丽娜 刘铎 等 农业机器人 技术研究现状 J 农业工程 2019 9 10 1 12 4 张凯良 褚佳 张铁中 等 蔬菜自 动嫁接技术研究现状与发展分析 J 农业机械学报 2017 48 3 1 13 5 辜松 蔬菜嫁接机的发展现状 J 农业工程技术 温室园艺 2012 32 13 26 6 姜凯 瓜类贴接式机械嫁接机理及 装置试验研究 D 哈尔滨 东北农 业大学 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 刘明池 季延海 武占会 等 我国 蔬菜育苗产业现状与发展趋势 J 中国蔬菜 2018 11 1 7 12 姚彤宝 蔡峰 姜飞 中国工厂 化蔬菜育苗系统集成与发展趋 势 J 农业工程技术 温室园 艺 2017 37 4 10 14 项目支持 北京市农林科 学院科技创新能力建设专项 KJCX20180422 北京市 农林科学院2019年度科研创新 平台建设 PT2019 06 作者简介 姜凯 男 博士 高 级工程师 主要从事设施园艺智 能装备和农业机器人技术研究 通信作者 张骞 女 主要 从事农业农村信息化研究与现代 农业园区规划 总结与分析 4