国外蔬菜嫁接机器人研究动态
| 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。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。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。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。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 。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，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。
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，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。
图 1 GRF800-U 全自动嫁接机
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，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。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，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，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。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。
图 8 Graft 1000 全自动嫁接机
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。
图 11 人工接穗上苗
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 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
