全 文 ：2 0 1 4 年 11 月 农 业 机 械 学 报 第 45 卷 增 刊
doi:10． 6041 / j． issn． 1000-1298． 2014． S0． 042
葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验*
褚 佳 张铁中
(中国农业大学工学院，北京 100083)
摘要:基于葫芦科营养钵苗的“贴接法”嫁接技术，设计了由穗木夹持搬运机构、穗木切削机构、砧木夹持搬运机
构、砧木旋切机构、嫁接夹自动排列输送机构、嫁接钵苗自动排列摆放机构组成的葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机
器人。通过试验得出，该机器人的理论嫁接速度可达 440 株 /h，实际操作嫁接速度达到 285 株 /h，嫁接成功率为
92%，与同类型的双人操作营养钵苗嫁接机相比，人均作业效率提高 36%。增加了嫁接钵苗的后续自动排列摆放
机构，提高了嫁接生产自动化程度。
关键词:嫁接机器人 葫芦科 营养钵苗 单人操作
中图分类号:TP242;S616;S723. 1 + 34 文献标识码:A 文章编号:1000-1298(2014)S0-0259-06
收稿日期:2014-07-30 修回日期:2014-08-25
* 国家高技术研究发展计划(863 计划)资助项目(2012AA10A506-2)、公益性行业科技资助项目(201303014-09)和北京农业智能装备技
术研究中心开放课题资助项目(KFZN2011W06)
作者简介:褚佳，博士生，主要从事生物生产自动化研究，E-mail:chujia_1117@ 126． com
通讯作者:张铁中，教授，博士生导师，主要从事生物生产自动化及机电一体化研究，E-mail:zhangtz56@ 163． com
引言
传统手工蔬菜嫁接栽培技术存在嫁接效率
低、劳动强度大、嫁接苗成活率低等问题。为解
决这些问题，嫁接机器人技术应运而生［1 － 4］。进
入 21 世纪，嫁接机器人技术在日本、韩国有了一
定发展，并已应用于实际蔬菜育苗生产中，但此
类嫁接机价格较为昂贵，并不适合一般农户和中
小育苗基地［2，5 － 9］。国内，中国农业大学率先研
制出 2JSZ-600 型穴盘嫁接机以及 BMJ-500 型营
养钵苗嫁接机［10］，此后，国内一些院校科研单位
对蔬菜自动嫁接机装置也相继开展了研究。但
到目前为止，国内外研制出的自动嫁接机基本上
都需要 2 个人向机器供苗，机器的人均工作效率
并不理想。
营养钵育苗是我国一些地区普遍采用的育苗方
式［11 － 12］。采用营养钵育苗方式的幼苗嫁接作业由
于不用将苗从穴盘内取出，因而对根系损伤较小，利
于嫁接后缓苗和生长;并可直接将钵苗移栽至大田，
省工省力。
为进一步提高人均操作效率以及自动化水平，
在前期研制的 BMJ-500 型嫁接机［13 － 14］基础上，采用
葫芦科的“贴接法”嫁接方式［11，15］，设计只需一个
人就能进行砧木钵苗、穗木供苗和嫁接操作的高效
单人葫芦科营养钵苗嫁接机。
1 系统组成及工作原理
葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人主要由
6 部分组成，包括穗木夹持搬运机构、穗木切削机
构、砧木夹持搬运机构、砧木旋切机构、嫁接夹自动
排列输送机构以及嫁接钵苗自动排列摆放机构等，
如图 1 所示。
图 1 嫁接机器人结构示意图
Fig． 1 Structure diagram of grafting robot
1．穗木夹持搬运机构 2．穗木切削机构 3．嫁接钵苗自动排列
摆放机构 4．机架 5． 振动送夹料盘 6．砧木钵苗托盘 7． 砧
木夹持搬运机构 8．砧木固定机构 9．砧木旋切机构 10．自动
送夹器 11．穗木穴盘托盘
其工作过程如下:①穗木供苗切苗:由穗木穴盘
托盘的穗木穴盘中取出穗木苗，放置于穗木夹持搬
运机构上，随即该机构将穗木幼苗夹持并搬送到穗
木切削机构，进行穗木的切苗处理。②砧木供苗搬
送切苗:在完成穗木供苗后即可将砧木钵苗托盘中
的砧木钵苗放置于砧木钵苗夹持搬运机构中，通过
砧木固定机构、砧木旋切机构进行砧木子叶和生长
点的切割处理。③砧木穗木贴合嫁接:砧木旋切机
构将砧木切除一片子叶后，穗木夹持搬运机构将刚
刚完成切苗、处在待命状态的穗木推送至贴合嫁接
处与砧木贴合。④夹合固定:自动送夹器将由振动
送夹料盘排列的嫁接夹送至砧、穗木贴合处，并使嫁
接夹自动张开闭合，将贴合的砧木和穗木幼苗夹合
固定在一起，完成嫁接作业。⑤回位排苗:砧、穗木
搬运机构各自归位，等待下次作业;与此同时，已嫁
接完成的钵苗被放置于嫁接钵苗自动摆放机构中的
传送带上。⑥钵苗输送摆放:传送带将嫁接钵苗运
送置嫁接钵苗放置区，通过位置传感器的检测，检测
出嫁接钵苗需要放置的位置，由推送板将嫁接钵苗
推送至苗钵收纳盘中的指定位置，规整摆放。⑦当
苗钵收纳盘中的嫁接钵苗排列满之后，即可将其更
新。
2 关键部件设计与分析
2. 1 穗木夹持搬运机构
穗木夹持搬运机构的作用是完成对穗木苗的
夹持和搬运，以保证穗木的正常切削并搬运至指
定位置完成嫁接工作。目前国内外半自动嫁接机
都设有砧木和穗木供苗台，由两人分别将砧木和
穗木放到供苗台上，然后由搬送机械手从供苗台
上将幼苗夹持搬送到切苗处、进行切苗嫁接。在
一人操作的情况下，若沿用老方法设置供苗台将
会使机器结构分布松散、给操作带来不便、降低工
作效率。为此，本研究设计了集供苗台、搬送机械
手于一身的穗木夹持搬送机构，结构如图 2 所示。
主要包括:机架、旋转气缸、直推气缸、直推气缸连
接板、穗木检测传感器、穗木夹持气爪、穗木切削
支点等。
具体工作过程如图 3 所示:当操作人员将穗木
放置于穗木固定支板的豁口处时，穗木检测传感器
检测到穗木苗到位，随即穗木夹持气爪闭合夹持住
穗木，旋转气缸旋转 90°将穗木细苗旋转搬运至切
苗处进行切苗(图 3a)。当穗木苗切削完毕后，旋转
气缸反向旋转 90°，将已切削的穗木苗又旋回搬运
置供苗处原位，然后直推气缸将穗木苗推送至嫁接
处进入嫁接过程(图 3b)。
根据工作环境及机构布局，选定直推气缸工作
行程为 100 mm;为保证完成穗木的夹持和搬运，穗木
固定支板、穗木气爪和穗木切削支点的相对位置必须
精确，经理论计算及试验分析，确定穗木固定支板上
图 2 穗木夹持搬运机构
Fig． 2 Scion pre-gripping and transporting unit
1．机架 2．旋转气缸 3．直推气缸 4．直推气缸连接板 5． 穗
木固定支板 6．穗木检测传感器 7．穗木夹持气爪 8． 穗木切
削支点
图 3 穗木夹持搬运机构工作示意图
Fig． 3 Pre-gripping and transporting of scion
(a)切削前穗木夹持搬运 (b)切削后穗木搬运
表面高于夹持气爪上表面(3. 5 ± 0. 5)mm，夹持气爪
上表面距离穗木切削支点上表面(10. 5 ± 0. 5)mm，穗
木切削支点的开口为(7. 5 ± 0. 5)mm。
2. 2 穗木切削机构
穗木切削机构主要用于对穗木夹持搬运机构搬
送至切削处的穗木苗进行切削。其核心结构包括切
刀气缸、刀柄、刀柄连接块、切刀以及穗木夹持搬运
机构中的穗木切削支点等。切削过程如图 4 所示:
当穗木苗由穗木夹持搬运机构搬运到待切削位置
后，切削机构在切刀气缸的快速推动下将架于穗木
切削支点处的穗木茎秆斜切，切除部分自由掉落，切
刀气缸缩回。
图 4 穗木切削过程示意图
Fig． 4 Cutting of scion
穗木切削支点的开口大小影响穗木茎秆的切削
062 农 业 机 械 学 报 2 0 1 4 年
质量:开口太小，不利于切刀进退;开口太大，穗木茎
秆容易弯曲，影响切苗质量。理论上，开口大小 w
与切刀宽度 b以及穗木预定切留角度 φ间存在关系
w≥bcosφ (1)
切刀选用普通 11 号手术刀片，宽度为 8. 0 mm，
穗木预定切留角度 30°，由式(1)计算出穗木切削开
口大小的理论值为 7. 0 mm，因此确定穗木切削支点
开口大小为(7. 5 ± 0. 5)mm。
2. 3 砧木夹持搬运机构
葫芦科砧木苗嫁接的关键是生长点能否准确切
除。因此，本文砧木夹持搬运机构由两部分组成，分
别是砧木固定装置和砧木钵苗搬运装置。如图 5 所
示，主要由各直推气缸、砧木定位支板、砧木夹持气
爪等组成。
图 5 砧木夹持搬运机构
Fig． 5 Stock pre-gripping and transporting unit
1．砧木搬运气缸 2． 砧木切苗支点气缸 3． 砧木切削支点
4．砧木上定位支板 5．砧木上定位支板连接气缸 6． 砧木夹持
气爪 7．砧木下定位支板 8．砧木检测传感器
砧木夹持搬运机构主要完成对钵苗砧木的定位
夹持、搬运以及砧木切削夹持。其主要工作过程如
图 6 所示。当砧木上苗时，将茎秆上端两子叶根部
卡于砧木上定位支板的豁口处，茎秆下端卡于砧
木下定位支板的豁口处，砧木检测传感器检测到
砧木就位后，夹持气爪闭合夹持住砧木，随后砧木
上定位支板连接气缸带动砧木定位支板后退，与
砧木分离，砧木搬运气缸伸出将砧木钵苗推送到
砧木切苗位置，随即砧木切苗支点气缸伸出使砧
木切苗支点抵住砧木生长点下方茎秆，准备进入
砧木切削环节。
根据工作环境以及机构布局，选定砧木搬运气
缸的行程为 90 mm，砧木切苗支点气缸的行程为
50 mm，砧木上定位支板连接气缸的行程为 30 mm。
2. 4 砧木旋切机构
砧木旋切机构的作用是完成对砧木的削切，保
证切除砧木生长点。采用旋切方式，有利于砧木生
长点的切除，又能使另一片子叶完整保留。旋切机
构主要由旋转气缸、刀片以及各连接件组成。
图 6 砧木夹持搬运过程示意图
Fig． 6 Pre-gripping and transporting of stock
砧木切削过程如图 7 所示。切刀在旋转气缸
的带动下切除砧木一片子叶及生长点。能否干净利
索地切除一侧子叶和生长点又不损伤另一片子叶对
嫁接质量至关重要。图 8 所示为砧木切削过程的
几何模型。
图 7 砧木切削过程示意图
Fig． 7 Cutting of stock
图 8 砧木切削几何模型
Fig． 8 Modeling of stock cutting
图 8 中，旋转切刀的旋转中心设为 O，其距砧木
茎秆中心轴的距离为 d，该距离亦是安装旋转切刀
机构时以砧木茎秆为基准时的水平安装尺寸。另设
切刀切完砧木后与砧木茎秆相交的 2 点分别是 A和
B，理论上
)
AB为砧木茎秆被切的形状，为便于计算，
将弦 AB与竖直方向的夹角 β 设定位砧木的切角。
于是可得
β + π － θ2 [+ π2 －(α － θ ]) = π (2)
d = r (cos α － θ )2 (3)
式中 α———线段 OA与水平方向的夹角
θ———圆心角∠AOB
162增刊 褚佳 等:葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验
r———切削旋转半径
由式(2)可知
β + θ2 = α (4)
即 β =∠POX，也就是说砧木最终的留切角度 β
等于生长点 P 与切刀旋转中心 O 所构成的水平夹
角∠POX。于是可知，在旋转切削过程中，砧木茎秆
所切留的角度与旋转切削机构相对于砧木茎秆的安
装位置有关，而与茎秆直径 d0 并无关系。于是可根
据预定的砧木留切角度来确定旋转切削机构的安装
尺寸。根据机构空间及位置关系，初步选定 r 为
70 mm，砧木茎秆留切角预设为 30°，这样由式(3)和
(4)可得 d = 60. 6 mm，即旋转切削机构的旋转中心
相对于砧木茎秆轴心的水平安装尺寸为 60. 6 mm，
由此再可计算得出其相对于砧木生长点的垂直安装
尺寸为 35 mm。另外，为利于切削，刀片安装时必须
与弦 AB 的方向一致，即与 AB 共线，则要求在安装
刀片时，要求刀片垂直于径向。
为便于实际切削的调整，在理论参数基础上，对
切削机构进行可自由调整的设计，如图 9 所示，该
旋转切削机构在径向、切刀角度等参数上可自由调
节，方便实际切削过程的调整。
图 9 可调旋转切削部件
Fig． 9 Adjustable stock rolling-cutting unit
2. 5 嫁接夹自动排列输送机构
嫁接夹自动排列输送机构包括振动送夹料盘和
自动送夹器两部分。其中自动送夹器为其核心部
件，主要作用是将由振动送夹料盘振动所排列整齐
的嫁接夹自动送出，并经由排夹机构的协同动作使
嫁接夹自动张开并闭合以保证顺利完成嫁接过程。
如图 10 所示，自动送夹装置主要包括送夹气缸、送
夹推杆、送夹滑槽和压夹滑块推块等。
自动送夹的过程如图 11 所示:送夹推杆在送夹
气缸的推动下，将嫁接夹经由送夹滑槽推出，与此同
时，两侧的压夹滑块推块在送夹气缸与连接件的带
动下伸出，并在斜面配合的作用下，压夹滑块压向内
侧，使嫁接夹张开;随后送夹气缸带动送夹推杆及压
夹滑块推块退回，嫁接夹在弹簧的作用下闭合并夹
合砧穗木，2 个压夹滑块也在嫁接夹回闭的过程中
图 10 自动送夹器
Fig． 10 Clip auto-sending unit
1．送夹气缸 2．送夹滑槽 3． 压夹滑块 4． 送夹推杆 5． 压夹
滑块推块
图 11 自动送夹过程示意图
Fig． 11 Auto-sending of clips
返回原位。
当砧木和穗木都处理完毕被搬送至嫁接区域
时，嫁接夹在自动送夹器的作用下推出并夹合砧穗
木，与此同时，砧木子叶辅助拨杆也在送夹气缸和连
接滑块的作用下产生扶持砧木子叶的动作，使嫁接
顺利完成，如图 12 所示。
图 12 嫁接过程示意图
Fig． 12 Grafting of scion and stock
2. 6 嫁接钵苗自动排列摆放机构
嫁接钵苗自动排列摆放机构的作用是将已经嫁
接完成的营养钵苗自动进行排列放置，以减少人工
放置的过程。如图 13 所示，它主要由推送线性模
组、苗钵横向位置传感器、苗钵推板、苗钵纵向位置
传感器、苗钵传送带和苗钵收纳盘等组成。
嫁接钵苗自动排列机构的工作过程如下:当钵
262 农 业 机 械 学 报 2 0 1 4 年
图 13 嫁接钵苗自动排列摆放机构
Fig． 13 Grafted-seedling bowl auto-arranging unit
1．推送线性模组 2．苗钵横向位置传感器 3．苗钵推板 4． 苗
钵纵向位置传感器 5．苗钵输送带 6．苗钵收纳盘
苗嫁接完成后，由人工放置于苗钵输送带上，苗钵输
送带将嫁接苗钵输送至苗钵收纳盘附近，苗钵纵向
位置传感器检测到嫁接苗钵后通过控制系统的识别
判断嫁接钵苗应该推送的位置，然后在推送线性组
和苗钵推板的作业下推送至苗钵收纳盘中的指定位
置。依靠苗钵横向位置传感器和纵向位置传感器的
联合作用使嫁接钵苗在苗钵收纳盘中形成若干行列
的规整摆放;当苗钵收纳盘中的嫁接钵苗充满之后，
即可将其更新。
3 试验与分析
为确定整机工作性能参数，分别对切削、嫁接、
钵苗自动排列进行相关试验。
3. 1 砧穗木切削试验
试验所选取的对象分别为:砧木选用白籽南瓜，
穗木选用津春 4 号黄瓜。分别随机选取 100 株砧木
苗和穗木苗进行切削试验。试验结果如表 1 所示。
表 1 砧穗木的切削成功率
Tab． 1 Stock and scion cutting success rate
材料 试验株数 /株 切削成功株数 /株 切削成功率 /%
砧木 100 96 96
穗木 100 100 100
由于穗木切削机构的特殊设计，即设计了穗木
切削支点，因此在实际切削过程中，不论是生长状况
如何的穗木苗，都能较成功的进行切削，试验中穗木
切削成功率为 100%证明了这一点。而对于砧木而
言，采用旋切的方式，其切削效果会受到砧木子叶展
开程度的影响，这与实际试验过程也相符，在本试验
的 100 株砧木苗中，切削不成功的 4 株便是由于子
叶展开过于平展并向下弯曲导致的。
此外，在进行砧木供苗时可将两片子叶进行适
当的梳整以便于砧木子叶的切削。另外，在对穗木
进行切削时，如果穗木茎秆在切口附近弯曲过大，容
易造成切削后进行贴合时贴合失败，不利于嫁接作
业的顺利进行。在上穗木苗时可手工将穗木苗进行
适当的捋直，以便嫁接作业顺利进行。
3. 2 嫁接性能试验
嫁接性能指标分别是嫁接速度和嫁接成功率。
选用白籽南瓜和津春 4 号黄瓜分别作为砧木和穗
木，分别进行 3 组试验，为便于比较，前 2 组各选取
100 株幼苗进行试验，第 3 组采用不上苗空运行试
验。试验结果如表 2 和表 3 所示。
表 2 嫁接机的嫁接速度
Tab． 2 Grafting velocity of grafting machine
嫁接参数 第 1 组 第 2 组 第 3 组
试验株数 /株 100 100 50
总时间 / s 1267 1260 409
嫁接速度 /(株·h －1) 284 286 440
表 3 嫁接机的嫁接成功率
Tab． 3 Grafting success rate
试验
组号
试验株
数 /株
嫁接成功
株数 /株
嫁接成
功率 /%
切削不
合格 /株
接合
失败 /株
上夹失
败 /株
1 100 90 90 5 2 3
2 100 95 95 3 1 1
合计 200 185 92 8 3 4
由表 2 可见，该嫁接机的平均嫁接速度为
285 株 /h，与同类型的双人操作 BMJ-500 型营养钵
苗嫁接机(嫁接速度为 420 株 /h)相比，人均作业效
率提高 36%。而通过试验可知，当不上苗进行机器
空动作的试验组中，其操作速度可达 440 株 /h，即该
机的理论嫁接效率可达 440 株 /h。在试验的上苗操
作作业中，由于只有一个人操作机器穗木苗和砧木
苗的上苗工作，两作业操作会有一定时间的耽误，因
此嫁接机的嫁接效率会因人而异。若由较为熟练的
人员进行操作，其嫁接效率会达到一个较高的水平。
由表 3 可知，嫁接机的平均嫁接成功率为
92%。嫁接失败的主要原因是因砧穗木的长势不好
导致的切削不合格，接合时切削面的吻合度不够以
及嫁接夹的不合格导致的上夹失败。以上试验的失
败数中，切削不合格主要是由于几株砧木苗的生长
状况不佳导致的砧木切削不合格，接合失败主要是
由于穗木苗茎杆的过度弯曲导致，而上夹失败则主
要是因为试验过程中出现了不合格的嫁接夹导致
的。因此，对于机器嫁接来说，嫁接苗的生长状况较
为重要，建议选用生长状况良好、符合嫁接条件的嫁
接苗进行嫁接。另外，机器长时间动作后刀片会沾
上汁液，建议定时清洁。
362增刊 褚佳 等:葫芦科营养钵苗单人操作嫁接机器人设计与试验
3. 3 钵苗自动排列试验
本系统对嫁接完成的钵苗设计了自动排列放置
机构，并对自动排列放置机构的排列精度、工作效率
进行试验。
经试验，单次钵苗排列放置最长耗时(即将嫁
接钵苗摆放至最远位置处装置再次复位所需的时
间)为 8. 5 s，而通过之前试验可知该嫁接机的嫁接
速率为 12. 6 s /株，即单次钵苗排列放置的最长时间
小于平均一株苗嫁接所需要完成的时间，也就是说
该装置可进行连续作业，且不影响正常嫁接流程。
4 结论
(1)设计了基于单人供苗操作的营养钵苗的嫁
接机器人，克服了以往机型须由两人供苗操作的缺
点。
(2)摒弃了机构桌面固定式的操作平台，采用
型材框架悬挂组合式结构，使机构的安装、调整及操
作十分方便。
(3)该嫁接机器人的嫁接成功率达到了 92%，
实际嫁接效率为 285 株 /h，比同类型的双人供苗嫁
接机的人均工作效率提高 36%。
(4)设计了嫁接钵苗自动排列放置机构，省去
了人工摆放作业、提高了工作效率和嫁接生产自动
化水平。
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Zuo Xingjian Wu Guangwei
(Beijing Ｒesearch Center for Intelligent Agriculture Equipments，Beijing 100097，China)
Abstract:The kiwifruit automatic grading machine is an important machine for postharvest processing of
kiwifruit． A set of practical automatic kiwi fruit grading machine was designed based on technologies of
mechanical separation and conveyance，image capture and processing as well as intelligent control． This
set of equipment mainly consisted of material storage bin，single-line positioning system，image capture
system and grading executive system． And it also has programs of image capture，image processing，
grade determination and human-machine interaction for the host computer as well as control programs for
the slave computer． By testing，this machine was capable of grading by three features of size，shape and
surface defect and their grading accuracy could reach to 88. 9%，91% and 94%，respectively． And the
accuracy of integrated grading could reach to 86% ．
Key words:Kiwi Grading Image processing BP neural ne
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Design and Experiment of Vegetable Grafting Ｒobot Operated by One-person
for Cucurbitaceous Seedlings Cultivated in Humus Pots
Chu Jia Zhang Tiezhong
(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)
Abstract:To improve the grafting rate and automation of grafting robot used currently in seedling
production，a high-efficiency vegetable grafting robot operated by one-person for cucurbitaceous seedlings
cultivated in humus pots was designed based on splice grafting method． The machine consisted of six
units，i． e．，a scion gripping and transporting unit，a scion straight-cutting unit，a stock gripping and
transporting unit，a stock rolling-cutting unit，a clip auto-arranging and sending unit and a grafted-
seeding bowl auto-arranging unit． Experiments were conducted in laboratory and field． Ｒesults showed
that the success rate of grafting was 92% and the practical grafting rate was 285 plants per hour (with the
theoretical grafting rate of 440 plants per hour)． Under the same success rate of grafting，the grafting rate
of this machine was 36% higher than the grafting machine for cucurbitaceous seedlings cultivated in
humus pots operated by two persons．
Key words:Grafting robot Cucurbitaceous Seeds in humus pot One-person operation
592增刊 左兴健 等:猕猴桃自动分级设备设计与试验