菊花是一種兼具藥用與食用的作物，富含多種人體必需的微量元素，具有明目、抗炎等功效。隨著健康意識提高，菊花需求量與種植規模不斷擴大，中國菊花種植面積已達約5.3萬公頃。然而，菊花移栽機械的產業化與市場化尚屬空白。目前的人工移栽存在勞動強度大、效率低、成本高、移栽深度不一致等問題，增加了后期管理與采收難度。現有移栽機根據種植機構的拋秧與送秧特點，主要分為鏈夾式、移栽針式、夾指式和鴨嘴式。例如，采用鏈夾傳動的半自動缽（干土）苗移栽機結構簡單、制造成本低，但移栽效率有待提高且漏苗現象明顯；移栽針式在土壤中造穴后投苗，對造穴與投苗的同步性要求高，有時會導致直立度不佳；夾指式采用指狀夾持器抓取苗缽或莖稈，可能損傷如菊花這類具有須狀莖稈植物的嫩莖；鴨嘴式栽植器目前應用廣泛，其傳動方式主要包括多連桿式和行星輪系式，多連桿式結構簡單，但作業時慣性力大會引起機身振動，而行星齒輪回轉裝置克服了振動問題，但因栽植軌跡影響，直立度合格率不佳。亦有研究通過MATLAB軟件分析水稻缽苗移栽裝置多姿態運動軌跡，或通過ADAMS運動學仿真優化取苗、植苗位置。集成機器視覺與機械臂的半自動或全自動移栽系統也已應用于幼苗的精準取放，但其高成本與復雜性限制了其在中、小規模作業中的應用。各類移栽機適應不同特征的幼苗，但目前針對菊花機械移栽的研究較少。

本研究聚焦于茶用菊花（以下簡稱菊花）幼苗。幼苗來源于母株的根狀莖或莖稈，通常具有3~5片功能葉和多根系。為保障移栽成活率，需在移栽過程中保持根與葉的完整性。由于夾持式移栽機在種植過程中缺乏對根部的保護，根系易因與土壤或栽植機構的摩擦而受損，影響移栽苗的后續生長。相比之下，勺式機構利用凹面從下方托住并支撐根球，能最大限度地減少對根系的干擾。然而，現有的勺式設計主要側重于輸送根球，往往缺乏對莖稈的主動穩定，可能導致在提取和栽植階段，對于高大、直立的幼苗出現傾斜或莖葉干涉的問題。因此，有必要開發一種既能保護幼苗根系，又能保證移栽深度、直立度與株距的菊花苗移栽機。

為滿足菊花苗移栽軌跡與直立姿態要求，本研究結合菊花移栽農藝與幼苗生物學特性，設計了一種勺形夾持式菊花苗移栽裝置。基于MATLAB平臺，開發了栽植機構人機交互可視化輔助分析軟件界面，用于分析各結構參數對移栽軌跡的影響。通過對移栽軌跡、幼苗位置、移栽角度和深度的優化，確定了最優結構與運動參數，并通過田間試驗驗證了機構的合理性。該研究可為菊花移栽機的理論研究與創新設計提供參考。

菊花幼苗由須根、莖和葉片三部分組成，總長200~300 mm。主莖直徑約5 mm，根系發達且分散，須根長60~100 mm。菊花產量主要受移栽深度、密度和方法影響。菊花苗采用壟作栽培，以貢菊為例，根據土壤肥力條件，壟寬350 mm，移栽株距200 mm。常見的移栽方法有三種：垂直移栽、斜向移栽和水平移栽。垂直移栽有利于縮短緩苗期，無需長時間適應根系姿態，能更快適應土壤。在實際種植中，莖稈與水平面的夾角在80° ± 5°以內即可視為垂直移栽。移栽時，根部需完全埋入土中，深度應適宜。過淺不利于保水，影響成活；過深會導致地溫低，阻礙幼苗生長。根據菊花幼苗的生物學特性和移栽方法要求，本研究采用垂直移栽法。參數設定為移栽深度150 mm、移栽角度≥75°、移栽株距200 mm。

勺形夾持式菊花苗移栽機主要由發動機、高度調節裝置、兩個前支撐輪、兩個后驅動輪、栽植裝置、控制系統、導苗板、苗盤和變速箱組成。菊花移栽機采用皮帶傳動將發動機動力傳遞至變速箱，再通過輪鏈機構驅動導苗板和栽植裝置。作業時，人工將菊花苗放入導苗板上部的橡膠夾中，根部朝外并露出30~40 mm。導苗板通過鏈傳動將幼苗輸送至栽植裝置，后者夾持幼苗根部將其插入土壤。栽植裝置采用曲柄搖桿平行傳動機構，其運動軌跡由繞曲柄軸的旋轉和夾持裝置的開合運動組成，通過調節曲柄轉速和桿長可實現多樣化軌跡。勺形夾持裝置與凸輪機構配合，可精確控制夾持開合角度與幼苗姿態。根據菊花幼苗的莖稈直徑、根系形態等特征，確定了栽植裝置的開口尺寸，使夾持裝置能適應幼苗形態并確保移栽過程中其完整性。通過精確協調供苗機構、曲柄搖桿和勺形夾持裝置的動作時序，建立了取苗、夾持和栽植的連續作業流程。勺形夾持式菊花苗移栽機主要技術參數包括：發動機功率4~7 kW，前進速度0.3~1.5 km·h^?1，作業行數1行，適用壟高250~350 mm，機具輪距700 mm，移栽株距160~250 mm，移栽深度100~200 mm。

菊花苗移栽包括取苗、夾持和栽植。移栽裝置是實現幼苗插入的核心部件，其性能直接影響移栽質量。移栽裝置為三維結構，主要包括曲柄搖桿、連接桿、機架、凸輪、擺動推桿、凸輪滾子、開合部件、勺形夾持裝置、擺動推桿彈簧和開合彈簧。擺動推桿通過軸與連接框架桿鉸接，可繞中心孔旋轉。擺動推桿前端和后端分別裝有與開合部件接觸的滾子。勺形夾持裝置由勺形曲面和桿件組成，在擺動推桿、凸輪和開合部件的共同作用下實現開合。勺形曲面的外部直接與土壤接觸，內部凹入空間用于容納和包裹菊花幼苗的根系。

移栽裝置的工作性能直接取決于其移栽軌跡特性。移栽時，曲柄順時針旋轉，帶動連接桿繞曲柄軸旋轉，進而驅動凸輪繞同一軸心旋轉并與凸輪滾子產生相對運動。凸輪廓線可根據其與中心距離的差異分為高半徑段和低半徑段。當凸輪滾子從低半徑段旋轉接觸至高半徑段時，擺動推桿后端與凸輪中心的距離增大，迫使擺動推桿繞凸輪中心順時針旋轉，下部彈簧被壓縮。同時，擺動推桿前端的滾子向內擠壓開合部件，使其繞凸輪中心旋轉，從而驅動勺形夾持裝置打開，完成拋苗動作；此時，開合部件上的彈簧被拉伸。隨著凸輪繼續旋轉，當凸輪滾子再次接觸低半徑段時，擺動推桿后端與凸輪中心的距離減小，下端彈簧釋放。在開合部件彈簧壓縮力的作用下，其反向旋轉推動滾子回位，并在三組彈簧的共同作用下，驅動擺動推桿繞凸輪中心逆時針旋轉。從而使勺形夾持裝置閉合，實現夾苗。凸輪連續旋轉，驅動擺動推桿交替進行順時針和逆時針旋轉，使勺形夾持裝置周期性地執行開合動作，完成連續移栽作業。圖中顯示了移栽作業中各階段對應的夾苗點，其中曲柄旋轉一周周期t = 1.05 s，計算得曲柄轉速為66.7 r·min^-1。當平均移栽株距為200 mm時，計算機器前進速度為0.19 m·s^-1。

移栽裝置包含標準滾子、擺動盤形凸輪，其結構如圖所示。根據移栽株距和深度要求，通過可視化程序確定了曲柄在夾苗點和拋苗點的坐標，并結合傳動效率和夾持裝置底端開口距離，計算了凸輪遠休止角、近休止角、推程運動角和回程運動角等參數。具體數值為：基圓半徑r₀=25.0 mm，推程運動角δ₁=25°，遠休止角δ₂=82°，回程運動角δ₃=25°，近休止角δ₄=227°，行程（擺動推桿最大擺角）ψ=8°，中心距a=79.53 mm，擺桿長度b=70.51 mm。為保證擺動推桿運動的平穩性，推程和回程均采用正弦加速度運動規律。凸輪廓線如圖所示。

移栽裝置的運動學模型如圖所示。其中A為坐標系原點，X軸為水平方向（X軸正方向與機構前進速度方向相同），Y軸為垂直方向。圖中，曲柄OC為驅動件，AO為機架，AB為搖桿，BC為連桿，BCD為孔，CD為延伸桿，DE為夾苗裝置。OA與水平方向夾角為θ₁，OA與AB夾角為θ₂，BC與水平方向夾角為θ₃，CD與DE夾角為θ₅，BC與CD夾角為β，DE與垂直方向夾角為δ。曲柄OC長度L₁，機架AO長度L₂，搖桿AB長度L₃，連桿BC長度L₄，連接機構CD長度L₅，夾持機構DE長度L₆。整個機構以速度V_T水平向右移動。

在移栽作業過程中，驅動件曲柄OC順時針旋轉，點O(X_O, Y_O)的位移方程為：

{X_O= L₄·cosθ₁+ νt

Y_O= L₄·sinθ₁}

點C(X_C, Y_C)的位移方程為：

{X_C= x_B+ L₂·cos θ₃

Y_C= y_B+ L₂·sin θ₃}

根據曲柄搖桿機構，建立矢量方程：

{→AO + →OC = →AB + →BC

→OE = →OC + →CD + →DE}

由此得到點B(X_B, Y_B)的位移方程：

{X_B= L₃·cos (θ₁+ θ₂) + νt

Y_B= L₃·sin (θ₁+ θ₂)}

點D(X_D, Y_D)的位移方程為：

{X_D= X_C+ L₅·cos(π ? θ₃? β) = L₃·cos(θ₁+ θ₂) + L₂·cosθ₃+ L₅·cos(π ? θ₃? β)

Y_D= Y_C+ L₅·sin(π ? θ₃? β) = L₃·sin(θ₁+ θ₂) + L₂·sinθ₃+ L₅·sin(π ? θ₃? β)}

點E(X_E, Y_E)的位移方程為：

{X_E= X_D+ L₆·sinδ = X_D+ L₆·sin(θ₅+ π/2 ? θ₃? β)

Y_E= Y_D? L₆·cosδ = Y_D? L₆·cos(θ₅+ π/2 ? θ₃? β)}

基于建立的運動學模型，基于MATLAB GUI模塊開發了移栽裝置的人機交互可視化輔助界面，用于分析移栽裝置的運動狀態和軌跡，以優化求解其結構與運動參數。圖形用戶界面(GUI)包含機構運動圖像顯示區、參數輸入區、控制面板區、曲柄轉速與前進速度分析區以及參數輸出區。已知參數包括機架高度、移栽深度和移栽株距，需確定的參數包括曲柄轉速、移栽裝置前進速度和曲柄搖桿機構條件。顯示區可展示特定參數下的機構構型及夾苗點E的運動軌跡。以O點為原點建立坐標系，Y軸和X軸分別為垂直和水平方向。機構中各鉸接點在坐標系中的坐標可實時更新顯示，便于測量移栽深度、角度和位移等關鍵參數。用戶通過調節曲柄轉速，可觀察機構在不同相位下的狀態，并實時獲取各鉸接點坐標。通過這些點的坐標和幾何關系，可計算機構各桿件間的角度與位置關系，進而判斷機構的運動軌跡是否滿足農藝要求。

基于MATLAB平臺對機構參數進行運動學仿真分析，獲得夾苗點E的軌跡，進而探究各參數對軌跡形狀的影響規律。在此基礎上進行參數優化，獲得最優參數組合及其對應的軌跡，為后續結構尺寸優化提供依據。結合移栽裝置尺寸、運動特性及移栽農藝要求，確定了參數的初始取值范圍。移栽裝置需滿足以下約束條件：(1)夾苗點E與坐標系原點A的水平距離約為400 mm，垂直距離約為100 mm，以確保幼苗移動到取苗位置時能直立并實現可靠夾持；(2)當夾苗點E到達軌跡最低點時，其與壟面的距離約為100 mm，以保證移栽深度滿足要求；(3)當夾苗點E處于最低位置時，夾苗機構DE與Y軸的夾角應保持在80° ± 5°以內，以滿足直立度要求；(4)移栽裝置與夾苗點E之間應預留足夠空間，以便曲柄搖桿機構運動，并避免與供苗機構發生干涉。經初步篩選，獲得了各參數的可能取值：曲柄OC長度L₁(50, 60, 70 mm)，機架AO長度L₂(100, 110, 120 mm)，連桿BC長度L₃(120, 130, 140 mm)，搖桿AB長度L₄(90, 100, 110 mm)，延伸桿CD長度L₅(140, 150, 160 mm)，AO與X軸夾角θ₁(15°, 20°, 25°)，BC與CD夾角β (150°, 155°, 160°)，CD與DE夾角θ₅(85°, 90°, 95°)。

通過理論計算與仿真分析，表中所示的8個參數的不同取值可能會影響移栽性能。通過單因素試驗分析了移栽裝置的8個參數對其相對和絕對運動軌跡的影響。通過觀察夾苗軌跡和傾斜角度，探討了各參數對移栽深度和角度的影響。相對軌跡對應于曲柄轉速66.7 r·min^-1、機器前進速度為0時的運行軌跡；絕對軌跡對應于曲柄轉速66.7 r·min^-1、機器前進速度0.19 m·s^-1時的運行軌跡。在仿真實驗中，每次僅改變一個參數，同時保持其他參數為中間值。下圖展示了四個對移栽性能有顯著影響的機構參數的分析結果。

根據圖中所示的相對軌跡分析可知：(a) 隨著曲柄OC長度L₁增加，移栽裝置相對運動軌跡最低點與壟面的垂直距離逐漸增大，表明移栽深度相應增加。從絕對運動軌跡可觀察到，軌跡與水平方向的夾角隨L₁增加而逐漸減小，從而使移栽傾斜角減小。為保證移栽直立度，L₁應取50 mm。(b) 隨著搖桿AB長度L₄增加，移栽裝置夾苗點相對運動軌跡最低點與壟面的垂直距離逐漸增大，移栽深度相應增加。從絕對運動軌跡分析發現，軌跡與水平方向的夾角隨L₄增加而略微減小，從而使移栽傾斜角略有減小。綜合考慮移栽深度和角度影響，確定L₄取值為100 mm。(c) 隨著β角增大，移栽裝置夾苗點的相對運動軌跡呈現順時針旋轉趨勢，軌跡最低點與壟面的垂直距離逐漸減小，從而使移栽深度逐漸減小。然而，最低點與最高點之間的距離保持不變，表明機構運動幅度不因β增大而改變，僅整體位移發生變化。從絕對運動軌跡曲線分析可見，軌跡與水平方向的夾角隨β增大而略有增加，從而使傾斜角增大。為保證移栽直立度，確定β為160°。(d) 隨著θ₅逐漸增大，移栽裝置夾苗點相對運動軌跡最低點與壟面的垂直距離略有減小，移栽深度略有下降；從絕對運動軌跡可見，θ₅增大對移栽時的傾斜角影響很小，因此確定θ₅取值為85°。

通過MATLAB人機交互可視化界面，獲得了各參數的最優值。求解依據是：最大移栽深度接近150 mm；軌跡最低點處夾苗點與水平面的夾角α不小于75°，且越接近90°越好；移栽株距盡可能接近200 mm。最終獲得滿足勺形夾持機構菊花移栽裝置的最優參數組合為：L₁= 50 mm, L₂= 110 mm, L₃= 130 mm, L₄= 100 mm, L₅= 150 mm, θ₁= 20°, β=160°, θ₅= 85°。該結果也兼顧了農藝要求，即移栽深度、幼苗位置和移栽株距。求解過程如圖所示，其中虛線框表示為獲得最優參數組合而進行的參數循環比較。

從最優參數組合對應的軌跡中，可以提取出當E點運動到取苗點和拋苗點時，夾持機構與移栽幼苗的空間相對狀態。該狀態下關鍵點的位置和角度數據可為移栽裝置核心部件的設計提供依據。

基于可視化界面分析，獲得了移栽裝置運行至取苗點和拋苗點時，移栽裝置與菊花幼苗的關系。取苗時，菊花幼苗與夾持機構DE軸線的夾角為21.71°，勺形裝置包裹根部的中心線與DE軸線夾角為158.29°，而實際角度為158°。此時，幼苗與橡膠夾持面充分貼合，橡膠夾持面與水平面夾角為67.1°。當移栽裝置移動到拋苗點時，夾持機構DE與水平面的夾角為58.29°。為滿足菊花幼苗與水平面成80° ± 5°的要求，菊花幼苗莖稈與DE軸線應保持21.71°的夾角。

本研究使用Chronos 1.4高速攝像機捕捉并記錄移栽裝置的相對和絕對運動軌跡。使用i-SPEED Control分析軟件處理獲取的高速視頻，提取夾苗點E的運動軌跡，并通過紅色線段連接和標記所標記的點，從而提取出由移栽裝置標記點形成的移栽軌跡。如圖所示，當移栽裝置進行相對運動和絕對運動時，其理論設計軌跡、三維模型仿真軌跡和基于高速攝像機的實際運動軌跡均吻合良好。結果表明，所設計的栽植軌跡能夠在實際運動中精確復現，驗證了其可行性與可靠性。

為驗證勺形夾持式菊花苗移栽裝置的操作性能，于2025年3月22日在安徽農業大學進行了田間試驗。試驗前采用人工起壟，壟尺寸為：高度200 mm，底寬400 mm，面寬300 mm。由于菊花幼苗正常移栽期為4~5個月，屆時可供移栽的幼苗尚未達到適宜的移栽標準，因此選擇了形態與尺寸相似的辣椒幼苗作為替代試驗材料。所選移栽苗平均高度260 ± 21 mm，平均直徑5 ± 0.4 mm。為滿足移栽株距200 mm的農藝要求，設定機器前進速度為0.19 m·s^-1，曲柄轉速為67 r·min^-1。田間移栽試驗如圖所示。

根據中華人民共和國工業和信息化部發布的機械行業標準《移栽機械作業質量 JB/T T10291-2013》，試驗采用每組移栽40株、重復3次的方案。測量指標包括移栽深度、角度和株距，并據此計算移栽深度合格率、移栽角度合格率和移栽株距變異系數(CV)，作為評價移栽性能的主要依據。

測量移栽深度的方法是輕輕挖開幼苗側面的土壤，避免擾動幼苗原有的空間位置，測量移栽苗最低點至壟平面的垂直距離。測量移栽角度需使用帶數字顯示的角度尺（量程0~360°）測量移栽苗主莖與壟平面的夾角。使用卷尺（量程1~3m）測量相鄰兩株移栽苗莖稈插入點的水平距離。移栽后，移栽角度≥75°視為合格，理想為90°。移栽角度合格率S_A的計算公式為：S_A= W_A/ W_Z× 100%，其中W_A為移栽苗中合格的株數，W_Z為移栽總株數。

過深或過淺的移栽均不利于后續生長，因此可接受的移栽深度范圍為150 ± 20 mm。移栽深度合格率S_D的計算公式為：S_D= W_D/ W_Z× 100%，其中W_D為移栽深度合格的株數。

移栽株距的變異系數(CV)可以反映株距分布的均勻性。首先需要計算移栽株距的平均值和標準差，然后計算移栽株距的變異系數(CV)：X? = (∑X_i) / n， S_X= √[1/(n-1) ∑(X_i? X?)²]， CV_X= S_X/ X? × 100%，其中X_i為第i次測量的移栽株距值，n為樣本數。

移栽實驗結果如表所示。當曲柄轉速為67 r·min^-1、機器前進速度為0.19 m·s^-1時，移栽深度平均合格率為90.0%，移栽角度平均合格率為84.2%，移栽株距變異系數(CV)為5.8%。結果表明，該移栽機滿足了菊花移栽的農藝要求，各項指標基本達到旱地移栽機的作業標準。

從移栽性能表現來看，幼苗足夠直立，移栽株距均勻，整體移栽質量較高。

與現有移栽機構相比，本文提出的勺形夾持機構在性能上表現出若干顯著區別和改進。盡管受實驗條件限制，本研究未能提供