栽插是甘薯生产中非常重要的环节,其用工量占生产全过程23%左右。我国的甘薯机械移栽技术发展缓慢且实用性机具不多,长期以来都采用人工栽插,劳动强度大、移栽效率低,加上近年来农村劳动力结构性短缺,使得市场对甘薯移栽机械的需求十分迫切,甘薯机械移栽技术已成为限制我国甘薯产业发展的重要因素。为解决现有甘薯移栽机移栽方式短缺、作业质量不高、作业过程出现漏苗现象等问题,本文结合甘薯种植农艺技术要求,研制了一款机械臂式甘薯移栽机并进行了田间试验与优化,重点对薯苗移栽作业关键技术、补苗作业关键技术与薯苗移栽机理进行了研究,试验结果表明,该机可控制移栽轨迹,实现薯苗的斜栽、水平移栽等多种移栽方式,并可通过补苗装置实现自动补苗。该研究不仅为甘薯栽插市场提供了实用机具,也为甘薯栽插机械创新研发或优化提供了参考。主要研究内容和研究成果如下:（1）薯苗与土壤物理参数测定及力学特性研究。对薯苗尺寸、含水率、平均密度、泊松比与弹性模型等基本物理参数进行测量与标定,为建立薯苗柔性体模型提供数据支持;对土壤颗粒粒径分布、含水率、土壤密度与土壤休止角等土壤本征物理量进行测量与标定,为建立移栽机离散元-多体动力学（DEM-MBD）模型提供数据支持。（2）机械臂式甘薯移栽机整机结构与关键零部件设计。通过分析薯苗移栽农艺要求与参考轨迹,设计了机械臂式甘薯移栽机整机结构,该机主要由移栽装置、补苗装置、覆土机构、履带底盘与控制箱等五部分组成,其中移栽装置与补苗装置为主要作业部件;搭建了基于单片机STM32F407的核心控制系统,通过分析各机构动作时序关系,设计了移栽机作业流程,根据移栽机的功能要求对移栽机各闭环步进电机进行了受力分析与设备选型。（3）机械臂式甘薯移栽机移栽作业关键技术研究。建立了二自由度移栽机械臂数学模型,并基于机械臂逆运算分别讨论了仿真周期、取苗爪杆长与取苗爪初始转角对移栽轨迹的影响;通过分析薯苗移栽过程,确定取苗爪杆长取值范围l≥0.4m与取苗爪初始转角取值范围14.32°≤φ≤55.93°;以取苗爪杆长与初始转角为试验因素,以移栽轨迹的横向偏差、纵向偏差、旋转电机转速、滑台移动速度为评价指标设计了仿真试验并采用响应面法进行分析,得到最优取苗爪杆长l为0.43m、最优取苗爪初始转角φ为45°。（4）机械臂式甘薯移栽机补苗作业关键技术研究。基于深度学习目标检测算法与补苗机械臂设计了甘薯补苗装置,研究了补苗机械臂结构参数对补苗轨迹的影响,并通过单因素试验确定结构参数取苗爪杆长与取苗爪初始转角最优值组合;提出了基于改进YOLO网络的薯苗目标检测方法,基于薯苗特征,通过简化Darkent-53特征提取器,降低金字塔层级,减少模型冗余,防止模型训练过程中出现过拟合现象,提高了薯苗识别实时性。（5）基于DEM-MBD机械臂式甘薯移栽机薯苗移栽机理研究。建立了移栽机虚拟样机模型,分别对移栽过程中薯苗位姿变化与移栽作业坑穴影响因素进行了研究分析。结果表明:移栽作业过程中,薯苗柔性体模型位姿符合栽插农艺标准,移栽机可以实现多种移栽轨迹,符合设计要求。重点研究了土壤颗粒对薯苗移栽轨迹的影响,仿真试验表明薯苗最终位姿与取苗爪移动轨迹并不完全一致,薯苗位姿位于取苗爪移栽轨迹下方,通过改变取苗爪移栽轨迹的方式调节薯苗移栽高度、入土角等使移栽效果达到最佳,通过设计响应面试验构建了薯苗移栽轨迹模型,进一步明确了移栽机取苗爪移栽轨迹与薯苗移栽位姿之间的数值关系。（6）机械臂式甘薯移栽机田间试验与作业参数优化。加工并试制物理样机,针对影响甘薯移栽质量的主要作业因素作业速度与喂苗漏出长度设计了正交试验,田间试验表明作业速度与喂苗露出长度对甘薯移栽效果有影响,其优选参数组合为:前行速度0.2m/s、喂苗露出长度50mm。此时,斜栽法移栽合格率为96.8%,漏栽率为2.1%,生产率为40棵/分钟;水平栽法移栽合格率为96.9%,漏栽率为2.4%,生产率为40棵/分钟;设计了补苗试验,结果表明,与单独使用移栽装置相比,插补苗装置斜栽法与水平栽法漏栽率分别下降了2.09%与2.55%,证明了补苗装置的有效性与必要性。