论文部分内容阅读
摘 要： 由于大蒜的几何形状具有不规则性，在播种过程中，需要考虑鳞芽朝上根部朝下的农艺需求，这就对大蒜播种机械的结构提出了特殊的要求。本综述分析了大蒜播种机的技术发展历程、专利申请情况、技术热点及发展趋势，为相关人员了解本领域提供参考。
关键词： 大蒜播种机；技术发展；专利申请；技术热点
一、大蒜播种特点及分类
大蒜蒜瓣包括了鳞芽尖、弓形膨大体和根部，具有明显的方向性，在插播的过程中，一般要求蒜瓣的鳞芽尖直立朝上。
虽然鳞芽尖朝下、朝上和平躺时，大蒜均能顺利出苗，但是，对于朝下和平躺播种的情况，出苗时间明显迟于正立的蒜瓣，因此，蒜瓣的朝向是大蒜种植的一个重要指标，直接影响大蒜的生长质量和产量。目前，大蒜机械种植技术主要有三种：
（1）大蒜点播技术，先用压穴锥压穴，然后用机械送种到种穴，大蒜在送种过程中，鳞芽朝向处于自由状态，蒜种投送到种穴内时， 鳞芽方向完全由落种瞬间朝向及落种位置随机确定。
（2）半自动大蒜栽种技术，该技术基本上满足了大蒜栽植鳞芽向上的种植要求，但前提是必须事先将蒜瓣按芽上根下的方式逐瓣用人工装入蒜种盒，工作效率与人工栽植差不多。
（3）全自动大蒜栽种技术，該技术采用特定机构扶正蒜瓣，解决了蒜种输送过程中要求鳞芽根部向下的技术问题，但方向控制可靠性差。
二、大蒜播种机技术发展历程
1972年，自罗马尼亚研制出世界上第一台大蒜播种机以来，大蒜播种技术经过了40多年的发展，最初仅仅只是关注如何实现大蒜播种功能，现今的重点则转到如何提高大蒜播种的质量，技术上是从简单到复杂，从整体到局部来逐步完善大蒜播种机的性能。
2.1 国外发展历程
发达国家如美国、法国、德国等，大蒜种植面积较小，主要是专业化、规模化种植，其栽植机械不适于在我国在大蒜生产中使用，国外现有大蒜栽植机械主要以韩国、日本为代表。其中，日本对大蒜播种机的研究始于1995年，第一台大蒜播种机（JP特开平9-107726A）考虑了播种深度及播种间隔的问题，通过使用播种带预先将蒜种固定排列在带体上，这样，蒜种的位置不容易改变，从而保证大蒜播种的间隔和深度。2008年，日本研制了一台带有大蒜夹持装置的大蒜播种机（JPU3142590），当蒜种落下时，夹持装置中的弹性环将蒜种夹住，起到一个缓冲作用，保证播种过程平稳进行。2012年，日本研制了一台鳞芽朝上直立入土的大蒜播种机（JP特开2013-233124A），如图1所示，该播种机中也带有一夹持装置，通过安装在导管内的播种杆将蒜种压入土壤。总的来说，日本大蒜播种机的研制以整机为主，结构复杂且庞大，出于对入土直立度要求的考虑，播种方式以压穴式居多。
而韩国对大蒜播种机的研究则始于1996年，同日本一样，韩国大蒜播种机的研制也主要以整机为主，播种方式也是以压穴式居多。2001年，韩国研制了一种对蒜瓣方向进行调整的装置（KR2002-0097300A），如图2所示，当鳞芽朝上时，调整板对其运动不产生影响，保持原方向进入下落管；当鳞芽朝下时，调整板改变蒜种的方向，调向后的蒜种进入下落管。同时，韩国生产了代表国际先进水平的YD1500型大蒜栽植机，该机械通过取蒜头机构、排蒜头机构、方向控制机构和防挤压机构保证蒜头的自动喂入、鳞芽向上直立入土，有效解决了排种时发生的堵塞和损伤蒜头等常见问题，并通过控制回土的流向及落点的方向，保证蒜头直立固定，满足了大蒜栽植的农艺性要求。
2.2国内发展历程
1993年，褚洪柱研制出我国第一台大蒜播种机（CN2152381Y），该大蒜播种机已经考虑了需对鳞芽朝下的蒜瓣的方向进行调整及防堵输送的问题。直到1999年，王連增研制出我国首台通过蒜种盒来实现蒜种调头的半自动大蒜播种机（CN2405408Y），事先将蒜种按芽上根下的方式逐瓣装入蒜种盒中，蒜种盒是由一列列直径与蒜种瓣当量直径相应、只允许蒜种瓣相互头尾稍有重叠、但不能横过来的种管组成，当将蒜种盒倾斜倒置在机架上时，蒜种呈芽上根下状在自重和机械振动下滑入上滑道中。
1993-2009年间，大蒜播种机的研制以整机为主，但由于大蒜种植的特殊性要求，给大蒜播种的机械化进程带来困难，现有的大蒜播种机都没有很好地解决蒜种播种后鳞芽向上根部向下的问题，导致已研制出的大蒜播种机不能得到广泛的推广和应用。2010年以后，人们开始关注影响大蒜播种质量的关键零部件的研究，其中，如何调整种植过程中的蒜尖方向、保证出芽率是所有科研人员共同面临的一个难题，为此，许多技术人员从不同的角度做出了尝试。2010年，高迟研制了一种大蒜蒜瓣鳞芽方向识别播种装置（CN101828449A），输蒜种管的中部设有测出在限定时间内是否有单个蒜瓣通过的对射式光电传感器，在输蒜种管的下口上对接上可翻转的漏斗形口，在可翻转的漏斗形口的底口部设有判定蒜鳞芽的对射式光电传感器。同年，高迟还研制了一种可识别和控制大蒜蒜瓣鳞芽方向的大蒜播种机（CN102027822A），如图3所示，也是采用机械与光电传感检测技术相结合的方式来解决蒜尖方向的识别与控制。2011年，山东五征集团有限公司研制了一种蒜瓣定向控制装置（CN202050676U），由于蒜瓣形状上尖下粗，重心位于蒜瓣下半部最厚处，利用气体一定的流量及流速使蒜瓣处于半悬浮状态，蒜瓣在气体的作用下缓慢下降，依靠蒜瓣重心偏下结构特点及气体作用使蒜瓣在下落过程中实现蒜尖朝上。
与此同时，如何保证取蒜时不伤种、不重种、不漏种，则是科研人员面临的又一个难题。2008年，辽宁省农业机械化研究所对大蒜的排种器进行了研究（CN201345816Y）。2014年，山东五征集团有限公司和青岛农业大学共同研制出了一种大蒜种植机取种器开合装置（CN103477764A），放置在种箱内的蒜瓣经过出种口落到扇形门上，取种勺自扇形门的下方向上旋转并将扇形门打开，扇形门上方的蒜瓣进入取种勺，取种勺离开时，扇形门在开合复位装置的作用下复位关闭，蒜瓣存放在扇形门的弧形面上，不会对蒜瓣造成损害。 三、大蒜播种机专利及技术热点分析
图4是全球历年来大蒜播种机专利申请量，其中，国外申请量的波动比较平缓，而国内申请量的变化则非常明显，这与我国的国情密切相关。从图中可以看出，国内的申请情况总体可分为三个阶段：起步阶段（1993-1996年），第一台大蒜播种机诞生于1991年，年均专利申请量不足1件；稳步发展阶段（1997-2006年），较第一阶段稍有增加，但年均专利申请量仅有1.2件，之所以会出现这种情况，这是因为在这两阶段农村劳动人口多，劳动强度在可承受的范围内，农业主要以人工为主，市场对农业机械的需求量并不大，导致这两阶段的大蒜播种机的专利申请量都不大；高速发展阶段（2007-2014年），自2007年起大蒜播种技术专利申请量呈急剧增长趋势，至2013年高達38件，在该阶段，政府提倡农业机械化，并出台多项优惠政策，加之农村劳动人口减少，人均劳动强度增大，市场对农业机械的需求量增大，促进了社会对大蒜播种技术的研究。
图5显示了大蒜播种机在美国、欧洲（包括法国、意大利、西班牙等）、日本、韩国以及中国的总体分布情况，从图中可以看出，大蒜播种机的专利申请的88%集中在中国、日本和韩国，这种分布反映出上述国家和地区是专利申请的主要目标国或地区。虽然世界上第一台大蒜播种机出现在欧洲，但是，自1993年来，国内科研人员逐步进入该领域，加强在该领域的研究工作，使我国成为了最大的专利申请国家，占到55%。从研究内容上来看，中国、日本和韩国大蒜播种机的专利申请主要集中在整机的研发上，虽说整机都会涉及调向和取种等关键技术，但中国将这两项技术从整机中分离开来，单独进行了专利申请，这是一种进步的体现。当投入大量资源进行整机研发而不能取得很好的播种效果时，将关键技术分解开来，逐个进行解决，也可达到提高播种效果的目的。
在我国大蒜播种机的专利申请中，主要申请人是个人，占总申请的56%，其次是学校/研究所，占总申请的25%，公司申请仅占19%。鉴于个人和学校/研究所的生产及制造能力不及公司，申请人的这种分布情况不利于大蒜播种技术的推广与发展，这也是我国大蒜播种技术呈现多样化而不能有效地利用已有成果的原因所在。为了提高大蒜播种技术的播种质量，必须加强公司对该技术的重视程度及研发力度。
图6是我國大蒜播种机专利申请主要区域，其中，山东省、江苏省和安徽省是大蒜播种技术专利申请最多的省份，这三个省份是我国大蒜种植规模比较大的地区，图中的数据也从另一个方面反映了市场对大蒜播种技术的需求，正是因为有了这种需求，才使得种植面积比较大的山东省、江苏省和安徽省在该技术上的研究更为活跃。其中，位居国内前11位专利申请人的山东五征、山东农机科研院、梁开星、李刚、高迟、山东农大及青岛农大均来自山东省，其专利申请量占前11位专利申请人申请总量的76%，这也进一步印证了山东省在大蒜播种技术领域的活跃度。
四、大蒜播种机发展方向
1、智能化
由于大蒜种粒不规则，智能化大蒜播种机的设计十分复杂，需要考虑很多问题，其中，比较重要的问题是保证机器能够识别大蒜种粒的鳞芽和根部，这包括规则的种粒和不规则的种粒，最好能够识别出大蒜种粒的大小，这样可以筛选出优质的大蒜种粒。在此基础上，还要考虑取种质量，保证每一次只抓取一个大蒜种粒，并且也要做到无损伤地直立种入土中。
2、效率化
完成大蒜机械栽植需要一定的时间，使大蒜栽植机械的工作效率受到了一定的限制，因此，在提高大蒜栽植机械的作业可靠性、地区适应性，保证取种、调头、输送、定向穴播栽植的工艺流程通畅的基础上，还要合理设置每个流程环节的工作时间，提高大蒜播种机的栽植效率。■
关键词： 大蒜播种机；技术发展；专利申请；技术热点
一、大蒜播种特点及分类
大蒜蒜瓣包括了鳞芽尖、弓形膨大体和根部，具有明显的方向性，在插播的过程中，一般要求蒜瓣的鳞芽尖直立朝上。
虽然鳞芽尖朝下、朝上和平躺时，大蒜均能顺利出苗，但是，对于朝下和平躺播种的情况，出苗时间明显迟于正立的蒜瓣，因此，蒜瓣的朝向是大蒜种植的一个重要指标，直接影响大蒜的生长质量和产量。目前，大蒜机械种植技术主要有三种：
（1）大蒜点播技术，先用压穴锥压穴，然后用机械送种到种穴，大蒜在送种过程中，鳞芽朝向处于自由状态，蒜种投送到种穴内时， 鳞芽方向完全由落种瞬间朝向及落种位置随机确定。
（2）半自动大蒜栽种技术，该技术基本上满足了大蒜栽植鳞芽向上的种植要求，但前提是必须事先将蒜瓣按芽上根下的方式逐瓣用人工装入蒜种盒，工作效率与人工栽植差不多。
（3）全自动大蒜栽种技术，該技术采用特定机构扶正蒜瓣，解决了蒜种输送过程中要求鳞芽根部向下的技术问题，但方向控制可靠性差。
二、大蒜播种机技术发展历程
1972年，自罗马尼亚研制出世界上第一台大蒜播种机以来，大蒜播种技术经过了40多年的发展，最初仅仅只是关注如何实现大蒜播种功能，现今的重点则转到如何提高大蒜播种的质量，技术上是从简单到复杂，从整体到局部来逐步完善大蒜播种机的性能。
2.1 国外发展历程
发达国家如美国、法国、德国等，大蒜种植面积较小，主要是专业化、规模化种植，其栽植机械不适于在我国在大蒜生产中使用，国外现有大蒜栽植机械主要以韩国、日本为代表。其中，日本对大蒜播种机的研究始于1995年，第一台大蒜播种机（JP特开平9-107726A）考虑了播种深度及播种间隔的问题，通过使用播种带预先将蒜种固定排列在带体上，这样，蒜种的位置不容易改变，从而保证大蒜播种的间隔和深度。2008年，日本研制了一台带有大蒜夹持装置的大蒜播种机（JPU3142590），当蒜种落下时，夹持装置中的弹性环将蒜种夹住，起到一个缓冲作用，保证播种过程平稳进行。2012年，日本研制了一台鳞芽朝上直立入土的大蒜播种机（JP特开2013-233124A），如图1所示，该播种机中也带有一夹持装置，通过安装在导管内的播种杆将蒜种压入土壤。总的来说，日本大蒜播种机的研制以整机为主，结构复杂且庞大，出于对入土直立度要求的考虑，播种方式以压穴式居多。
而韩国对大蒜播种机的研究则始于1996年，同日本一样，韩国大蒜播种机的研制也主要以整机为主，播种方式也是以压穴式居多。2001年，韩国研制了一种对蒜瓣方向进行调整的装置（KR2002-0097300A），如图2所示，当鳞芽朝上时，调整板对其运动不产生影响，保持原方向进入下落管；当鳞芽朝下时，调整板改变蒜种的方向，调向后的蒜种进入下落管。同时，韩国生产了代表国际先进水平的YD1500型大蒜栽植机，该机械通过取蒜头机构、排蒜头机构、方向控制机构和防挤压机构保证蒜头的自动喂入、鳞芽向上直立入土，有效解决了排种时发生的堵塞和损伤蒜头等常见问题，并通过控制回土的流向及落点的方向，保证蒜头直立固定，满足了大蒜栽植的农艺性要求。
2.2国内发展历程
1993年，褚洪柱研制出我国第一台大蒜播种机（CN2152381Y），该大蒜播种机已经考虑了需对鳞芽朝下的蒜瓣的方向进行调整及防堵输送的问题。直到1999年，王連增研制出我国首台通过蒜种盒来实现蒜种调头的半自动大蒜播种机（CN2405408Y），事先将蒜种按芽上根下的方式逐瓣装入蒜种盒中，蒜种盒是由一列列直径与蒜种瓣当量直径相应、只允许蒜种瓣相互头尾稍有重叠、但不能横过来的种管组成，当将蒜种盒倾斜倒置在机架上时，蒜种呈芽上根下状在自重和机械振动下滑入上滑道中。
1993-2009年间，大蒜播种机的研制以整机为主，但由于大蒜种植的特殊性要求，给大蒜播种的机械化进程带来困难，现有的大蒜播种机都没有很好地解决蒜种播种后鳞芽向上根部向下的问题，导致已研制出的大蒜播种机不能得到广泛的推广和应用。2010年以后，人们开始关注影响大蒜播种质量的关键零部件的研究，其中，如何调整种植过程中的蒜尖方向、保证出芽率是所有科研人员共同面临的一个难题，为此，许多技术人员从不同的角度做出了尝试。2010年，高迟研制了一种大蒜蒜瓣鳞芽方向识别播种装置（CN101828449A），输蒜种管的中部设有测出在限定时间内是否有单个蒜瓣通过的对射式光电传感器，在输蒜种管的下口上对接上可翻转的漏斗形口，在可翻转的漏斗形口的底口部设有判定蒜鳞芽的对射式光电传感器。同年，高迟还研制了一种可识别和控制大蒜蒜瓣鳞芽方向的大蒜播种机（CN102027822A），如图3所示，也是采用机械与光电传感检测技术相结合的方式来解决蒜尖方向的识别与控制。2011年，山东五征集团有限公司研制了一种蒜瓣定向控制装置（CN202050676U），由于蒜瓣形状上尖下粗，重心位于蒜瓣下半部最厚处，利用气体一定的流量及流速使蒜瓣处于半悬浮状态，蒜瓣在气体的作用下缓慢下降，依靠蒜瓣重心偏下结构特点及气体作用使蒜瓣在下落过程中实现蒜尖朝上。
与此同时，如何保证取蒜时不伤种、不重种、不漏种，则是科研人员面临的又一个难题。2008年，辽宁省农业机械化研究所对大蒜的排种器进行了研究（CN201345816Y）。2014年，山东五征集团有限公司和青岛农业大学共同研制出了一种大蒜种植机取种器开合装置（CN103477764A），放置在种箱内的蒜瓣经过出种口落到扇形门上，取种勺自扇形门的下方向上旋转并将扇形门打开，扇形门上方的蒜瓣进入取种勺，取种勺离开时，扇形门在开合复位装置的作用下复位关闭，蒜瓣存放在扇形门的弧形面上，不会对蒜瓣造成损害。 三、大蒜播种机专利及技术热点分析
图4是全球历年来大蒜播种机专利申请量，其中，国外申请量的波动比较平缓，而国内申请量的变化则非常明显，这与我国的国情密切相关。从图中可以看出，国内的申请情况总体可分为三个阶段：起步阶段（1993-1996年），第一台大蒜播种机诞生于1991年，年均专利申请量不足1件；稳步发展阶段（1997-2006年），较第一阶段稍有增加，但年均专利申请量仅有1.2件，之所以会出现这种情况，这是因为在这两阶段农村劳动人口多，劳动强度在可承受的范围内，农业主要以人工为主，市场对农业机械的需求量并不大，导致这两阶段的大蒜播种机的专利申请量都不大；高速发展阶段（2007-2014年），自2007年起大蒜播种技术专利申请量呈急剧增长趋势，至2013年高達38件，在该阶段，政府提倡农业机械化，并出台多项优惠政策，加之农村劳动人口减少，人均劳动强度增大，市场对农业机械的需求量增大，促进了社会对大蒜播种技术的研究。
图5显示了大蒜播种机在美国、欧洲（包括法国、意大利、西班牙等）、日本、韩国以及中国的总体分布情况，从图中可以看出，大蒜播种机的专利申请的88%集中在中国、日本和韩国，这种分布反映出上述国家和地区是专利申请的主要目标国或地区。虽然世界上第一台大蒜播种机出现在欧洲，但是，自1993年来，国内科研人员逐步进入该领域，加强在该领域的研究工作，使我国成为了最大的专利申请国家，占到55%。从研究内容上来看，中国、日本和韩国大蒜播种机的专利申请主要集中在整机的研发上，虽说整机都会涉及调向和取种等关键技术，但中国将这两项技术从整机中分离开来，单独进行了专利申请，这是一种进步的体现。当投入大量资源进行整机研发而不能取得很好的播种效果时，将关键技术分解开来，逐个进行解决，也可达到提高播种效果的目的。
在我国大蒜播种机的专利申请中，主要申请人是个人，占总申请的56%，其次是学校/研究所，占总申请的25%，公司申请仅占19%。鉴于个人和学校/研究所的生产及制造能力不及公司，申请人的这种分布情况不利于大蒜播种技术的推广与发展，这也是我国大蒜播种技术呈现多样化而不能有效地利用已有成果的原因所在。为了提高大蒜播种技术的播种质量，必须加强公司对该技术的重视程度及研发力度。
图6是我國大蒜播种机专利申请主要区域，其中，山东省、江苏省和安徽省是大蒜播种技术专利申请最多的省份，这三个省份是我国大蒜种植规模比较大的地区，图中的数据也从另一个方面反映了市场对大蒜播种技术的需求，正是因为有了这种需求，才使得种植面积比较大的山东省、江苏省和安徽省在该技术上的研究更为活跃。其中，位居国内前11位专利申请人的山东五征、山东农机科研院、梁开星、李刚、高迟、山东农大及青岛农大均来自山东省，其专利申请量占前11位专利申请人申请总量的76%，这也进一步印证了山东省在大蒜播种技术领域的活跃度。
四、大蒜播种机发展方向
1、智能化
由于大蒜种粒不规则，智能化大蒜播种机的设计十分复杂，需要考虑很多问题，其中，比较重要的问题是保证机器能够识别大蒜种粒的鳞芽和根部，这包括规则的种粒和不规则的种粒，最好能够识别出大蒜种粒的大小，这样可以筛选出优质的大蒜种粒。在此基础上，还要考虑取种质量，保证每一次只抓取一个大蒜种粒，并且也要做到无损伤地直立种入土中。
2、效率化
完成大蒜机械栽植需要一定的时间，使大蒜栽植机械的工作效率受到了一定的限制，因此，在提高大蒜栽植机械的作业可靠性、地区适应性，保证取种、调头、输送、定向穴播栽植的工艺流程通畅的基础上，还要合理设置每个流程环节的工作时间，提高大蒜播种机的栽植效率。■