《Agriculture》：Design, Integration, and Experiment of a Multi-Variety Rice Seedling Transplanting Robot with a Force–Position-Controlled Rigid–Flexible Coupled End Effector
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针对水稻育种试验田人工移栽劳动强度大、效率低、精度不稳定，而常规移栽机难以满足小区、多品种、高精度作业需求的问题，研究人员设计了一种多品种水稻秧苗智能移栽机器人。该系统由履带式移动底盘、六自由度（6-DOF）协作机械臂与定制末端执行器构成。研究人员开发了仿生刚
针对水稻育种试验田人工移栽劳动强度大、效率低、精度不稳定，而常规移栽机难以满足小区、多品种、高精度作业需求的问题，研究人员设计了一种多品种水稻秧苗智能移栽机器人。该系统由履带式移动底盘、六自由度（6-DOF）协作机械臂与定制末端执行器构成。研究人员开发了仿生刚柔耦合（rigid–flexible coupled）末端执行器，并建立力-位（force–position）闭环控制策略；采用YOLOv5s算法结合异色辅助标记实现多品种秧苗快速识别，通过手眼标定（hand–eye calibration）完成位姿转换。基于标准D-H参数法开展正逆运动学分析，并利用蒙特卡洛（Monte Carlo）法验证工作空间可达性。台架试验表明：移栽成功率达94.90%，移栽精度率97.96%，平均伤苗率仅3.06%，单穴作业时间7.85 s，各项指标满足育种试验对作业精度与数据一致性的要求。
研究背景与问题提出
水稻是我国主要口粮作物，育种试验中的秧苗移栽环节直接决定品种筛选准确性与田间试验数据可靠性。当前育种试验田仍以人工移栽为主，存在劳动强度高、效率低下、作业精度波动大等问题；同时农村农业劳动力老龄化加剧，劳动力短缺成为制约规模化精准育种的重要瓶颈。商用移栽机面向大面积单品种作业，采用固定行距与株距的标准化模式，转弯半径大、场景适应性差，无法快速切换品种参数，难以适配育种田“小小区、多品种、高精度”的作业特征。因此，亟需研发面向育种场景的自适应智能移栽装备，在保障低伤苗的前提下实现多品种定量取苗与精准栽植。
研究人员开展的工作与结论意义
研究人员以寒地黑土垦区育种试验田碗状毯状秧苗为对象，构建了“移动底盘+机械臂+定制末端执行器”一体化系统，研制了仿生刚柔耦合末端执行器并引入力-位闭环控制，结合视觉识别与运动学规划，完成了台架验证。试验结果表明系统移栽成功率94.90%、精度率97.96%、伤苗率3.06%、单穴耗时7.85 s，满足育种试验对作业精度与数据一致性的核心需求。该研究为水稻育种智能化、试验数据可信化及现代种业装备发展提供了工程范式。
主要关键技术方法
研究选取BUNKER MINI履带底盘与Nova 2六轴协作机械臂；末端执行器采用“外刚内柔”结构，刚性骨架为铝合金，柔性夹持层为硅胶，并集成薄膜压力传感器，经STM32主控实现夹持力阈值反馈。视觉端采用YOLOv5s检测异色标记，配合DaBai DC1深度相机（RGB-D相机，可通过彩色图与深度图获取三维信息）与眼在手（eye-in-hand）手眼标定；样本为黑龙江建三江垦区试验田四个品种碗状毯状秧苗，每品种3盘、每盘采样30株共360株有效样本用于物理参数测量。
研究结果
2. 材料与方法
基于育种农艺参数测量，明确秧苗形态与力学特征；完成机器人总体系统集成与末端执行器仿生结构设计，建立压力反馈闭环。
3. 结果
移栽试验于2026年5月13日开展，四个品种均完成取苗—运输—栽植全流程。结果显示总体移栽成功率94.90%，精度率97.96%，伤苗率3.06%，单穴平均7.85 s；每品种成功率和精度均保持较高水平，验证多品种适应性。
4. 讨论
伤苗主要源于相邻秧苗根系缠绕，在抓取时无法完全分离导致断根；株距行距稳定，栽植深度在2±0.5 cm标准内。单穴周期包含识别—抓取—运输—栽植—复位，效率可满足小区连续作业，后续可通过轨迹优化与低频振动松根进一步降本提效。
5. 结论（翻译凝缩）
研究面向育种试验田开发出多品种水稻秧苗智能移栽机器人，突破低伤抓取、精准识别定位与全流程协同控制关键问题：刚柔耦合末端执行器结合力-位闭环实现定量低伤取苗；YOLOv5s+异色标记方案mAP达95.8%，配合深度相机与手眼标定实现三维位姿引导；基于D-H正逆运动学与蒙特卡洛工作空间分析验证可达性。未来将转向无标记识别、增设切根预处理装置并开展多工况大田验证。
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