草莓采摘機(jī)械研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

祝前峰 陸榮鑑 魯峻 李奉順

摘要：研究草莓采摘機(jī)械對(duì)于實(shí)現(xiàn)草莓機(jī)械化生產(chǎn)具有重要意義。綜述目前草莓采摘的主要方式，分析現(xiàn)有草莓采摘機(jī)械應(yīng)用中存在的問題，指出未來草莓采摘機(jī)械的發(fā)展趨勢，以期為草莓采摘機(jī)械的性能改進(jìn)及推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：草莓;采摘機(jī)械;現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢

中圖分類號(hào)：S225? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1674-1161（2021）05-0062-03

遼寧地區(qū)肥沃的土壤和適宜的氣候適合草莓種植，東港、莊河等地依靠草莓產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)了增收保收、脫貧致富。隨著城鎮(zhèn)化的不斷推進(jìn)，農(nóng)業(yè)從業(yè)人數(shù)銳減，農(nóng)忙時(shí)節(jié)用工難和人工成本增長問題日益凸顯。草莓采摘時(shí)間約占整個(gè)生產(chǎn)過程的1/4，采收成本占草莓生產(chǎn)總成本的50%～70%。草莓一般采用大棚種植，棚內(nèi)草莓整齊排列、分布規(guī)則，為機(jī)械化采收提供了有利條件;草莓果實(shí)為穗狀串行，枝葉遮擋較少，果實(shí)色澤明亮，為機(jī)器視覺識(shí)別提供了有利條件。機(jī)械化采收可以克服人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高和工作環(huán)境差等缺點(diǎn)，研究草莓采摘機(jī)械具有重要的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 目前草莓采摘的主要方式

1.1 人工采摘

人工采摘是目前草莓采摘的最主要形式，果農(nóng)用雙手或剪刀將果實(shí)從藤上取下輕輕放入身旁的收集筐中，需反復(fù)彎腰勞作。但草莓采摘周期較短，成熟的草莓采摘不及時(shí)將會(huì)大大降低果實(shí)品質(zhì)，對(duì)后期的運(yùn)輸、加工和銷售產(chǎn)生直接影響。人工采摘草莓能夠最大程度保證果實(shí)的完好性，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、采摘效率低、人工成本高，大大阻礙了草莓產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，挫傷了果農(nóng)的生產(chǎn)積極性，因此需要引入機(jī)械化采收來完成繁重的采摘任務(wù)。

出于減少彎腰頻次等降低勞動(dòng)強(qiáng)度的考慮，研究人員設(shè)計(jì)出多種人工輔助采摘裝置（如圖1所示）。杜沛松等人設(shè)計(jì)一種可站立完成采摘收集一體化的草莓收獲裝置（圖1中a），使用時(shí)根據(jù)自身身高調(diào)整伸縮桿長度，肉眼識(shí)別定位成熟草莓，將剪刀的開口對(duì)準(zhǔn)草莓果梗，按下活動(dòng)把手，活動(dòng)把手連接鋼絲繩驅(qū)動(dòng)剪切機(jī)構(gòu)完成果梗分離，果實(shí)在慣性力作用下落入收集裝置，同時(shí)鋼絲繩也驅(qū)動(dòng)收集裝置底部棘爪帶動(dòng)棘輪轉(zhuǎn)過一定角度，防止果實(shí)在一個(gè)方向上堆疊;范暉等人設(shè)計(jì)一種手持式草莓采摘裝置（圖1中b），同樣可以實(shí)現(xiàn)采收一體化，該裝置采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶傳動(dòng)，帶傳動(dòng)與另一平帶直接接觸，通過調(diào)整帶傳動(dòng)的張緊力等產(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)平帶同步運(yùn)轉(zhuǎn)，采摘桿前端的鉤子勾住草莓果梗，扣動(dòng)扳機(jī)鉤子將果實(shí)和果梗向后拉扯，果梗進(jìn)入兩帶之間并一同向后運(yùn)動(dòng)，傳送帶中部設(shè)有刀片切斷果梗，兩帶夾緊部分果梗和果實(shí)輸送進(jìn)入收集裝置;合肥某農(nóng)業(yè)科技公司設(shè)計(jì)一種可改變長度的草莓采摘器（圖1中c）（專利號(hào)201921120749.4），可根據(jù)工況調(diào)整草莓采摘器的兩臂長度，剪勺內(nèi)側(cè)均設(shè)有刃口，工作時(shí)手動(dòng)使兩臂靠近剪勺包絡(luò)住草莓，果梗被兩剪勺內(nèi)側(cè)的刀刃切斷，位于收集裝置上方時(shí)在彈簧作用力下兩剪勺打開，果實(shí)落入采收裝置，完成采摘。

1.2 機(jī)械式采摘

雖然輔助裝置在一定程度上緩解了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，但其采摘效率比不上人工彎腰采摘，沒有從根本上解決勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工成本高、采摘效率低和工作環(huán)境差等缺點(diǎn)。因此，機(jī)械式采摘在草莓采摘中得到應(yīng)用，相應(yīng)地出現(xiàn)多種草莓采摘機(jī)械（如圖2所示）。

杜國峻等人設(shè)計(jì)一種草莓采摘機(jī)（圖2中a），機(jī)器由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)套筒旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)套筒上的兩機(jī)械手爪，利用手爪雙曲柄機(jī)構(gòu)的急回特性和伸縮特性將草莓從地壟上挑起，使得果實(shí)與壟面分離，隨著手爪進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)果梗被折斷，果實(shí)被送入收集圓盤，收集圓盤在電機(jī)帶動(dòng)下作圓周運(yùn)動(dòng)，采摘的草莓隨圓盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，圓盤兩側(cè)設(shè)有肋板防止果實(shí)掉落，待果實(shí)轉(zhuǎn)到最高點(diǎn)處，在其自身重力和錐形滑臺(tái)的作用下滑落，進(jìn)入收集裝置，大量試驗(yàn)證明平均作業(yè)效率為51.7個(gè)/min，采摘失敗率為0.81%;竇艷濤等人設(shè)計(jì)一種吸入式草莓自動(dòng)采摘裝置（圖2中b）（專利號(hào)201821882603.9），通過改變涵道的開關(guān)量和氣流大小來改變涵道內(nèi)氣壓，使內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)低壓，果實(shí)在氣壓的作用下被吸入，吸收筒上方設(shè)有凸輪剪切機(jī)構(gòu)完成果梗分離，吸入的果實(shí)通過涵道進(jìn)入傳送帶，運(yùn)送至收集盒;陳逸青等人設(shè)計(jì)一種采收一體化草莓采摘裝置（圖2中c），通過采摘手柄末端電動(dòng)切割鋸片旋轉(zhuǎn)完成果梗分離，果實(shí)落入導(dǎo)流網(wǎng)，網(wǎng)底設(shè)有傳送鏈，果實(shí)被傳送結(jié)構(gòu)揚(yáng)起并隨鏈一起運(yùn)動(dòng)，最終進(jìn)入承接盤。

1.3 機(jī)器人采摘

機(jī)械式采摘草莓效率得到一定的提升，動(dòng)力源主要由電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等提供，但仍然需要人工花費(fèi)大量時(shí)間參與其中，進(jìn)行肉眼識(shí)別定位果梗、推動(dòng)機(jī)器行走和手動(dòng)完成收集等。因此，研究更加自動(dòng)化、智能化、高效率的機(jī)器人采摘（如圖3所示），以實(shí)現(xiàn)草莓高效率、高質(zhì)量采摘。

王糧局等人研究機(jī)器人采摘草莓發(fā)現(xiàn)，果實(shí)重疊和枝葉遮擋等會(huì)影響識(shí)別效果，導(dǎo)致末端執(zhí)行器定位不準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)一款大容差高效末端采摘器（圖3中a），導(dǎo)軌與滑塊的配合可以實(shí)現(xiàn)末端采摘器前后移動(dòng)貼近壟壁，緩緩向上使果實(shí)進(jìn)入兩夾指和攏果繩之間，沿著Z方向后退一定距離，將草莓拉起，兩夾指閉合完成剪切并夾住果實(shí)運(yùn)動(dòng)到收集裝置，大量試驗(yàn)證明采摘器定位誤差在±7 mm范圍內(nèi)，采摘成功率為97.70%以上;馮青春等人針對(duì)高架栽培草莓設(shè)計(jì)一款可自主導(dǎo)航、自動(dòng)采摘的草莓采摘機(jī)器人（圖3中b），采用機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別定位成熟草莓的空間位置，為機(jī)械臂軌跡規(guī)劃提供依據(jù)，腰關(guān)節(jié)可旋轉(zhuǎn)180 °實(shí)現(xiàn)對(duì)兩側(cè)同時(shí)采摘，末端采摘器采用“吸、夾、切”3步，首先為風(fēng)琴式吸盤提供負(fù)壓吸住果實(shí)，然后兩手指在電磁閥的作用下閉合使電熱絲通電，果柄在切割墊板與高溫電熱絲嵌合下被切斷，保證果實(shí)的完好性并防止切口細(xì)菌感染，大量試驗(yàn)證明平均定位誤差小于2.2 mm，單次采摘平均耗時(shí)10.99 s;劉志剛等人基于光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)（圖3中c），引入一種新的光定位方法，同時(shí)在運(yùn)動(dòng)控制中加入PID算法，提高了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，大量試驗(yàn)證明采摘破損率明顯降低，最大漏采率僅為0.72%，滿足精密采摘的要求。

2 草莓采摘機(jī)械存在的問題

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需改進(jìn)

輔助機(jī)械結(jié)構(gòu)功能單一，其采摘效率不如人工彎腰采摘，實(shí)用價(jià)值較低，單一考慮勞動(dòng)強(qiáng)度而忽視采摘效率不可取;機(jī)械式采摘為半自動(dòng)化采摘，需要人工輔助，且采摘柔順性差，草莓質(zhì)地柔軟極易發(fā)生損傷;采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)冗雜，片面追求多自由度，忽視機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)次數(shù)越多產(chǎn)生的振動(dòng)和定位誤差就越大，末端執(zhí)行器柔順性較差易對(duì)草莓產(chǎn)生機(jī)械損傷和對(duì)周圍果實(shí)、枝葉造成影響。因此，草莓采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)不斷優(yōu)化和改良，以滿足草莓高效、無損采摘的需求。

2.2 采摘識(shí)別和定位不準(zhǔn)確

草莓識(shí)別和定位對(duì)于草莓采摘機(jī)器人而言至關(guān)重要，其決定了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和位姿，間接影響采摘果實(shí)的品質(zhì)。草莓的識(shí)別受到多種因素的影響，首先是自然環(huán)境的影響，包括采摘天氣的陰晴、采摘時(shí)光線的強(qiáng)弱、采摘時(shí)是否有環(huán)境擾動(dòng)等;其次是草莓植株本身的影響，包括果實(shí)重疊和莖葉對(duì)果實(shí)的遮擋、果實(shí)表皮有傷疤等，這對(duì)機(jī)器視覺的影響最大，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的精準(zhǔn)識(shí)別;再次是機(jī)器本身對(duì)視覺的影響，包括行走結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和前一個(gè)草莓采摘完產(chǎn)生的振動(dòng)等，這在一定程度上對(duì)視覺識(shí)別產(chǎn)生影響。草莓的定位高度依賴于草莓識(shí)別提供的三維立體坐標(biāo)，同時(shí)也受機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)精度的影響。

3 草莓采摘機(jī)械的發(fā)展趨勢

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)趨于小型化與實(shí)用化

為了提高土地利用率和草莓產(chǎn)量，草莓種植的間距較小，因此對(duì)采摘機(jī)械提出小型化的要求。小型化機(jī)械一方面因整體小巧而可以在過道行走不傷害到植株，另一方面因結(jié)構(gòu)靈活而可以降低枝葉遮擋等影響。無論是采摘機(jī)械還是機(jī)器人都應(yīng)將采摘效率和果實(shí)完好率相結(jié)合，根據(jù)實(shí)際需求不斷改進(jìn)，逐步走向?qū)嵱没?/p>

3.2 控制系統(tǒng)趨于自動(dòng)化與智能化

采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)主體分為機(jī)器視覺控制系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩部分。草莓采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)不斷朝著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，為高效、無損草莓采摘助力。

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Research Status and Development Trend of Strawberry Picking Machinery

ZHU Qianfeng， LU Rongjian*， LU Jun， LI Fengshun

（College of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037， China）

Abstract： Research on strawberry picking machinery is of great significance to realize mechanization of strawberry production. This paper summarized the main methods of strawberry picking， analyzed the existing problems in the application of strawberry picking machinery， and pointed out the development trend of strawberry picking machinery in the future， in order to provide reference for the performance improvement， promotion and application of strawberry picking machinery.

Key words： strawberry; picking machinery; status; development trend