采花裝備的研究進(jìn)展與趨勢(shì)探索*

汪 瓊，桑一男，徐增萊，葛海濤，王殿廣，柳成航

（1.江蘇省中國(guó)科學(xué)院植物研究所（南京中山植物園）江蘇省植物資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210014；2.SYD Dynamics ApS，Denmark Odense DK-5230；3.江蘇蘇中藥業(yè)研究院有限公司，江蘇 南京 210018）

0 引言

花是被子植物的繁殖器官，擁有觀賞、食用、藥用等多種經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2021年，我國(guó)花卉零售市場(chǎng)規(guī)模達(dá)2 205億元，相比2020年增長(zhǎng)17.5%，并且預(yù)計(jì)到2031年我國(guó)花卉市場(chǎng)年消費(fèi)需求可達(dá)5 000億元[1]。與此同時(shí)，花所具有的藥用價(jià)值也備受矚目。以金銀花為例，自新冠疫情暴發(fā)以來(lái)，其市場(chǎng)需求擴(kuò)大，價(jià)格也迅速走高[2]。不過(guò)目前我國(guó)的花卉種植業(yè)面臨著各種各樣的問題。政策方面，由于我國(guó)的糧食安全要求以及耕地緊張情況，我國(guó)對(duì)花卉種植用地作出了一定限制，例如2020年國(guó)務(wù)院辦公廳出臺(tái)的《關(guān)于防止耕地“非糧化”穩(wěn)定糧食生產(chǎn)的意見》，其中指出要“明確耕地利用優(yōu)先序”“堅(jiān)持科學(xué)合理利用耕地資源”，并且強(qiáng)調(diào)“耕地在優(yōu)先滿足糧食和食用農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基礎(chǔ)上，適度用于非食用農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)”[3]。勞動(dòng)力方面，我國(guó)農(nóng)村人口老齡化加劇、農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量逐漸減少。2020年，我國(guó)鄉(xiāng)村人口中60歲及其以上的人口已占23.8%，而20~49歲的人口僅占35.45%[4]。與此同時(shí)，隨著共同富裕目標(biāo)的不斷推進(jìn)，我國(guó)農(nóng)村居民的收入穩(wěn)步增加，農(nóng)村勞動(dòng)力的成本也逐步上升。

綜合上述分析可知，提高我國(guó)花卉種植業(yè)的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平勢(shì)在必行，而其中花朵采摘機(jī)的研究更具有重要的意義。課題組綜述了國(guó)內(nèi)外典型的采花裝備的研究與發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)技術(shù)原理進(jìn)行探討，并對(duì)比目前已較為成熟的農(nóng)作物收獲裝備，為未來(lái)采花裝備的發(fā)展提供可行的建議。

1 采花裝備的關(guān)鍵技術(shù)

花朵的收獲率、所采集花朵的完整性以及采花的速率是評(píng)價(jià)采花裝備性能的關(guān)鍵指標(biāo)。采花裝備進(jìn)行花朵采摘的主要過(guò)程可以分解為花朵識(shí)別、花朵摘取和花朵收集3個(gè)部分。本小節(jié)會(huì)從花朵定位手段、花朵摘取技術(shù)、花朵收集技術(shù)以及設(shè)備行走與控制技術(shù)4個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有采花裝備的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行介紹和分析。

1.1 花朵定位手段

花朵定位手段指的是花朵采摘設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中確定花朵的位置從而引導(dǎo)采摘?jiǎng)幼鞯姆椒ā，F(xiàn)有的采花裝備里所使用的花朵定位手段主要分為預(yù)先設(shè)定、機(jī)械篩選和機(jī)器視覺識(shí)別3種。預(yù)先設(shè)定，即類似于通常所見的收割大麥等農(nóng)作物的機(jī)械，需要預(yù)先根據(jù)農(nóng)作物的高度設(shè)定收割高度，如1993年日本的緒方修身所發(fā)明的采花機(jī)器[5]。這一類機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)是因無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)甄別所以工作速度極快，缺點(diǎn)是只能對(duì)少部分花朵使用，并且給花朵的收獲率以及完整性都帶來(lái)了挑戰(zhàn)。采摘收獲來(lái)的花朵往往還連著莖部。這一點(diǎn)對(duì)觀賞花卉來(lái)說(shuō)通常無(wú)傷大雅，不過(guò)對(duì)藥用花來(lái)說(shuō)則會(huì)帶來(lái)更多的后續(xù)處理工作。

機(jī)器篩選，是指通過(guò)花朵與莖部機(jī)械性能的差別，實(shí)現(xiàn)花朵的定位和分離。如2016年池現(xiàn)榮設(shè)計(jì)的可調(diào)速金銀花采摘機(jī)，就是利用高速旋轉(zhuǎn)的硅膠轉(zhuǎn)軸將金銀花和葉片一起從植株上打落，然后利用網(wǎng)格進(jìn)行篩選[6]。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是執(zhí)行速度僅次于預(yù)先設(shè)定高度方法，花朵的收獲率很高，并且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)則是無(wú)法保證所采集花朵的完整性。這種方案對(duì)花朵的機(jī)械強(qiáng)度有著較為嚴(yán)格的要求，既不能太高使得花朵不易被打下，也不能太低使得所采集花朵輕易被破壞。

機(jī)器視覺識(shí)別，是近10年隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而興起的新型花朵定位手段。如2022年鄭如新等研究的基于機(jī)器視覺的金銀花圖像識(shí)別處理算法，通過(guò)改進(jìn)Canny算法，使得對(duì)金銀花的識(shí)別率達(dá)到了93.75%[7]。這一類算法可以使得采花裝備獲得極高的收獲率，并保證每一朵花的完整性。不過(guò)在速率方面，因?yàn)樾枰獙?duì)每一張照片進(jìn)行圖像識(shí)別并且在采摘過(guò)程中需要分別對(duì)每一朵花進(jìn)行處理，這一類裝備的速度可能不盡如人意。并且由于使用了計(jì)算機(jī)視覺算法，該類裝備對(duì)于所使用的嵌入式處理器的性能有較高的要求，顯著增加了該類裝備的開發(fā)和應(yīng)用成本。

1.2 花朵摘取技術(shù)

花朵摘取技術(shù)指的是采花裝備完成花朵定位后，將需要采集的花朵與植株分離的過(guò)程中所使用的技術(shù)。花朵摘取技術(shù)主要可分為疏刷式和剪取式兩種。疏刷式摘取技術(shù)，利用花朵相較于植物的莖更為脆弱的特點(diǎn)，通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)的梳齒將花朵打下。該種設(shè)計(jì)常常與機(jī)器篩選類的花朵定位方式相結(jié)合。上文所提及的可調(diào)速金銀花采摘機(jī)即為一例。又如1997年史建新等設(shè)計(jì)的啤酒花摘花機(jī)構(gòu)，利用鋼絲和滾筒配合抽打完成花朵的采摘[8]。這一類采花裝備執(zhí)行速度快，但是容易破壞所采花朵的完整性。

剪取式摘取技術(shù)，指的是利用剪取機(jī)構(gòu)，將花朵從植株上剪下的摘取技術(shù)。目前大多數(shù)采花裝備都屬于這種類型。剪刀式機(jī)構(gòu)又可分為鐮刀式和剪刀式兩類。鐮刀式的特點(diǎn)是每次可以取下數(shù)朵花，效率較高，但是有可能帶有殘留的莖和葉。這種摘取技術(shù)往往配合預(yù)先設(shè)定鐮刀割取高度的定位方法使用，上文所提及的緒方修身的采花機(jī)器即為一例[5]。剪刀式則是類似人類的摘花過(guò)程，一次只取下一朵花，效率較低，但是采摘往往十分干凈，不帶有殘留的莖和葉，減少了后序處理的工序。剪刀式機(jī)構(gòu)往往結(jié)合機(jī)器視覺識(shí)別的定位方法，通過(guò)機(jī)械臂執(zhí)行摘取動(dòng)作，這進(jìn)一步提升了裝備的復(fù)雜性和成本。

1.3 花朵收集技術(shù)

花朵收集技術(shù)指的是采花裝備在完成花朵與植株的分離之后，將所采集的花朵收集進(jìn)容器這一過(guò)程中所使用的技術(shù)?；ǘ涫占夹g(shù)主要可分為氣動(dòng)式和機(jī)械式兩大類。氣動(dòng)式即為利用電機(jī)帶動(dòng)風(fēng)扇抽風(fēng)形成負(fù)壓，從而將花朵吸入收集箱中。上文所提及的池現(xiàn)榮的可調(diào)速金銀花采摘機(jī)即為一例[6]。氣動(dòng)式收集技術(shù)要求所摘下的花朵質(zhì)量較輕或是已經(jīng)被擊打成質(zhì)量較輕的花瓣，因此其與疏刷式摘取技術(shù)和剪刀式摘取技術(shù)最為適配。鐮刀式摘取技術(shù)因花朵附帶有莖和葉、質(zhì)量和體積較大，適用性稍差。氣動(dòng)式收集技術(shù)執(zhí)行速度快，有利于提高所采集花朵的完整性，并且裝備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。

機(jī)械式收集技術(shù)則是利用收集裝置直接接觸花朵并將花朵轉(zhuǎn)移到容器內(nèi)。常見的收集裝置有傳送帶、滾輪、機(jī)械臂等。傳送帶和滾輪適用于大批量花朵的收集工作，執(zhí)行速度快，但有破壞采集花朵完整性的顧慮，且裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜性要高于氣動(dòng)式收集技術(shù)。上文所提及的緒方修身所發(fā)明的采花機(jī)器同時(shí)利用了傳送帶和滾輪兩種收集裝置[5]。機(jī)械臂收集技術(shù)則比較少見，并且僅適用于少量花朵的收集工作。其執(zhí)行速度慢，但能最好地保護(hù)花朵的完整性。機(jī)械臂也是以上各種收集技術(shù)中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、成本最高的。

1.4 設(shè)備行走和控制技術(shù)

依據(jù)采花裝備的機(jī)動(dòng)能力，大致可以將采花裝備分為人工類和自行類兩大類。人工類采花裝備的特點(diǎn)是依賴人來(lái)帶動(dòng)裝備在田間地頭移動(dòng)，通常表現(xiàn)為手持式或手推式裝置?，F(xiàn)在市面上常見的花朵收集裝備，基本都為手持式。這類采花裝備重量較輕、復(fù)雜程度較低，可以有效地降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，不過(guò)仍然需要農(nóng)民耗費(fèi)大量體力。

自行類采花裝備可分為輪式自行類和多足自行類兩種。由于實(shí)現(xiàn)了自行化，其最大幅度減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，且受到重量、體積等的限制較小。目前大多數(shù)自行類采花裝備屬于輪式自行類，特點(diǎn)是使用輪式底盤，按人的操控或預(yù)先的設(shè)定在田間地頭行進(jìn)。輪式自行類采花裝備可以滿足絕大多數(shù)場(chǎng)合的使用需求，但是對(duì)于較矮的植株，使用輪式底盤可能導(dǎo)致全機(jī)過(guò)高。近年來(lái)隨著仿生學(xué)和控制技術(shù)的發(fā)展，也出現(xiàn)了多足自行類采花裝備。如2021年Garimella等研發(fā)了多足自行式蒲公英采摘機(jī)器人，針對(duì)蒲公英植株低矮的特點(diǎn)，使用6條低自由度的機(jī)械腿構(gòu)建機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，有效地降低了采花裝備的重心[9]。多足自行類采花裝備可以適用于低矮的植株，但因不適合人乘坐，必須結(jié)合遙控或自動(dòng)化控制設(shè)備。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，且對(duì)于主流花朵的采集相較于輪式自行類裝備并無(wú)任何優(yōu)勢(shì)，因此目前來(lái)看，其應(yīng)用會(huì)長(zhǎng)期局限于少數(shù)幾種植物。

2 采花裝備的發(fā)展現(xiàn)狀

相比于農(nóng)作物收獲裝備，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)采花裝備的研發(fā)仍然十分有限。在20世紀(jì)90年代以前，采花裝備以直接借用或改造農(nóng)作物收獲裝備為主。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著技術(shù)水平的提高，專用采花裝備開始逐漸發(fā)展起來(lái)。從采花裝備研究開發(fā)者的國(guó)籍來(lái)看，呈現(xiàn)出西方國(guó)家主要直接借用和改造農(nóng)作物收獲裝備，而中國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)則有開發(fā)專用采花裝備的特點(diǎn)。其中的一個(gè)重要原因是自20世紀(jì)90年代以來(lái)，中國(guó)等國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的提升所推動(dòng)的中藥材市場(chǎng)的快速擴(kuò)張。根據(jù)設(shè)計(jì)目的的不同，大致可以將采花裝備分為通用型收獲裝備和專用型采花裝備兩大類。

2.1 通用型收獲裝備

通用型收獲裝備與傳統(tǒng)的農(nóng)作物收獲裝備幾乎無(wú)異。這些裝備多為輪式自走型裝備，能夠沿著田地高速地完成收割作業(yè)。由于與農(nóng)作物收獲裝備高度通用化，其運(yùn)用成本非常低廉，技術(shù)也十分成熟。不過(guò)相對(duì)而言，其缺點(diǎn)也顯而易見：這一類收獲裝備僅能采集特性與相應(yīng)農(nóng)作物相似的花朵，例如郁金香、康乃馨等部分主流觀賞花卉。但是對(duì)于其他種類的花朵，例如生于木本植物上的花朵，則并不太適合。

2.2 專用型采花裝備

20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著中國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)對(duì)其他種類花朵需求量的增大，專用型采花裝備逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)90年代，采花裝備的主要研發(fā)者是日本。這一時(shí)期采花裝備的特點(diǎn)初具雛形：第一次開始針對(duì)花與農(nóng)作物的不同點(diǎn)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。不過(guò)這一時(shí)期的采花裝備也普遍體現(xiàn)出原始的一面，由于尚未掙脫傳統(tǒng)的農(nóng)作物收獲裝備的藩籬，其機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)通用型收獲裝備繼承過(guò)多，導(dǎo)致其適用范圍有限。

進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)和韓國(guó)也加入采花裝備的研發(fā)隊(duì)伍中來(lái)，其中中國(guó)的研究占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。這一時(shí)期采花裝備的特點(diǎn)是針對(duì)開發(fā)：采花裝備往往在開發(fā)之時(shí)就針對(duì)了某個(gè)具體的品種。以中國(guó)為例，采花裝備的研究幾乎全部集中在金銀花和啤酒花上。由于花的重量較輕，手持式采花裝備和氣動(dòng)式收集設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，這也標(biāo)示著采花裝備開始跳出過(guò)往農(nóng)作物收獲裝備的藩籬，真正地為采花而設(shè)計(jì)。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展以及電子產(chǎn)品成本的降低，計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)械臂等技術(shù)開始應(yīng)用于采花裝備上，采花裝備的開發(fā)重點(diǎn)也逐漸由機(jī)械結(jié)構(gòu)開始轉(zhuǎn)向控制算法。

3 采花裝備的總結(jié)和展望

我國(guó)花卉市場(chǎng)極其廣闊，花卉種植規(guī)模大，但是因我國(guó)勞動(dòng)力成本相對(duì)低廉，目前我國(guó)采花裝備的發(fā)展處于較為滯后的狀態(tài)。我國(guó)對(duì)作為中藥材的金銀花等花朵的大量需求以及我國(guó)平原較少的特殊地形決定了我國(guó)沒有辦法簡(jiǎn)單地照搬國(guó)外的技術(shù)。通過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)個(gè)人、企業(yè)、高校和科研院所的不斷努力，我國(guó)采花裝備的研究已經(jīng)有了一個(gè)良好的開始，并取得了一批初步成果。隨著我國(guó)中醫(yī)藥等消費(fèi)市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大以及農(nóng)村勞動(dòng)力價(jià)格的提升，采花裝備即將迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇，未來(lái)有望在以下方面取得進(jìn)展。

1）通用化，即適用范圍不斷擴(kuò)大，向過(guò)去未曾關(guān)注的作物擴(kuò)展。目前我國(guó)采花裝備的研究集中在金銀花、啤酒花等少數(shù)作物上。未來(lái)，隨著鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，過(guò)去沒有受到重視的作物也將得到采摘機(jī)械化的發(fā)展機(jī)遇。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，一種采花裝備可能只需要經(jīng)過(guò)極少量的修改就可以采摘另一種花朵。此外，采花裝備的不斷推廣和大規(guī)模生產(chǎn)，也將會(huì)有助于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展成熟以及生產(chǎn)成本的降低。

2）智能化，即借鑒農(nóng)機(jī)經(jīng)驗(yàn)，采花裝備走向網(wǎng)絡(luò)化和高度自動(dòng)化。目前的采花裝備處于較為原始的階段，特點(diǎn)是單機(jī)行動(dòng)，且仍舊依賴人工干預(yù)。但近年來(lái)傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)已經(jīng)逐步邁向了網(wǎng)絡(luò)化和智能化的新階段。如2022年胡子謙等提出的基于擬人駕駛模型的聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航控制器，利用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)完成定位，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自主決策、自主進(jìn)行田間規(guī)劃，并完成采摘工作[10]。未來(lái)，采花裝備也將會(huì)向這一方向轉(zhuǎn)變，從而極大地提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。