陳玉梅 申允德 張成浩

摘要：概述黃瓜自動化栽培系統(tǒng)的研究進展，針對黃瓜播種育苗、移栽定植、搭架引蔓、整枝與采收的農(nóng)藝規(guī)程，介紹國內(nèi)外黃瓜培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側枝修剪機器人和采摘機器人的研究現(xiàn)狀，分析制約黃瓜采摘機器人應用研究的因素為采摘效率和制造成本，最后指出未來黃瓜自動化栽培系統(tǒng)的研發(fā)重點為簡化機器人任務和強化機器人性能。

關鍵詞：栽培系統(tǒng);采摘機器人;側枝修剪;末端執(zhí)行器;自動化

中圖分類號： S233.74? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）05-0174-06

收稿日期：2017-10-23

基金項目：2017年度浙江省重點研發(fā)計劃（編號：2017C02018）。

作者簡介：陳玉梅（1994—），女，四川瀘州人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機器人及自動化農(nóng)機裝備研究。E-mail：865705722@qq.com。

通信作者：申允德，博士，高級工程師，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機器人及自動化農(nóng)機裝備研究。E-mail：shenyunde63@163.com。

我國作為典型的農(nóng)業(yè)大國，果蔬產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出一直較大，1978年，我國蔬菜播種面積為333.1萬hm2，2015年擴大到 21 99.967萬hm2，分別占當年全國農(nóng)作物總播種面積的222%、1322%;2014年我國蔬菜種植總產(chǎn)量達到 76 005.48萬t，2015年增長到78 526.10萬t，比2014年增長3.3%。黃瓜種植成本由人工成本、物質服務費用和土地成本構成。人工成本包括家庭用工折價和雇工費用，隨著黃瓜種植面積增大，收獲就要耗費大量的時間和人力。但隨著農(nóng)村勞動力缺乏，人口老齡化加劇，必須降低采摘成本、提高采摘果實質量、提高勞動生產(chǎn)率、保證果實的適時采收、提高產(chǎn)品的國際競爭力[1]，進而降低設施黃瓜種植成本中的人工成本占比，提高黃瓜種植凈利潤。

針對上述研究背景，本研究提出的黃瓜農(nóng)藝規(guī)程為播種育苗→移栽定植→搭架引蔓與整枝→采收。為了實現(xiàn)黃瓜種植的以上4個流程，一套完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)應該包括栽培系統(tǒng)、側枝修剪機器人和黃瓜采摘機器人。本研究通過分析比較各部分的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出黃瓜自動化栽培系統(tǒng)關鍵部分的發(fā)展趨勢，并進行總結，旨在為未來開發(fā)完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)提供參考。

1 黃瓜栽培系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

栽培系統(tǒng)包括培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)和吊落蔓系統(tǒng)，分別實現(xiàn)黃瓜種植過程中的播種育苗、移栽定植和搭架引蔓過程。

1.1 培育系統(tǒng)

黃瓜種子屬于包衣類蔬菜種子，為實現(xiàn)播種育苗環(huán)節(jié)自動化，須要利用播種機實現(xiàn)自動化育苗。溫室育苗用播種機[2]多為固定型機器人，作業(yè)流程為穴盤填土→澆水→播種→覆土→育苗箱搬出。

國外設施育苗配套設施的穴盤育苗播種設備研制較早，目前日本和美國的育苗工廠已大規(guī)模開發(fā)使用溫室機械化育苗播種成套設備，流水線自動完成穴盤裝土、刮平、壓窩、播種、覆土和澆水等多道工序作業(yè)。發(fā)達國家的蔬菜商品穴盤育苗率約為70%，荷蘭某公司生產(chǎn)的巖棉塊種苗生產(chǎn)線的播種作業(yè)生產(chǎn)率約為14 400粒/h[3]。

目前，我國穴盤育苗播種機有針式、板式和滾筒式，按工作原理分為機械式和氣力式?，F(xiàn)階段的穴盤育苗播種機械多以氣力式為主，精度不高，推廣程度不高[4]。2017年，青島農(nóng)業(yè)大學的張峰峰等研制出一種自動蔬菜穴盤育苗精量播種機，對辣椒和南瓜進行試驗，平均播種單籽率約為96%，漏播率約為1.4%，多籽率約為2.5%[5]。

1.2 移栽系統(tǒng)

為了培育出優(yōu)質黃瓜，必須對瓜苗進行適當?shù)囊圃宰鳂I(yè)，目前移栽機分為全自動型和半自動型2種，作業(yè)流程為供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2013年，中國農(nóng)業(yè)大學的Jin 等研究了蔬菜移栽機中幼苗拾取設備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較了國內(nèi)外拾取機構的優(yōu)劣勢[6]。國外溫室自動移栽機技術已經(jīng)較為成熟，但其結構復雜、價格昂貴、體積龐大，與我國現(xiàn)階段設施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式適應性較差。

國內(nèi)對穴盤苗移栽機的研究大多處于研究和試驗階段，移栽裝備經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：滑道機構、桿機構和回轉機構[7]。2016年，江蘇大學的胡建平等研制出了一種八爪溫室缽苗移栽機（圖1），可實現(xiàn)自動填土、打穴、定位輸送、整體間隔取苗、分散間隔投苗、苗盤連續(xù)進給，移栽平均合格率約為95%[8]。他的團隊同年又研制出了一種溫室穴盤苗移栽機，其末端執(zhí)行器到達取苗點后，取出幼苗，輸送至目標盤放苗點后，釋放幼苗并進行栽苗，平均取苗移栽成功率約為90.7%[9]。

1.3 吊落蔓系統(tǒng)

黃瓜為藤生農(nóng)作物，貼地生長的黃瓜沾泥，易腐爛、商品性差、產(chǎn)量低。為提高農(nóng)產(chǎn)品質量，通常采用搭架引蔓方法，但僅適合生長量不大的短季節(jié)露地栽培，近年來隨著黃瓜品種的改良，單株植株可長達幾十米，而竹竿高度有限，植株爬到竹竿頂端仍會再次匍匐在地面，故吊蔓式立體栽培成為溫室作物栽培的趨勢和潮流。

國外對果蔬新型栽培模式的研究很多，如草莓高架栽培模式、番茄拉線栽培模式、黃瓜高拉線栽培模式，在適應機械化采摘的同時，也達到了高產(chǎn)高效的目的。針對新的種植模式也研發(fā)出了相應的自動化栽培系統(tǒng)，如中國農(nóng)業(yè)大學的陳一飛等研發(fā)了溫室草莓立體栽培智能控制系統(tǒng)，栽培支架在電機的驅動下使栽培槽實現(xiàn)升降和擺動動作，以達到改善采光條件和調(diào)控溫度層的目的[10]。日本農(nóng)業(yè)機械學會的Ota等研發(fā)出了一種自動間距控制的可移動番茄高架栽培系統(tǒng)，根據(jù)番茄生長階段的不同來合理分配臺架間距，以達到增加果實產(chǎn)量的目的[11]。黃瓜的高拉線栽培模式最早源于荷蘭，21世紀初，荷蘭農(nóng)業(yè)工程研究所的研究員提出了以拉線種植代替?zhèn)鹘y(tǒng)黃瓜搭架種植模式，此模式下種植的黃瓜瓜藤與拉線纏繞[12]，隨著黃瓜生長長度的無限型發(fā)展，研究的重點已經(jīng)逐步轉向如何實現(xiàn)拉線收放，即吊落蔓作業(yè)是此新模式的關鍵?，F(xiàn)多為人工操作，近年來向機械化發(fā)展，韓國目前采用一種可移動的拉線栽培模式，但仍處于半自動形式，未實現(xiàn)垂直落蔓與水平移動的同步作業(yè)，仍需要人工輔助。

4.1.3 采摘機器人的制造成本較高 同工業(yè)機器人相比，由于作業(yè)對象柔嫩易損，為了保持果實完整性，采摘機器人的結構和控制系統(tǒng)更加復雜，制造成本更高。而且工作具有周期性、時間集中性等特點，導致設備利用率不高。對于采摘機器人這類復雜的光機電一體化產(chǎn)品而言，設備的使用和維護都需要相當高的技術水平和費用[46]。

除此之外，還存在黃瓜采摘機器人的研制與農(nóng)藝不協(xié)調(diào)，采摘機器人的安全可靠性、多功能性、通用性、柔性作業(yè)不足等問題。鑒于以上原因，在以后的研究開發(fā)中必須解決以下幾個方面的關鍵技術。

4.2 簡化采摘機器人任務

在果蔬采摘機器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復雜性，特別是果實生長位置的不確定性和果實部分遮擋或完全遮擋問題，導致機器人面臨很多除了采摘任務外的附加難度作業(yè)，因此如何簡化機器人任務還需要進一步研究。

4.2.1 改變栽培方式 通過改變栽培方式來簡化作物收獲環(huán)境，如黃瓜斜拉線與斜搭架栽培模式、甜椒通過拉線輔助根莖定位等，可以更好地將果實與莖葉隔離開，減輕圖像處理單元的計算負擔，加快圖像處理單元的運轉速度，從而縮短果實平均采摘周期。

4.2.2 改變果蔬品種 果實的生長位置是最具影響力的參數(shù)，通過改變黃瓜品種，培養(yǎng)和繁育出果實生長在根莖前方的黃瓜，使果實生長在機械手采摘可行域內(nèi)采摘成功率最高、采摘周期最短的位置，以適應機械化采摘。其理想狀態(tài)為黃瓜果實生長位置，即為采摘機器人設定最簡收獲位置。

4.2.3 增加附加機構 通過輔助機構來簡化機器人任務，如通過吹風機來減少果實收獲時的葉子遮擋率，通過落蔓吊蔓機構使黃瓜待采瓜藤段處于機械手采摘可行域內(nèi)。

4.3 強化采摘機器人的性能

果蔬采摘機器人系統(tǒng)集成了傳感技術、控制工程、機械設計和圖像處理技術等關鍵技術，各部分功能的運轉決定著果蔬采摘機器人運動的靈活性，仍需進一步研究以強化機器人性能。

4.3.1 多元化收集信息 果蔬采摘機與多功能信息化有機結合，結合傳感器、模擬環(huán)境和推理運算來增強機器人的認知，多元化地收集信息，讓機器人自適應地進行學習。

4.3.2 機械本體的優(yōu)化設計 尋找最優(yōu)機械手類型和末端執(zhí)行器類型，機器人可以從標準化向專有化、結構簡化的方向進行轉化[47]，例如通過更換末端執(zhí)行器實現(xiàn)黃瓜果實采收和側枝修剪功能。無需設計完整的機器人，只需功能部件滿足采摘要求即可，如蛇形機器人、攀爬機器人。這不僅是黃瓜采摘機器人未來的發(fā)展方向，也是果蔬采摘機器人的發(fā)展方向。

4.3.3 增加附加功能 如檢測功能：收獲時判斷成熟度，評價果實內(nèi)部品質，在果實分選階段之前進行壞果剔除，可以避免向分選場運輸壞果所造成的浪費。實現(xiàn)采摘機器人的多功能性，提高設備利用率，從而降低總成本。

5 結束語

完整的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)由培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側枝修剪機器人和黃瓜采摘機器人組成，主要作業(yè)對象包括黃瓜、側枝、卷須、雄花及枯殘葉等，在研究過程中要考慮果實完整性、工作高效性、操作簡便性和價格合理性。本研究重點總結了國內(nèi)外黃瓜采摘機器人和側枝修剪機器人的研究現(xiàn)狀，從機械本體結構、果實識別、運動規(guī)劃等方面，概述了黃瓜采摘機器人的研究進展，為研究出一種安全可靠、柔性高效的黃瓜自動化栽培系統(tǒng)做準備，以響應“中國制造2025十大領域之農(nóng)機裝備和全國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化之創(chuàng)新強農(nóng)”的政策號召，不斷提高技術裝備和信息化水平，促進農(nóng)業(yè)機械化提檔升級，提高農(nóng)作物機械收獲水平，因地制宜地形成具有中國特色的自動化栽培技術。

參考文獻：

[1]張 潔，李艷文. 果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀、問題及對策[J]. 機械設計，2010，27（6）：1-5.

[2]近藤直，田充司，野口伸共，等. 農(nóng)業(yè)機器人（Ⅱ）[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學出版社，2009：12-17.

[3]Visser international trade & engineering B.V.[EB/OL]. [2013-03-05]. http：//www.visserite.com/index.php？id=5.

[4]段曉凡，賴慶輝，魯勁柏. 我國穴盤育苗播種機械的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2016（7）：94-96.

[5]張峰峰，王家勝，王東偉，等. 自動蔬菜穴盤苗精量播種機的設計與試驗[J]. 農(nóng)機化研究，2017，39（11）：93-98.

[6]Jin X，Li S J，Yang X J，et al. Developments in research on seedling auto-picking device of vegetable transplanter[J]. Applied Mechanics & Materials，2013，364：375-379.

[7]于曉旭，趙 勻，陳寶成，等. 移栽機械發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（8）：44-53.

[8]胡建平，張晨迪，王留柱，等. 全自動溫室缽苗移栽機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（增刊1）：149-154.

[9]韓綠化，毛罕平，胡建平，等. 溫室穴盤苗自動移栽機設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2016，47（11）：59-67.

[10]陳一飛，路 河，劉柏成，等. 日光溫室草莓立體栽培智能控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（增刊1）：184-189.

[11]Ota T，Iwasaki Y，Yamane H，et al. Automatic spacing-controlled movable bench system for tomato production[J]. Engineering in Agriculture Environment & Food，2016，9（2）：179-186.

[12]Henten E J V，Hemming J，Tuijl B A J V，et al. An autonomous robot for harvesting cucumbers in greenhouses[J]. Autonomous Robots，2002，13（3）：241-258.

[13]齊 飛，汪曉云，丁小明，等. 一種溫室作物的吊蔓裝置及作物栽培方法：CN，CN102405797A[P]. 2012-04-11.

[14]魯少尉，潘守江，尹義蕾，等. 番茄可移動吊蔓裝置[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2014，42（34）：12376-12377.

[15]韓靖玲，劉全國，李聰曉，等. 雙砧嫁接與吊落蔓器在雌性系秋黃瓜溫室生產(chǎn)中的應用[J]. 北方園藝，2015（22）：51-52.

[16]賈挺猛. 葡萄樹冬剪機器人剪枝點定位方法研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學，2012.

[17]孔衛(wèi)國. 美國研發(fā)出第二代葡萄修剪機器人[EB/OL]. （2010-03-26）[2017-10-09]. http：//www.wine china.com/html/2010/03/-20100325299.html.

[18]楊慶華，賈挺猛，荀 一，等. 葡萄樹剪枝機器人系統(tǒng)：CN，CN202818996U[P]. 2013-03-27.

[19]吳良軍，楊 洲，王慰祖，等. 果樹氣動修剪機應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2013（1）：54-57.

[20]Fu G H，Liu X M，Chen Y F，et al. Fast-growing forest pruning robot structure design and climbing control[J]. Advances in Manufacturing，2015，3（2）：166-172.

[21]李和良. 一種茶樹修剪機：CN204762355[P]. 2015-11-18.

[22]Grew D G. Cucumber harvesting machine：US2841947[P]. 1958-07-08.

[23]Gilbert L. Cucumber harvesting machine：US 2893193A[P]. 1959-07-07.

[24]Mitchell J F. Cucumber harvesting machine：US 3386236A[P]. 1968-06-04.

[25]Leonard R K，Buchele W F. Machine and method for harvesting cucumbers：US，US3084496[P]. 1963-04-09.

[26]Wilde L L. Cucumber-harvesting machine：US，US 3603067 A[P]. 1971-09-07.

[27]Arima S，Kondo N. Cucumber harvesting robot and plant training system[J]. Journal of Robotics and Mechatronics，1999，11（3）：208-212.

[28]周增產(chǎn)，Bontsema J，Kollenburg-Crisan L V. 荷蘭黃瓜收獲機器人的研究開發(fā)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2001，17（6）：77-80.

[29]Henten E J V，Tuijl B A J V，Hemming J，et al. Field test of an autonomous cucumber picking robot[J]. Biosystems Engineering，2003，86（3）：305-313.

[30]Henten E J V，Slot D A V，Hol C W J，et al. Optimal design of a? cucumber harvesting robot[J]. In：Proceedings of the XVIth CIGR World Congress，September 3-7，2006，Bonn，Germany：Agricultural engineering for a better world，2006.

[31]Henten E J V，Slot D A V，Hol C W J，et al. Optimal manipulator design for a cucumber harvesting robot[J]. Computers & Electronics in Agriculture，2009，65（2）：247-257.

[32]Henten E J V，Schenk E J，Willigenburg L G V，et al. Collision-free inverse kinematics of a 7 link cucumber picking robot[J]. Acta Horticulturae，2008，801：65.

[33]Bac C W，Henten E J，Hemming J，et al. Harvesting robots for high-value crops：state of the art review and challenges ahead[J]. Journal of Field Robotics，2015，31（6）：888-911.

[34]錢少明，楊慶華，王志恒，等. 黃瓜抓持特性與末端采摘執(zhí)行器研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2010，26（7）：107-112.

[35]熊俊濤，葉 敏，鄒湘軍，等. 多類型水果采摘機器人系統(tǒng)設計與性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（增刊1）：230-235.

[36]馮青春，紀 超，張俊雄，等. 黃瓜采摘機械臂結構優(yōu)化與運動分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（增刊1）：244-248.

[37]李 偉，袁 挺，馮青春，等. 一種溫室環(huán)境下黃瓜采摘機器人系統(tǒng)及采摘方法：CN，CN101356877[P]. 2009-02-04.

[38]Tang X，Zhang T，Liu L，et al. A new robot system for harvesting cucumber[C]// 2009 Reno，Nevada，June 21-June 24，2009.2009：3873-3885.

[39]紀 超，馮青春，袁 挺，等. 溫室黃瓜采摘機器人系統(tǒng)研制及性能分析[J]. 機器人，2011，33（6）：726-730.

[40]李 偉，楊振宇，農(nóng)克儉，等. 單軌黃瓜智能收獲機：CN103053267[P]. 2013-04-24.

[41]楊振宇，劉發(fā)英，王 勇. 自導航溫室黃瓜收獲機器人的研究[J]. 中國農(nóng)機化學報，2013，34（6）：225-229.

[42]葛宜元，吳慶越，李 瞳，等. 黃瓜采摘機械手系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機使用與維修，2016（1）：1-4.

[43]戚利勇. 黃瓜采摘機器人視覺關鍵技術及系統(tǒng)研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學，2011.

[44]趙相飛. 基于紋理顏色的溫室大棚黃瓜圖像識別[D]. 天津：天津理工大學，2017.

[45]湯修映，張鐵中. 黃瓜收獲機器人避碰軌跡規(guī)劃[C]. 中國農(nóng)業(yè)機械學會2008年學術年會，2008：98-102.

[46]方建軍. 采摘機器人開放式控制系統(tǒng)設計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36（5）：83-86.

[47]Bac C W，Henten E J，Hemming J，et al. Harvesting robots for high value crops：state of the art review and challenges ahead[J]. Journal of Field Robotics，2014，31（6）：888-911.王紅君，?；矍?，岳有軍，等. 溫室下無線傳感器網(wǎng)絡雙簇頭異構成簇算法的研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學，2019，47（5）：180-183.