王 偉 呂曉蘭 王士林 陸岱鵬 易中懿*

(1.江蘇大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)設(shè)施與裝備研究所，南京 210014；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游設(shè)施農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014)

我國(guó)是世界上蔬菜產(chǎn)量最大的國(guó)家，2018年我國(guó)蔬菜種植面積約為2 043.89萬hm2，總產(chǎn)量約70 350萬t，同比增長(zhǎng)1.71%，其中莖葉類蔬菜種植面積742.29萬hm2，占總種植面積的37.15%[1-2]。莖葉類蔬菜種類眾多，不同種類蔬菜具有特定的種植模式，如結(jié)球類蔬菜種植模式主要為條播，生長(zhǎng)周期50～100 d，成熟后高度在20～80 cm，結(jié)球由多個(gè)葉片包合成。雞毛菜、西芹等非結(jié)球類蔬菜有撒播、條播、穴播等多種種植模式，播種量和栽培密度高。為保證出苗和生長(zhǎng)質(zhì)量，對(duì)土壤的細(xì)碎度、播種均勻性均有較高要求[3-4]。

在整個(gè)蔬菜生產(chǎn)中，收獲作業(yè)約占總作業(yè)量的40%，但收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化程度仍處于較低水平，隨著蔬菜產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，日益增長(zhǎng)的蔬菜產(chǎn)品需求和從業(yè)人員短缺之間的矛盾日益凸顯。我國(guó)蔬菜種植區(qū)域分布廣泛，收獲機(jī)械作業(yè)環(huán)境多變。受光照、水分和肥料等外部環(huán)境的影響，莖葉類蔬菜的生長(zhǎng)具有時(shí)空各異性，成熟后蔬菜的幾何尺寸與物理特性存在明顯差異。此外，莖葉類蔬菜的莖葉相對(duì)脆弱，在機(jī)械化收獲過程中容易受外力損傷[5]。因此，莖葉類蔬菜的機(jī)械化收獲作業(yè)是一個(gè)較為復(fù)雜的過程，需綜合考慮作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對(duì)象和機(jī)具結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等因素。按收獲后蔬菜堆放有序度的不同，國(guó)內(nèi)外莖葉類蔬菜收獲機(jī)可分為無序收獲機(jī)和有序收獲機(jī)2種，其中蔬菜無序收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，但收獲后的蔬菜散亂，需人工二次整理。蔬菜有序收獲機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高，收獲后的蔬菜品相好，有較高的商品價(jià)值[6-7]。本研究擬對(duì)國(guó)內(nèi)外莖葉類蔬菜無序收獲技術(shù)和有序收獲技術(shù)進(jìn)行分析，結(jié)合最新研究成果，提出現(xiàn)有問題的解決方案，以期為我國(guó)莖葉類蔬菜收獲機(jī)的研究提供技術(shù)基礎(chǔ)。

1 莖葉類蔬菜無序收獲機(jī)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)50年代中期，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家就開始蔬菜收獲機(jī)械的研制。早期的蔬菜收獲機(jī)多采用集中式收獲模式，其采收裝置的工作參數(shù)為固定值，在收獲過程中能夠一次性完成采收區(qū)域內(nèi)蔬菜的收獲作業(yè)，具有收獲效率高的優(yōu)點(diǎn)[8]。

1.1 集中式蔬菜收獲機(jī)

1.1.1專用型蔬菜收獲機(jī)

專用型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅包含切割、輸送、收集等關(guān)鍵部件，具備蔬菜收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，大多僅能收獲1種蔬菜。Seeley等[9]研制了一種牽引式蘆筍收獲機(jī)(圖1)，配置漿輪型切割與輸送裝置，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力通過變速箱傳遞給漿輪支架，帶動(dòng)撥禾片圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，蘆筍被撥禾片推送至割刀處完成切割，切割后的蘆筍被撥禾片和風(fēng)力推送至后方收集箱中。該機(jī)型優(yōu)點(diǎn)是收獲效率高，適合大規(guī)模種植模式下蘆筍的收獲作業(yè)。為提高收獲機(jī)對(duì)蘆筍的導(dǎo)入效果， Lachman[10]設(shè)計(jì)了一種柔性撥禾輪將蘆筍莖稈引至割刀處，并將割斷的莖稈推向輸送帶。Leach等[11]研制了一種集收獲和加工于一體的履帶自走式芹菜收獲機(jī)(圖2)，該機(jī)通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流清除芹菜段上附著的雜質(zhì)，同時(shí)將芹菜吹送至輸送裝置上，由輸送裝置運(yùn)送至儲(chǔ)集箱中。

1.傳動(dòng)軸；2.變速箱；3.漿輪支架；4.撥禾片；5.地輪；6.收集箱1. Transmission shaft; 2. Gearbox; 3. Slurry wheel support; 4. Allocate grain slices; 5. The wheel; 6. Collecting box圖1 牽引式蘆筍收獲機(jī)[9]Fig.1 Traction asparagus harvester[9]

在專用型蔬菜收獲機(jī)的研制中，我國(guó)也有較多研究。鄭雋等[12]發(fā)明了一種茭白收割機(jī),工作時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過錐齒輪和轉(zhuǎn)桿帶動(dòng)弧形刀片高速旋轉(zhuǎn)切割茭白根部，割臺(tái)前端的推動(dòng)板運(yùn)轉(zhuǎn)將茭白向內(nèi)推攏至鉸筒內(nèi)，鉸筒將茭白露白部分切斷，輸送帶將完成切割后的茭白傳送至收納槽完成收獲。該裝置具有收割效率高，成本低的優(yōu)點(diǎn)。盧強(qiáng)和陳樹人等[13-14]在三葉菜收獲機(jī)切割裝置的前上側(cè)安裝了風(fēng)機(jī)和風(fēng)管，利用風(fēng)力將切割后的三葉菜吹進(jìn)收獲機(jī)的收集箱內(nèi)。風(fēng)力輸送裝置能夠?qū)崿F(xiàn)蔬菜的非接觸輸送，降低蔬菜收獲損傷。為避免榨菜夾持輸送損傷，龔境一等[15]研制了一種柔性橡膠夾持輸送裝置，輸送裝置采用帶輪輸送面廣角結(jié)構(gòu)，表面均布柔性橡膠條，增強(qiáng)了對(duì)榨菜的夾持穩(wěn)定性。在此之后，王留步等[16]設(shè)計(jì)了一種夾持帶間距可調(diào)的輸送機(jī)構(gòu)，該輸送機(jī)構(gòu)中間的輻條通過螺栓固定在支架上，通過螺栓調(diào)節(jié)輻條與夾持帶的間距進(jìn)而調(diào)整夾持間距?？烧{(diào)式輸送機(jī)構(gòu)可滿足不同尺寸的榨菜輸送要求，提高了機(jī)具適應(yīng)性。

1.切割裝置；2.夾持輸送裝置；3. 切斷裝置；4. 風(fēng)機(jī)；5.輸送帶1. Cutting device; 2. Clamping conveying device; 3. Cutting device; 4. Draught fan; 5. Conveyor belt圖2 履帶自走式芹菜收獲機(jī)[11]Fig.2 Crawler self-propelled celery harvester[11]

專用型蔬菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，但關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)大多僅針對(duì)單一品種蔬菜的收獲作業(yè)，機(jī)具利用率低。在目前的生產(chǎn)模式下，專用型收獲機(jī)械會(huì)增加蔬菜生產(chǎn)成本，制約蔬菜收獲機(jī)械的推廣和普及，研制針對(duì)某大類蔬菜的通用性收獲機(jī)可有效解決這一問題。

1.1.2通用型蔬菜收獲機(jī)

韓國(guó)播藍(lán)特有限公司生產(chǎn)的MT-200型蔬菜收獲機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、輕便耐用，適用于亞洲地區(qū)精耕細(xì)作模式下葉類蔬菜的收獲作業(yè)。工作時(shí)通過往復(fù)式割刀切除蔬菜根部，蔬菜依靠推擠和摩擦作用被推送至回轉(zhuǎn)式輸送帶上完成輸送。該機(jī)型割茬高度可調(diào)范圍3～20 cm，可用于菠菜、油菜等葉類蔬菜的收獲作業(yè)[6]。意大利Hortch公司生產(chǎn)的SLIDE VALERIANA ECO型葉類蔬菜收獲機(jī)(圖3)裝備了新一代割茬高度液壓調(diào)節(jié)裝置，提高了蔬菜收獲作業(yè)的通用性[17]。工作過程中先由往復(fù)式割刀切除蔬菜根部，振動(dòng)清選裝置去除附著在蔬菜上的泥土，最后蔬菜通過回轉(zhuǎn)式輸送帶輸送至后方人工作業(yè)平臺(tái)，由人工完成鋪放捆扎作業(yè)。同時(shí)，該公司還研制生產(chǎn)了適用于葉類蔬菜規(guī)?；斋@的SLIDE T VALERIANA 型牽引式蔬菜收獲機(jī)和小型葉類蔬菜低損傷收獲的HOOVER型風(fēng)力輸送式蔬菜收獲機(jī)，均為成熟的通用型商業(yè)化機(jī)型。

圖3 SLIDE VALERIANA ECO型蔬菜收獲機(jī)[17]Fig.3 SLIDE VALERIANA ECO vegetable harvester[17]

我國(guó)針對(duì)通用型蔬菜收獲機(jī)的研究起步較晚，相關(guān)機(jī)型較少。徐少華等[18]設(shè)計(jì)了一種葉類蔬菜通用型收獲機(jī)，通過更換切割裝置的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)蔬菜帶根和不帶根收獲。當(dāng)不帶根收獲時(shí)，由單動(dòng)刀往復(fù)式切割裝置將蔬菜根部切斷，割斷的蔬菜在前方蔬菜的推擠作用下向后運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)孔振動(dòng)板將夾帶的泥土振落，同時(shí)將蔬菜運(yùn)送至帶式輸送裝置上。肖宏儒等[19]研制了一種自走式葉類蔬菜及茶葉通用收獲機(jī)，收獲作業(yè)前根據(jù)需求設(shè)定切割速度及機(jī)具前進(jìn)速度等參數(shù)，通過高度調(diào)節(jié)油缸調(diào)節(jié)切割裝置與菜畦之間的高度，以滿足不同品種蔬菜和茶葉的收獲作業(yè)需求。

通用型蔬菜收獲機(jī)通過將關(guān)鍵部件模塊化設(shè)計(jì)和調(diào)整作業(yè)參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)一機(jī)兼收，提高了蔬菜收獲機(jī)的利用率，是目前主流的蔬菜收獲機(jī)型。國(guó)外的通用型莖葉類蔬菜收獲技術(shù)較為成熟，設(shè)計(jì)的機(jī)具體積龐大，制造成本高昂，不符合我國(guó)的蔬菜產(chǎn)業(yè)模式。我國(guó)的蔬菜種類多，種植地域分布廣且分散，結(jié)構(gòu)緊湊、通用性高的機(jī)型更適合我國(guó)的蔬菜收獲作業(yè)。

1.1.3智能型蔬菜收獲機(jī)

隨著電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，將機(jī)械系統(tǒng)與傳感器技術(shù)、電氣控制技術(shù)結(jié)合起來，莖葉類蔬菜收獲技術(shù)日趨向智能化方向發(fā)展[20]。國(guó)外智能蔬菜收獲機(jī)集成了自主導(dǎo)航系統(tǒng)、割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)等先進(jìn)控制技術(shù)，收獲機(jī)械的操作性和作業(yè)性能得到了較大的提高。

Dong等[21]基于傳統(tǒng)的PID算法，開發(fā)了一套蔬菜收獲機(jī)的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由內(nèi)向的誤差控制器和外向的補(bǔ)償控制器兩個(gè)獨(dú)立的控制回路串聯(lián)而成，實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)控制。意大利Ortomec公司研制的8400 ELECTRA型自走式蔬菜收獲機(jī)(圖4)適用于菠菜、甜菜等綠葉類蔬菜的智能化收獲作業(yè)[22]。該機(jī)型具備自主導(dǎo)航功能，可根據(jù)預(yù)定的行駛路徑實(shí)現(xiàn)無人駕駛作業(yè)。同時(shí)配備了一種基于光電傳感裝置的割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)蔬菜作物的生長(zhǎng)高度，自動(dòng)調(diào)節(jié)割臺(tái)和壟面之間的距離，確保割茬高度的一致性。

圖4 8400 ELECTRA型蔬菜收獲機(jī)[22]Fig.4 8400 ELECTRA vegetable harvester[22]

從目前研究看，國(guó)外智能蔬菜收獲機(jī)集成了自主導(dǎo)航系統(tǒng)、割臺(tái)高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)等先進(jìn)控制技術(shù)，收獲機(jī)械的操作性和作業(yè)性能得到了較大程度的提高。我國(guó)對(duì)智能蔬菜收獲機(jī)的研究相對(duì)偏少，機(jī)具智能化程度較低。面對(duì)復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，研究結(jié)合傳感器技術(shù)、導(dǎo)航定位技術(shù)的智能型蔬菜收獲機(jī)是今后重要的發(fā)展方向。

1.2 選擇式蔬菜收獲機(jī)

受外部環(huán)境的影響，莖葉類蔬菜的生長(zhǎng)具有很大的隨機(jī)性，不同蔬菜的成熟期和幾何尺寸存在明顯差異。選擇性收獲技術(shù)指在收獲過程中能夠有效識(shí)別達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)的成熟蔬菜并針對(duì)性完成收獲作業(yè)的技術(shù)。選擇性收獲機(jī)械作業(yè)首先采用各類型傳感裝置對(duì)成熟蔬菜植株進(jìn)行有效識(shí)別和精準(zhǔn)定位，其次觸發(fā)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成蔬菜植株的莖根無損分離和輸送收集作業(yè)。因此，選擇性收獲技術(shù)多應(yīng)用于條播、穴播種植模式下幾何尺寸較大的蔬菜收獲作業(yè)，如蘆筍、萵筍等莖類蔬菜和生菜、甘藍(lán)等葉類蔬菜[23-24]。

在成熟蔬菜的有效識(shí)別和精準(zhǔn)定位方面，豆東東等[25]比較分析蔬菜葉面積圖像閾值分割算法、K-means空間算法和L*a*b*空間下的K-means空間算法，結(jié)果表明L*a*b*空間下的K-means空間算法不僅能有效分割蔬菜葉面積圖像，且能以彩色圖像的形式輸出生長(zhǎng)狀況。為避免光照強(qiáng)度對(duì)圖像識(shí)別效果的影響，Sakai等[26]采用激光掃描傳感器進(jìn)行蘆筍的定位與長(zhǎng)度檢測(cè)(圖5)，通過圖像閾值處理的方式確定蘆筍長(zhǎng)度，最終將蘆筍嫩莖和蘆筍母體分離出來并獲取目標(biāo)坐標(biāo)方位。Lund等[27]研制的智能蘆筍收獲機(jī)采用對(duì)射式光纖傳感器對(duì)蘆筍高度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)蘆筍高度達(dá)到采收高度將阻斷光纖信號(hào)，控制器控制復(fù)式割刀將其切斷。Raja等[28]采用一種基于局部標(biāo)記的作物信號(hào)技術(shù)對(duì)生菜植株有效區(qū)分，在生菜幼苗移栽之前使用熒光化合物對(duì)其標(biāo)記，利用紫外線光照捕獲生菜圖像，從而實(shí)現(xiàn)成熟生菜的精準(zhǔn)定位。

圖5 激光傳感器檢測(cè)平臺(tái)[26]Fig.5 Laser sensor detection platform[26]

在末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面，Iire等[29]設(shè)計(jì)了一種4自由度機(jī)械抓取手臂，該機(jī)械手臂采用直流電機(jī)和氣缸驅(qū)動(dòng)的圓柱凸輪結(jié)構(gòu)，可在5 s內(nèi)完成蔬菜的移動(dòng)、抓取、切割、返回等采收工序。該機(jī)構(gòu)移動(dòng)精度0.5 mm，旋轉(zhuǎn)精度0.01°，平均成功采集單株蔬菜時(shí)間為13.7 s。Dou等[30]開發(fā)的白蘆筍選擇性收獲末端執(zhí)行裝置裝置采用PWM控制策略，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器剪切、夾緊等工序，試驗(yàn)表明該末端執(zhí)行器定位精度0.2 mm，平均單株蘆筍采收時(shí)間為15 s。Salkeld等[31]研制的蘆筍選擇性收獲機(jī)采用高壓水射流和夾持輸送帶作為蘆筍末端采收機(jī)構(gòu)。當(dāng)達(dá)到一定高度的蘆筍頂端觸發(fā)位于輸送帶頂端的光電傳感器時(shí)，蘆筍根部的射流泵噴射出的高壓水射流將蘆筍切斷，夾持輸送帶將蘆筍輸送至后方收集箱內(nèi)，未成熟的蘆筍高度較低無法觸發(fā)光電開關(guān)，從而完成選擇性收獲作業(yè)。高壓水射流的工作效率高于末端抓取手臂，但易受田間復(fù)雜環(huán)境的影響，適應(yīng)性較差。

在選擇式收獲技術(shù)研究中，莖葉類蔬菜有效識(shí)別和精準(zhǔn)定位技術(shù)主要分為圖像識(shí)別和激光掃描2種。光照強(qiáng)度、穩(wěn)定性和均勻性對(duì)采集圖像質(zhì)量有較大影響，在大田環(huán)境下工作性能較差。激光掃描技術(shù)受光照環(huán)境影響較小，但掃描精度較低、傳感器成本較高，2種技術(shù)均存在一定局限性。末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際生產(chǎn)中在收獲質(zhì)量、收獲效率等方面和集中式收獲存在一定差距，未能大規(guī)模推廣使用[32-33]。

2 莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)研究現(xiàn)狀

2.1 結(jié)球類蔬菜有序收獲機(jī)

結(jié)球類蔬菜的主要種植形式為壟作，采用條播模式，蔬菜定植的直線度較高，大多采用有序收獲方式，收獲機(jī)械一次性完成蔬菜的拔取、切根、輸送、剝?nèi)~、收集等作業(yè)工序[34]。

2.1.1蔬菜物理特性

蔬菜物理特性的研究為蔬菜收獲機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，是收獲機(jī)械研發(fā)的重要環(huán)節(jié)[35-36]。Parsons等[37]和Rehkugler等[38]分別測(cè)量了結(jié)球甘藍(lán)的物理和機(jī)械特性，包括球徑、球重、莖葉長(zhǎng)度等幾何參數(shù)和切割力等力學(xué)參數(shù)，為甘藍(lán)收獲機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。Kohyama等[39]進(jìn)行了大白菜根莖的拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明白菜根莖軸向和徑向具有不同的拉伸力學(xué)特性，是高度異質(zhì)性和各向異性材料。周成等[40-41]應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)甘藍(lán)拔取力、根莖含水率、剪切強(qiáng)度、壓縮特性等物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了分析，據(jù)此確定了導(dǎo)入拔取裝置、帶式扶持裝置、切根裝置等收獲機(jī)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1.2蔬菜收獲機(jī)拔取裝置

在蔬菜拔取提升裝置的研究方面，Karahashi等[42]研發(fā)了一種雙螺旋桿拔取升運(yùn)機(jī)構(gòu)，螺旋桿被固定在與水平地面夾角22°的割臺(tái)上，工作時(shí)螺旋桿克服土壤阻力和甘藍(lán)自身重力將甘藍(lán)從土壤中拔出。雙螺旋拔取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拔取效率高，但容易損傷甘藍(lán)球體。為降低拔取過程中白菜損傷，李向軍等[43]研制了一種回轉(zhuǎn)式的帶式拔取機(jī)構(gòu)，該拔取機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，依靠高密度柔性皮帶與大白菜之間的摩擦力完成白菜的扶正拔取作業(yè)。為避免皮帶豎向打滑，在皮帶中間位置加裝一條C型齒狀帶。丹麥的Asa-lift公司研制出一種彈性橡膠網(wǎng)帶拔取裝置，網(wǎng)帶內(nèi)側(cè)安裝有張緊輪，以確保不同幾何尺寸的甘藍(lán)能被拔取和導(dǎo)入。與雙螺旋導(dǎo)入結(jié)構(gòu)相比，網(wǎng)狀導(dǎo)入裝置能降低甘藍(lán)球體損傷，但拔取穩(wěn)定性欠佳[44]。

2.1.3蔬菜收獲機(jī)輸送裝置

為保證輸送過程中姿態(tài)穩(wěn)定性，收獲機(jī)械多采用夾持輸送方式輸送甘藍(lán)[45]。杜冬冬等[46]研制的甘藍(lán)輸送裝置核心結(jié)構(gòu)為鋸齒型輸送鏈和雙橫向輸送帶，鋸齒型輸送鏈夾持甘藍(lán)根部并輸送，雙橫向輸送帶內(nèi)側(cè)為覆有PVC材質(zhì)的圓弧形凹槽。甘藍(lán)在輸送鏈和輸送帶的同步輸送下穩(wěn)定提升。為更好的保持蔬菜豎直姿態(tài)，Nang等[47]研制了一種壓頂式輸送裝置，當(dāng)壓頂式輸送裝置輸送速度和底部輸送帶輸送速度相同時(shí)，結(jié)球萵苣將保持直立姿態(tài)被輸送至收集箱中。該輸送裝置采用波紋狀聚氨酯材料，能有效減少輸送裝置對(duì)結(jié)球萵苣的沖擊損傷。Ali等[48]建立并分析了白菜輸送過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，研究白菜運(yùn)動(dòng)規(guī)律與輸送帶寬度、連桿長(zhǎng)度、輸送速度等輸送裝置工作參數(shù)之間的關(guān)系，確定了在輸送速度0.2 m/s，連桿長(zhǎng)度190 mm，輸送帶寬度500 mm時(shí)白菜輸送損傷最小。Hachiya等[49]研制了一種牽引式甘藍(lán)收獲機(jī)，通過人工作業(yè)的方式保持甘藍(lán)輸送的有序度(圖6)。作業(yè)時(shí)甘藍(lán)根部被圓盤式割刀切除后隨橫向輸送裝置輸送至工人A處，工人A將甘藍(lán)搬運(yùn)至液壓式輸送帶上，工人B負(fù)責(zé)剝?nèi)ジ仕{(lán)外包葉，工人C完成甘藍(lán)的篩選裝箱工作。人工輸送可顯著降低甘藍(lán)球體的損傷率，但會(huì)增加人工作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，不適于長(zhǎng)時(shí)間收獲作業(yè)。

圖6 牽引式甘藍(lán)收獲機(jī)[49]Fig.6 Traction cabbage harvesting machine[49]

2.1.4蔬菜收獲機(jī)智能系統(tǒng)

Mistuhashi等[50]研制了一種基于開關(guān)執(zhí)行器的結(jié)球萵苣收獲機(jī)(圖7)。該型收獲機(jī)利用安裝在前端的攝像頭獲取蔬菜和切割裝置的相對(duì)位置，基于MPC算法控制收獲機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，確保切割裝置與前方的結(jié)球萵苣保持同一直線方位。Noriyuki等[51-53]研制的選擇性甘藍(lán)收獲機(jī)器人包括履帶式動(dòng)力底盤、機(jī)器視覺系統(tǒng)、液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂3部分。該型機(jī)器人通過CCD彩色攝像機(jī)獲取甘藍(lán)的球徑，圖像處理器判斷甘藍(lán)的成熟度，利用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂抓取甘藍(lán)頭部，末端的切割裝置完成甘藍(lán)根部的切除工作。機(jī)械手臂的移動(dòng)和繞垂直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)分別通過編碼器和電位器反饋控制。該機(jī)型收獲單株甘藍(lán)的最短運(yùn)行時(shí)間為22 s，收獲合格率僅為45%。

國(guó)外的結(jié)球類蔬菜有序收獲技術(shù)已較為成熟，市場(chǎng)上具有一批商業(yè)化產(chǎn)品。我國(guó)的結(jié)球類蔬菜收獲機(jī)及相關(guān)技術(shù)的研究起步較晚，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，蔬菜收獲機(jī)在實(shí)際收獲過程中還存在球體損傷、機(jī)具堵塞等問題。結(jié)球類蔬菜通常在大田環(huán)境下種植，采收成熟期往往不一致，需采用多次選擇性收獲方式避免收獲損失?，F(xiàn)有的選擇性收獲機(jī)器人在視覺識(shí)別定位精度、機(jī)器手臂摘果效率和損傷率方面還存在較多問題，無法滿足生產(chǎn)需求，實(shí)用性較低[54]。

圖7 智能萵苣收獲機(jī)[50]Fig.7 Smart lettuce harvester[50]

2.2 非結(jié)球類蔬菜有序收獲機(jī)

2.2.1有序夾持輸送裝置

非結(jié)球類蔬菜莖葉鮮嫩脆弱，有序輸送的難點(diǎn)是在保證蔬菜姿態(tài)穩(wěn)定的同時(shí)避免莖葉損傷。目前國(guó)內(nèi)外非結(jié)球類蔬菜有序收獲機(jī)大多采用柔性?shī)A持方式完成有序輸送作業(yè)。Medlock等[55]研制的大蔥有序收獲機(jī)通過導(dǎo)入輪將大蔥引導(dǎo)至夾持升運(yùn)帶處，由土下切割裝置切除大蔥根部，最后輸送帶將大蔥輸送至存儲(chǔ)箱中。在整個(gè)收獲過程中，夾持升運(yùn)帶和橫向輸送帶通過柔性?shī)A持的方式保證大蔥的立式姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)大蔥的有序輸送。意大利Hortch公司研制的SLIDE CRAB型葉類蔬菜有序收獲機(jī)(圖8)，主要用于菠菜、茴香等葉類蔬菜的有序收獲作業(yè)[56]。為避免輸送過程中蔬菜損傷，該機(jī)型采用一種雙波紋狀?yuàn)A持輸送帶柔性?shī)A持蔬菜根莖。該型收獲機(jī)最大前進(jìn)速度10 km/h，收獲效率2 200 kg/h，是歐美發(fā)達(dá)國(guó)家典型的葉類蔬菜有序收獲機(jī)型。

劉東等[57-58]使用質(zhì)構(gòu)儀測(cè)定了雞毛菜在壓縮及剪切條件下的力學(xué)特性參數(shù)，得到了雞毛菜莖稈的彈性模量和壓縮破碎力，在此基礎(chǔ)上對(duì)雞毛菜有序收獲機(jī)的柔性?shī)A持輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。呂曉蘭等[59]發(fā)明了一種智能蔬菜有序收獲機(jī)(圖9)，包括四輪電驅(qū)底盤、壟面仿形裝置、切割裝置、有序輸送裝置、液壓系統(tǒng)、控制平臺(tái)等。輸送裝置前端為喇叭狀，裝備底面和兩側(cè)共3條輸送帶，輸送帶上安裝有調(diào)速器感應(yīng)板，將蔬菜對(duì)輸送帶的擠壓力信號(hào)傳遞給控制箱，控制箱可根據(jù)蔬菜密集程度自動(dòng)調(diào)節(jié)割刀切割速度和輸送帶轉(zhuǎn)速。在輸送過程中，3條輸送帶運(yùn)動(dòng)速度相同，蔬菜在推擠和摩擦的作用下保持直立姿態(tài)，被有序輸送到周轉(zhuǎn)箱內(nèi)。

圖8 SLIDE CRAB型葉類蔬菜有序收獲機(jī)[56]Fig.8 SLIDE CRAB leaf vegetable harvester[56]

圖9 智能蔬菜有序收獲機(jī)[59]Fig.9 Intelligent orderly vegetable harvester[59]

2.2.2有序鋪放梳理裝置

有序鋪放作業(yè)是蔬菜有序化收獲最后一道工序，為提高有序收獲機(jī)作業(yè)性能，已有研究針對(duì)蔬菜機(jī)械化鋪放梳理裝置開展了一系列研究。施印炎等[60]根據(jù)蘆蒿收獲時(shí)的農(nóng)藝需求，設(shè)計(jì)了一種蘆蒿收集梳理裝置，可實(shí)現(xiàn)蘆蒿的有序輸送和有序收集。作業(yè)時(shí)，蘆蒿由立式柔性輸送帶夾持輸送至轉(zhuǎn)向裝置處，蘆蒿被絆倒脫離輸送帶并傾倒至正下方的臥式輸送裝置上，臥式輸送帶將鋪放的作物有序輸送至收獲機(jī)一側(cè)的收集箱內(nèi)。李海同等[61]設(shè)計(jì)的不對(duì)行菜薹有序收獲機(jī)有序收集裝置工作原理如下：位于輸送裝置后方的分流裝置將輸送帶總成內(nèi)的菜籉分流成3股蔬菜流，菜籉脫離輸送裝置后掉落到正下方的有序梳理裝置內(nèi)，完成初步分離梳理工作，最后由往復(fù)式有序鋪放裝置完成有序鋪放和收集。侯加林等[62]利用理論計(jì)算和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，確定了大蔥有序收集卸料裝置的工作參數(shù)(圖10)。工作時(shí)氣缸伸出，阻蔥裝置關(guān)閉，載蔥平臺(tái)收集導(dǎo)蔥裝置掉落的大蔥。氣缸收縮，阻蔥裝置打開，載蔥平臺(tái)上的大蔥依次落入接蔥裝置上，經(jīng)鋪放裝置成堆鋪放至菜畦上。

圖10 大蔥有序收獲機(jī)[62]Fig.10 Chinese onion orderly harvester[62]

目前對(duì)莖葉類蔬菜收獲機(jī)有序輸送和鋪放梳理裝置的研究主要集中在柔性?shī)A持輸送技術(shù)和往復(fù)式鋪放技術(shù)上。當(dāng)蔬菜空間種植不均勻時(shí)，柔性?shī)A持輸送技術(shù)易受夾持力變化的影響，普遍存在蔬菜夾持損傷、姿態(tài)位移變化等問題。受蔬菜之間相互作用的影響，往復(fù)式鋪放梳理后蔬菜有序度較差，仍需人工二次整理裝箱。

3 莖葉類蔬菜收獲機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的莖葉類蔬菜機(jī)械化收獲裝備較為成熟，技術(shù)先進(jìn)；但國(guó)外蔬菜收獲機(jī)械在作業(yè)環(huán)境、作業(yè)對(duì)象、消費(fèi)習(xí)慣等方面和我國(guó)存在諸多不同。因此，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的蔬菜收獲裝備并不適合直接進(jìn)口使用，應(yīng)在借鑒國(guó)外蔬菜收獲裝備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)莖葉類蔬菜產(chǎn)業(yè)的實(shí)情，發(fā)展適用于我國(guó)國(guó)情的蔬菜收獲機(jī)械。從目前的研究現(xiàn)狀看，我國(guó)的莖葉類蔬菜收獲機(jī)大多僅為物理樣機(jī)，相關(guān)機(jī)型沒有在實(shí)際工況下檢測(cè)，未來莖葉類蔬菜收獲機(jī)應(yīng)從以下方面進(jìn)一步完善：

1)機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。為適應(yīng)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，蔬菜收獲機(jī)械應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠。且我國(guó)蔬菜種類繁多，需提高蔬菜收獲機(jī)械的通用性以降低使用成本。目前，在蔬菜收獲機(jī)輸送裝置[63]、割臺(tái)高度調(diào)節(jié)裝置[64]、割臺(tái)整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化[65]等方面的研發(fā)已取得一系列成果。在滿足收獲性能的前提下，研究不同種類蔬菜收獲機(jī)械共性，參照模塊化成組設(shè)計(jì)方案，通過更換某些關(guān)鍵部件或調(diào)節(jié)工作參數(shù)做到一機(jī)兼收，提高收獲機(jī)械的通用性，降低蔬菜機(jī)械化收獲成本。

2)自動(dòng)化收獲技術(shù)。我國(guó)莖葉類蔬菜收獲機(jī)的研制起步較晚，但自主導(dǎo)航術(shù)[66]、自動(dòng)稱重[55]、割臺(tái)高度自動(dòng)調(diào)節(jié)[67]等自動(dòng)化技術(shù)已被應(yīng)用到蔬菜收獲裝備上，但相關(guān)的自動(dòng)化技術(shù)研究還停留在試驗(yàn)樣機(jī)上，與國(guó)外相比還存在較大的差距。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，將自主導(dǎo)航系統(tǒng)、故障檢測(cè)系統(tǒng)、割臺(tái)行走仿形系統(tǒng)集成到蔬菜收獲機(jī)上，進(jìn)一步提高操作性和工作性能是未來蔬菜收獲機(jī)的研究方向。

3)選擇性收獲技術(shù)。目前蔬菜形態(tài)和位置的有效獲取大多采用視覺傳感器或光電傳感器作為傳感元件，在自然光照條件下獲取采摘對(duì)象的形態(tài)和方位。由于采摘對(duì)象之間重疊遮擋、自然光線強(qiáng)弱變化、作業(yè)區(qū)域溫度的不穩(wěn)定都會(huì)影響傳感元件的工作性能。采摘作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，要求末端執(zhí)行裝置具備較高的靈巧性和可控性，提高采摘成功率。因此，開發(fā)高穩(wěn)定性感應(yīng)元件高水平圖像處理算法或低成本激光掃描技術(shù)，改進(jìn)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制策略和機(jī)械結(jié)構(gòu)是選擇性收獲技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[68]。

4)有序收獲技術(shù)。我國(guó)的莖葉類蔬菜有序收獲機(jī)在實(shí)際收獲還存在諸多問題，如：柔性?shī)A持輸送蔬菜損傷率高、輸送易發(fā)生堵塞，有序鋪放捆扎裝置作業(yè)鋪放效率低、作業(yè)效果差。另外，對(duì)撥禾切割作業(yè)過程中撥禾裝置和切割裝置對(duì)蔬菜姿態(tài)擾動(dòng)方面也缺乏相關(guān)研究。通過研究蔬菜的幾何形狀和物理特性，對(duì)收獲過程中蔬菜的受力、彈性變形和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行分析，構(gòu)建蔬菜的低損傷約束條件[69]。研究柔性分禾扶持技術(shù)、低擾動(dòng)切割技術(shù)、可調(diào)式低損傷夾持輸送技術(shù)和自動(dòng)打捆技術(shù)，確定有序收獲機(jī)分禾裝置、切割裝置、輸送裝置和有序裝箱裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，有效解決蔬菜無序收獲和無序收集的問題，實(shí)現(xiàn)蔬菜有序化收獲作業(yè)。