摘 要： 采棉機(jī)是支撐農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要高端裝備，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景廣闊。梳理了采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)專利申請(qǐng)脈絡(luò)，分析采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，為掌握采棉機(jī)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)、把握技術(shù)熱點(diǎn)提供建議，為采棉機(jī)專利布局和相關(guān)研究提供新思路。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；摘錠；監(jiān)測(cè)控制；關(guān)鍵技術(shù)；農(nóng)業(yè)機(jī)械；專利分析

中圖分類號(hào)：S225.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1795（2024）08-0020-07

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2024.08.004

0 引言

棉花用途廣泛，是重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是重要的戰(zhàn)略物資。美國(guó)是最早應(yīng)用采棉機(jī)的國(guó)家，1850 年開(kāi)始對(duì)采棉機(jī)進(jìn)行研究，1889 年成功研制摘錠式采棉機(jī)，1942 年開(kāi)始量產(chǎn)采棉機(jī)，1975 年機(jī)械化采收率達(dá)到100%[1-3]。除美國(guó)外，蘇聯(lián)在1939 年研制成功第1 臺(tái)垂直摘錠式采棉機(jī)，1970 年機(jī)械化采收率達(dá)到60%，其采棉機(jī)研究和生產(chǎn)中心位于烏茲別克斯坦。我國(guó)機(jī)械采棉技術(shù)發(fā)展于20 世紀(jì)50 年代，經(jīng)過(guò)不斷地努力發(fā)展，逐漸由采棉機(jī)全進(jìn)口向進(jìn)口組裝和部分國(guó)產(chǎn)化轉(zhuǎn)變，采棉機(jī)的關(guān)鍵零部件基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，采棉機(jī)的型號(hào)也逐漸增多，可以適用于更多的棉花種植區(qū)，再加上國(guó)家對(duì)發(fā)展先進(jìn)高端農(nóng)機(jī)裝備的政策引導(dǎo)，2018 年以后機(jī)械化采棉程度迅速提高，目前，新疆維吾爾自治區(qū)（簡(jiǎn)稱新疆）棉花機(jī)械化采收率超過(guò)80%，我國(guó)已基本實(shí)現(xiàn)棉花采收的機(jī)械化，采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)前景廣闊[3]。雖然我國(guó)采棉機(jī)有了很大的進(jìn)步，但是與國(guó)外的采棉機(jī)相比，我國(guó)自主技術(shù)優(yōu)勢(shì)不明顯，距離高質(zhì)量的發(fā)展要求還有一定的差距[4]。

本研究從專利視角對(duì)采棉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)脈絡(luò)的梳理，分析采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為掌握采棉機(jī)行業(yè)發(fā)展態(tài)勢(shì)，把握技術(shù)熱點(diǎn)提供建議，為專利布局和相關(guān)研究提供新思路。

1 技術(shù)分解和檢索

根據(jù)采摘原理的不同，采棉機(jī)可分為將籽棉、雜質(zhì)一同采收的統(tǒng)收式采棉機(jī)和采摘籽棉的選收式采棉機(jī)。根據(jù)采摘系統(tǒng)的不同，采棉機(jī)可分為氣力式、摘錠式、梳刷式和振動(dòng)式4 類[5-6]。從采棉機(jī)發(fā)展趨勢(shì)看，將逐步走向智能化、自動(dòng)化、集成化和大型化，實(shí)現(xiàn)采、運(yùn)、蓄一體化[7-8]。

查閱采棉機(jī)相關(guān)技術(shù)資料及對(duì)采棉機(jī)相關(guān)專利申請(qǐng)的撰寫(xiě)特點(diǎn)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，為便于專利申請(qǐng)數(shù)據(jù)整理和分析，本研究將采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分解為采摘系統(tǒng)、輸送收集系統(tǒng)、底盤動(dòng)力系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。采摘系統(tǒng)包括摘錠、手持采摘和其他自走采摘（梳刷、氣吸振動(dòng)等）[9-10]。輸送收集系統(tǒng)是指脫棉裝置將棉花脫下后由輸送系統(tǒng)輸送，最終進(jìn)入收集系統(tǒng)的裝置，主要包括輸送分離、棉箱和打包。底盤動(dòng)力系統(tǒng)主要包括底盤懸掛、動(dòng)力傳動(dòng)和其他（主要包括潤(rùn)滑系統(tǒng)、車架支撐等底盤輔助機(jī)構(gòu)）。監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)體現(xiàn)采棉機(jī)的信息化和智能化，是采棉機(jī)主要的發(fā)展方向之一，監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)包括導(dǎo)航仿形、整機(jī)的安全檢測(cè)控制和收獲中的物料狀態(tài)監(jiān)測(cè)等[11]。

經(jīng)過(guò)對(duì)全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫(kù)涉及采棉機(jī)的相關(guān)專利文獻(xiàn)進(jìn)行檢索（數(shù)據(jù)來(lái)源于Himmpat，檢索截止時(shí)間為2023 年5 月1 日，數(shù)據(jù)經(jīng)簡(jiǎn)單同族合并后導(dǎo)出），獲得原始數(shù)據(jù)5 395 項(xiàng)， 檢索主要采用分類號(hào)（ 包括A01D46/+、A01D45/+、A01D41/+）和關(guān)鍵詞（包括采棉、摘棉、棉花收獲，以及采棉機(jī)專用零部件如摘錠等）。在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上經(jīng)人工去噪、標(biāo)引，最終獲得4 486 項(xiàng)關(guān)于采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)專利申請(qǐng)。其中，中國(guó)專利1 482 項(xiàng)、外文專利3 004 項(xiàng)。

2 申請(qǐng)數(shù)量和申請(qǐng)國(guó)別

由圖1 可知，采棉機(jī)全球?qū)＠暾?qǐng)主要集中在中國(guó)、美國(guó)、蘇聯(lián)。美國(guó)采棉機(jī)專利申請(qǐng)起步較早，20世紀(jì)初開(kāi)始出現(xiàn)采棉機(jī)的相關(guān)專利，并在1910 年開(kāi)始快速增長(zhǎng)，1930—1940 年由于經(jīng)濟(jì)大蕭條出現(xiàn)下降，1945 年以后重新開(kāi)始快速增長(zhǎng)，1965 年以后采棉機(jī)技術(shù)逐漸成熟，技術(shù)發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，申請(qǐng)數(shù)量有所下降，1970 年以后基本保持穩(wěn)中有增。蘇聯(lián)采棉機(jī)專利申請(qǐng)，在1970 年以前緩慢波動(dòng)上升，1970 年以后快速增長(zhǎng)并在1970—1990 年期間申請(qǐng)數(shù)量持續(xù)保持較高水平，采棉機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，1991 年蘇聯(lián)解體后，申請(qǐng)數(shù)量歸零，由于采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈斷裂，解體后中亞和東歐各個(gè)國(guó)家沒(méi)有了完整的工業(yè)基礎(chǔ)，關(guān)于采棉機(jī)的研究和發(fā)展幾乎停滯。中國(guó)在2001 年以前采棉機(jī)申請(qǐng)數(shù)量處于緩慢上升的狀態(tài)，相比國(guó)外申請(qǐng)數(shù)量存在較大的差距，2001 年中國(guó)加入世界貿(mào)易組織，中國(guó)申請(qǐng)人的專利保護(hù)意識(shí)進(jìn)一步增強(qiáng)，疊加近年來(lái)國(guó)家農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策的持續(xù)開(kāi)展，自此開(kāi)始至2014 年申請(qǐng)數(shù)量快速增長(zhǎng)，其中2012—2014 年呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，主要原因在于此階段人工成本的上升及農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的高速發(fā)展，2014—2018 年有所回落，2018—2021 年再次進(jìn)入快速增長(zhǎng)期[3]。

綜合來(lái)看，在采棉機(jī)領(lǐng)域，我國(guó)雖然起步較晚，但是發(fā)展勢(shì)頭明顯強(qiáng)勁，目前總申請(qǐng)數(shù)量已經(jīng)占全球總申請(qǐng)數(shù)量的1/3，在該領(lǐng)域具有一定的影響力。美國(guó)和蘇聯(lián)起步均較早，由于技術(shù)路線存在差異，發(fā)展速度和技術(shù)成熟期不同，申請(qǐng)數(shù)量均較多，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，美國(guó)采棉機(jī)技術(shù)發(fā)展持續(xù)性更強(qiáng)，蘇聯(lián)采棉機(jī)技術(shù)在繁榮過(guò)后進(jìn)入衰落[4]。

3 重要申請(qǐng)人

采棉機(jī)全球重要申請(qǐng)人情況如圖2 所示，美國(guó)的約翰迪爾公司在采棉機(jī)領(lǐng)域申請(qǐng)數(shù)量最多，約占全球總申請(qǐng)數(shù)量的10%，技術(shù)實(shí)力最為雄厚，其次是兩家蘇聯(lián)采棉機(jī)公司TASHKENTSKIJ I INZHENEROVZHELEZNODOROZHNOGO TRANSPORTA 和SREDNEAZIATSKIJNII MEKH ELEK SELSKOGO KHOZYAJSTVA，還包括美國(guó)的國(guó)際收獲機(jī)公司和凱斯紐荷蘭公司及蘇聯(lián)的INST MEKHANIKI SEJSMOSTOJKOSTISOORUZHENIJ IM.M.T.URAZBAEVA，中國(guó)公司和科院?jiǎn)挝恢饕ㄊ幼哟髮W(xué)、新疆缽施然智能農(nóng)機(jī)股份有限公司、中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司、農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、星光農(nóng)機(jī)股份有限公司、山東天鵝棉業(yè)機(jī)械股份有限公司?？梢钥闯?，采棉機(jī)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)數(shù)量排名靠前的重要申請(qǐng)人申請(qǐng)總量約占總申請(qǐng)數(shù)量1/3，專利集中度較高，這是由于采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)涉及較多行業(yè)，屬于技術(shù)、資金密集行業(yè)。

4 關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)分布

由圖3 可知， 采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)中， 采摘系統(tǒng)（63.64%）是最主要的技術(shù)分支，輸送收集（19.42%）為次要技術(shù)分支，然后是底盤動(dòng)力（9.18%）和監(jiān)測(cè)控制（7.76%） 。采摘系統(tǒng)的二級(jí)分支又分為摘錠（29.25%）、手持采摘（17.30%）和其他自走采摘（17.10%），摘錠占比最高，這是源于歐美國(guó)家主要采用大型采棉機(jī)進(jìn)行棉花采收，摘錠結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件較多存在較大的改進(jìn)空間； 手持采摘占比較高（17.30%），這是由于采棉機(jī)早期成本較高，隨著人力成本的提高，手持采摘面臨淘汰的趨勢(shì)；其他自走采摘主要涉及非摘錠式采棉機(jī)的改進(jìn)，如梳刷式、摘輥式等。輸送收集的二級(jí)分支又分為輸送分離（9.81%）、棉箱（7.38%）和打包（2.23%）。底盤動(dòng)力的二級(jí)分支為動(dòng)力傳動(dòng)（4.97%） 、底盤懸掛（1.38%）和其他（2.83%）。監(jiān)測(cè)控制的二級(jí)分支為物料狀態(tài)監(jiān)測(cè)（3.34%）、導(dǎo)航仿形（3.28%）和安全（1.14%）。

5 主要國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)情況

由圖4 可知，中國(guó)采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)專利申請(qǐng)以采摘系統(tǒng)為主，占整個(gè)申請(qǐng)數(shù)量的61%，隨著國(guó)內(nèi)采棉機(jī)的發(fā)展，在2014 年以后關(guān)于采摘系統(tǒng)的申請(qǐng)數(shù)量開(kāi)始逐步下降，部分原因在于采摘系統(tǒng)由非摘錠式采棉機(jī)向摘錠式采棉機(jī)進(jìn)行逐步轉(zhuǎn)化。2010 年之前，我國(guó)幾乎沒(méi)有關(guān)于監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)技術(shù)分支的申請(qǐng)，而隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展中機(jī)械智能化系統(tǒng)的發(fā)展，采棉機(jī)也逐漸由傳統(tǒng)的純機(jī)械化轉(zhuǎn)向智能化和信息化。2010 年后至今，關(guān)于監(jiān)測(cè)控制申請(qǐng)數(shù)量急劇增加，但在整個(gè)采棉機(jī)的申請(qǐng)數(shù)量中依然處于數(shù)量最少的位置，并且增長(zhǎng)的趨勢(shì)并不明顯。在底盤動(dòng)力方面， 2015 年以后，關(guān)于底盤動(dòng)力系統(tǒng)的采棉機(jī)申請(qǐng)數(shù)量也急劇增加，這是由于采棉機(jī)正由傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置及機(jī)械傳動(dòng)向液壓和電力混合驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)變，整體上顯示了目前采棉機(jī)智能化、信息化及驅(qū)動(dòng)高效率化的趨勢(shì)。

由圖5 可知，從美國(guó)的采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)申請(qǐng)趨勢(shì)來(lái)看，美國(guó)關(guān)于采摘系統(tǒng)的申請(qǐng)數(shù)量和占比一直下降。美國(guó)于20 世紀(jì)20 年代就實(shí)現(xiàn)了采棉機(jī)械化，并在隨后研發(fā)出了水平摘錠式采棉機(jī)，因此，在20 世紀(jì)50年代之前，采摘系統(tǒng)占到了整個(gè)申請(qǐng)數(shù)量的絕大部分，當(dāng)時(shí)的美國(guó)對(duì)于采棉機(jī)的研究一直處于整機(jī)機(jī)械化和摘錠的改進(jìn)中。美國(guó)對(duì)于采棉機(jī)信息化的研究非常早，在20 世紀(jì)20 年代就有關(guān)于監(jiān)測(cè)控制技術(shù)分支采棉機(jī)的專利申請(qǐng)，而在20 世紀(jì)50 年代之后，隨著采棉機(jī)整機(jī)機(jī)械化研究的速度減緩，關(guān)于采摘系統(tǒng)的申請(qǐng)數(shù)量急劇下滑，而關(guān)于監(jiān)測(cè)控制申請(qǐng)數(shù)量大量增加，并且在20 世紀(jì)90 年代中期和2005 年后呈現(xiàn)了兩次爆發(fā)式增長(zhǎng)。一直到現(xiàn)在，美國(guó)關(guān)于監(jiān)測(cè)控制的申請(qǐng)數(shù)量已經(jīng)占到了采棉機(jī)總申請(qǐng)數(shù)量的絕大多數(shù)，并且依然處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，這表明美國(guó)關(guān)于采棉機(jī)的研究已經(jīng)大部分從機(jī)械化轉(zhuǎn)向了信息化和智能化。

6 關(guān)鍵技術(shù)功效矩陣及技術(shù)空白點(diǎn)

通過(guò)技術(shù)功效矩陣可以發(fā)現(xiàn)一些技術(shù)空白點(diǎn)或者技術(shù)薄弱點(diǎn)，只有其中的一部分具有技術(shù)開(kāi)發(fā)或者進(jìn)行技術(shù)突破的價(jià)值[6]。由圖6 可知，采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)中采摘系統(tǒng)在使得含雜率低方面可以再進(jìn)行多一些的投入，關(guān)鍵核心工作部件摘錠的研究依然需要加強(qiáng)，摘錠的研究涉及結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制和制造。監(jiān)測(cè)控制還有較大的提升空間，這也是我國(guó)目前提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力的政策導(dǎo)向，美國(guó)在此方面進(jìn)行的較多研究和專利布局可為我國(guó)采棉機(jī)發(fā)展提供借鑒和參考，監(jiān)測(cè)控制中技術(shù)空白點(diǎn)較多的是降低含雜率和提高適應(yīng)性。底盤動(dòng)力在使得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和提供適應(yīng)性方面仍然有提升價(jià)值。輸送收集在安全可靠方面具有較大的發(fā)展空間。我國(guó)企業(yè)和科研單位可在上述方面加大研究，提前布局。

7 采棉機(jī)摘錠、監(jiān)測(cè)控制技術(shù)發(fā)展路線分析

在采摘系統(tǒng)技術(shù)分支中最重要的是采棉機(jī)的摘錠，摘錠是采棉機(jī)的關(guān)鍵核心部件。由圖7 可知，在摘錠的發(fā)展中，逐漸形成了以摘錠本身結(jié)構(gòu)、摘錠的驅(qū)動(dòng)控制及制造方式為主的發(fā)展方向。在20 世紀(jì)20 年代之前，美國(guó)和歐洲就已經(jīng)發(fā)展出了棉花摘錠的雛形，1923 年公開(kāi)號(hào)為GB190512491A 英國(guó)專利公開(kāi)的摘錠結(jié)構(gòu)是將摘錠設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒上，通過(guò)簡(jiǎn)單的帶傳動(dòng)使得滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)上面的摘錠轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行摘棉。而在早期的驅(qū)動(dòng)方式上，1940 年公開(kāi)號(hào)為US2200464A的美國(guó)專利是將摘錠設(shè)置在循環(huán)輸送帶上進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。早期的摘錠本身并不能進(jìn)行自轉(zhuǎn)，只是隨著轉(zhuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行公轉(zhuǎn)。到了20 世紀(jì)40 年代后，以美國(guó)為代表的水平摘錠和以蘇聯(lián)為代表的垂直摘錠相繼被研發(fā)出來(lái)，如公開(kāi)號(hào)為US6293078B1 的美國(guó)專利，這種水平摘錠采棉機(jī)的特點(diǎn)是在整機(jī)前后沿著采摘的方向設(shè)置多個(gè)滾筒，滾筒上設(shè)置多個(gè)摘錠，滾筒的位置水平于地面，摘錠設(shè)置方式對(duì)于美國(guó)大平原式棉花采摘環(huán)境有著特殊的優(yōu)勢(shì)，也是目前全球主流的摘錠式整機(jī)；而蘇聯(lián)的垂直式摘錠則是將摘錠垂直于地面進(jìn)行采摘，采棉機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但采凈率相比水平式低10 多個(gè)百分點(diǎn)，隨著蘇聯(lián)的解體已經(jīng)被淘汰。20 世紀(jì)90 年代以后，對(duì)于摘錠結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要圍繞摘錠在滾筒上排列方式的變化及數(shù)量的增多和摘錠自身轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，公開(kāi)號(hào)為US2009313963A1 的美國(guó)專利公開(kāi)了在滾筒上設(shè)置間隔的多排摘錠，并且在滾筒的內(nèi)部設(shè)置摘錠本身轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式；由齒輪齒條來(lái)對(duì)摘錠本身進(jìn)行傳動(dòng)，使得摘錠在公轉(zhuǎn)的時(shí)候同時(shí)進(jìn)行自轉(zhuǎn)。2010 年以后，我國(guó)對(duì)于摘錠結(jié)構(gòu)的研究多聚焦于摘錠本身材料和摘頭螺旋線的調(diào)整，以加強(qiáng)摘錠本身的強(qiáng)度和耐磨性，公開(kāi)號(hào)為CN113597885A 的中國(guó)專利對(duì)摘錠本身的制造材料型號(hào)和摘頭傾角進(jìn)行了調(diào)整。

對(duì)于摘錠驅(qū)動(dòng)控制的研究在經(jīng)過(guò)早期的簡(jiǎn)單帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式以后，在20 世紀(jì)50 年代以后研制出了通過(guò)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行滾筒公轉(zhuǎn)和摘錠自轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方式，并且在驅(qū)動(dòng)的同時(shí)可對(duì)速度進(jìn)行調(diào)整，如公開(kāi)號(hào)為US2723520A 的美國(guó)專利，在通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)使得摘錠自轉(zhuǎn)的同時(shí)設(shè)置潤(rùn)滑系統(tǒng)對(duì)整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行潤(rùn)滑，公開(kāi)號(hào)為US5325656A 的美國(guó)專利設(shè)置滾筒的主軸和摘錠驅(qū)動(dòng)軸的速度可變化進(jìn)行差速傳動(dòng)，在這個(gè)時(shí)期摘錠本身內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)由簡(jiǎn)單和單一的機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的速度可控制的機(jī)械傳動(dòng)方式。2010 年后，摘錠的驅(qū)動(dòng)方式由單一的傳統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤汉蜋C(jī)械傳動(dòng)配合以提高傳動(dòng)效率，公開(kāi)號(hào)為CN115289080A的中國(guó)專利公開(kāi)了液壓和機(jī)械進(jìn)行混合傳動(dòng)的摘錠傳動(dòng)方式。

對(duì)于摘錠制造方式的研究多體現(xiàn)于2010 年后的我國(guó)各大采棉機(jī)廠商，多聚焦于摘錠本身制造工具的改進(jìn)， 以及摘錠本身強(qiáng)度或者磨損度的檢測(cè)裝置研究，如公開(kāi)號(hào)為CN201586877U 的中國(guó)專利。

監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的重要技術(shù)可分為導(dǎo)航仿形、物料狀態(tài)檢測(cè)和安全，該技術(shù)分支代表采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)和方向。由圖8 可知，在導(dǎo)航仿形方面，發(fā)展的初期如1950 年的公開(kāi)號(hào)為US4185696A 的美國(guó)專利公開(kāi)了利用檢測(cè)裝置檢測(cè)待收獲棉花的位置來(lái)調(diào)整采摘輪的位置。而1981 年的公開(kāi)號(hào)為US4288814A 的美國(guó)專利在采棉機(jī)上設(shè)置攝像機(jī)，用于觀察前導(dǎo)輪所經(jīng)過(guò)的路徑，視頻監(jiān)視器安裝在方向盤附近，操作者通過(guò)該方向盤控制前導(dǎo)輪以使農(nóng)用車輛轉(zhuǎn)向。在21 世紀(jì)后，導(dǎo)航仿形系統(tǒng)類的采棉機(jī)已經(jīng)聚焦于和GPS 衛(wèi)星系統(tǒng)的應(yīng)用和對(duì)行走地圖的預(yù)測(cè)公開(kāi)號(hào)為US6694260B1 的美國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)了利用GPS 系統(tǒng)對(duì)整機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航和航線指定。而2022 年公開(kāi)號(hào)為US2022113734A1 的美國(guó)專利申請(qǐng)也公開(kāi)了利用衛(wèi)星和傳感器對(duì)機(jī)器的地圖進(jìn)行預(yù)測(cè)。導(dǎo)航仿形是采棉機(jī)智能化研究的重點(diǎn)，導(dǎo)航仿形聚焦于衛(wèi)星系統(tǒng)和圖像設(shè)備在采棉機(jī)智能化方面的應(yīng)用，無(wú)人化是其將來(lái)的趨勢(shì)。

在物料狀態(tài)監(jiān)測(cè)方面，1991 年公開(kāi)號(hào)為US5063729A的美國(guó)專利公開(kāi)了利用傳感器檢測(cè)棉花傳輸管道有沒(méi)有被堵塞。在物料狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)分支的早期研究中，多聚焦于對(duì)棉花采摘后的運(yùn)輸管道進(jìn)行檢測(cè)，防止棉花在運(yùn)輸過(guò)程中的管道堵塞。在2010 年后關(guān)于物料狀態(tài)檢測(cè)的研究發(fā)展到對(duì)于棉花作物的位置檢測(cè)和收獲方式之間的關(guān)系。公開(kāi)號(hào)為US2021333802A1 的美國(guó)專利公開(kāi)了通過(guò)傳動(dòng)機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的流速來(lái)確定收獲機(jī)的位置。而公開(kāi)號(hào)為US2022232770A1 的美國(guó)專利公開(kāi)了通過(guò)檢測(cè)棉花采集的圖像數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整收獲機(jī)頭部的位置，物料狀態(tài)監(jiān)測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)是檢測(cè)數(shù)據(jù)更加全面，檢測(cè)精度更加高。

在安全方面，采棉機(jī)本身內(nèi)部零部件眾多，在作業(yè)過(guò)程中又極易發(fā)生部件損傷、過(guò)載、行走事故，因此，采棉機(jī)安全的監(jiān)測(cè)控制早期多集中在本身安全性的研究上。如在采棉機(jī)本身還不成熟的20 世紀(jì)80 年代之前，如何通過(guò)監(jiān)測(cè)控制避免采棉機(jī)工作時(shí)本身的損傷是非常重要的問(wèn)題。1959 年公開(kāi)號(hào)為US3005303A的美國(guó)專利公開(kāi)了在采棉機(jī)的行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)路徑上的石塊來(lái)避免碰傷機(jī)器。1980 年公開(kāi)號(hào)為US4306403A的美國(guó)專利公開(kāi)了在棉花的驅(qū)動(dòng)裝置上設(shè)置檢測(cè)裝置檢測(cè)是否驅(qū)動(dòng)過(guò)載。進(jìn)入21 世紀(jì)后，對(duì)于采棉機(jī)的內(nèi)部缺陷的避免逐漸由檢測(cè)維修到預(yù)防避免，2002 年公開(kāi)號(hào)為US2002107625 的美國(guó)專利公開(kāi)了通過(guò)檢測(cè)噪聲信息來(lái)預(yù)判機(jī)器缺陷狀況。而公開(kāi)號(hào)為 CN215499345U的中國(guó)專利也公開(kāi)了對(duì)采棉機(jī)的火情狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)。

8 結(jié)束語(yǔ)

采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)全球?qū)＠暾?qǐng)集中度較高，屬于技術(shù)、資金密集行業(yè)。目前申請(qǐng)數(shù)量最多、研發(fā)活動(dòng)最活躍的是中國(guó)；美國(guó)技術(shù)實(shí)力最雄厚，研發(fā)活動(dòng)持續(xù)進(jìn)行中；蘇聯(lián)在解體后無(wú)力支撐采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，研發(fā)活動(dòng)停滯。

在采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)占比和發(fā)展趨勢(shì)方面，采摘系統(tǒng)申請(qǐng)數(shù)量最多，其次是輸送收集系統(tǒng)、底盤動(dòng)力和監(jiān)測(cè)控制；采摘系統(tǒng)中，摘錠相關(guān)申請(qǐng)數(shù)量最多；美國(guó)在監(jiān)測(cè)控制方面已經(jīng)占到了采棉機(jī)總申請(qǐng)數(shù)量的絕大多數(shù)，并且依然處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，值得我國(guó)借鑒學(xué)習(xí)。采棉機(jī)關(guān)鍵技術(shù)中采摘系統(tǒng)在使得含雜率低方面可以再進(jìn)行多一些的投入，關(guān)鍵核心工作部件摘錠的研究依然需要加強(qiáng)；監(jiān)測(cè)控制還有較大的提升空間。

在采棉機(jī)關(guān)鍵零部件摘錠的發(fā)展方面，逐漸形成了以摘錠本身結(jié)構(gòu)、摘錠的驅(qū)動(dòng)控制及制造方式為主的發(fā)展方向。在代表采棉機(jī)未來(lái)發(fā)展方向的監(jiān)測(cè)控制方面，導(dǎo)航仿形目前聚焦于衛(wèi)星系統(tǒng)和圖像設(shè)備在采棉機(jī)智能化方面的應(yīng)用，無(wú)人化是其將來(lái)的趨勢(shì)。物料狀態(tài)監(jiān)測(cè)早期研究多聚焦于對(duì)棉花采摘后的運(yùn)輸管道進(jìn)行檢測(cè)，目前研究發(fā)展到對(duì)棉花作物的位置檢測(cè)和收獲方式之間的關(guān)系，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的流速來(lái)確定收獲機(jī)的位置、通過(guò)檢測(cè)棉花采集的圖像數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)整收獲機(jī)頭部的位置等，檢測(cè)數(shù)據(jù)更加全面，檢測(cè)精度更高。在安全方面，早期研究多集中在本身安全性，后期研究重點(diǎn)逐漸由檢測(cè)維修發(fā)展到預(yù)防避免維修如通過(guò)檢測(cè)噪聲信息來(lái)預(yù)判機(jī)器缺陷狀況及對(duì)采棉機(jī)的火情狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)等。

我國(guó)企業(yè)和科研單位可參考上述分析結(jié)果，在采棉機(jī)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)如摘錠、監(jiān)測(cè)控制等方面加大研究，提前布局。同時(shí)，《中國(guó)制造2025》指出要重點(diǎn)發(fā)展棉花大型高效聯(lián)合收獲機(jī)等高端農(nóng)業(yè)裝備及關(guān)鍵核心零部件，提高農(nóng)機(jī)裝備信息收集、智能決策和精準(zhǔn)作業(yè)能力，推進(jìn)形成面向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化整體解決方案，也為我國(guó)采棉機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。我國(guó)企業(yè)和科研單位還可根據(jù)“一帶一路”的政策對(duì)中亞和東歐國(guó)家進(jìn)行采棉機(jī)相關(guān)專利的布局和產(chǎn)品的出口。

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