黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)研究進(jìn)展

陳玉梅 申允德 張成浩

摘要：概述黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)的研究進(jìn)展，針對(duì)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(guó)內(nèi)外黃瓜培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側(cè)枝修剪機(jī)器人和采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，分析制約黃瓜采摘機(jī)器人應(yīng)用研究的因素為采摘效率和制造成本，最后指出未來(lái)黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)的研發(fā)重點(diǎn)為簡(jiǎn)化機(jī)器人任務(wù)和強(qiáng)化機(jī)器人性能。

關(guān)鍵詞：栽培系統(tǒng);采摘機(jī)器人;側(cè)枝修剪;末端執(zhí)行器;自動(dòng)化

中圖分類(lèi)號(hào)： S233.74? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）05-0174-06

收稿日期：2017-10-23

基金項(xiàng)目：2017年度浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：2017C02018）。

作者簡(jiǎn)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(jī)器人及自動(dòng)化農(nóng)機(jī)裝備研究。E-mail：865705722@qq.com。

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

我國(guó)作為典型的農(nóng)業(yè)大國(guó)，果蔬產(chǎn)業(yè)產(chǎn)出一直較大，1978年，我國(guó)蔬菜播種面積為333.1萬(wàn)hm2，2015年擴(kuò)大到 21 99.967萬(wàn)hm2，分別占當(dāng)年全國(guó)農(nóng)作物總播種面積的222%、1322%;2014年我國(guó)蔬菜種植總產(chǎn)量達(dá)到 76 005.48萬(wàn)t，2015年增長(zhǎng)到78 526.10萬(wàn)t，比2014年增長(zhǎng)3.3%。黃瓜種植成本由人工成本、物質(zhì)服務(wù)費(fèi)用和土地成本構(gòu)成。人工成本包括家庭用工折價(jià)和雇工費(fèi)用，隨著黃瓜種植面積增大，收獲就要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。但隨著農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏，人口老齡化加劇，必須降低采摘成本、提高采摘果實(shí)質(zhì)量、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、保證果實(shí)的適時(shí)采收、提高產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[1]，進(jìn)而降低設(shè)施黃瓜種植成本中的人工成本占比，提高黃瓜種植凈利潤(rùn)。

針對(duì)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(shí)現(xiàn)黃瓜種植的以上4個(gè)流程，一套完整的黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)應(yīng)該包括栽培系統(tǒng)、側(cè)枝修剪機(jī)器人和黃瓜采摘機(jī)器人。本研究通過(guò)分析比較各部分的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)關(guān)鍵部分的發(fā)展趨勢(shì)，并進(jìn)行總結(jié)，旨在為未來(lái)開(kāi)發(fā)完整的黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)提供參考。

1 黃瓜栽培系統(tǒng)國(guó)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(shí)現(xiàn)黃瓜種植過(guò)程中的播種育苗、移栽定植和搭架引蔓過(guò)程。

1.1 培育系統(tǒng)

黃瓜種子屬于包衣類(lèi)蔬菜種子，為實(shí)現(xiàn)播種育苗環(huán)節(jié)自動(dòng)化，須要利用播種機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化育苗。溫室育苗用播種機(jī)[2]多為固定型機(jī)器人，作業(yè)流程為穴盤(pán)填土→澆水→播種→覆土→育苗箱搬出。

國(guó)外設(shè)施育苗配套設(shè)施的穴盤(pán)育苗播種設(shè)備研制較早，目前日本和美國(guó)的育苗工廠已大規(guī)模開(kāi)發(fā)使用溫室機(jī)械化育苗播種成套設(shè)備，流水線自動(dòng)完成穴盤(pán)裝土、刮平、壓窩、播種、覆土和澆水等多道工序作業(yè)。發(fā)達(dá)國(guó)家的蔬菜商品穴盤(pán)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(guó)穴盤(pán)育苗播種機(jī)有針式、板式和滾筒式，按工作原理分為機(jī)械式和氣力式。現(xiàn)階段的穴盤(pán)育苗播種機(jī)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(xué)的張峰峰等研制出一種自動(dòng)蔬菜穴盤(pán)育苗精量播種機(jī)，對(duì)辣椒和南瓜進(jìn)行試驗(yàn)，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(zhì)黃瓜，必須對(duì)瓜苗進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊圃宰鳂I(yè)，目前移栽機(jī)分為全自動(dòng)型和半自動(dòng)型2種，作業(yè)流程為供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2013年，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的Jin 等研究了蔬菜移栽機(jī)中幼苗拾取設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，分析比較了國(guó)內(nèi)外拾取機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣勢(shì)[6]。國(guó)外溫室自動(dòng)移栽機(jī)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、體積龐大，與我國(guó)現(xiàn)階段設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式適應(yīng)性較差。

國(guó)內(nèi)對(duì)穴盤(pán)苗移栽機(jī)的研究大多處于研究和試驗(yàn)階段，移栽裝備經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段：滑道機(jī)構(gòu)、桿機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)[7]。2016年，江蘇大學(xué)的胡建平等研制出了一種八爪溫室缽苗移栽機(jī)（圖1），可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)填土、打穴、定位輸送、整體間隔取苗、分散間隔投苗、苗盤(pán)連續(xù)進(jìn)給，移栽平均合格率約為95%[8]。他的團(tuán)隊(duì)同年又研制出了一種溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)，其末端執(zhí)行器到達(dá)取苗點(diǎn)后，取出幼苗，輸送至目標(biāo)盤(pán)放苗點(diǎn)后，釋放幼苗并進(jìn)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(zhǎng)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(zhì)量，通常采用搭架引蔓方法，但僅適合生長(zhǎng)量不大的短季節(jié)露地栽培，近年來(lái)隨著黃瓜品種的改良，單株植株可長(zhǎng)達(dá)幾十米，而竹竿高度有限，植株爬到竹竿頂端仍會(huì)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(shì)和潮流。

國(guó)外對(duì)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(yīng)機(jī)械化采摘的同時(shí)，也達(dá)到了高產(chǎn)高效的目的。針對(duì)新的種植模式也研發(fā)出了相應(yīng)的自動(dòng)化栽培系統(tǒng)，如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jī)的驅(qū)動(dòng)下使栽培槽實(shí)現(xiàn)升降和擺動(dòng)動(dòng)作，以達(dá)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(jī)械學(xué)會(huì)的Ota等研發(fā)出了一種自動(dòng)間距控制的可移動(dòng)番茄高架栽培系統(tǒng)，根據(jù)番茄生長(zhǎng)階段的不同來(lái)合理分配臺(tái)架間距，以達(dá)到增加果實(shí)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(jì)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(zhǎng)長(zhǎng)度的無(wú)限型發(fā)展，研究的重點(diǎn)已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)向如何實(shí)現(xiàn)拉線收放，即吊落蔓作業(yè)是此新模式的關(guān)鍵?，F(xiàn)多為人工操作，近年來(lái)向機(jī)械化發(fā)展，韓國(guó)目前采用一種可移動(dòng)的拉線栽培模式，但仍處于半自動(dòng)形式，未實(shí)現(xiàn)垂直落蔓與水平移動(dòng)的同步作業(yè)，仍需要人工輔助。

4.1.3 采摘機(jī)器人的制造成本較高 同工業(yè)機(jī)器人相比，由于作業(yè)對(duì)象柔嫩易損，為了保持果實(shí)完整性，采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，制造成本更高。而且工作具有周期性、時(shí)間集中性等特點(diǎn)，導(dǎo)致設(shè)備利用率不高。對(duì)于采摘機(jī)器人這類(lèi)復(fù)雜的光機(jī)電一體化產(chǎn)品而言，設(shè)備的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費(fèi)用[46]。

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

4.2 簡(jiǎn)化采摘機(jī)器人任務(wù)

在果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，特別是果實(shí)生長(zhǎng)位置的不確定性和果實(shí)部分遮擋或完全遮擋問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)器人面臨很多除了采摘任務(wù)外的附加難度作業(yè)，因此如何簡(jiǎn)化機(jī)器人任務(wù)還需要進(jìn)一步研究。

4.2.1 改變?cè)耘喾绞?通過(guò)改變?cè)耘喾绞絹?lái)簡(jiǎn)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(guò)拉線輔助根莖定位等，可以更好地將果實(shí)與莖葉隔離開(kāi)，減輕圖像處理單元的計(jì)算負(fù)擔(dān)，加快圖像處理單元的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而縮短果實(shí)平均采摘周期。

4.2.2 改變果蔬品種 果實(shí)的生長(zhǎng)位置是最具影響力的參數(shù)，通過(guò)改變黃瓜品種，培養(yǎng)和繁育出果實(shí)生長(zhǎng)在根莖前方的黃瓜，使果實(shí)生長(zhǎng)在機(jī)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(yīng)機(jī)械化采摘。其理想狀態(tài)為黃瓜果實(shí)生長(zhǎng)位置，即為采摘機(jī)器人設(shè)定最簡(jiǎn)收獲位置。

4.2.3 增加附加機(jī)構(gòu) 通過(guò)輔助機(jī)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)器人任務(wù)，如通過(guò)吹風(fēng)機(jī)來(lái)減少果實(shí)收獲時(shí)的葉子遮擋率，通過(guò)落蔓吊蔓機(jī)構(gòu)使黃瓜待采瓜藤段處于機(jī)械手采摘可行域內(nèi)。

4.3 強(qiáng)化采摘機(jī)器人的性能

果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)集成了傳感技術(shù)、控制工程、機(jī)械設(shè)計(jì)和圖像處理技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，各部分功能的運(yùn)轉(zhuǎn)決定著果蔬采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性，仍需進(jìn)一步研究以強(qiáng)化機(jī)器人性能。

4.3.1 多元化收集信息 果蔬采摘機(jī)與多功能信息化有機(jī)結(jié)合，結(jié)合傳感器、模擬環(huán)境和推理運(yùn)算來(lái)增強(qiáng)機(jī)器人的認(rèn)知，多元化地收集信息，讓機(jī)器人自適應(yīng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4.3.2 機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì) 尋找最優(yōu)機(jī)械手類(lèi)型和末端執(zhí)行器類(lèi)型，機(jī)器人可以從標(biāo)準(zhǔn)化向?qū)Ｓ谢?、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的方向進(jìn)行轉(zhuǎn)化[47]，例如通過(guò)更換末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)黃瓜果實(shí)采收和側(cè)枝修剪功能。無(wú)需設(shè)計(jì)完整的機(jī)器人，只需功能部件滿(mǎn)足采摘要求即可，如蛇形機(jī)器人、攀爬機(jī)器人。這不僅是黃瓜采摘機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向，也是果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展方向。

4.3.3 增加附加功能 如檢測(cè)功能：收獲時(shí)判斷成熟度，評(píng)價(jià)果實(shí)內(nèi)部品質(zhì)，在果實(shí)分選階段之前進(jìn)行壞果剔除，可以避免向分選場(chǎng)運(yùn)輸壞果所造成的浪費(fèi)。實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的多功能性，提高設(shè)備利用率，從而降低總成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

完整的黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)由培育系統(tǒng)、移栽系統(tǒng)、吊落蔓系統(tǒng)、側(cè)枝修剪機(jī)器人和黃瓜采摘機(jī)器人組成，主要作業(yè)對(duì)象包括黃瓜、側(cè)枝、卷須、雄花及枯殘葉等，在研究過(guò)程中要考慮果實(shí)完整性、工作高效性、操作簡(jiǎn)便性和價(jià)格合理性。本研究重點(diǎn)總結(jié)了國(guó)內(nèi)外黃瓜采摘機(jī)器人和側(cè)枝修剪機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，從機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、果實(shí)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等方面，概述了黃瓜采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展，為研究出一種安全可靠、柔性高效的黃瓜自動(dòng)化栽培系統(tǒng)做準(zhǔn)備，以響應(yīng)“中國(guó)制造2025十大領(lǐng)域之農(nóng)機(jī)裝備和全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化之創(chuàng)新強(qiáng)農(nóng)”的政策號(hào)召，不斷提高技術(shù)裝備和信息化水平，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化提檔升級(jí)，提高農(nóng)作物機(jī)械收獲水平，因地制宜地形成具有中國(guó)特色的自動(dòng)化栽培技術(shù)。

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