水培生菜整株低損收獲裝置設計與試驗

馬義東 徐 燦 崔永杰，2 傅隆生，3 劉浩洲 楊 晨

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院， 陜西楊凌 712100； 2.農業農村部農業物聯網重點實驗室， 陜西楊凌 712100； 3.陜西省農業信息感知與智能服務重點實驗室， 陜西楊凌 712100)

0 引言

我國設施園藝中蔬菜的生產規模日益增大，水培生菜是設施園藝中一種新型蔬菜[1-4]。水培生菜的收獲期短(5～7 d)，且國內市場要求整株(菜葉不散)、低損收獲；目前仍以人工收獲為主，勞動力成本高、收獲品質不易保證。為適應水培生菜產業的快速發展，需研發整株低損收獲裝置。

目前，適用于土壤栽培的傳統生菜收獲機已商業化，其作業條件多為日光溫室或大田，其研究主要集中于收獲機割臺[5-10]、輸送形式[11-16]等方面。水培生菜與傳統生菜的農藝特點、采收要求不同，其收獲裝置的割臺形式、收獲形式等與傳統收獲機也不同，目前仍處于研究階段。高國華等[17-18]設計了一款設施蔬菜收獲裝置，研究了切割速度等因素對切割力的影響。CHO等[19]設計了一款三自由度生菜采收機器人，其基于機器視覺測量生菜長勢，進而利用模糊控制決定生菜夾持力度，最后對生菜進行切割、輸送。UCHIDA等[20]設計的植物工廠生菜收獲系統中，將生菜傾斜輸送以利于收獲，其割刀選用圓盤刀。上述研究側重于省力切割、提高作業效率等方面，為水培生菜機械化收獲提供了良好基礎。然而，水培生菜機械化收獲中的整株收獲方法、菜葉損傷等方面問題還需進一步研究。

結合我國水培生菜農藝特點，本文提出一種整株低損收獲方法，并設計相應機具，研究聚攏速度、聚攏角、聚攏高度、壓菜速度對菜葉損傷面積的影響，并進行試驗優化。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

如圖1所示，水培生菜收獲裝置主要包括倍速鏈、聚攏氣缸、夾持桿、割刀、切割氣缸、輸送氣缸、壓菜氣缸等，可完成單株生菜的整株低損收獲。倍速鏈間歇運動，當光電傳感器1檢測到定植板時，倍速鏈開始運動；光電傳感器2檢測到定植板時，倍速鏈停止，開始收獲。夾持桿通過夾頭安裝于聚攏氣缸末端，割刀切莖前，夾持桿提升一定高度以聚攏菜葉，聚攏高度由霍爾傳感器確定。切莖后，生菜被運送至輸送帶。隨后，壓菜氣缸(向下)與聚攏氣缸(向上)同時運動，在二者共同作用下，生菜被擺放于輸送帶，完成卸菜。

1.2 農藝特點

圖1 水培生菜收獲裝置結構圖Fig.1 Structure diagram of hydroponic lettuce harvester1.機架 2.倍速鏈 3.光電傳感器1 4.割刀 5.定植板 6.光電傳感器2 7.切割氣缸 8.刀架 9.聚攏氣缸 10.壓菜氣缸 11.輸送氣缸 12.霍爾傳感器 13.夾持桿 14.輸送帶

圖2 水培生菜整株低損收獲原理圖Fig.2 Principle diagrams for harvesting whole hydroponic lettuce with low damage1.定植板 2.槽 3.海綿塊 4.夾持桿 5.割刀

本文以水培生菜為研究對象，生菜通過海綿塊種植于定植板上。如圖2a所示，收獲期的菜葉貼于定植板，莖部較短(8～16 mm)，海綿塊與生菜莖部、須根連為一體。生菜行距、株距均為200 mm，定植孔直徑范圍為20～30 mm。為便于整株低損收獲，對定植板做如下改進：為避免夾持桿進入定植板時損傷菜葉，在定植孔兩側開槽，使夾持桿初始位置低于定植板上表面；為避免聚攏菜葉過程中生菜被拔出，造成切割部位不準，定植孔直徑定為20 mm，使海綿塊與定植孔過盈配合。

1.3 工作原理

通過夾持桿對菜葉的低損聚攏、割刀對莖部的精準切割，實現水培生菜的整株低損收獲。夾持桿聚攏菜葉主要為避免割刀切傷菜葉(圖2b)。割刀安裝基準為定植板上表面，海綿塊與定植孔過盈配合以保證對莖部的定位，進而實現對莖部精準切割。

2 關鍵部件設計

2.1 菜葉聚攏機構

菜葉聚攏機構由夾持桿、夾頭和聚攏氣缸等組成(圖3a)；其功能包括：防止割刀切傷菜葉、對切莖后的生菜進行夾持輸送、卸菜等。由于夾持桿直接與菜葉接觸，為減小菜葉所受摩擦力、降低菜葉損傷，夾頭內加裝滾動軸承，使夾持桿與菜葉間作用為滾動摩擦。夾持桿材料為食品用304鋼，直徑5 mm，長度260 mm，初始狀態下兩根夾持桿水平間距為60 mm。

圖3 菜葉聚攏機構示意圖Fig.3 Device sketches for gathering leaves up1.夾持桿 2.夾頭 3.下固定板 4.聚攏氣缸 5.上固定板 6.定植板 7.倍速鏈

夾持桿聚攏角及聚攏高度需考慮生菜的物理尺寸、農藝參數，如圖3所示。統計測量得到：生菜最小高度h1為125 mm，最大高度h2為225 mm。夾持桿最大展開間距L0設置為生菜株距。

本文設計的試驗裝置為單株收獲，為保證后續研究收獲多株生菜時，夾持桿相互不干涉，根據生菜株距等參數，確定聚攏角最大值，其計算方程為

(1)

式中L1——聚攏氣缸水平偏移距離

α——聚攏角

由式(1)可得，聚攏角最大為15°。聚攏角將影響菜葉的聚攏效果及損傷，菜葉聚攏過度(聚攏角過小)會損傷菜葉。根據上述計算及預試驗結果，聚攏角范圍選為5°～15°。

夾持桿聚攏高度需考慮生菜的高度范圍及聚攏菜葉的作業要求。聚攏高度過低，菜葉無法完全脫離定植板；聚攏高度過高會造成海綿塊從定植孔中拔出；均不符合精準切莖的條件。根據生菜的高度范圍[h1，h2]及預試驗，聚攏高度h0的范圍選為50～90 mm。根據預試驗效果，夾持桿聚攏速度范圍選為100～500 mm/s。

2.2 割臺

割臺主要包括割刀、刀架、切割氣缸等，如圖4所示。對莖部的精準切割是保證整株低損收獲的關鍵，切割高度過大會切散、切傷菜葉；根據生菜莖部的高度范圍(8～16 mm)，割刀與定植板上表面間隙設置為5 mm。割刀材料為碳鋼，長240 mm，寬30 mm，厚0.5 mm。為減小切割力，割刀滑切角設置為20°[21]。為保證切割成功，切割氣缸的缸徑選為20 mm、行程L2選為200 mm，切割速度設置為300 mm/s。為保證夾持桿及夾頭作業空間，刀架與定植板間隙L3設置為80 mm。

圖4 割臺結構示意圖Fig.4 Structure diagram of cutter bar1.割刀 2.定植板 3.刀架 4.倍速鏈 5.切割氣缸 6.光電傳感器 7.生菜輪廓 8.夾持桿

2.3 輸送及卸菜機構

切莖后生菜的輸送及卸菜主要由聚攏機構、輸送氣缸和壓菜氣缸等完成。切莖后的生菜處于夾持狀態，經輸送氣缸(速度300 mm/s)運送至輸送帶。卸菜時，聚攏氣缸與壓菜氣缸同時運動(圖5)。壓菜氣缸行程選為125 mm；為減小卸菜損傷，壓菜氣缸行程底端與夾持桿豎直方向的間隙L4設置為40 mm。根據預試驗結果，壓菜氣缸速度范圍選為100～500 mm/s。

圖5 卸菜過程示意圖Fig.5 Diagram of putting lettuce down1.夾持桿 2.聚攏氣缸 3.壓菜氣缸

3 收獲參數正交試驗

3.1 菜葉損傷因素分析

經預試驗發現，菜葉損傷有劃傷、折傷、切傷3種形式。

由收獲作業流程可知，菜葉劃傷、折傷主要由夾持桿聚攏菜葉造成。聚攏菜葉過程生菜受力如圖6所示。其中，菜葉受到的夾持桿壓力(FN1、FN2)將影響折傷，菜葉受到的夾持桿摩擦力(f1、f2)將影響劃傷。由于海綿塊與定植孔過盈配合，聚攏過程中，可將生菜視為固定于定植板，且整體受力平衡。

水平方向，力的平衡方程為

(f1-f2)cosβ=(FN1-FN2)sinβ

(2)

豎直方向，力的平衡方程為

(FN1+FN2)cosβ+(f1+f2)sinβ=G+f0

(3)

式中β——夾持桿壓力與豎直方向夾角

G——重力

f0——定植孔對海綿塊摩擦力

圖6 聚攏過程生菜受力示意圖Fig.6 Lettuce force diagram during gathering process

由式(2)、(3)可知，聚攏角影響夾持桿對菜葉作用力。聚攏速度、壓菜速度會直接影響菜葉所受沖量，進而影響菜葉受力。

由收獲作業流程可知，菜葉切傷由割刀造成，主要受夾持桿聚攏高度、聚攏角的影響。

綜合聚攏過程菜葉受力、收獲作業流程可知：菜葉損傷來源主要有聚攏速度不當、聚攏角度不當、聚攏高度不當、壓菜速度不當，如圖7所示。前面僅得到了聚攏速度、壓菜速度、聚攏角、聚攏高度的取值范圍，各因素的最優參數組合還需由正交試驗確定。

圖7 菜葉損傷因素分析Fig.7 Analysis of leaves damage factors

3.2 試驗設計

3.2.1試驗裝置與材料

為驗證水培生菜整株低損收獲方法、優化裝置參數，搭建了單株水培生菜收獲試驗裝置，如圖8所示。試驗材料為水培奶油生菜，采購自陜西省旭田光電農業科技有限公司，共55株(45株用于正交試驗，10株用于驗證試驗)。該生菜采用深液流水培技術栽培45 d，生菜高度范圍為125～225 mm，菜葉展開尺寸范圍為200～280 mm，莖高范圍為8～16 mm。

圖8 單株收獲試驗裝置Fig.8 Test device for harvesting1.夾持桿 2.割刀 3.壓菜氣缸 4.聚攏氣缸 5.輸送氣缸 6.輸送帶

3.2.2試驗因素與水平

試驗因素包括夾持桿聚攏速度、聚攏角、聚攏高度、壓菜氣缸壓菜速度。根據計算所得聚攏角、聚攏高度的取值范圍，聚攏角試驗水平選取5°、10°、15°，聚攏高度選取50、70、90 mm。聚攏氣缸及壓菜氣缸的速度選取高速(500 mm/s)、中速(300 mm/s)、低速(100 mm/s)。試驗因素水平如表1所示。選用L9(34)正交表進行試驗設計，共9組試驗，每組試驗重復5次，取平均值。

表1 收獲試驗因素水平Tab.1 Factors and levels of harvesting experiment

3.2.3試驗指標

試驗指標選取菜葉損傷面積，利用圖像處理的方法進行測量。由于部分損傷不易直接觀察，利用品紅染色處理以突顯損傷[22]，菜葉損傷面積測量方法如下：

(1)將收獲后生菜分離成單片菜葉。

(2)將菜葉在5%酸性品紅中染色15 min[22]。

(3)沖洗菜葉表面品紅，擦干菜葉。

(4)利用微軟相機(Microsoft LifeCam)采集菜葉圖像，相機距載物板上表面高度為235 mm，載物板背景選用藍色，如圖9所示。

圖9 菜葉圖像采集及處理Fig.9 Image capturing and process of lettuce leaf

(5)進行面積標定，如圖10a所示，每個面積標定單元尺寸為10 mm×10 mm，共9個。菜葉彎曲造成其與載物板上表面不完全在同一水平面上，因此選取相機距載物板高度235、230、225 mm 3個水平進行標定，結果如圖10b所示。標定結果顯示：100 mm2內像素數平均值為1 581個，像素數的均方根誤差為120個，變異系數為7.6%。

(6)在Photoshop中人工提取[23-25]菜葉損傷部位作為圖像前景，圖像背景為黑色區域部分(即R、G、B值均為0的像素)，保存圖像，如圖9c所示。

(7)根據面積標定結果，在Matlab中計算圖像前景像素的面積(即R、G、B均大于0的像素數)，如圖9d所示，記為菜葉損傷面積。

圖10 圖像采集面積標定Fig.10 Calibration of image capturing area

3.3 結果與分析

3.3.1方差與極差分析

收獲正交試驗設計與結果如表2所示(A、B、C、D分別為聚攏速度、聚攏角、聚攏高度、壓菜速度水平值)；方差分析結果如表3所示，由F值可知，試驗因素對菜葉損傷面積影響的顯著性主次次序為：聚攏角、聚攏高度、壓菜速度、聚攏速度。

表2 收獲正交試驗結果Tab.2 Results of orthogonal tests for harvesting

表3 正交試驗方差分析結果Tab.3 Analysis of variance for orthogonal tests

注： *表示在0.1水平上顯著。

圖11 菜葉損傷面積隨因素變化曲線Fig.11 Variation curves of leaf dancage area with factors

為優化因素組合，獲得菜葉損傷面積最小的組合，對表2試驗結果進行極差分析，如圖11所示。由圖11可知：因素的最優組合(菜葉損傷面積最小)為A1B3C2D1，即聚攏速度為100 mm/s、聚攏角為15°、聚攏高度為70 mm、壓菜速度為100 mm/s。

3.3.2試驗因素對菜葉損傷面積影響的分析

由圖11可知，菜葉損傷面積隨聚攏角的增大而減小；隨聚攏高度的增大，先減小后增大，聚攏高度70 mm時達到最小；隨壓菜速度、聚攏速度的增大而增大。壓菜速度、聚攏速度越大，菜葉所受沖量越大，因此菜葉損傷越大。利用力學分析、高速攝影，分析聚攏角、聚攏高度對菜葉損傷面積的影響。

(1)聚攏角

結合生菜受力(圖6)及式(2)、(3)分析聚攏角對菜葉損傷面積的影響。由于菜葉間存在間隙，聚攏角α越大，夾持桿對生菜的聚攏程度越小，生菜受到的壓力(FN1、FN2)、摩擦力(f1、f2)越小，因此菜葉損傷面積隨聚攏角的增大而減小(圖11)。

(2)聚攏高度

由式(3)可知：增大聚攏高度會造成定植孔對海綿塊的摩擦力(f0)增大，進而造成生菜受到的壓力(FN1、FN2)、摩擦力(f1、f2)增大；因此，增大聚攏高度會增加菜葉受力。正交試驗結果顯示，菜葉損傷面積隨聚攏高度的增大，先減小后增大(圖11)。

利用高速攝影機(OLYMPUS, i-SPEED，拍攝頻率500幀/s)對收獲過程進行觀察，分析上述現象。經高速攝影發現，聚攏高度50 mm即可避免割刀切傷菜葉，如圖12所示，其中聚攏速度為500 mm/s，聚攏角為10°，壓菜速度為500 mm/s。圖12a為初始狀態，菜葉貼于定植板；圖12b顯示聚攏過程中，菜葉與定植板分離；圖12c顯示切割莖部時，菜葉已被攏起，割刀不會切傷、切散菜葉；圖12d顯示整株收獲效果，切割部位為生菜莖部，菜葉無散開。然而，由于生菜并非對稱的幾何體，割刀的沖擊等外力可能造成切莖后生菜偏斜，如圖13a所示；此情況下，聚攏高度僅50 mm會造成輸送過程中菜葉與定植板相互作用(圖13)，進而增加菜葉的損傷；圖13中聚攏速度為300 mm/s，聚攏角為15°，壓菜速度為300 mm/s。聚攏高度70 mm時，輸送過程不會出現菜葉與定植板接觸，避免其相互作用；因此，聚攏高度70 mm時的菜葉損傷小于聚攏高度50 mm時的損傷(圖11)。

圖12 水培生菜聚攏-切莖過程Fig.12 Process of gathering up leaves and cutting stem

圖13 切莖后生菜輸送過程Fig.13 Process of transporting lettuce to conveyor

4 驗證試驗

為驗證正交試驗優化結果，對最優參數組合(聚攏速度100 mm/s、聚攏角15°、聚攏高度70 mm、壓菜速度100 mm/s)進行試驗驗證，試驗重復10次。由于尚無評價水培生菜收獲效果的標準，利用菜葉損傷面積S1、損傷程度η評價收獲作業的效果。定義損傷程度為菜葉損傷面積S1與菜葉總面積S0的比值，即

η=S1/S0×100%

(4)

驗證試驗結果顯示：最優組合參數下切割部位均為生菜莖部，切割后生菜上的莖剩余3～11 mm，可實現對莖部精準切割；菜葉無散開，可完成生菜整株收獲(圖14)。菜葉損傷面積平均值為432 mm2，標準差為131 mm2，變異系數為30.45%；損傷程度平均值為0.13%，標準差為0.03%，變異系數為23.08%(表4)；優化效果明顯，收獲作業生菜損傷較低。

圖14 整株低損收獲效果Fig.14 Harvesting effect of whole and low damage

5 結論

(1)提出了一種水培生菜整株低損收獲方法并研制了樣機，利用夾持桿對菜葉低損聚攏、割刀對生菜莖部精準切割，可實現整株低損收獲。

(2)正交試驗表明，影響菜葉損傷面積的顯著性主次順序為聚攏角、聚攏高度、壓菜速度、聚攏速度。最優組合參數為聚攏速度100 mm/s、聚攏角15°、聚攏高度70 mm、壓菜速度100 mm/s。通過力學分析、高速攝影發現：增大聚攏角可減小菜葉受力；聚攏高度70 mm時，可避免切莖后生菜在輸送過程中菜葉與定植板接觸。

表4 驗證試驗結果Tab.4 Results of verification test

(3)驗證試驗表明，最優組合參數下，生菜均為整株收獲，菜葉損傷面積平均值為432 mm2，損傷程度平均值為0.13%。