黃瓜自動化栽培系統研究進展

陳玉梅 申允德 張成浩

摘要：概述黃瓜自動化栽培系統的研究進展，針對黃瓜播種育苗、移栽定植、搭架引蔓、整枝與采收的農藝規程，介紹國內外黃瓜培育系統、移栽系統、吊落蔓系統、側枝修剪機器人和采摘機器人的研究現狀，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的研發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;采摘機器人;側枝修剪;末端執行器;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，主要從事農業機器人及自動化農機裝備研究。E-mail：865705722@qq.com。

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

我國作為典型的農業大國，果蔬產業產出一直較大，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，分別占當年全國農作物總播種面積的222%、1322%;2014年我國蔬菜種植總產量達到 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、提高勞動生產率、保證果實的適時采收、提高產品的國際競爭力[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藝規程為播種育苗→移栽定植→搭架引蔓與整枝→采收。為了實現黃瓜種植的以上4個流程，一套完整的黃瓜自動化栽培系統應該包括栽培系統、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外研究現狀，提出黃瓜自動化栽培系統關鍵部分的發展趨勢，并進行總結，旨在為未來開發完整的黃瓜自動化栽培系統提供參考。

1 黃瓜栽培系統國內外研究現狀

栽培系統包括培育系統、移栽系統和吊落蔓系統，分別實現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

黃瓜種子屬于包衣類蔬菜種子，為實現播種育苗環節自動化，須要利用播種機實現自動化育苗。溫室育苗用播種機[2]多為固定型機器人，作業流程為穴盤填土→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模開發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。發達國家的蔬菜商品穴盤育苗率約為70%，荷蘭某公司生產的巖棉塊種苗生產線的播種作業生產率約為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。現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，青島農業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

為了培育出優質黃瓜，必須對瓜苗進行適當的移栽作業，目前移栽機分為全自動型和半自動型2種，作業流程為供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2013年，中國農業大學的Jin 等研究了蔬菜移栽機中幼苗拾取設備的發展現狀，分析比較了國內外拾取機構的優劣勢[6]。國外溫室自動移栽機技術已經較為成熟，但其結構復雜、價格昂貴、體積龐大，與我國現階段設施農業的生產模式適應性較差。

國內對穴盤苗移栽機的研究大多處于研究和試驗階段，移栽裝備經歷了3個發展階段：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

黃瓜為藤生農作物，貼地生長的黃瓜沾泥，易腐爛、商品性差、產量低。為提高農產品質量，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，也達到了高產高效的目的。針對新的種植模式也研發出了相應的自動化栽培系統，如中國農業大學的陳一飛等研發了溫室草莓立體栽培智能控制系統，栽培支架在電機的驅動下使栽培槽實現升降和擺動動作，以達到改善采光條件和調控溫度層的目的[10]。日本農業機械學會的Ota等研發出了一種自動間距控制的可移動番茄高架栽培系統，根據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，荷蘭農業工程研究所的研究員提出了以拉線種植代替傳統黃瓜搭架種植模式，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展，研究的重點已經逐步轉向如何實現拉線收放，即吊落蔓作業是此新模式的關鍵。現多為人工操作，近年來向機械化發展，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，未實現垂直落蔓與水平移動的同步作業，仍需要人工輔助。

4.1.3 采摘機器人的制造成本較高 同工業機器人相比，由于作業對象柔嫩易損，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藝不協調，采摘機器人的安全可靠性、多功能性、通用性、柔性作業不足等問題。鑒于以上原因，在以后的研究開發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中，由于作業環境的復雜性，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，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，通過改變黃瓜品種，培養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。

4.3 強化采摘機器人的性能

果蔬采摘機器人系統集成了傳感技術、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 機械本體的優化設計 尋找最優機械手類型和末端執行器類型，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行器實現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展方向，也是果蔬采摘機器人的發展方向。

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由培育系統、移栽系統、吊落蔓系統、側枝修剪機器人和黃瓜采摘機器人組成，主要作業對象包括黃瓜、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外黃瓜采摘機器人和側枝修剪機器人的研究現狀，從機械本體結構、果實識別、運動規劃等方面，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做準備，以響應“中國制造2025十大領域之農機裝備和全國農業現代化之創新強農”的政策號召，不斷提高技術裝備和信息化水平，促進農業機械化提檔升級，提高農作物機械收獲水平，因地制宜地形成具有中國特色的自動化栽培技術。

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