陈玉梅 申允德 张成浩

摘要：概述黄瓜自动化栽培系统的研究进展，针对黄瓜播种育苗、移栽定植、搭架引蔓、整枝与采收的农艺规程，介绍国内外黄瓜培育系统、移栽系统、吊落蔓系统、侧枝修剪机器人和采摘机器人的研究现状，分析制约黄瓜采摘机器人应用研究的因素为采摘效率和制造成本，最后指出未来黄瓜自动化栽培系统的研发重点为简化机器人任务和强化机器人性能。

关键词：栽培系统;采摘机器人;侧枝修剪;末端执行器;自动化

中图分类号： S233.74  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）05-0174-06

收稿日期：2017-10-23

基金项目：2017年度浙江省重点研发计划（编号：2017C02018）。

作者简介：陈玉梅（1994—），女，四川泸州人，硕士研究生，主要从事农业机器人及自动化农机装备研究。E-mail：865705722@qq.com。

通信作者：申允德，博士，高级工程师，副教授，主要从事农业机器人及自动化农机装备研究。E-mail：shenyunde63@163.com。

我国作为典型的农业大国，果蔬产业产出一直较大，1978年，我国蔬菜播种面积为333.1万hm2，2015年扩大到 21 99.967万hm2，分别占当年全国农作物总播种面积的222%、1322%;2014年我国蔬菜种植总产量达到 76 005.48万t，2015年增长到78 526.10万t，比2014年增长3.3%。黄瓜种植成本由人工成本、物质服务费用和土地成本构成。人工成本包括家庭用工折价和雇工费用，随着黄瓜种植面积增大，收获就要耗费大量的时间和人力。但随着农村劳动力缺乏，人口老龄化加剧，必须降低采摘成本、提高采摘果实质量、提高劳动生产率、保证果实的适时采收、提高产品的国际竞争力[1]，进而降低设施黄瓜种植成本中的人工成本占比，提高黄瓜种植净利润。

针对上述研究背景，本研究提出的黄瓜农艺规程为播种育苗→移栽定植→搭架引蔓与整枝→采收。为了实现黄瓜种植的以上4个流程，一套完整的黄瓜自动化栽培系统应该包括栽培系统、侧枝修剪机器人和黄瓜采摘机器人。本研究通过分析比较各部分的国内外研究现状，提出黄瓜自动化栽培系统关键部分的发展趋势，并进行总结，旨在为未来开发完整的黄瓜自动化栽培系统提供参考。

1 黄瓜栽培系统国内外研究现状

栽培系统包括培育系统、移栽系统和吊落蔓系统，分别实现黄瓜种植过程中的播种育苗、移栽定植和搭架引蔓过程。

1.1 培育系统

黄瓜种子属于包衣类蔬菜种子，为实现播种育苗环节自动化，须要利用播种机实现自动化育苗。温室育苗用播种机[2]多为固定型机器人，作业流程为穴盘填土→浇水→播种→覆土→育苗箱搬出。

国外设施育苗配套设施的穴盘育苗播种设备研制较早，目前日本和美国的育苗工厂已大规模开发使用温室机械化育苗播种成套设备，流水线自动完成穴盘装土、刮平、压窝、播种、覆土和浇水等多道工序作业。发达国家的蔬菜商品穴盘育苗率约为70%，荷兰某公司生产的岩棉块种苗生产线的播种作业生产率约为14 400粒/h[3]。

目前，我国穴盘育苗播种机有针式、板式和滚筒式，按工作原理分为机械式和气力式。现阶段的穴盘育苗播种机械多以气力式为主，精度不高，推广程度不高[4]。2017年，青岛农业大学的张峰峰等研制出一种自动蔬菜穴盘育苗精量播种机，对辣椒和南瓜进行试验，平均播种单籽率约为96%，漏播率约为1.4%，多籽率约为2.5%[5]。

1.2 移栽系统

为了培育出优质黄瓜，必须对瓜苗进行适当的移栽作业，目前移栽机分为全自动型和半自动型2种，作业流程为供苗→取苗→挖坑→栽苗→覆土。2013年，中国农业大学的Jin 等研究了蔬菜移栽机中幼苗拾取设备的发展现状，分析比较了国内外拾取机构的优劣势[6]。国外温室自动移栽机技术已经较为成熟，但其结构复杂、价格昂贵、体积庞大，与我国现阶段设施农业的生产模式适应性较差。

国内对穴盘苗移栽机的研究大多处于研究和试验阶段，移栽装备经历了3个发展阶段：滑道机构、杆机构和回转机构[7]。2016年，江苏大学的胡建平等研制出了一种八爪温室钵苗移栽机（图1），可实现自动填土、打穴、定位输送、整体间隔取苗、分散间隔投苗、苗盘连续进给，移栽平均合格率约为95%[8]。他的团队同年又研制出了一种温室穴盘苗移栽机，其末端执行器到达取苗点后，取出幼苗，输送至目标盘放苗点后，释放幼苗并进行栽苗，平均取苗移栽成功率约为90.7%[9]。

1.3 吊落蔓系统

黄瓜为藤生农作物，贴地生长的黄瓜沾泥，易腐烂、商品性差、产量低。为提高农产品质量，通常采用搭架引蔓方法，但僅适合生长量不大的短季节露地栽培，近年来随着黄瓜品种的改良，单株植株可长达几十米，而竹竿高度有限，植株爬到竹竿顶端仍会再次匍匐在地面，故吊蔓式立体栽培成为温室作物栽培的趋势和潮流。

国外对果蔬新型栽培模式的研究很多，如草莓高架栽培模式、番茄拉线栽培模式、黄瓜高拉线栽培模式，在适应机械化采摘的同时，也达到了高产高效的目的。针对新的种植模式也研发出了相应的自动化栽培系统，如中国农业大学的陈一飞等研发了温室草莓立体栽培智能控制系统，栽培支架在电机的驱动下使栽培槽实现升降和摆动动作，以达到改善采光条件和调控温度层的目的[10]。日本农业机械学会的Ota等研发出了一种自动间距控制的可移动番茄高架栽培系统，根据番茄生长阶段的不同来合理分配台架间距，以达到增加果实产量的目的[11]。黄瓜的高拉线栽培模式最早源于荷兰，21世纪初，荷兰农业工程研究所的研究员提出了以拉线种植代替传统黄瓜搭架种植模式，此模式下种植的黄瓜瓜藤与拉线缠绕[12]，随着黄瓜生长长度的无限型发展，研究的重点已经逐步转向如何实现拉线收放，即吊落蔓作业是此新模式的关键。现多为人工操作，近年来向机械化发展，韩国目前采用一种可移动的拉线栽培模式，但仍处于半自动形式，未实现垂直落蔓与水平移动的同步作业，仍需要人工辅助。

4.1.3 采摘机器人的制造成本较高 同工业机器人相比，由于作业对象柔嫩易损，为了保持果实完整性，采摘机器人的结构和控制系统更加复杂，制造成本更高。而且工作具有周期性、时间集中性等特点，导致设备利用率不高。对于采摘机器人这类复杂的光机电一体化产品而言，设备的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用[46]。

除此之外，还存在黄瓜采摘机器人的研制与农艺不协调，采摘机器人的安全可靠性、多功能性、通用性、柔性作业不足等问题。鉴于以上原因，在以后的研究开发中必须解决以下几个方面的关键技术。

4.2 简化采摘机器人任务

在果蔬采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，特别是果实生长位置的不确定性和果实部分遮挡或完全遮挡问题，导致机器人面临很多除了采摘任务外的附加难度作业，因此如何简化机器人任务还需要进一步研究。

4.2.1 改变栽培方式 通过改变栽培方式来简化作物收获环境，如黄瓜斜拉线与斜搭架栽培模式、甜椒通过拉线辅助根茎定位等，可以更好地将果实与茎叶隔离开，减轻图像处理单元的计算负担，加快图像处理单元的运转速度，从而缩短果实平均采摘周期。

4.2.2 改变果蔬品种 果实的生长位置是最具影响力的参数，通过改变黄瓜品种，培养和繁育出果实生长在根茎前方的黄瓜，使果实生长在机械手采摘可行域内采摘成功率最高、采摘周期最短的位置，以适应机械化采摘。其理想状态为黄瓜果实生长位置，即为采摘机器人设定最简收获位置。

4.2.3 增加附加机构 通过辅助机构来简化机器人任务，如通过吹风机来减少果实收获时的叶子遮挡率，通过落蔓吊蔓机构使黄瓜待采瓜藤段处于机械手采摘可行域内。

4.3 强化采摘机器人的性能

果蔬采摘机器人系统集成了传感技术、控制工程、机械设计和图像处理技术等关键技术，各部分功能的运转决定着果蔬采摘机器人运动的灵活性，仍需进一步研究以强化机器人性能。

4.3.1 多元化收集信息 果蔬采摘机与多功能信息化有机结合，结合传感器、模擬环境和推理运算来增强机器人的认知，多元化地收集信息，让机器人自适应地进行学习。

4.3.2 机械本体的优化设计 寻找最优机械手类型和末端执行器类型，机器人可以从标准化向专有化、结构简化的方向进行转化[47]，例如通过更换末端执行器实现黄瓜果实采收和侧枝修剪功能。无需设计完整的机器人，只需功能部件满足采摘要求即可，如蛇形机器人、攀爬机器人。这不仅是黄瓜采摘机器人未来的发展方向，也是果蔬采摘机器人的发展方向。

4.3.3 增加附加功能 如检测功能：收获时判断成熟度，评价果实内部品质，在果实分选阶段之前进行坏果剔除，可以避免向分选场运输坏果所造成的浪费。实现采摘机器人的多功能性，提高设备利用率，从而降低总成本。

5 结束语

完整的黄瓜自动化栽培系统由培育系统、移栽系统、吊落蔓系统、侧枝修剪机器人和黄瓜采摘机器人组成，主要作业对象包括黄瓜、侧枝、卷须、雄花及枯残叶等，在研究过程中要考虑果实完整性、工作高效性、操作简便性和价格合理性。本研究重点总结了国内外黄瓜采摘机器人和侧枝修剪机器人的研究现状，从机械本体结构、果实识别、运动规划等方面，概述了黄瓜采摘机器人的研究进展，为研究出一种安全可靠、柔性高效的黄瓜自动化栽培系统做准备，以响应“中国制造2025十大领域之农机装备和全国农业现代化之创新强农”的政策号召，不断提高技术装备和信息化水平，促进农业机械化提档升级，提高农作物机械收获水平，因地制宜地形成具有中国特色的自动化栽培技术。

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