汪 琼，桑一男，徐增莱，葛海涛，王殿广，柳成航

（1.江苏省中国科学院植物研究所（南京中山植物园）江苏省植物资源研究与利用重点实验室，江苏 南京 210014；2.SYD Dynamics ApS，Denmark Odense DK-5230；3.江苏苏中药业研究院有限公司，江苏 南京 210018）

0 引言

花是被子植物的繁殖器官，拥有观赏、食用、药用等多种经济价值。2021年，我国花卉零售市场规模达2 205亿元，相比2020年增长17.5%，并且预计到2031年我国花卉市场年消费需求可达5 000亿元[1]。与此同时，花所具有的药用价值也备受瞩目。以金银花为例，自新冠疫情暴发以来，其市场需求扩大，价格也迅速走高[2]。不过目前我国的花卉种植业面临着各种各样的问题。政策方面，由于我国的粮食安全要求以及耕地紧张情况，我国对花卉种植用地作出了一定限制，例如2020年国务院办公厅出台的《关于防止耕地“非粮化”稳定粮食生产的意见》，其中指出要“明确耕地利用优先序”“坚持科学合理利用耕地资源”，并且强调“耕地在优先满足粮食和食用农产品生产基础上，适度用于非食用农产品生产”[3]。劳动力方面，我国农村人口老龄化加剧、农村劳动力数量逐渐减少。2020年，我国乡村人口中60岁及其以上的人口已占23.8%，而20~49岁的人口仅占35.45%[4]。与此同时，随着共同富裕目标的不断推进，我国农村居民的收入稳步增加，农村劳动力的成本也逐步上升。

综合上述分析可知，提高我国花卉种植业的生产效率和自动化水平势在必行，而其中花朵采摘机的研究更具有重要的意义。课题组综述了国内外典型的采花装备的研究与发展现状，根据技术原理进行探讨，并对比目前已较为成熟的农作物收获装备，为未来采花装备的发展提供可行的建议。

1 采花装备的关键技术

花朵的收获率、所采集花朵的完整性以及采花的速率是评价采花装备性能的关键指标。采花装备进行花朵采摘的主要过程可以分解为花朵识别、花朵摘取和花朵收集3个部分。本小节会从花朵定位手段、花朵摘取技术、花朵收集技术以及设备行走与控制技术4个方面对现有采花装备的技术特点进行介绍和分析。

1.1 花朵定位手段

花朵定位手段指的是花朵采摘设备在运行过程中确定花朵的位置从而引导采摘动作的方法。现有的采花装备里所使用的花朵定位手段主要分为预先设定、机械筛选和机器视觉识别3种。预先设定，即类似于通常所见的收割大麦等农作物的机械，需要预先根据农作物的高度设定收割高度，如1993年日本的绪方修身所发明的采花机器[5]。这一类机器的优点是因无需现场甄别所以工作速度极快，缺点是只能对少部分花朵使用，并且给花朵的收获率以及完整性都带来了挑战。采摘收获来的花朵往往还连着茎部。这一点对观赏花卉来说通常无伤大雅，不过对药用花来说则会带来更多的后续处理工作。

机器筛选，是指通过花朵与茎部机械性能的差别，实现花朵的定位和分离。如2016年池现荣设计的可调速金银花采摘机，就是利用高速旋转的硅胶转轴将金银花和叶片一起从植株上打落，然后利用网格进行筛选[6]。这种方案的优点是执行速度仅次于预先设定高度方法，花朵的收获率很高，并且系统结构非常简单；缺点则是无法保证所采集花朵的完整性。这种方案对花朵的机械强度有着较为严格的要求，既不能太高使得花朵不易被打下，也不能太低使得所采集花朵轻易被破坏。

机器视觉识别，是近10年随着微电子和计算机技术的发展而兴起的新型花朵定位手段。如2022年郑如新等研究的基于机器视觉的金银花图像识别处理算法，通过改进Canny算法，使得对金银花的识别率达到了93.75%[7]。这一类算法可以使得采花装备获得极高的收获率，并保证每一朵花的完整性。不过在速率方面，因为需要对每一张照片进行图像识别并且在采摘过程中需要分别对每一朵花进行处理，这一类装备的速度可能不尽如人意。并且由于使用了计算机视觉算法，该类装备对于所使用的嵌入式处理器的性能有较高的要求，显著增加了该类装备的开发和应用成本。

1.2 花朵摘取技术

花朵摘取技术指的是采花装备完成花朵定位后，将需要采集的花朵与植株分离的过程中所使用的技术。花朵摘取技术主要可分为疏刷式和剪取式两种。疏刷式摘取技术，利用花朵相较于植物的茎更为脆弱的特点，通过高速旋转的梳齿将花朵打下。该种设计常常与机器筛选类的花朵定位方式相结合。上文所提及的可调速金银花采摘机即为一例。又如1997年史建新等设计的啤酒花摘花机构，利用钢丝和滚筒配合抽打完成花朵的采摘[8]。这一类采花装备执行速度快，但是容易破坏所采花朵的完整性。

剪取式摘取技术，指的是利用剪取机构，将花朵从植株上剪下的摘取技术。目前大多数采花装备都属于这种类型。剪刀式机构又可分为镰刀式和剪刀式两类。镰刀式的特点是每次可以取下数朵花，效率较高，但是有可能带有残留的茎和叶。这种摘取技术往往配合预先设定镰刀割取高度的定位方法使用，上文所提及的绪方修身的采花机器即为一例[5]。剪刀式则是类似人类的摘花过程，一次只取下一朵花，效率较低，但是采摘往往十分干净，不带有残留的茎和叶，减少了后序处理的工序。剪刀式机构往往结合机器视觉识别的定位方法，通过机械臂执行摘取动作，这进一步提升了装备的复杂性和成本。

1.3 花朵收集技术

花朵收集技术指的是采花装备在完成花朵与植株的分离之后，将所采集的花朵收集进容器这一过程中所使用的技术。花朵收集技术主要可分为气动式和机械式两大类。气动式即为利用电机带动风扇抽风形成负压，从而将花朵吸入收集箱中。上文所提及的池现荣的可调速金银花采摘机即为一例[6]。气动式收集技术要求所摘下的花朵质量较轻或是已经被击打成质量较轻的花瓣，因此其与疏刷式摘取技术和剪刀式摘取技术最为适配。镰刀式摘取技术因花朵附带有茎和叶、质量和体积较大，适用性稍差。气动式收集技术执行速度快，有利于提高所采集花朵的完整性，并且装备结构简单，成本相对较低。

机械式收集技术则是利用收集装置直接接触花朵并将花朵转移到容器内。常见的收集装置有传送带、滚轮、机械臂等。传送带和滚轮适用于大批量花朵的收集工作，执行速度快，但有破坏采集花朵完整性的顾虑，且装备结构复杂性要高于气动式收集技术。上文所提及的绪方修身所发明的采花机器同时利用了传送带和滚轮两种收集装置[5]。机械臂收集技术则比较少见，并且仅适用于少量花朵的收集工作。其执行速度慢，但能最好地保护花朵的完整性。机械臂也是以上各种收集技术中结构最复杂、成本最高的。

1.4 设备行走和控制技术

依据采花装备的机动能力，大致可以将采花装备分为人工类和自行类两大类。人工类采花装备的特点是依赖人来带动装备在田间地头移动，通常表现为手持式或手推式装置。现在市面上常见的花朵收集装备，基本都为手持式。这类采花装备重量较轻、复杂程度较低，可以有效地降低农民的劳动强度，不过仍然需要农民耗费大量体力。

自行类采花装备可分为轮式自行类和多足自行类两种。由于实现了自行化，其最大幅度减轻了农民的劳动强度，且受到重量、体积等的限制较小。目前大多数自行类采花装备属于轮式自行类，特点是使用轮式底盘，按人的操控或预先的设定在田间地头行进。轮式自行类采花装备可以满足绝大多数场合的使用需求，但是对于较矮的植株，使用轮式底盘可能导致全机过高。近年来随着仿生学和控制技术的发展，也出现了多足自行类采花装备。如2021年Garimella等研发了多足自行式蒲公英采摘机器人，针对蒲公英植株低矮的特点，使用6条低自由度的机械腿构建机器人的行走机构，有效地降低了采花装备的重心[9]。多足自行类采花装备可以适用于低矮的植株，但因不适合人乘坐，必须结合遥控或自动化控制设备。其结构复杂、成本较高，且对于主流花朵的采集相较于轮式自行类装备并无任何优势，因此目前来看，其应用会长期局限于少数几种植物。

2 采花装备的发展现状

相比于农作物收获装备，目前国内外对采花装备的研发仍然十分有限。在20世纪90年代以前，采花装备以直接借用或改造农作物收获装备为主。20世纪90年代以来，随着技术水平的提高，专用采花装备开始逐渐发展起来。从采花装备研究开发者的国籍来看，呈现出西方国家主要直接借用和改造农作物收获装备，而中国、日本、韩国等国则有开发专用采花装备的特点。其中的一个重要原因是自20世纪90年代以来，中国等国经济水平的提升所推动的中药材市场的快速扩张。根据设计目的的不同，大致可以将采花装备分为通用型收获装备和专用型采花装备两大类。

2.1 通用型收获装备

通用型收获装备与传统的农作物收获装备几乎无异。这些装备多为轮式自走型装备，能够沿着田地高速地完成收割作业。由于与农作物收获装备高度通用化，其运用成本非常低廉，技术也十分成熟。不过相对而言，其缺点也显而易见：这一类收获装备仅能采集特性与相应农作物相似的花朵，例如郁金香、康乃馨等部分主流观赏花卉。但是对于其他种类的花朵，例如生于木本植物上的花朵，则并不太适合。

2.2 专用型采花装备

20世纪90年代以来，随着中国、日本、韩国等国对其他种类花朵需求量的增大，专用型采花装备逐渐发展起来。20世纪90年代，采花装备的主要研发者是日本。这一时期采花装备的特点初具雏形：第一次开始针对花与农作物的不同点进行了相应的设计。不过这一时期的采花装备也普遍体现出原始的一面，由于尚未挣脱传统的农作物收获装备的藩篱，其机械结构对通用型收获装备继承过多，导致其适用范围有限。

进入21世纪，中国和韩国也加入采花装备的研发队伍中来，其中中国的研究占据绝对主导地位。这一时期采花装备的特点是针对开发：采花装备往往在开发之时就针对了某个具体的品种。以中国为例，采花装备的研究几乎全部集中在金银花和啤酒花上。由于花的重量较轻，手持式采花装备和气动式收集设备也应运而生，这也标示着采花装备开始跳出过往农作物收获装备的藩篱，真正地为采花而设计。近年来随着计算机技术的迅猛发展以及电子产品成本的降低，计算机视觉、机械臂等技术开始应用于采花装备上，采花装备的开发重点也逐渐由机械结构开始转向控制算法。

3 采花装备的总结和展望

我国花卉市场极其广阔，花卉种植规模大，但是因我国劳动力成本相对低廉，目前我国采花装备的发展处于较为滞后的状态。我国对作为中药材的金银花等花朵的大量需求以及我国平原较少的特殊地形决定了我国没有办法简单地照搬国外的技术。通过国内相关个人、企业、高校和科研院所的不断努力，我国采花装备的研究已经有了一个良好的开始，并取得了一批初步成果。随着我国中医药等消费市场的不断扩大以及农村劳动力价格的提升，采花装备即将迎来新的发展机遇，未来有望在以下方面取得进展。

1）通用化，即适用范围不断扩大，向过去未曾关注的作物扩展。目前我国采花装备的研究集中在金银花、啤酒花等少数作物上。未来，随着乡村振兴战略的不断推进，过去没有受到重视的作物也将得到采摘机械化的发展机遇。随着计算机技术的不断发展，一种采花装备可能只需要经过极少量的修改就可以采摘另一种花朵。此外，采花装备的不断推广和大规模生产，也将会有助于相关技术的发展成熟以及生产成本的降低。

2）智能化，即借鉴农机经验，采花装备走向网络化和高度自动化。目前的采花装备处于较为原始的阶段，特点是单机行动，且仍旧依赖人工干预。但近年来传统的农机已经逐步迈向了网络化和智能化的新阶段。如2022年胡子谦等提出的基于拟人驾驶模型的联合收获机导航控制器，利用北斗导航系统完成定位，使用神经网络自主决策、自主进行田间规划，并完成采摘工作[10]。未来，采花装备也将会向这一方向转变，从而极大地提升生产效率和质量。