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广 西 农 学 报 Journal of Guangxi Agriculture 草莓采收机械研究现状与展望 苏祥祥 陈丰 李娜 吴镛 安徽科技学院 安徽 凤阳 233100 摘要 草莓在国内的种植规模逐年增长 已成为农业领域的重要组成部分 然而 传统的草莓采收作业主要依赖 人工完成 劳动强度大 人力成本高 难以满足日益增长的市场需求 为了提高草莓采收的效率 降低人力成本 机械化采收成为草莓产业发展的必然趋势 文章通过查阅文献收集了草莓采收机械的研究资料和数据 综述了目 前草莓采收机械的主要类型 针对草莓种植模式和种植规模 对机械化采收的发展差异进行了深入分析 通过分 析 目前草莓采收机械的研究和应用已经取得了一定的进展 但仍存在与农艺结合不紧密 设备通用性差 采摘 效率低的问题 未来草莓采摘机械会向实用性更强 应用范围更广 更加智能化的方向发展 关键词 草莓 采收机械 研究现状 中图分类号 S225 99 文献标识码 A 文章编号 1003 4374 2024 06 0143 13 Research Status and Prospect of Strawberry Harvesting Machinery SU Xiangxiang CHEN Feng LI Na WU Yong Anhui Science and Technology University Fengyang Anhui 233100 China Abstract The scale of strawberry cultivation in China has been increasing annually making it a significant component of the agricultural sector However traditional strawberry harvesting heavily relies on manual labor which is labor intensive and costly posing challenges in meeting the growing market demand To enhance efficiency in strawberry harvesting and reduce labor costs mechanized harvesting has become an inevitable trend in the development of the strawberry industry The article reviews research materials and data on strawberry harvesting machinery outlining the main types of machinery currently used It conducts a detailed analysis of the development differences in mechanized harvesting concerning strawberry planting models and cultivation scales According to the analysis while progress has been made in the research and application of strawberry harvesting machinery challenges like poor integration with agronomy low equipment universality and inefficient picking persist In the future strawberry harvesting machinery will develop in the direction of greater practicality wider application scope and increased intelligence Key words Strawberry Harvesting machinery Research status 草莓中含有多种维生素和膳食纤维等营养物质 有助于保护视力 助消化和防止便秘等疾病的发生 被 大家誉为 水果皇后 随着种植技术的提高 草莓品种的增加 种植规模逐年增长 繁重的采摘任务成为 综述专论 Summaries of Monograph 2024 39 6 143 155 DOI 10 20160 ki ISSN1003 4374 2024 06 016 收稿日期 2024 10 10 修回日期 2024 10 20 基金项目 安徽省科技特派员农业物质技术装备领域揭榜挂帅项目 2022296906020001 安徽省自然科学重大项目 KJ2021ZD0110 2022 年度合肥工业大学智能研究院 科技成果培育专项 IMIPY2022019 第一作者简介 苏祥祥 1999 男 硕士研究生 研究方向为农业工程与信息技术 通讯作者 陈丰 1972 男 博士 教授 研究方向为农业智能装备 144 广西农学报 2024 39 6 了急需解决的问题 草莓采收期较短 在需要保证草莓品质的同时 人工采收劳动强度大 花费人工成本高 因此 引入自动化草莓采收技术至关重要 草莓的机械化采收的研发已成为国内外关注的重点 针对机械化 采收可以克服人工采摘劳动强度大 效率低 成本高和工作环境差等缺点 研发草莓采收机械以提高农业生 产率 推动农业机械化的发展 使果农获得更多的经济效益 1 草莓种植现状 1 1 草莓种植规模 草莓的生长环境适应性强 在世界范围内 从热带到北极圈附近均可栽培种植 1 目前 已有 100 多 个国家和地区种植草莓 在世界小浆果生产中草莓产量居于首位 中国作为世界草莓第一生产国 2018 年 草莓总产值已超过 600 亿元 2021 年我国草莓种植面积 13 93 万 hm 2 图 1 产量 371 5 万 t 图 2 同比 2020 年分别上涨 5 85 和 7 71 我国的草莓种植面积呈现逐年递增的趋势 2 图 1 2017 2021 年中国草莓播种面积及增速变化情况统计图 播种面积 万 hm 2 16 10 78 12 0 12 5 11 32 4 17 5 28 5 85 16 00 14 00 12 00 10 00 8 00 6 00 4 00 2 00 0 00 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年 2021 年 13 16 13 93 14 12 10 8 6 4 2 0 增速 产量 万 t 400 285 1 306 327 6 344 9 371 5 7 33 7 06 5 28 7 71 12 00 10 00 8 00 6 00 4 00 2 00 0 00 2017 年 2018 年 2019 年 2020 年 2021 年 350 300 250 200 150 100 50 0 增速 图 2 2017 2021 年中国草莓产量及增速变化情况统计图 2024 年 12 月 145 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 1 2 草莓种植模式 不同的国家根据其自然条件 种植技术 经济条件等因素选择适合的草莓种植方式 美国主要采用高畦 定株栽培法 做高畦 秋季栽苗 一年一栽 使用抽生匍匐茎少的品种 波兰主要采用露地栽培方式 法国 意大利以保护性栽培和开放式栽培生产为主 日本 韩国主要采用日光温室和塑料温室生产保护性栽培草莓 在中国 草莓种植方式也因地区气候条件不同而有所不同 北方以日光温室和塑料大棚推广和半推广为 主 南方以塑料温室为主 还有露地栽培的传统栽培方式 目前 国内主流的种植模式有三种 分别为平地 栽培 高垄栽培和高架栽培 3 1 2 1 平地栽培 平地栽培是一种比较传统的草莓种植方式 直接将草莓植株种植在地面上的栽培方式 图 3a 这种栽培 方式不考虑草莓的休眠问题 在自然环境条件下开花和结果 草莓易产生大量匍匐茎 匐地生长 果实与土壤 接触 易感染病害 单株产量低 主要靠群体产量 这种方式田间管理简单 投资较少 果实的个头较小 成 熟较晚 优质果率低 同时果农需要长时间弯腰或趴伏从事农事 操作的强度过大 费时费力 1 2 2 高垄栽培 高垄栽培是草莓生产中应用较广泛的一种方式 图 3b 高垄栽培是把栽培行做成一定高度的垄 将草 莓植株单排或双排种植种在垄上的一项栽培方式 通过堆起一定高度的土坡 可以使土壤松散 增加通气性 和排水性 有利于草莓植株的生长和发育 同时草莓植株位于较高的位置 远离地面 降低了病虫害的感染 风险 这种栽培方式下的草莓果实个大 品质好 外观漂亮 适合鲜食 单株产量高 代表着现代露地栽培 草莓生产模式 是目前草莓的主流种植模式 种植面积达 90 以上 3 但地垄式栽培草莓与平地栽培比较 环境没有太大的改变 仍然存在大量人工进行长时间弯腰劳作的问题 1 2 3 高架栽培 近年来 高架栽培是发展迅速的一种高效栽培方式 通过栽培支撑架与吊挂设备等将草莓生产从地面抬 高至半空的栽培方法 图 3c 4 高架栽培草莓生产设备易于建造 安装完成后可使用多年 草莓植株环境 容易控制 可减少翻耕地等劳作 如果采用无土栽培的方式更易于草莓定植 同时也减少了果实与土壤的接 触 有利于减少病菌的感染 草莓悬挂在高架上 有效利用空间 减少了弯腰和蹲坐的劳作 提高了草莓的 品质 方便管理和采摘 a 平地栽培 b 高垄栽培 c 高架栽培 图 3 草莓种植模式 2 草莓采收机械研究进展 目前草莓采收的方式主要通过人工来完成 为了解决传统草莓采摘方式中存在的劳动力成本高 效率低 下等问题 推动草莓种植业向机械化 智能化就成为草莓生产发展的方向 国内外学者针对草莓的采摘设备 做了大量研究 设计出了不同作业方式的草莓采摘机械 主要分为手持式采摘机械 人机协作式采摘机械和 采摘机器人 146 广西农学报 2024 39 6 2 1 手持式采摘机械 手持式采摘机械通常由操作员手持 通过机械臂或其他装置来采摘草莓 范辉等 5 针对大棚地垄草莓 设计了一种人工操作辅助采摘的小型手持机械装置 该装置通过扳机控制前端的钩子钩取草莓根茎送入同步 带轮组 根茎在同步带的输送过程中被基座上的刀片切断 在同步带的夹持下进入收集装置 可以实现对草 莓的采摘 收集的一体化作业流程 如图 4 所示 该装置可以有效地钩取并切断草莓根茎 且操作简单 减 轻了劳动强度 1 级联同步双向运动子系统 2 收集子系统 3 脚踏式位姿调整子系统 4 运动承载机构 图 5 基于人机协作的草莓采收一体化系统样机 1 2 3 4 图 4 手持式草莓采摘装置 手持式采摘装置可以有效地辅助操作者进行采摘作业 从一定程度上减轻了人工长时间弯腰作业带来的 劳动强度 采摘速度也略有提升 但是相较于人工采摘 在采摘成功率上还有差距 特别是在大棚地垄草莓 这种复杂的环境中 草莓植株生长密集 叶片遮挡严重 手持式装置难以精确地进行采摘操作 导致采摘作 业过程中会出现漏果和伤果 2 2 人机协作式采摘机械 人机协作式采摘机械的草莓采摘机械结合了人类的灵活性和机器的力量 通常由操作员携带设备 在机 器的辅助下进行采摘工作 谢雷等 6 针对高垄草莓的生长环境和特点提出了一种人机协作的草莓采收一体 化系统 该装置采用纯机械结构设计 在高垄草莓的垄间行走 作业时由人工推到待摘草莓的临近位置 顺 时针旋转手轮 动力通过级联同步双向子系统传递到执行末端 使其接近待摘草莓的果柄处 按压手柄控制 末端夹取并切断果柄 逆时针旋转手柄 执行末端向后撤回 到达收集装置时松开按压手柄完成对草莓的采 收 如图 5 所示 该装置的采收率和合格率均与单独人工采摘相近 2024 年 12 月 147 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 1 采摘机构 2 纵向传送收集装置 3 传动机构 图 6 地垄式单驱多果草莓辅助采摘装置 1 2 3 杜国峻等 7 针对高垄草莓设计了一种地垄式单驱多果草莓辅助采摘装置 该装置通过电机驱动采摘末 端和果实收集装置 采摘末端是一种梳齿结构 由两组双曲柄机构组合而成 工作时可以将草莓挑起并折 断果柄 机构的转动可以将草莓送入收集机构 实现草莓的采摘和收集 图 6 该装置的平均采摘效率为 51 7 个 min 采摘失效率为 0 81 1 相机 2 伸缩云台 3 车体外壳 4 弹性辅助加速装置 5 弹性辅助启停装置 6 单向轮 7 内部控制系统 8 底盘部件 9 轮毂电机 10 乘坐椅 11 曲面门 12 车体内架 13 草莓称重装置 图 7 高架草莓采摘车整体结构图 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213 侯广宇等 8 针对高架草莓设计了一种草莓采摘车 图 7 该设备通过捕捉果农的采摘动作自主控制车 体的运动状态 开发了人手识别系统 当人手开始采摘动作时 采摘车可以自主停止前进 采摘车还搭载了 现场称重 包装系统 可以实现称重 打标签 包装的连续作业模式 采摘车动作识别控制平均准确率为 85 以上 人机协作式的草莓采摘机械装置对比见表 1 以上团队在采摘效率与合格率上已接近人工采摘 但在采 摘过程中仍需要人员参与操作机械 需要采摘的草莓还需肉眼去识别 不能从根本上解决劳动强度大 人工 成本高的问题 因此 更加自动化 智能化的采摘机器人成了未来草莓采摘设备的发展方向 148 广西农学报 2024 39 6 表 1 人机协作式机械对比 草莓采收一体化装置 草莓辅助采摘装置 高架草莓采摘车 采摘对象 高垄草莓 高垄草莓 高架草莓 采摘方式 单驱单果式 单驱多果式 乘坐草莓采摘车人工采摘 采摘效率 单果采摘平均耗时 3 6 s 颗 平均效率为 51 7 个 min 乘坐机器采摘 5kg 3min24s 2 3 采摘机器人 机器人采摘是发展方向 利用自动化机器人设备进行草莓的采摘工作 采摘机器人通常配备有视觉系统 机械臂和末端执行器 可以实现自动化采摘 提高了采摘的效率和一致性 需要较高的技术和设备投入 对 草莓的保护和选择也存在一定的挑战 早在 20 世纪 80 年代初 日本 美国 荷兰等设施农业自动化程度较高的国家就已经开始了采摘机器人 的研究 针对不同种植模式的草莓 日本冈山大学的 KONDO 等 9 12 先后研发了多款草莓采摘机器人 开 发了吸入切断式 夹持切断式等多种采摘末端 中国的草莓机器人起步较早 中国农业大学张铁中教授的团 队从 2002 年起率先开始了采摘机器人研究并研发了多种样机 设计了多种末端执行器 13 19 在我国首次实 现了果实的有效采摘 近年来 果蔬自动化采摘技术得到了迅速发展 国内外学者针对高垄草莓和高架草莓 均研制出了不同类型的采摘机器人 2 3 1 高架草莓采摘机器人 高架草莓采摘机器人用于采摘种植在高架上的草莓 这种架构是指将草莓悬挂在高空 使草莓悬浮在地 面以上 采用特殊的导轨系统或者机械臂设计 以便在高空进行精确的采摘动作 这种机器人需要具备较高 的定位和操作精度 确保在高处采摘时草莓不受损坏 李长勇等 20 针对高架草莓设计了一款履带式草莓采摘机器人 图 8 该设备由履带式行走机构 三个 自由度工作台移动机构 采摘末端 摄像头和照明设备组成 执行末端采用气泵作为驱动 可以实现对草莓 果柄的夹持和剪切 双目相机可以获取草莓空间重心的三维坐标 实现对成熟草莓的定位 该装置草莓识别 率达到 100 平均采摘一个草莓用时 8 s 1 三自由度工作台 2 行走机构 3 剪切机构 4 气泵 图 8 履带式高架草莓采摘机器人 1 2 3 4 姬丽雯等 21 针对温室高架草莓设计并制作了一种采摘机器人 如图 9 所示 该设备使用激光雷达对温 室环境进行构建 使用改进 A 算法实现在温室中定位和路径规划 利用 R FCN 目标检测网络和双目深度 2024 年 12 月 149 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 图 9 温室高架草莓采摘机器人硬件系统结构 1 锂电池 2 计算机 1 3 激光雷达 4 分布式超声波探头 5 显示器及按钮 6 内置电气配线板 7 双目相机 8 仿生机械手爪 9 协作机器人本体 10 可拆卸果篮 11 导航控制器 12 计算机 2 13 直流稳压电源 14 小车底盘 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 相机对成熟草莓识别定位 搭载了仿生机械手爪抓取目标草莓 采摘机器人成熟草莓的识别率在 95 检 测到的草莓坐标和机器人手爪坐标误差在 4 mm 以下 图 10 Octinion 公司开发的高架草莓采摘机器人 比利时 Octinion 公司针对高架草莓开发了 Rubion 采摘机器人 22 图 10 该机器人可以在高架草莓种 植环境中自主导航 通过激光检测成熟草莓果实并采摘 可以实现高架草莓的采摘 同步分级入箱 理论上 平均单果采摘时长 4 s Hayashi 等 23 设计了一款将草莓采摘与包装相结合和可移动工作台 主要由三个自由度机械臂 视觉 识别系统 末端执行器和行走平台组成 可以在温室环境中自动采摘草莓 平均采摘成功率达到 54 9 单 次采摘时间 8 6 s 工作效率 102 5 m h 此外 还开发了一款自动包装机器人 可以自动将采摘的草莓放入 托盘中 包装成功率达到 97 3 每个草莓的包装时间为 7 3 s Xiong 等 24 在 2017 年设计了一款高架草莓采摘机器人 该机器人采用工业机械臂和新型电缆驱动的 执行末端 该末端的手指能够将周围的草莓分开 并形成一个封闭的空间 吞下目标草莓进行采摘 如今 150 广西农学报 2024 39 6 Xiong 等 25 在上一代的基础上进行改进 开发了新的障碍分离路径规划算法 采用了一种单轨双直角机械臂 改进了执行末端和识别算法 如图 11 所示 该机器人能够采摘部分被遮挡的草莓 成功率从 50 0 97 1 不等 双臂模式的平均采摘时间为 4 6 s 图 12 高空草莓采摘装置三维模型 图 11 Xiong 等开发的高架草莓采摘机器人 LIDAR Punnet station Robotic platform Gripper Dual arm Laptop RGB D camera Table top system Parsa 等 26 设计 制造并测试了一种末端执行器 具有 2 5 个自由度 两个独立的机构和一个独立的切 割系统 能够在不与果肉接触的情况下收获目标草莓 同时开发了一种新的识别系统来定位草莓 检测草 莓关键点 采摘点 确定成熟度 实验结果表明 该末端能够有效地去除遮挡 成熟草莓的识别成功率达到 95 2 3 2 高垄草莓采摘机器人 高垄草莓采摘机器人主要用于采摘种植在高垄上的草莓 这种种植方式旨在提高排水性和土壤温度 促 进植物生长 需要适应不同高度和坡度的土丘 具有更加灵活的设计 以适应不同的地形 方海峰等 27 针对高垄草莓设计了一种新型的草莓采摘装置 如图 12 所示 该装置由拾取机构 输送链 剪刀机构和摄像头组成 工作时拾取机构将草莓从垄上拾取至输送链机构 草莓梗在输送链上可以呈现更好 的姿态被摄像机识别 然后由剪刀机构将其剪断 试验表明 该装置可以有效地对高垄草莓进行采摘 2024 年 12 月 151 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 图 13 高垄草莓采摘机整体结构 1 支架 2 摄像头 3 采摘手 4 收集篮 5 驱动系统 1 2 3 4 5 李昭等 28 设计了一种基于图像识别技术的草莓采摘机 图 13 该采摘机以小车作为运载平台 跨在 高垄两侧 工作时由摄像头对待摘草莓进行图像采集并判断草莓的成熟度 获取成熟草莓的采摘点空间坐标 采摘手到达坐标后向下运动 切断并夹持草莓梗 采摘完成后向上运动将草莓放入收集篮 该机构可以根据 不同的地形采用不同的小车作为搭载平台 经检测 识别系统的成功率可以达到 98 48 识别失败原因主 要是枝叶遮挡 a b 1 2 3 4 5 6 15 14 13 11 10 9 8 12 7 Yu Yang 等 29 针对垄作栽培模式工作环境狭窄的问题 提出了一种新型的高垄草莓采摘机器人和自动检测 草莓姿态的 R YOLO 模型 机器人移动底盘长 50 cm 宽 30 cm 搭载了 6 个自由度机械臂 满足狭窄环境的工 作要求 试验结果表明 该模型在采摘点的实时检测和定位精度方面具有更好的性能 采收成功率达 84 35 和高架草莓相比 高垄草莓的环境更加复杂 在标准化的种植模式下 高垄草莓最佳的采摘位置在高垄 两侧 空间比较狭窄 对采摘机械臂和末端执行器提出了更高的要求 为此 中国农业大学张耀辉设计了一 种针对高垄草莓的机械臂和末端执行器 30 如图 14 所示 该方案的优点是 采摘时不需要触摸草莓 不会 对草莓造成损伤 臂关节的耦合较少 末端执行器的机械式蓄能拾取方案可同时完成对目标的夹紧和切断 该机械臂具有良好的灵巧性 能够实现草莓的无损采摘 a 草莓采摘机械臂模型 1 6 关节 b 草莓采摘机械臂内部结构 7 接头 1 驱动电机 8 关节 2 转动机构 9 关节 2 电机 10 关节 3 电机 图 14 高垄草莓采摘机械手的机械结构 152 广西农学报 2024 39 6 中佛罗里达大学 nullnullnullnull 等 31 针对高垄草莓开发了一款跨垄式采摘机器人 使用 Delat 机械臂和五指结 构的末端执行器对垄上草莓进行采摘 采用基于 YOLOv4 模型的深度神经网络视觉系统 将草莓分为 5 个成 熟阶段进行定位和分类 结果显示 在简单场景下采摘成功率最高为 94 0 平均单果采摘时长为 7 5 s 2 3 3 柔性末端执行器 由于草莓组织娇嫩 果实容易受到机械损伤 末端执行器作为采摘机器人的关键技术 有学者对其柔性 化方向也开展了不少研究 刘畅等 32 针对高垄草莓种植特点 设计了一种基于气动肌腱驱动的柔性草莓采 摘机械手末端执行器 该末端执行器使用了柔性手指单元代替传统的刚性构件 通过仿真分析 表明该末端 执行器可以完成对草莓的包裹 有效地降低果实的损伤率 王家忠等 33 设计了一种三爪式刚柔混联的草莓 采摘机械手 如图15所示 通过刚性杆件传递动力 驱动手指的柔性构件向内弯曲闭拢实现对草莓果实包裹 稳定夹持后扭断果柄 实验表明 该末端可以完成预定的动作 实现柔性化采摘 李健等 34 设计了一种单 指软体采摘末端 该末端用草莓轮廓曲线作为抓手的限制层内部曲线 使用单指柔性抓手实现对草莓果实的 包裹 结果显示 该柔性末端可以对草莓果实进行有效抓取 图 15 刚柔混联草莓采摘机械手 1 第二关节 2 柔性构件 3 连杆构件 4 驱动关节 5 第一关节扭簧 6 第一关节 7 传动部件 8 手掌部件 9 电机丝杠轴 10 手掌滑动槽 11 固定架 12 驱动电机 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 c d c 关节 3 结构设计 d 末端执行器结构设计 图 14 高垄草莓采摘机械手的机械结构 2 4 采收方式对比 手持式草莓采摘机械灵活性高 操作者可以根据需要精准地选择和摘取成熟的草莓 相对较便宜 不需 要大规模投资 适用于小型农场或者不规则形状的种植区域 需要操作者在田间长时间劳作 导致采摘速度 续图 2024 年 12 月 153 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 有限 效率较低 人机协作式结合了机械的力量和人工的灵活性 可以提高采摘效率 利用机械部分负责主 要力量 操作者负责控制和指导 减轻劳动强度 但需要操作者掌握相关机械的使用技能和维护知识 购买 和维护这类设备需要较大的资金投入 采摘机器人自动化程度高 不需要人工参与 在可持续作业的同时采 摘速度快 准确率高 可以大幅提高效率 表 2 采摘机器人的研发 购买和维护成本较高 对环境和种 植品种的适应能力有限 需要持续改进技术 表 2 草莓采摘机械优缺点对比 手持式 人机协作式 采摘机器人 优点 灵活性高 低成本 适用性强 提高效率 减轻劳动强度 自动化程度高 高效率 缺点 劳动强度大 生产率低 技术要求高 初始投资高 成本高 技术依赖性强 3 存在问题 3 1 与农艺结合不紧密 目前国内草莓种植的品种较多 常见的草莓品种有 红颜 章姬 甜查理 等 不同地区对于不同品 种的草莓要求的种植标准不相同 在实际种植过程中 果农会根据场地大小来合理变更种植的垄宽 垄高和 垄距 即使是针对同一品种的草莓 研究者们所设计的采摘设备可能只适用于某一地区或者某一场景 没有 一个统一的标准作为参考 3 2 设备通用性差 随着科技的进步 设施农业得到了迅速的发展 对于温室草莓来说 有拱棚 塑料大棚 日光温室 智 能温室等诸多栽培环境 且高垄 高架等栽培模式众多 规格不一 给机械化作业带来了极大挑战 目前草 莓采摘设备多针对一种种植模式的草莓 通用性较差 3 3 采摘效率低 从目前已有的草莓采摘设备来看 整体的采摘效率偏低 手持式草莓采摘设备一定程度上减轻了劳动强 度 但采摘效率不及人工用手采摘 人工协作式草莓采摘设备在采摘效率上可以做到与人工相近 但其稳定 性不高 时有漏采 还增加了对草莓果实造成机械损伤的风险 采摘机器人由于采摘时枝叶遮挡和光照的问 题 在采摘成功率和采摘效率上都有待提高 4 展望 4 1 加强采摘机械与农艺深度融合 针对同一种植模式下同一品种的草莓 需要一个统一的标准为采摘机械的设计作为参考 对于高架草莓 来说 采摘环境和草莓的姿态较为理想 采摘机械不适用的原因主要与架高 架宽有关 研究者在设计采摘 机械时需要注意采摘机械臂高度和搭载底盘的高度 对于高垄草莓 采摘环境比较复杂 对采摘机械的尺寸 要求较大 研究者不仅要考虑采摘机械臂和采摘末端在垄间的活动情况 还要注意该设备能否在垄间平稳行 进 制定相关标准 可以有效提高农机与农艺融合的程度 使研究者设计的采摘机械更具实用性 4 2 推进采摘机械向 一机多能 的方向发展 针对目前设施农业的多样化 对采摘设备提出了更高的要求 采摘机械不能只适用于单一的作业场景 草莓在大规模种植的情况下 果农会在不同的设施环境下种植不同品种的草莓 应根据草莓的用途规划栽培 模式 采摘机械未来会向 一机多能 的方向发展 采摘机械的模块化更强 例如 高垄草莓采摘机械经过 简单的拆卸组合便可以应用于高架草莓 使采摘机械的应用范围更广 154 广西农学报 2024 39 6 4 3 实现采摘机械的智能化作业 相比于手持式和人机协作式采摘机械 采摘机器人真正做到了无人化全自动采摘 彻底解放了劳动力 由于草莓果实的遮挡问题较为严重 目前草莓采摘机器人还需不断改进优化 未来 经过不断的研究和探索 完善采摘机器人控制和算法 采摘机器人便可以代替人工在温室环境中实现自主采摘和收集 真正做到智能 化作业 5 总结 草莓种植规模在国内持续增长 但传统的人工采收方式劳动强度大 人力成本高 难以满足市场需求 机械化采收成为草莓产业发展的重要方向 本文综述了草莓采收机械的研究现状与进展 主要类型包括手持 式采摘机械 人机协作式采摘机械和采摘机器人 手持式采摘机械灵活性高 但采摘效率相对较低 人机协 作式结合了机械力量和人工灵活性 可以提高采摘效率 但仍需人工参与 采摘机器人则实现了自动化采摘 效率高 但成本和技术要求较高 尽管草莓采收机械已经取得了一定的进展 但仍存在与农艺结合不紧密 设备通用性差 采摘效率低等问题 未来 草莓采摘机械将向实用性更强 应用范围更广 更加智能化的方 向发展 推进采摘机械向 一机多能 的方向发展 适应不同种植环境和品种的需求 同时 实现采摘机械 的智能化作业将是未来研究的重点 参考文献 1 王鸣谦 薛莉 赵珺 世界草莓生产及贸易现状 J 中国果树 2021 2 104 108 2 舒锐 焦健 臧传江 等 我国草莓产业现状及发展建议 J 中国果菜 2019 39 1 57 59 3 刘继展 吴硕 草莓全程生产机械化技术与装备研究进展 J 农业机械学报 2021 52 5 1 16 4 赵月 梁春莉 于立杰 等 温室草莓高架无土栽培技术 J 果树实用技术与信息 2022 7 17 19 5 范晖 李志晶 李明明 等 手持式草莓采摘收集一体化装置的设计 J 农机化研究 2020 42 7 94 98 110 6 谢雷 李晓光 祁宇明 等 基于人机协作的草莓采收一体化系统的研究 J 机械设计 2019 36 8 96 100 7 杜国峻 姚福林 曹建杰 等 地垄式单驱多果草莓人工辅助采摘装置设计 J 机械设计 2020 37 7 19 23 8 侯广宇 雷小洁 袁子喻 等 智能驾乘式高架草莓采摘车的设计与试验 J 农机化研究 2024 46 4 114 119 127 9 KONDO N HISAEDA K HATOU K et al Harvesting robot for strawberry grown on annual hill top part 1 manufacture of the first prototype robot and fundamental harvesting experiment J Journal of Society of High Technology in Agriculture 2001 13 4 231 236 10 ARIMA S SHIBUSAWA S KONDO N et al Traceability based on multi operation robot information from spraying harvesting and grading operation robot C Proceedings of the IEEE ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 2003 11 KONDO N NINOMIYA K HAYASHI S et al A new challenge of robot for harvesting strawberry grown on table top culture C Proceedings of the ASABE Annual International Meeting 2005 12 HAYASHI S YAMAMOTO S SAITO S et al Field operation of a movable strawberry harvesting robot using a travel platform J Japan Agricultural Research Quarterly JARQ 2014 48 3 307 316 13 张凯良 杨丽 张铁中 草莓收获机器人末端执行器的设计 J 农机化研究 2009 4 54 56 14 张凯良 杨丽 王粮局 等 高架草莓采摘机器人设计与试验 J 农业机械学报 2012 43 9 165 172 15 张凯良 张铁中 王粮局 等 高架草莓采摘机器人 P 北京 CN201210037637 9 2012 07 18 16 张凯良 杨丽 张铁中 草莓收获机器人采摘执行机构设计与试验 J 农业机械学报 2011 9 155 161 17 张凯良 杨丽 张铁中 基于机器视觉的关节机器人的研究 J 农机化研究 2010 1 89 91 2024 年 12 月 155 苏祥祥等 草莓采收机械研究现状与展望 18 张铁中 张凯良 王粮局 等 草莓采摘机器人精准采摘执行机构及垄作草莓采摘机器 P 北京 CN201210037967 8 2012 07 18 19 王粮局 张铁中 褚佳 等 大容差高效草莓采摘末端执行器设计与试验 J 农业机械学报 2014 45 S1 252 258 20 李长勇 房爱青 谭红 等 高架草莓采摘机器人系统研究 J 机械设计与制造 2017 6 245 247 251 21 姬丽雯 刘永华 高菊玲 等 温室草莓采摘机器人设计与试验 J 中国农机化学报 2023 44 1 192 198 22 DE PRETER A ANTHONIS J DE BAERDEMAEKER J Development of a robot for harvesting strawberries J IFAC Papers On Line 2018 51 17 14 19 23 HAYASHI S YAMAMOTO S TSUBOTA S et al Automation technologies for strawberry harvesting and packing operations in Japan1 J Journal of Berry Research 2014 4 1 19 27 24 XIONG Y PENG C GRIMSTAD L et al Development and field evaluation of a strawberry harvesting robot with a cable driven gripper J Computers and Electronics in Agriculture 2019 157 392 402 25 XIONG Y GE YY GRIMSTAD L et al An autonomous strawberry harvesting robot design development integration and field evaluation J Journal of Field Robotics 2020 37 2 202 224 26 PARSA S DEBNATH B KHAN M A Autonomous Strawberry Picking Robotic System Robofruit J Arxiv Preprint 2023 Arxiv 2301 03947 27 方海峰 王宁 曹晋 等 基于地垄式自动化草莓采摘装置设计 J 包装与食品机械 2022 40 4 107 112 28 李昭 张耀艺 耿宇航 等 基于图像识别技术的草莓采摘机设计 J 包装与食品机械 2023 41 1 70 74 29 YU Y ZHANG K LIU H et al Real time visual localization of the picking points for a ridge planting strawberry harvesting robot J IEEE Access 2020 8 116556 116568 30 ZHANG YH ZHANG KL YANG L et al Design and simulation experiment of ridge planting strawberry picking manipulator J Computers and Electronics in Agriculture 2023 208 107690 31 TITUANA L GHOLAMI A HE ZX et al A small autonomous field robot for strawberry harvesting J Smart Agricultural Technology 2024 8 100454 32 刘畅 李娜 刘佳 气动柔性草莓采摘机械手 ADAMS 动力学仿真分析 J 中国科技论文 2017 12 4 390 393 33 王家忠 张建宝 弋景刚 刚柔混联的草莓采摘机械手结构设计与动力学分析 J 计算机集成制造系统 2018 24 2 419 426 34 李健 戴楚彦 王扬威