菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势_王荣炎.pdf

年 月农业机械学报第 卷第 期 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 王荣炎 范憶莲 钱军杰 丁子健 冯耀琪 赵 刚 伍德林 安徽农业大学工学院 合肥 安徽省智能农机装备工程研究中心 合肥 摘要 菊花作为药食两用的农作物发展迅猛 已被人们常用在日常饮食生活中 菊花花形独特 生长情况复杂 采 摘难度大 易受机械损伤 而采摘技术可反映花类作物收获机械化和现代化的发展水平 为此 本文综述国内外菊 花统采式和选择性智能采摘 类采摘技术与机械装置的研究现状及发展动态 首先介绍国内外菊花品种 种植模 式和采摘农艺等方面的差异性 然后从工作原理 结构形式 性能参数等维度对国内外菊花统采式收获机械进行对 比分析 从采摘目标感知 末端执行器结构设计 材料选型与力控策略等方面对选择性智能采摘技术进行综述 最 后总结 类采摘技术面临的主要问题 并分别提出相应的发展对策 展望以智能化 低损化 高适应性为方向的采 摘部件创新路径 并强调应深化农机农艺融合 以推动菊花采摘机械的技术升级与产业应用 关键词 菊花 采摘 目标感知 末端执行器 研究现状 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 修回日期 基金项目 国家自然科学基金项目 安徽省自然科学基金项目 和安徽省教育厅科研项目 作者简介 王荣炎 女 讲师 博士 主要从事中药材生产机械化及智能农机装备研究 通信作者 伍德林 男 教授 主要从事现代农业装备与技术研究 引言 菊花 含有多 种挥发油类 多糖类及微量元素 具有降血压 降血 脂 清肝明目等功效 药用价值和经济价值极 高 菊花有效成分含量与采摘时间密切相关 及时 适时采摘是保证菊花质量与产量的关 键 因此探讨菊花机械化采摘方式是必经 之路 菊花可作为茶饮及保健品等提取原料 根据菊花用途对花朵完整性 开放度等指标的不 同要求 菊花机械化采摘主要可分为 种技术路 径 针对菊花精油 饮料等加工用途的统采式收 获 目标是在一定损伤率下实现高效 快速采摘 多采用梳齿式 梳刀组合式装置 但采摘的物料需 分级处理 针对金丝皇菊等名优菊花的选择性 智能采摘 要求花朵保持完整且不带花柄 依据花 朵成熟度适时保质采摘 核心在于实现基于视觉 感知的成熟花朵识别 定位与精准低损采摘 类 采摘方式技术路径因目标函数与约束条件不同 机械结构设计 关键技术难点与研究重点也存在 显著差异 为此 本文将剖析国内外主要菊花品种 典型 种植模式及其机械化采摘的差异性要求 明确采 摘技术发展的农艺基础 再分别对国内外菊花统 采式和选择性智能采摘 类采摘技术及应用进展 进行综述 对于统采式 重点从工作原理 关键机 构设计 性能参数等方面对比分析国内外典型机 具的特点 对于选择性智能采摘方式 则聚焦采摘 目标感知与识别 末端执行器创新设计与柔顺控 制 力位混合控制策略等核心技术的研究进展 最后 总结 类采摘方式面临的主要技术挑战 分 别提出发展对策 以期为推动国内菊花生产机械 化技术进步提供参考 菊花种植模式及采摘农艺 菊花种植模式 菊花原产于中国 自 世纪起传入欧洲及北美 等地 逐步形成遍布世界的种植格局 中国药 典 仅收录滁菊 亳菊 贡菊 怀菊 个菊花品种 随着产区变迁与长期人工选育 菊花现已繁育出数 多品种 当前 国内菊花主要分为丛栽与条栽 类 种植模式 如图 所示 丛栽通过穴栽方式 每 穴定植 株 形成冠幅直径约 的菊丛 该 模式通风透光好 为单株菊花提供独立生长空间 以 单株产量最大化提高整体产量 适用于小规模或精 细管理的产区 条栽多采用单行或双行种植垄 每 公顷种植 株 行距 株 距 条栽因密植厌氧 枝条分支略少 有利于实施机械化作业 受地理条件及栽培习惯影 响 不同产区甚至同一产区内种植模式存在显著差 异 以杭白菊为例 在国内主要产区种植模式 参数如表 所示 菊花种植模式不统一对采摘机械 的适应性与通用性提出了更高要求 图 国内外菊花生长场景 表 不同产区杭白菊种植模式参数 产区畦面宽墒沟宽株距行距株高花层高度差 江苏省盐城市射阳县 约 约 湖北省麻城市 约 河南省新乡市 河北省保定市高阳县 国外菊花以观赏菊和切花菊为主 食用菊 则以洋甘菊为代表 主要在德国等欧洲国家农场规 模化种植 图 洋甘菊多为密植 植株较矮 茎杆直立 分枝少 田间管理及采摘 作业易于实现机械化 菊花采摘农艺要求 菊花植株形态及栽培方式的差异 对机械化采 摘技术的应用构成了根本性挑战 以适于机械作业 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 的条栽模式为例 图 菊花花朵组织柔嫩 易因机 械接触发生损伤与褐变 花朵空间分布分散 花层高 度差超过 机械定位难度大 此外 菊花具有 采后复生 特性 收获期内需每 进行采摘 采摘装置需具备高度调节能力 以适应不同植株花 冠高度差异 并在作业中避免碾压植株 保障后续轮 次采摘 针对上述农艺特点 目前主要形成 种采 摘技术路径 机械化统采式与选择性智能采摘 采摘 方式选择取决于最终用途所决定的农艺要求 图 条栽模式菊花植株结构 朵菊 花柄 胎菊 枝条 机械化统采式 统采式收获主要适用于以提取精油 制备饮料 或加工原料为目的的菊花生产 允许一定的花柄残 留和轻微损伤 该方式追求在盛花期一次性高效收 获 适用于国外洋甘菊大规模条播密植 植株矮化整 齐的农场 以及国内逐步推行标准化 规模化条栽模 式的产区 产业需求核心在于降低单位收获成本 提高作业效率与规模效益 选择性智能采摘 选择性智能采摘则主要面向金丝皇菊等名优茶 用菊 要求花朵完整 无梗 机械损伤极低 适用于 花朵成熟期不一致 需分批采收的种植模式 特别是 国内传统的丛栽或精细化管理的条栽模式 产业需 求侧重于提升产品等级和附加值 通过 保质采收 满足市场价值 相比之下 国外洋甘菊多以精油 提取物等形式 销售 采摘农艺对花柄残留与机械损伤的容忍度相 对较高 更注重采摘效率与规模效益 易于实现大规 模机械化作业 未来 种技术路径将并行发 展 统采式向更高效 更低损的趋势发展 智能采摘 则向更高可靠性 更优性价比突破 共同服务于菊花 产业的多元化需求 菊花采摘机械研究现状 鉴于国内菊花与国外洋甘菊在生物性状 种植模 式及采摘要求方面差异显著 分别综述 类菊花统采 式机械技术与装置的研究进展 并对选择性智能采摘 技术在菊花及相关作物中的应用进行梳理 国外菊花统采式机械 自 世纪 年代起 德国等国家已实现 以洋甘菊为代表的菊花规模化 机械化采摘 采 摘机以牵引式与自走式为主 作业幅宽较大 根据采 摘部件工作原理 可分为梳齿式 梳刀组合式 梳齿 气动组合式等 梳齿式 梳齿式采摘部件运动形式包括线性往复式与旋 转滚筒式 旋转滚筒式作业时 花序进入滚筒工作 区 高速旋转的梳齿将花朵梳脱 并借助惯性沿罩壳 内壁运至螺旋输送器 最终经输送带送入收集 箱 相较于线性往复式 旋转式采摘效率更高 但花柄 叶片等杂质含量也相应增加 且存在梳齿弹 跳与滚筒回程等损失 采摘效果受机器行进速度 梳 齿转速 安装倾角 滚筒作业高度以及输送装置结构 等多因素影响 公司生产的洋甘菊收获 机 图 采用 组同步旋转的梳齿滚筒 为减弱 离心力影响 确保花朵落至输送带 滚筒转速需控制 在 制约了作业效率 公司 开发的 型采摘机 图 梳齿沿轴向 均匀分布 可切换作业模式 适应不同田块采摘需 求 型收获机 图 作业幅宽达 田 间试验结果采摘损失率达 型收获机 图 为全悬挂式 传送带和料斗位于旋 转梳齿采摘单元正后方 公司的 型收获机 图 具有弹齿式采摘单元 相邻 弹齿间距 具备仿形与作业参数监控功 能 等 设计的采摘装置 图 通过 偏心轮连杆机构实现梳齿伸缩与摆动 采摘后花朵 由滚刷扫落至输送带 梳刀组合式 梳刀组合式采用旋转梳齿与往复式割刀协同作 业 割刀位于梳齿下方 用于切断已被梳齿夹持的茎 秆 割刀组件主要包括电机驱动的切割丝 楔形滑轮 轴及锯齿状刀片 如图 所示 辊梳轴随行 进方向旋转 将植株向后收拢 下方的切刀切断菊花 茎秆 茎秆经螺旋推进器铺放于地面 以便后续捡 拾 结构类似于谷物联合收割机的摘穗机构 采摘的 物料含杂率极高 此类采摘机一般仅适用于最后一 茬洋甘菊收获 为提升作业适应性 德国 农业工程研究所开发的洋甘菊采摘机 图 引入超声波测距传感器 通过液压马达实现 采摘高度自动调节 通过增大滚筒转速提高采摘 农 业 机 械 学 报 年 图 梳齿式洋甘菊采摘机 图 梳刀组合式洋甘菊采摘机 率 但转速过高会导致花朵所受离心力增大 难以 从滚筒内顺利排出 基于此 该团队优化设计双刀 梳齿结构 图 其中固定层安装在滚筒上 线性 往复振荡层 图 则沿轴向作切割动作 快速切 断花柄 配合内部螺旋输送器将切下花朵送至双 滚筒间 再经输送带运入收集箱 改进后 提高滚 筒转速可有效提升采摘率 但受植株高度不一致 影响 振荡刀梳与地面距离越近 切割所得花柄越 长 田间试验表明 仍有过长花朵花柄约 需依 赖清选加工 梳齿气动组合式 梳齿气动组合式采用旋转梳齿进行采摘 借助 气动系统实现花朵输送与收集 例如 型收 获机 图 梳齿旋转方向与收获机驱动轮相反 自 下向上梳刷菊花 通过 套负压风机与输送管 不仅 可将采摘后的花朵吸入收集箱 还能辅助将待采植 株吸向梳齿 提升采摘效率 所用负压吸附技术 图 梳齿气动组合式洋甘菊采摘机 有利于降低花朵损伤 整体作业效率较梳齿式与梳 刀组合式更高 然而 为保证足够吸力 输送管横截 面积通常较小 在实际作业中易出现堵塞问题 需进 一步优化气流系统设计与管道结构 国内菊花统采式机械 国内菊花机械化收获研究起步相对较晚 但针 对统采式机械的研发已取得阶段性进展 相关专利 与样机相继涌现 国内统采式采摘装置主要 利用机械梳刷原理实现花朵采摘 根据结构和工作 原理 可分为梳齿式与机械气动组合式 类 梳齿式采摘技术 梳齿式采摘通过梳齿直接作用于花柄 实现花 朵的梳刷脱落 如图 所示 图 为手推梳刷式采 摘样机 采用链条传动多排梳齿 在最优参数梳齿间 距 分花齿间距 喂入深度 电 机转速 下 采摘率可达 且损伤率 低 但通过性与部件调节范围有限 祁正栋 等 研制的万寿菊采摘机 图 采用柴油机驱 动 前端安装高度可调的 排梳齿 通过旋转插入并 自下而上提拉进行采摘 效率较高 但存在碾压植 株 影响二次收获的问题 李彤等 研制了集成激 光雷达智能检测与升降控制系统的万寿菊采摘机 图 通过梳齿式拔摘台实现菊花采摘 文 献 研发的手推式机型通过曲柄连杆机构 图 和凸轮滚筒机构 图 使梳齿分别进行 平面复合运动与限定角度的旋转摆动 采摘所得花 朵无花柄 损伤率与含杂率低 但工作幅宽仅 行进速度不稳定 收集装置易导致花朵掉落 等问题仍有待改进 应理乾等 结合条栽模式研 发了仿生套采式菊花收获机 图 通过仿生 形 柔性弹簧套采花朵 实现了采摘率 损伤率 含杂率 机械与气动组合式采摘技术 为改进收集效果 研究者将机械梳刷与气动输 送相结合 王荣炎等 设计了气动翻转梳齿式菊 花采摘装置 图 计算得到采摘梳齿最佳结构参 数 并集成清齿机构与气动抛送系统 实现采摘 清 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 图 梳齿式菊花采摘机 选与收集一体化操作 姬长英等 研制的梳割气 吸一体式采摘样机 图 在旋转梳齿间距 转速 梳齿圆弧半径 时完成采 图 机械与气动组合式菊花采摘机 摘 再利用气吸装置在风速 时收集花朵 采摘 率为 损伤率与含杂率均较低 但同样面临 采摘部件工作范围有限 整株采摘覆盖不足的问题 采摘过程仿真研究 等 基于菊花植株的柔性体特性 建立 了植株机械互作仿真模型 图 运用 仿 真 量化了菊花采摘脱落与机械损伤的加速度阈值 据此提出了动态匹配梳齿频率与角度的低损调控方 法 范浩杰等 分析了梳齿对菊花的作用力等参 数 图 为采摘关键部件的运动学仿真分析提供 了理论数据 于安记等 分析了梳齿截面形状对 菊花采摘效率的影响 并通过调节梳齿间距适用采 摘不同时期的花朵 图 图 菊花与机械互作参数及仿真研究 采摘头梳齿 万寿菊花冠 表 汇总了几类已获国家专利授权的典型采摘 装置 通过阐释并归纳采摘装置的结构组成与工作 原理 直观展示菊花采摘技术实现路径 整体而言 现有菊花采摘样机普遍存在适应行 表 专利授权的菊花采摘装置主要类型及原理 类型结构组成采摘工作原理 梳齿式 行走底盘 采摘齿排 传动机构 收集装置 部分含 鼓风机 输送带或偏心凸轮调节机构 梳齿旋转或往复运动 插入植株梳刷菊花 依靠重力或气流 将花朵送入收集箱 梳齿链条式 电机 链条 链传动 采摘梳齿 限位板 收集盒 部分含清选振动筛梳齿随链条旋转进入植株梳摘 梳齿在重力或机械作用下闭合 将菊花导入收集装置 部分机型含分级清选功能 梳刀式 分禾器 旋转切刀组 传动系统 收集箱 部分含振 动筛分装置或柔性刷毛导入机构 梳齿 切刀旋转或往复运动切断花柄 菊花经传送带或直接 落至收集装置 部分机型实现花杂分离 旋转扇板式 电机 采摘板或刷毛组 滚动杆 输送带 收集箱 采摘板或刷毛做圆周或拨动运动 收拢并摘下菊花 依靠重 力落至输送装置 梳刀气动组合式 转轴 梳刀组 电机驱动系统 传送机构 收集盒 梳刀组同步旋转 实现梳刷与切割结合 采摘后菊花由气动 系统收集 农 业 机 械 学 报 年 距能力弱 作业效率低以及对植株产生物理损伤等 共性挑战 表 从采摘效果的核心评价维度 对几 类菊花采摘结构进行了分析 重点关注采摘效率 损 伤率与含杂率等指标 表 不同菊花采摘结构指标 典型结构采摘效率花朵损伤率含杂率核心特点 往复梳齿结构中较高 对花朵有机械冲击较高 易卷入枝叶导致堵塞结构简单 成本较低 旋转梳齿结构较高 连续作业中中 可集成毛刷清理调节转速与毛刷间距 可平衡效率与损伤 梳刀结构中 避免了强行拉拽较低低 分离迅速调节转速与毛刷间距 可平衡效率与损伤 气动抛送翻转结构较高 连续采摘与抛送较低 减少了因挤压堆积造成的二次损伤低 快速将花朵抛离工作区域利用气动动作 解决梳齿堵塞问题 气吸式收集结构高低 优化气流速度与梳齿参数低 分离迅速负压气流在切割后立即吸附输送花朵 选择性智能采摘技术 随着信息技术在农业领域的深入应用 基于 机器视觉的名优菊花选择性智能采摘技术已成为 研究热点 菊花智能采摘机器人不仅需模仿人手 采摘动作进行机构创新与控制 更须在枝叶遮挡 频繁 花期不一致以及花朵本身柔软易损的条件 下 实现快速识别采摘目标 定位最佳采摘点 并 完成低损伤采摘 目前应用于果蔬选择性智 能采摘装备的组成及其工作过程如图 所示 尽 管针对菊花智能采摘研究仍相对有限 但借鉴小 目标作物选择性智能采摘的研究思路 分别从采 摘目标感知技术 采摘末端执行器结构与材料 采 摘末端执行器控制策略 个方面 对菊花采摘机 器人关键技术展开分析 图 选择性智能采摘部件组成及工作流程 采摘目标感知技术 采摘目标感知需要评估菊花花期 姿态 遮挡情 况及与植株的相对位置 进而输出可供执行的采摘 点及置信度 关键性能指标包括定位精度 花 期分类准确率 系统实时性以及对不同光照条件的 鲁棒性 该领域主要采用基于多模态视觉融合的目标检 测方法 其中 系列模型已成为主流 在 基于 的检测模型中 研究者针对菊花特点进 行了多项改进 施国英等 提出了改进的 模型 图 可实现不同花期杭白菊的 精准识别与分类 等 提出了一种高度融合 的轻量级检测模型 图 用于对 开花初期的菊花检测 为实现菊花选择性采摘奠定 了技术基础 等 针对金银花花期识别提出一 种基于 算法的自动检测技术 识别准确 率高于 等 构建了 菊花检测 模型 平均精度达 并得出光照条件对检测 影响显著 喻陈楠等 则针对遮挡问题提出 模型 提升了对遮挡菊花的识别精度 等 通过注意力机制强调特征表示识别花蕾 和花朵 提高了菊花检测的准确性和鲁棒性 等 提出轻量级 模型 图 以实 现复杂场景中菊花高效实时检测 并成功部署于边 缘设备平台 在传统图像处理与机器学习方法方面 等 基于 颜色空间与模糊 均值模型实现杭 白菊识别 对轻度遮挡目标识别准确率达到 采用最小二乘支持向量机 进行图像分 割 精度达 图 此类方法在特定环境下 具有较好的实时性与稳定性 深度学习方法在菊花分类与识别中得到较广 泛应用 等 采用端到端卷积神经网络实 现菊花花型与品种识别 平均识别率达 准确 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 率与召回率均达到 左右 图 等 结合高光谱成像与卷积神经网络模型 实现了 种菊花品类的检测 准确率为 此外 等 借助 等网络提取特征 提升 了菊花品种与花期识别的精度与鲁棒性 等 提出了食用花卉采摘机器人的视觉方法 通 过对不同品种食用花卉进行检测 姿态估计和采 摘点估计 对所提出的计算机视觉框架进行了适 应性验证 等 通过轻量级深度学习模型 图 实现了菊花分类 花朵分割及直径测量 等形态性状的自动化高效提取 为高通量表型分 析提供了可扩展的解决方案 图 菊花采摘目标感知模型 采摘末端执行器结构与材料 采摘末端执行器作为直接接触菊花的部件 接 触力过大易导致花朵挫伤破损 过小则降低采摘效 率 其结构形式与材料选择直接影响采摘质 量 在设计中需统筹考虑采摘速度 采摘率与 损伤率之间的平衡 采摘末端执行器在结构上主要可分为剪切式 夹持旋转式 拉拔式 吸附与机械组合式等 剪切式 结构包括王延鑫等 设计的菊花采摘末端执行器 图 通过传动部件联动包络部件与切割机构 定位并包络菊花后切割花柄 等 设计了 剪刀式末端执行器 图 在实验室环境下配合 五自由度串联机械臂精准切断辣椒果梗 等 设计了边缘带刀片的半球形 结构 图 能连续抓取并分离番茄 等 设计了五指结构的包封式机械 手 图 各指配备滚筒 稳定器及末端铰接头 结合上下切割机构实现采摘 夹持旋转式结构包括 设计的三指夹持器 图 由伺服电 机驱动螺杆旋转 进而驱动 个手指同步开合实现 番茄的抓取 等 与 等 针对球形果 实设计的夹持旋转式末端执行器 图 在适应 性方面表现良好 为菊花作物的采摘提供了参考 拉拔式结构则利用梳齿的梳刷与冲击作用使花柄断 裂 为提高采摘成功率和降低损伤 吸附与机械 组合式末端执行器逐渐成为研究热点 等 开发了一种串联致动夹持器 图 采用多 腔顺应吸盘实现初始吸附与定位 再通过凸轮驱动 指爪完成夹持与分离 结合传感器检测与气压反馈 果实抓取成功率超过 类似地 图 所示执 行器通过负压吸附稳定目标 再配合剪切或梳刷机 构完成采摘 并可借助气流实现采摘后的收 集 等 模仿章鱼捕食设计的末端执 行器 图 利用负压使吸盘产生凹形变形以贴 合并吸附苹果表面 通过手腕旋转与拖动的复合动 作分离果柄 吸附与机械组合式设计减少了单一机 械动作可能造成的损伤 在花卉采摘中显示出良好 应用潜力 此外 为提高设备的适应性 模块化末端 执行器已成为发展趋势 可在田间快速更换夹爪 切 割器等工具 从而提高整体采摘系统的通用性与作 业效率 综上 末端执行器主要分为单一结构与复合结 构 类 单一结构包括剪切式 手指式及吸盘式 其 中剪切式侧重于机构的精准切割 手指式依靠夹持 力的精准控制与柔性材料 适用于带梗作物 吸盘式 则以低损伤为主要优势 但适用对象有限 复合结构包括夹持切割组合式 吸附与机械组合式 等 可通过传感器实现闭环控制 但系统相对复 农 业 机 械 学 报 年 图 采摘末端执行器结构类型 杂 此外 仿生与柔性包裹式等结构以低损 伤为目标 依托软体机器人等前沿技术 处于研究 探索阶段 表 为各类末端执行器采摘 效果 表 不同末端执行器模式采摘效果 指标末端执行器模式剪切式手指式吸盘式组合式仿生 柔性包裹式 速度中 定位后切割动作快高 开合动作快 但需定位高 吸附动作迅速中 多步骤协同 耗时稍长低 包裹动作需时较长 精准度高 可精确定位花柄 果梗切割点高 可精确抓持花柄或果梗中 依赖物料表面平整度高 先稳定抓取 再精确定点切割中 依赖包裹的贴合度 损伤率 中 切割本身损伤小 但 需配合夹持或吸附固 定 可能引入二次损伤 高 接触应力易导致损 伤 低 非接触式采摘 无挤 压损伤 低 协同作业能极大降 低单独夹持的应力 低 大面积柔性接触 分 散压力 适应性高 通用性强低 尺寸定制 适应性差低 仅适用于表面光滑的物料高 通过模块组合 适应多种作物中 对形状有一定要求 由于菊花花朵较为脆弱 末端执行器接触部 位材料选取 要求保证抓持力的同时减轻表面压 迫和机械损伤 当前研究主要集中于仿生软体材 料 如硅胶 热塑弹性体及 打印软材料等 在果 蔬采摘中已展现出低损伤优势 如 等 设计的番茄采摘末端执行器采用硅胶材料 实现大面积接触 有效分散压力 等 设计的黄瓜采摘末端执行器 在夹爪内侧衬垫聚 氨酯泡沫 通过柔性包裹实现低损伤采摘 类似 地 等 采用硅胶及带有柔性涂层的自适应 手指对甜椒进行柔顺抓持采摘 等 受鱼类 鳍条启发 设计了柔性聚合物驱动夹爪 适用于草 莓等易损果实 相关学者引入可变刚度结构实现末端执行器柔 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 软与可控间的有效平衡 文献 提出刚柔 结合的夹持器 指尖部分采用颗粒阻塞技术实现刚 度可调 文献 提出了基于梯度点阵结构 的变刚度柔性夹持机构设计方法 实现了对末端执 行器的变刚度柔顺控制 文献 提出了基 于层流阻塞原理的可变刚度软体夹爪 通过调节层 间摩擦改变整体刚度 在灵活抓取与稳定持握之间 取得良好平衡 魏树军等 提出的纤维增强型气 动弯曲执行器为农业采摘爪设计提供了重要参考 等 结合柔性铰链结构开发了适用于易 损水果的夹持器 此外 等 对软体气动执行器 进行建模研究 为包裹式软夹指的设计与控制提供 了理论支持 软体夹爪通常通过气动驱动实现柔性抓取 李 健等 将硅胶材料制成的气动夹爪集成于草莓采 摘机器人 通过田间试验验证了低损伤性能 等 利用硅橡胶等软材料制成气动抓取器 借助 充气变形包裹对象 分散接触应力 从而降低损伤 姬江涛等 面向蘑菇采摘设计的柔性夹持器 基 于柔性材料模型构建 采用气动腔体通过正 负压力 变化实现抓取与释放 其变形行为经仿真与试验验 证满足采摘要求 总体来看 采摘末端执行器的材 料研究主要集中采用柔性接触面 增大包络面积 结 合可变刚度机制与触觉反馈 在确保可靠抓持的同 时最大限度降低机械损伤 采摘末端执行器控制策略 采摘末端执行器负责接收决策指令并完成与目 标物体的交互操作 面对菊花选择性采摘 在目标定位 接触 采摘等环节 末端执行器控制方 法主要包括基于感知与规划的开环控制 基于力或 触觉反馈的闭环控制与混合传感的协同控制 等 视觉引导与路径规划常作为前期目标定位与全 局运动的基础 王延鑫等 采用立体视觉定位菊花 茎秆 引导机械臂到达采摘位置 针对采摘机械臂 因负载变化产生的振动问题 刘德馨等 提出了 自适应输入整形控制方法 通过实时调整脉冲参数 有效消除了末端残余振动 文献 优化机 械臂逆动力学性能 减少横向摆动与惯性冲击 进一 步降低了接触过程碰撞损伤 在路径规划层面 文 献 分别针对番茄与芦笋采摘开展了协同 控制与动作规划策略研究 基于视觉反馈和神 经网络算法对智能采摘机器人进行路径规划 提高 了采摘动作的平稳性与成功率 而在接触与采摘阶 段 力与触觉反馈控制成为保障无损采摘的关键 等 设计了具有关节自锁与解锁机构的执 行器 并提出基于二进制反馈信号的控制方法 实现 了对多种形状果蔬的自适应 非破坏性采摘 文 献 分别针对苹果 甜椒和茄子设计了具 有力反馈的柔顺抓取器 通过阻抗调节避免果实损 伤 文献 则针对易损水果提出自适应阻 抗控制方法 根据果实硬度实时调整抓取力 在大模型驱动具身智能实践中 等 提 出基于 的多模态任务规划框架 增强了机 器人在复杂环境中感知与执行能力 中科原动力研 发的具身智能番茄采摘机器人 通过融合环境理解 与自适应作业策略 较传统固定策略机器人采摘效 率提升 展示了智能控制技术在采摘领域的 应用潜力 将采摘动作分解为靠近 接触 采摘 收集多个 工序 从轨迹跟踪精度 力控精度 运动稳定性及适 用场景等方面 对几类典型控制方式控制效果进行 了分析 如表 所示 以期为菊花采摘控制方法选择 与优化提供参考 表 典型控制方法控制效果 控制方法轨迹跟踪精度力控精度运动稳定性适用场景 融合路径规划高 全局优化不直接涉及高 避障平滑动态障碍物环境 复杂空间 立体视觉引导中 依赖视觉精度低中 受光照及遮挡影响结构化场景 视觉特征需清晰 自适应阻抗控制中 柔顺调整高高 接触缓冲不确定接触环境 需人机 物交互 力闭环抓取控制低极高高 实时力调节易损伤对象 需精确力控抓取 变刚度抓取控制低中 刚度可调高 抗扰动对象形变大 硬度差异大 吸附拉扯协同控制低中 依赖吸附力中 协同难度大表面规则 可吸附的物料 菊花采摘装备产业研发进展 国内外多家企业与科研机构围绕菊花及同类作 物 已积极开展采摘装备的研发与试点应用 例如 德国 公司开发的 针 对洋甘菊等花卉 配备高精度视觉系统与仿生柔性 夹爪 可实现花朵成熟度识别与选择性采摘 已在德 国部分农场进行试点应用 德国企业如 持续优化洋甘菊采摘机系列 推出的 型具备自动驾驶功能 通过集成超声波传感器 与电液控制系统 实现了作业高度自动调节 已在规 农 业 机 械 学 报 年 模化农场应用 在国内 各界也在菊花采摘装备领 域取得了实质性进展 企业方面 苏州书农科技有 限公司生产的万寿菊采摘机器人采用轻量化移动底 盘 多自由度机械臂与视觉识别系统 可实现万寿菊 的选择性采摘 具备花朵识别 定位 低损采摘与收 集一体化功能 目前已在新疆莎车县等规模种植园 开展采摘验证及示范作业 科研院校方面 南 京农业大学工学院设计并研制了跨垄式金丝皇菊采 摘机器人 提出基于 多维点云优化算法和改 进纯跟踪算法可以有效提高导航精准度 从而保证 采摘机器人的精准作业 在最优工作参数下 采摘成 功率为 此外 由中国农业大学等单位 研发的菊花采收样机 在湖北麻城市菊花基地进行 了现场试验 每日可采收菊花 人工替 代比高达 为国内菊花自动化采收机工程化应 用提供了重要参考 以上采摘装备的研发与试点为相关技术实用化 与规模化推广奠定了初步基础 同时也反映出当前 菊花采摘装备在成本 可靠性与复杂环境适应性等 方面仍面临挑战 菊花机械化采摘技术瓶颈与发展对策 机械统采式面临的主要问题及其优化路径 采摘质量与作业适用性难以兼顾及其优化 路径 当前机械统采式采摘面临的核心矛盾在于无法 同时保证采摘质量与广泛的作业适用性 国外机型 图 等 虽效率高 但采摘后花柄残留过 长 图 不符合国内 无梗 采摘标准 且 宽幅设计与国内的行距难以匹配 因而直接应用受 限 国内设备虽向机电一体化发展 但多数仍 处于试验阶段 普遍存在刚性采摘装置因缺乏有效 的浮动仿形能力 在面对自然生长的高低起伏 疏密 不均的花层时 出现高位花损伤与低位花漏采并存 的问题 图 同时通过性 作业效率及收集 可靠性亦有待提升 为此 发展重点应转向研发具 备主动浮动与自适应调节能力的采摘执行机构 例 如 可采用聚氨酯与碳纤维等复合材料设计仿生采 摘头 通过可调间距与柔性接触模拟手指梳捋动作 以贴合花冠曲面 并集成触觉传感器实现接触力的 实时监测与反馈控制 从而在复杂花层中兼顾采收 率与低损伤 同时 需开发模块化 参数可调的采摘 部件 使其能够快速适应不同地区的行距与垄作模 式 提升机具的跨区域适用性 低损采摘机理不清与设计依据建立 菊花机械化低损采摘缺乏系统的理论指导与精 图 统采式下洋甘菊与菊花采摘效果 准设计依据 关键瓶颈在于尚未建立亳菊 杭白菊等 主要菊花品种的花朵花梗分离界面的力学阈值数 据库 以及随成熟度 含水率变化的动态模型 现有 采摘动力学模型多借鉴其他作物 导致采摘力设置 不合理 且机械接触导致的组织损伤累积效应及其 阈值不明 相关生物力学表征仍属空白 为解决这 一问题 须开展菊花植株关键力学特性的试验研究 量化花朵 花柄及枝条的剪切力 拉断力等参数 构 建多尺度力学数据集 在此基础上 结合离散元与 有限元耦合仿真 模拟机械与植株的互作过程 揭示 损伤机制 从而为采摘装置的结构几何 运动参数与 材料选择提供精准依据 推动采摘装置从经验设计 转向基于生物力学模型的仿生优化 为实现低损伤 采摘提供理论支撑 农机农艺适配性差与协同优化策略 国内菊花种植模式异质化严重 各产区在行距 垄高等方面差异显著 缺乏适于机械化作业的标准 化种植体系 导致现有采摘机具通用性低 适应范围 窄 多数机具仅为特定区域设计 未从农机农艺协 同角度进行优化 限制了大规模推广应用 未来必 须强化农机与农艺的深度融合 一方面 对于适合统 采的品种 应通过栽培管理促使株型整齐 花期集 中 形成适宜机械作业的群体结构 另一方面 采摘 机械的设计需充分考虑可调节性 使采摘高度 幅宽 等关键作业参数能够灵活匹配不同的农艺规范 建 议通过建立农机农艺融合示范田 集成品种筛选 标 准化种植与机械化采摘技术 实现从种植到收获的 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 全链条标准化 提升整个产业的机械化水平与经济 效益 选择性智能采摘关键技术问题与改进方向 田间目标识别鲁棒性不足及主动视觉融合 提升途径 当前基于视觉的菊花识别在实际应用中面临 看不清 和 认不准 大难题 看不清 问题主 要源于自然光照变化 花朵重叠与枝叶遮挡 导致特 征提取失稳 关键采摘点不可见 从而引发漏检或错 检 尽管 相机提供了深度信息 但识别模 型高度依赖训练数据 在品种 生长阶段和光照条件 上泛化能力弱 造成 认不准 难以适应多地域复 杂场景 此外 为适配低功耗边缘设备而简化的模 型往往牺牲了细节特征识别能力 且多数算法缺乏 大规模田间重复验证 实际部署稳定性不足 为提 升感知可靠性 需发展多模态传感融合技术 例如结 合 图像与近红外光谱 利用光谱特征增强 花朵与背景区分度 并利用深度信息缓解遮挡问题 同时 应研究面向小样本与多品种的迁移学习与域 自适应算法 并引入主动视觉机制 通过移动平台进 行多视角观测 结合遮挡恢复算法主动重构目标完 整信息 在部署层面 须通过轻量化网络设计与边 缘计算集成 实现高精度与低功耗的有效平衡 末端执行器自适应能力缺乏及柔性结构创 新设计 现有末端执行器多采用固定开合模式 对 范围内花柄直径微小变化的夹持自适应能力 不足 易导致采摘不全 夹持过紧或定位偏移 在密 集环境中作业灵活性也受限于体积与自由度 材料 方面 刚性材料易损伤花朵表面 而现有柔性材料在 菊花采摘中应用较少 在其他果蔬应用中存在驱动 力传递效率低 反复使用易疲劳等问题 同时 执行 器小型化与模块化设计不完善 难以在有限空间集 成多传感单元 为降低机械损伤并提升适应性 应 创新设计具有自适应能力的柔性采摘结构 例如基 于导电硅胶等兼具柔性与自感知功能的材料 以在 抓取时降低局部应力并实时反馈接触状态 控制系统响应滞后及闭环自适应控制策略 现有末端执行器控制多采用感知 规划 执行 的开环模式 依赖预设轨迹 存在因视觉定位 机械 臂运动与末端抓取之间时序延迟导致的动态误差累 积 且未能充分融合实时传感反馈 在植株晃动 遮 挡等动态场景中缺乏实时纠偏能力 同时 系统对 花柄抓取力在线感知与自适应调整机制不足 易因 力度不当影响采摘质量 为提升控制精度与响应速 度 应构建 视觉力觉 融合的闭环控制系统 在 运动控制层 可采用自适应阻抗控制策略 将末端执 行器建模为虚拟弹簧阻尼器 通过在线调节参数 在接近目标时呈现低刚度 高阻尼以吸收冲击 抓持 后瞬时提高刚度确保成功采摘 在决策层 需开发 结合视觉与力伺服反馈的动态规划算法 在线补偿 目标位移与姿态变化 该策略已在部分果蔬采摘中 验证低损伤优势 后续可结合菊花力学特性进行参 数优化 并探索多臂协同作业模式 以提升系统整体 效率与稳定性 总结与展望 本文系统梳理国内外菊花机械化采摘技术研究 现状与发展动态 明确统采式与选择性智能采摘 类技术路径的适用场景 核心差异及关键技术瓶颈 统采式方面 对比分析梳齿式 梳刀组合式 梳齿气 动组合式等典型装置的结构原理与作业性能 揭示 国外机型效率与国内 无梗 采摘标准的适配性矛 盾 以及国内样机在浮动仿形能力 作业通过性与收 集可靠性等方面的共性不足 选择性智能采摘方 面 从采摘目标感知 末端执行器结构设计与材料选 型 力位混合控制策略等维度综述研究进展 指出复 杂田间环境下目标识别鲁棒性差 末端执行器自适 应能力不足 控制系统响应滞后等突出问题 结合菊花种植模式多样 花层分布复杂 花朵组 织柔嫩等农艺特点 分析制约 类采摘技术发展的 深层原因 统采式核心矛盾在于采摘质量与作业适 用性难以兼顾 低损采摘机理不清 设计依据缺乏 农机农艺适配性差 选择性智能采摘技术受限于感 知模型泛化能力弱 末端执行器结构材料适应性不 足 控制策略难以实现实时纠偏与自适应调整 针 对上述问题 提出发展对策 统采式方面 研发具备 主动浮动与自适应调节能力的采摘执行机构 构建 基于生物力学特性的菊花采摘力学数据库 推动采 摘装置从经验设计向仿生优化转变 强化农机农艺 融合 建立标准化种植与机械化采收协同体系 选 择性智能采摘方面 发展多模态传感融合与主动视 觉机制 创新设计具有自适应能力的柔性末端执行 器 探索变刚度结构与自感知材料应用 构建 视 觉力觉 融合的闭环控制系统 提升采摘动作精准 性与稳定性 展望未来 菊花机械化采摘技术将向智能化 低 损化 高适应性方向发展 深度学习 柔性机器人 多传感器融合与边缘计算等前沿技术不断成熟 采 摘机器人有望实现从 识别 定位 采摘 到 自主 决策 自适应执行 智能反馈 的全面升级 耦合 仿真技术将在采摘装置机理研究 结构优化与动态 农 业 机 械 学 报 年 行为预测中发挥重要作用 为低损伤 高效率采摘提 供理论支撑与设计工具 推动农机农艺深度融合 构建标准化 模块化 智能化的采摘技术体系 是实 现菊花产业机械化 现代化与可持续发展的关键路 径 本文旨在为进一步推动菊花机械化采摘技术研 究与应用提供参考 参考文献 戴思兰 温小蕙 菊花的药食同源功效 生命科学 黄霞 杭白菊多糖三种提取方法及体外生理活性的比较研究 雅安 四川农业大学 王黄振 柳志勇 王顺利 等 我国药用菊花品种资源调查与产业现状分析 中药材 程龙 任永申 李艳秋 等 不同采收期对野菊花质量的影响 中南民族大学学报 自然科学版 张伟 丁杨飞 陈慧芳 等 菊花道地性成因及研究进展 安徽中医药大学学报 常相伟 魏丹丹 陈栋杰 等 药用与茶用菊花资源形成源流与发展变化 中国现代中药 江虹 熊琦 杨辉 等 雪菊种植密度 摘心次数及采摘时间对产量和品质的影响 新疆农业科学 钱佳仪 夏熠珣 侯姣靓 等 采摘时期对菊花茶汤感官及理化属性的影响 食品与生物技术学报 王子骞 韩亚茹 李祎阳 等 菊花种质资源研究的现状与展望 河北农业 陈庆蕾 陈庆国 赵玉荣 菊花的功效及其产品开发 中国果菜 叶梦倩 邓静 彭杰 等 菊花本草考证 中成药 黄璐琦 药用植物种质资源研究 精 上海 上海科技出版社 杨丹 聂紫璇 滕菲 等 菊花 中国药典 标准含量测定方法的评估与优化 中国中药杂志 第 期 王荣炎等 菊花机械化采摘技术研究现状与发展趋势 敖地秀 罗昌 陈东亮 等 大菊品种扦插生根规律的比较 江苏农业科学 李建民 李华擎 胡世霞 杭菊花的产区和商品种类现状 中国药师 康四和 聂晶 刘义梅 等 药用菊花起源与演化规律研究 亚太传统医药 王荣炎 郑志安 姜大龙 等 单排梳齿往复式菊花采摘机的设计与仿真 农机化研究 王嘉伟 多排水平梳齿式菊花采摘装置设计与试验 合肥 安徽农业大学 姬长英 王春香 顾宝兴 等 手推式杭白菊梳齿摘花机结构设计与试验 农业机械学报 农 业 机 械 学 报 年 祁正栋 连国党 李亮亮 等 万寿菊机械式采摘技术现状与建议 农业工程 李彤 王关平 刘燕 等 一种可智能升降电动万寿菊采摘机的设计与试验 林业机械与木工设备 王荣炎 郑志安 鹿秀风 等 梳齿往