李升 蘆新春

(江蘇海洋大學機械工程學院，江蘇 連云港 222005)

引言

我國是食用菌生產(chǎn)、消費、出口大國，食用菌產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，也是推動貧困地區(qū)脫貧致富的重要產(chǎn)業(yè)之一，現(xiàn)已成為我國繼糧食、蔬菜、果樹和油料之后的第5大產(chǎn)業(yè)[1]。從食用菌品種來看，有7個常見品種年產(chǎn)量超過百萬噸，香菇、平菇、黑木耳位列前3，其后還有金針菇、雙孢菇、毛木耳及杏鮑菇等，共占食用菌全年產(chǎn)量的85%[2]。中國食用菌產(chǎn)業(yè)正在實現(xiàn)由數(shù)量型向質(zhì)量型轉(zhuǎn)型升級，設(shè)施化、標準化、工廠化生產(chǎn)逐步取代傳統(tǒng)家庭式栽培[3]。隨著我國對食用菌產(chǎn)業(yè)高度重視，未來工廠化食用菌生產(chǎn)會有著巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的發(fā)展前景[4]。但目前我國食用菌工廠化生產(chǎn)技術(shù)裝備還存在明顯不足，出菇管理、采收等環(huán)節(jié)仍主要依賴于人工作業(yè)[5]。因此，本文針對現(xiàn)有的菌菇機械化采收設(shè)備進行分析歸納，并重點對其工作過程和機械原理進行說明，同時對機械化采收設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀和采收性能進行了闡述，最后對我國菌菇采收設(shè)備的研發(fā)重點進行了展望。

1 工廠化食用菌栽培方式

現(xiàn)有工廠化菌菇種植方式主要分為苗床種植、瓶栽以及袋栽。其中，苗床種植是將培養(yǎng)料發(fā)酵處理后再進行鋪料播種的種植方式，該種植方式能夠有效降低雜菌感染率，提高蘑菇產(chǎn)量[6]。瓶栽主要包括拌料、裝瓶、滅菌和接種4個步驟，將栽培料送入攪拌機攪拌，裝瓶、滅菌，送入無菌接種室接種[7]。瓶栽菌菇具有栽培規(guī)模大，機械化程度高，生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢。袋栽是根據(jù)不同食用菌采用不同培養(yǎng)基配方，攪拌均勻后裝袋滅菌，將菌種接入已滅好菌的培養(yǎng)基中的栽培方式[8]。該栽培方式無需購買栽培架，可直接在地面堆碼菌袋，且對菇房保溫、保濕條件要求不嚴，與苗床種植方式相比，袋栽感染雜菌的概率較低。

2 工廠化食用菌采收設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

我國的食用菌工廠化生產(chǎn)只有40多年的歷史，技術(shù)裝備起步晚，起點低。由于菌菇采收作業(yè)的復雜性，機械化采收成功率低，損傷率高，自動化采收困難?，F(xiàn)有的機械化菌菇采收設(shè)備的應用較少，蘑菇采收環(huán)節(jié)一直處于人工采摘階段[9]。目前，我國科研人員對于菌菇機械化采收技術(shù)的研究仍處于起步階段。國外多針對苗床栽培的菌菇采收設(shè)備進行研究，其主要依靠機械手實現(xiàn)菌菇的采摘。本文針對菌菇的栽培方式，將菌菇的采收設(shè)備分為苗床式菌菇采收機、瓶栽式菌菇采收機和袋栽式菌菇采收機3種類型。

2.1 苗床式菌菇采收機

苗床式菌菇采收機適用于工廠化褐菇、雙孢菇等苗床種植方式菌菇的采收。國外針對苗床栽培的菌菇采收，主要基于視覺識別，依靠機械臂柔性夾爪實現(xiàn)機械化采收。2001年，英國Silsoe研究所[10]設(shè)計了一種蘑菇收獲機器人。如圖1所示，該機器人通過視覺識別系統(tǒng)可以自動完成蘑菇位置、大小的測量并通過末端吸盤采摘機構(gòu)完成對蘑菇的采摘，但在采摘傾斜生長的蘑菇時成功率較低，其采摘成功率為75%。

圖1 蘑菇收獲機器人

加拿大安大略西部大學和雙孢菇種植企業(yè)[11]于2013年研發(fā)了一種蘑菇收割機器，如圖2所示，該機器通過無差別切割蘑菇根部實現(xiàn)蘑菇的采收，將采收的蘑菇輸送至菇床側(cè)方的傳送帶上。該機器實現(xiàn)了高效率、自動化的蘑菇采收，但這種采收方式對蘑菇損傷較大，且是無差別收割方式，造成了后期人工挑選、分級蘑菇的壓力。

圖2 雙孢菇采摘機器人

國內(nèi)的苗床式菌菇采收大多為人工采收[12]，研究人員對采收裝置和智能化算法方面進行了積極的研究和攻關(guān)，目前存在一些實驗樣機，但未大面積推廣應用。目前采收設(shè)備主要從采摘機構(gòu)的材料、運動軌跡、末端執(zhí)行器、視覺識別等因素來確保采收質(zhì)量。易山林[13]設(shè)計了一種工廠化種植雙孢菇自動采摘機，該采摘機主要包括移動采摘平臺和輔助換層模塊。該機器通過視覺識別算法對成熟蘑菇進行識別并結(jié)合采摘手爪完成采摘，通過輔助換層模塊完成采摘平臺的換層。但該采摘手爪為硬性塑料，采摘蘑菇時破損率較高。換層模塊實體圖如圖3所示。

圖3 換層模塊實體圖

應徐超等[14]研發(fā)了一種蘑菇采摘換層模塊，該機器換層策略分為“接”“升降臺升降”“送”3個步驟，即采摘車離開菇床進入升降平臺，升降平臺升降至下一待采摘層，采摘車離開升降平臺，進入菇床。工作時，該機器利用傾角傳感器測量平臺傾角，進而調(diào)整升降平臺的角度；利用高度傳感器測量升降平臺軌道實時高度，完成菇床軌道與升降平臺軌道的對接。該機器解決了在苗床種植時，采摘車無法有效、穩(wěn)定換層的問題，完善了蘑菇自動采摘系統(tǒng)。該裝置的換層模塊如圖4所示。

圖4 換層模塊

張俊[15]設(shè)計了一種智能蘑菇采摘機器人。如圖5所示，該機器主要包括采摘機械手臂、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)、伸縮導軌系統(tǒng)和移動升降平臺。工作時，該采摘機器人依靠移動升降平臺，將伸縮導軌系統(tǒng)升降至目標菇床。安裝在伸縮導軌系統(tǒng)上的機械手臂伸展開，借助視覺識別系統(tǒng)識別可采摘的蘑菇并通過末端執(zhí)行器的柔性采摘手爪完成采摘。該機器為單臂采摘，采摘效率有待提高，但該機器為苗床種植的蘑菇采收提供了一種新思路，對促進菌菇規(guī)?；N植具有一定現(xiàn)實意義。

1.升降臺底盤；2.萬向輪；3.電氣控制盒；4.動力電池；5.支撐平臺；6.四串聯(lián)伸縮柱；7.導軌系統(tǒng)支座；8.固定導軌；9.同步輪模塊；10.傳動同步帶；11.Y方向?qū)к墸?2.X方向?qū)к夒姍C；13.X方向?qū)к墸?4.Y方向電機；15.末端柔性手爪；16.采摘機械手臂

蘑菇采收的關(guān)鍵之一為無損采收[16]。采摘手爪多采用硅膠等柔性材料，或者采用吸盤的形式將蘑菇吸起實現(xiàn)采摘。盧偉等[17]設(shè)計了一種蘑菇無損采摘柔性手爪，通過該手爪可完成褐菇的自動化無損采摘。使用柔性手爪可以提高末端執(zhí)行器的通用性，用以適用不同尺寸蘑菇的采摘。同時，與剛性手爪相比較，柔性手爪可以最大限度地減少對蘑菇的損傷[18]。

此外，為了提高采收成功率，研究人員對智能化檢測識別算法方面進行了大量的研究，取得了較好的研究成果。Chen等[19]設(shè)計了一種雙孢菇檢測算法，該算法有效地減輕了菌絲體、雜草、照明不均勻和其他因素影響，能夠準確檢測和定位獨立、粘附的蘑菇，且該算法僅需17.6ms即可處理1個圖像，這比其他算法的處理時間要快得多。Yang等[20]設(shè)計了一種多臂采收機器人的多目標采摘優(yōu)化算法，該采收機器人主要包括移動平臺、視覺定位系統(tǒng)、柔性臂和控制系統(tǒng)。工作時，由相機掃描當前區(qū)域的蘑菇，通過視覺定位系統(tǒng)和控制系統(tǒng)驅(qū)動多個柔性臂的吸盤將蘑菇旋轉(zhuǎn)或者擺動然后拉起，完成蘑菇采摘。Shi等[21]設(shè)計了一種基于深度傳感的高精度場景拼接和識別方法，該方法可用于場景拼接、識別、定位和目標收獲的機器人平臺，平臺配備了3個機械臂，以提高采收速度。機械臂末端配備了吸盤進行抓取蘑菇，以確保采收合格率。Hu等[22]設(shè)計了一種雙孢菇采摘機器人控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括視覺模塊、采摘模塊和輔助模塊。工作時，攝像機到達指定位置進行拍攝和圖片處理以獲得蘑菇點的中心坐標。采摘機構(gòu)根據(jù)獲取的單個蘑菇坐標點移動到相應位置，通過旋轉(zhuǎn)或吸力實現(xiàn)蘑菇的采摘，其采摘成功率達88%。曹景軍[23]設(shè)計了一種雙孢菇采摘機器人視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括圖像獲取、目標檢測、品質(zhì)分級、三維空間定位、采摘路徑規(guī)劃和數(shù)據(jù)傳輸?shù)饶K，其識別準確率達97%。雙孢菇互相遮擋是未能完全定位的主要原因。施浩楠[24]設(shè)計了一種雙孢菇采摘機器人，該機器主要包括上層升降模塊、移動平臺、機械臂執(zhí)行模塊、視覺模塊和末端執(zhí)行器模塊。工作時，由移動平臺移動至菇床，上層升降模塊升降至待采摘層。視覺模塊獲取圖像并對圖像進行對齊和拼接，經(jīng)過計算得到蘑菇尺寸和位置。由控制系統(tǒng)控制機械臂和末端執(zhí)行器完成蘑菇采摘。

綜合以上的研究成果，由表1可知，苗床種植的蘑菇識別準確率達到95%以上，平均采摘成功率在92.71%左右。單個蘑菇采摘用時在3.5s以內(nèi)。但由于采摘手爪多為單爪，采收效率有待提高。

表1 苗床種植方式下菌菇的檢測識別算法指標

2.2 瓶栽式菌菇采收機

瓶栽式菌菇采收機適用于工廠化金針菇、白玉菇等瓶栽式菌菇的采收，主要包括上下料機構(gòu)、末端執(zhí)行機構(gòu)以及控制系統(tǒng)。該種機器一般由人工上下料，由控制系統(tǒng)配合末端執(zhí)行器完成采摘、切根等工序。楊威[25]設(shè)計了一種瓶栽金針菇自動采收包裝系統(tǒng)，如圖6所示，該機器主要包括瓶筐分離機、采收機和瓶筐收集機。工作時，由工人上料，將裝有4×4的瓶栽金針菇培養(yǎng)筐放置在輸送帶，輸送至瓶筐分離機。瓶筐分離機上的夾取裝置夾緊培育瓶，升降輸送裝置下降，實現(xiàn)瓶筐分離，空筐被輸送到瓶筐收集機處。夾緊裝置松開夾爪，培育瓶由輸送裝置運輸至采收機。采收機的主旋轉(zhuǎn)體安裝有12個抓手，通過機械結(jié)構(gòu)完成金針菇的采摘、切根工作。采收后的金針菇被輸送至運輸線上，空瓶被輸送至瓶筐收集機。該機器大大提高了金針菇采收的效率，達到了7200瓶·h-1的采收效率，減輕了工人的勞動強度。但采摘、切根等關(guān)鍵技術(shù)并未涉及，而這正是當前瓶栽菌菇采收的核心問題。

圖6 自動采收樣機

高文碩[26]設(shè)計了一種瓶栽金針菇采摘機器，如圖7所示。工作前，由人工上料。工作時，2個夾持機構(gòu)成對分布，用來夾緊培育瓶。機械手夾緊金針菇向上拔拉，達到脫瓶效果。該機器雖然一次只能完成1瓶金針菇的采收且沒有切根工序，但為后續(xù)機械化瓶栽菌菇采收提供了采摘思路，這種拔拉采摘方式應當是研究的重點。

圖7 瓶栽金針菇采摘機械

趙俊[27]設(shè)計了一種瓶栽金針菇自動采收機器。該機器主要包括末端執(zhí)行器、機械臂和傳送機構(gòu)組成。工作前由人工上料，由輸送帶將整筐金針菇輸送至工作區(qū)域，輸送帶兩側(cè)設(shè)有V型塊用以夾緊培育筐。工作臺兩側(cè)安裝有1×4的硅膠夾爪用來夾緊培育瓶并進行晃動，使金針菇和培育瓶松動，夾爪向上運動，使培育瓶和金針菇分離。采摘工作時，另一側(cè)機械手完成相同工作，可以同時實現(xiàn)8瓶菌菇采摘。該機器通過搖晃金針菇使其松動再進行拔拉，減少了對金針菇的損傷，大大提高了采摘效率，但仍沒有切根工序且上下料仍需要人工輔助操作。整機三維結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

圖8 整機三維結(jié)構(gòu)圖

周順[28]設(shè)計了一種瓶栽白玉菇采收裝置。該機器主要包括機械臂、夾持導向裝置、切根裝置、鎖菇定位裝置和運輸裝置。工作時，由夾持導向裝置夾緊培育瓶，機械臂夾持白玉菇拔拉使瓶菇分離，將蘑菇固定在鎖菇定位裝置，由下方切根裝置的鏈式回轉(zhuǎn)切刀進行切根，根部被輸送至廢料收集裝置。該機器實現(xiàn)了菌菇的采摘和切根，但僅能單瓶采摘，采摘效率較低。鏈式回轉(zhuǎn)切刀為后續(xù)菌菇切根工序的研究提供了思路。采收裝置三維結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。

1.機架；2.鏈式回轉(zhuǎn)切根裝置；3.廢料收集裝置；4.鎖菇定位裝置；5.柔性夾持導向裝置；6.六自由度機械臂；7.橫向輸運裝置；8.PLC控制柜

與苗床式菌菇采收機相比，瓶栽式菌菇采收機多為固定式生產(chǎn)線，這樣有助于提高生產(chǎn)效率，提高設(shè)備穩(wěn)定性。且工廠化下的菌菇已有規(guī)范大小的培育筐和培育瓶種植，對于菌菇規(guī)范化采收提供了必要條件。在菌菇采收中，通過搖晃培育瓶再拔拉菌菇的方式可以順利實現(xiàn)瓶菇分離，減少菌菇采收破損率。現(xiàn)有研究人員對瓶栽菌菇的瓶菇分離、切根等工序的嘗試多種多樣，但仍未達到理性效果，采收效率仍有待提高。

2.3 袋栽式菌菇采收機

袋栽式菌菇采收機主要依靠機械手視覺識別系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)完成采摘，也有依靠略大于菌袋直徑的套筒將菌菇刮下的采摘方法，其適用于工廠化平菇、香菇等袋栽菌菇的采收。

Anant等[29]設(shè)計了一種室內(nèi)蘑菇采收機。為了環(huán)保，研發(fā)人員用可重復使用的塑料桶代替一次性袋栽塑料袋。如圖10所示，工作時，該機器通過視覺識別算法識別可采摘的蘑菇，由氣缸帶動機械臂末端切刀實現(xiàn)蘑菇的采收。這種采摘方式對視覺識別算法要求很高，對于遮罩下的蘑菇識別耗時較長，采摘效率較低。

圖10 采摘機械手

Rong等[30]設(shè)計了一種蘑菇收獲機器人，如圖11所示，該機器人主要由采收模塊、控制模塊和移動平臺組成。其中，移動平臺長寬約為7.7m和1.4m，高為1.2m。采收模塊安裝于平臺上方，依靠平臺上的導軌進行移動，整個平臺安裝有4個采收模塊。采收模塊依靠視覺識別來識別可采收蘑菇，機械臂末端裝有四指柔性夾爪，采用先爪再轉(zhuǎn)的方式采摘蘑菇。該機器4個機械爪可同時采摘，采收效率較高，但只能安裝于大棚地面一層培育式的袋栽菌菇，采收場景受到限制。

1.采收模塊；2.控制單元；3.驅(qū)動輪；4.儲物籃放置區(qū)

王盼等[31]設(shè)計了一種多功能木耳培育收獲機，如圖12所示，該機器主要包括3×6伸縮抓手和圓柱形套筒。工作時，抓手抓住培育袋往上提，通過略大于培育袋的圓柱形套筒，將木耳刮下，實現(xiàn)木耳的采收，這種采摘方式會損壞菌類，提高破損率并降低合格率。

圖12 收獲機三維圖

現(xiàn)階段的袋栽式菌菇采收機多為專利概念機，或者尚處于試驗階段，未能大規(guī)模應用。同時，所描述的采收機均需要人工進行上下料，自動化程度不高。

3 存在問題

隨著人工采收菌菇成本的逐漸提高，現(xiàn)有的菌菇采收機械遠遠達不到工廠化菌菇采收的需求。當前的菌菇機械化采收技術(shù)仍存在很多問題。

3.1 現(xiàn)有設(shè)備采收效果差

苗床式菌菇采收機其主要依靠視覺識別進行菌菇采摘，但對識別算法調(diào)教的難度較高，對于重疊、傾斜、遮蓋蘑菇的識別又比較費時，高精度的物體動態(tài)跟蹤仍然是一個未解決的問題[32]。瓶栽式菌菇采收機對于瓶菇分離和切根技術(shù)仍不成熟，尚未研發(fā)出集切根和瓶菇分離為一體的采收設(shè)備；袋栽式菌菇采收機多采用刮板或套筒來刮下菌菇，雖然這樣采收效率較高，但這種采收方式對蘑菇損傷較大且采摘難度較大，而采用機械手采摘則會極大地限制采收效率。

3.2 現(xiàn)有設(shè)備適用性低

現(xiàn)有菌菇采收設(shè)備與菌菇采收適用性較低。在瓶栽菌菇采收中，一些菌菇植株比較粗壯，用來夾緊菇體的夾緊裝置會由于夾緊力過大而損傷蘑菇；有些蘑菇的培養(yǎng)基過厚或者過薄，在切根時切刀會切去過少或者過多的根部進而影響采收合格率。有些苗床培育的菌菇，傾斜、重疊、遮蓋生長，采摘難度較大?，F(xiàn)有采收設(shè)備對于不同品種菌菇的采收適配性研究較少，菌菇品種差異性也少有考慮。

3.3 研發(fā)難度大

我國菌菇自動化采收設(shè)備的研發(fā)尚處于起步階段，對于設(shè)備研發(fā)的投入較少。雖設(shè)計出許多機械但大多處于概念機或者試驗階段，難以大規(guī)模工廠化應用。苗床式菌菇采收機對于視覺識別算法要求較高，同時換層設(shè)備也是研究的一大難題。瓶栽菌菇的采收設(shè)備在整筐采收、切根、瓶菇分離上的研究具有很大的挑戰(zhàn)性。袋栽菌菇采收機在菌菇精準采收、高效采收方面仍面臨許多問題。

4 發(fā)展趨勢

4.1 采收設(shè)備標準化

我國工廠化菌菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展已經(jīng)趨于平穩(wěn)，相關(guān)機械設(shè)備的研發(fā)逐漸增多，生產(chǎn)技術(shù)在不斷發(fā)展。但裝備制造企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)標準和規(guī)范互不相通，許多零件、裝置和設(shè)備互不兼容，這限制了標準化采收設(shè)備的研發(fā)和菌菇產(chǎn)業(yè)機械化發(fā)展。制定出國家產(chǎn)業(yè)規(guī)范或標準成為迫切需要，這樣不僅能規(guī)范設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)，還能大大減少企業(yè)和農(nóng)戶維修機械成本，促進菌菇產(chǎn)業(yè)持續(xù)、良性發(fā)展。

4.2 采收設(shè)備智能化

目前可用的采收方法無法滿足食用菌領(lǐng)域數(shù)字化和智能化的要求[33]，因此通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)的應用，自動化采收設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備防盜、故障檢測、參數(shù)監(jiān)測、智能控制和感應、遠程操控等功能，可以有效減少運行和維修成本，提高設(shè)備穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，促進工廠化菌菇產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展。

4.3 采收設(shè)備一體化

我國對菌菇采收設(shè)備的研發(fā)越來越重視，研究人員也在不斷嘗試各種采收設(shè)備的研發(fā)與試驗。但對于菌菇采收的上下料、出菇管理等環(huán)節(jié)仍主要依賴于人工作業(yè)，機械化程度不高。通過開展成套化、機械化裝備的研發(fā)，實現(xiàn)從原料攪拌、接種到上架采收再到分級包裝一體化生產(chǎn)，建立自動化智能生產(chǎn)線是未來菌菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。

5 結(jié)語

采收作為菌菇產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必要環(huán)節(jié)，是菌菇規(guī)范化、標準化、工廠化生產(chǎn)的關(guān)鍵。本文梳理了國內(nèi)外工廠化食用菌生產(chǎn)的3種模式，對比分析現(xiàn)有采收技術(shù)和裝備的特點和不足，指出我國當前工廠化食用菌采收成功率低、損傷率高等問題，給出促進大規(guī)模采收技術(shù)標準化、智能化、一體化的建議。未來一段時間，將完善菌菇采收的理論性研究，形成系統(tǒng)的、完整的菌菇理論體系。突破瓶栽菌菇的瓶菇分離、切根工序，袋栽菌菇采收準確率及破損率，苗床種植菌菇采收效率、視覺識別算法等關(guān)鍵問題，促進菌菇產(chǎn)業(yè)一體化發(fā)展。