易倒伏欧李的低损伤电动采收系统：设计、优化与田间验证

《Frontiers in Plant Science》：A low-damage electric harvesting system for lodging-prone Cerasus humilis: design, optimization and field validation

　　

机械化采收仍是可持续欧李（Cerasus humilis）生产的主要瓶颈，因为易倒伏的枝条和脆弱的果实使传统小型水果采收机难以适应。为解决这一作物特异性约束，研究人员开发了一种低损伤自走式电动采收系统，该系统集成了分支提升、梳齿式剥离、螺旋输送、自走行驶和电液高度调节功能。分析了关键工作模块，并采用四因素三水平Box-Behnken田间试验优化了行驶速度以及分支提升电机、剥离电机和输送电机的转速。行驶速度对采收率影响最大，而剥离速度对果实损伤影响最大。优化后的作业参数为：行驶速度0.2 m/s，分支提升速度104.6 r/min，剥离电机转速22 r/min，输送电机转速137.4 r/min。在此参数下进行的五次验证试验获得了平均采收率82.12%和平均损伤率2.79%，与预测值81.26%和2.80%接近。这些结果表明，在测试品种和场地条件下，分支提升、梳齿式剥离和果实输送的协调电动控制能够实现欧李可持续的低损伤田间采收。

**论文解读：易倒伏欧李的低损伤电动采收系统——设计、优化与田间验证**

**研究背景与问题**
欧李（Cerasus humilis，又称钙果）是一种原产于中国北方的多年生落叶灌木，其果实因独特的酸味、高钙积累、多种挥发性化合物及显著的品质变异而具有农业价值。然而，果实成熟期高度集中，延迟采收会导致软化、品质劣变和采后缺陷。当前采收主要依赖人工，劳动强度大、成本高且难以在集中成熟期规模化。欧李的果实密集地生长在贴近地面的柔性枝条上，导致果实移除缓慢且易受压缩和冲击损伤。因此，开发高效田间机械需解决两个关键问题：将倒伏的枝条提升至稳定的采摘姿态，以及在不造成过度机械损伤的前提下移除果实。此前的研究多集中于实验室机制、测试台或孤立部件，如压缩断裂模拟、温度依赖性测试、梳齿几何参数优化等，但未能完整模拟田间复杂工况（如倒伏枝条姿态不均、整机移动扰动、连续收集输送），难以直接支持整机田间作业的参数匹配。此外，现有农业工程领域虽发展了精密农业机器人、AI视觉感知和自主末端执行器，但针对密集、严重倒伏的灌木果实（如欧李），智能系统面临吞吐量瓶颈。因此，急需一种集成化的低损伤电动采收系统，将低损伤脱离与连续田间作业连接起来。

**研究内容与结论**
研究人员设计并田间测试了一种低损伤自走式电动采收系统，集成了分支提升、梳齿式剥离、螺旋输送、自走底盘和电液高度调节五个功能模块。通过分析各模块工作原理，构建了运动学和力学模型，并采用四因素三水平Box-Behnken响应面田间试验优化了行驶速度、分支提升电机转速、剥离电机转速和输送电机转速。结果表明，行驶速度是影响采收率的主导因素，剥离速度是影响损伤率的主导因素。优化后的参数组合为：行驶速度0.2 m/s，分支提升速度104.6 r/min，剥离电机转速22 r/min，输送电机转速137.4 r/min，预测采收率81.26%，损伤率2.80%。五次验证试验平均采收率82.12%，平均损伤率2.79%，与预测值吻合良好。该论文发表在《Frontiers in Plant Science》。

**关键技术方法**
研究人员采用的关键技术方法包括：1）基于运动学分析的分支提升机构设计，通过提升手指的轨迹计算（结合手指线速度、收获机前进速度、仰角和偏转角）实现倒伏枝条的引导；2）梳齿式剥离装置设计，基于力分析（梳齿对果实的冲击力超过果柄结合力时脱果）和碰撞动力学模型（果实与收集箱壁的碰撞及反弹路径）优化收集效率；3）螺旋输送机构设计，基于运动学分析（轴向输送速度与叶片螺旋角、摩擦角的关系）和结构参数（叶片外径、内径、螺距）确定；4）自走底盘设计，包括框架有限元分析（静应力与许用应力对比）和转向机构（阿克曼转向几何原理）；5）电液控制架构，包括行走控制、收获控制和液压升降子系统，实现各模块独立变频调速。田间试验在山西省太谷区聚鑫现代农业基地进行，品种为‘农大6号’，株距0.5 m，窄行距0.5 m，宽行距1.2 m，枝条长度0.6~0.8 m，自然倒伏后结果枝与地面夹角30°~65°。

**研究结果**
**3.1 回归模型建立与方差分析**：通过Box-Behnken设计拟合了采收率（Y₁）和损伤率（Y₂）的二次响应面模型。方差分析表明两个模型均极显著（P<0.01），失拟项不显著，决定系数分别为0.9859和0.9163。对于采收率，行驶速度（x₁）影响最大，其次为分支提升速度（x₂）和剥离速度（x₃），输送速度（x₄）不显著；交互项x₁x₃、x₁x₄、x₂x₃显著。对于损伤率，剥离速度（x₃）影响最大，其次为分支提升速度（x₂）和输送速度（x₄），行驶速度不显著；交互项x₂x₃、x₂x₄、x₃x₄显著。
**3.2 交互因素对采收性能的影响**：响应面图显示，采收率随剥离速度升高先增后降，低速度导致有效梳齿接触不足，高速度增加冲击速度和果实飞溅；分支提升与剥离速度需同步协调；损伤率随分支提升、剥离和输送速度的组合增加而升高，与方差分析中的显著交互项一致。
**3.3 参数优化与验证试验**：数值优化得到最佳参数组合，五组独立验证试验平均采收率82.12%，损伤率2.79%，95%置信区间分别为[79.33%, 84.91%]和[2.65%, 2.93%]，相对误差小，表明模型预测准确。田间实际作业能力约0.08 ha/h，满电续航2.5小时，效率约相当于6名人工，制造成本约25000元，可在1个采收季内收回投资。

**讨论与结论**
讨论部分指出，本研究将欧李采收重新定义为协调的植物-生产问题，而非单一脱离操作。与前期实验室研究相比，本工作首次实现了分支提升、梳齿剥离和输送的集成自走式田间作业，损伤率（2.79%）低于同类灌木果实采收机（如枸杞扭转振动采收机3.70%、机器人末端执行器13.30%），采收率（82.12%）虽略低于试验台或手推式机构（>93%），但有效平衡了连续自走吞吐量与果实保护。主要损失来源包括未提升的低位枝条、内膛果实未被梳齿接触、反弹飞溅和小果泄漏，未来可通过优化提升手指几何、增加梳齿覆盖、添加柔性挡板和改进梳齿间距来改进。论文还指出，当前田间验证仅针对单一品种‘农大6号’和单一场地，品种、冠层结构、成熟度和地形差异会影响性能，需多地点多品种测试。研究结论部分翻译如下：**本研究开发了一种易倒伏欧李的低损伤自走式电动采收系统，并评估了其协调的田间性能。该系统集成了分支提升、梳齿式剥离、螺旋输送、自走行驶和电液高度调节。该设计解决了作物特异性要求，即在脱离前提升倒伏枝条并以有限的二次冲击输送果实。响应面分析确定行驶速度是影响采收率的主要因素，剥离速度是影响损伤率的主要因素。优化后的参数为：行驶速度0.2 m/s，分支提升速度104.6 r/min，剥离电机转速22 r/min，输送电机转速137.4 r/min。五次验证试验平均采收率82.12%，平均损伤率2.79%，接近预测值81.26%和2.80%。这些发现为在测试品种和场地条件下可持续机械化采收欧李提供了样机和参数基础。在大规模应用前，仍需在不同品种、冠层结构、成熟阶段、场地和作业时长上进行更广泛的验证。**