工厂化食用菌智能采收技术与装备研究进展

李升 芦新春

(江苏海洋大学机械工程学院，江苏 连云港 222005)

引言

我国是食用菌生产、消费、出口大国，食用菌产业是我国农业生产的重要组成部分，也是推动贫困地区脱贫致富的重要产业之一，现已成为我国继粮食、蔬菜、果树和油料之后的第5大产业[1]。从食用菌品种来看，有7个常见品种年产量超过百万吨，香菇、平菇、黑木耳位列前3，其后还有金针菇、双孢菇、毛木耳及杏鲍菇等，共占食用菌全年产量的85%[2]。中国食用菌产业正在实现由数量型向质量型转型升级，设施化、标准化、工厂化生产逐步取代传统家庭式栽培[3]。随着我国对食用菌产业高度重视，未来工厂化食用菌生产会有着巨大的发展潜力和广阔的发展前景[4]。但目前我国食用菌工厂化生产技术装备还存在明显不足，出菇管理、采收等环节仍主要依赖于人工作业[5]。因此，本文针对现有的菌菇机械化采收设备进行分析归纳，并重点对其工作过程和机械原理进行说明，同时对机械化采收设备的研发现状和采收性能进行了阐述，最后对我国菌菇采收设备的研发重点进行了展望。

1 工厂化食用菌栽培方式

现有工厂化菌菇种植方式主要分为苗床种植、瓶栽以及袋栽。其中，苗床种植是将培养料发酵处理后再进行铺料播种的种植方式，该种植方式能够有效降低杂菌感染率，提高蘑菇产量[6]。瓶栽主要包括拌料、装瓶、灭菌和接种4个步骤，将栽培料送入搅拌机搅拌，装瓶、灭菌，送入无菌接种室接种[7]。瓶栽菌菇具有栽培规模大，机械化程度高，生产效率高等优势。袋栽是根据不同食用菌采用不同培养基配方，搅拌均匀后装袋灭菌，将菌种接入已灭好菌的培养基中的栽培方式[8]。该栽培方式无需购买栽培架，可直接在地面堆码菌袋，且对菇房保温、保湿条件要求不严，与苗床种植方式相比，袋栽感染杂菌的概率较低。

2 工厂化食用菌采收设备发展现状

我国的食用菌工厂化生产只有40多年的历史，技术装备起步晚，起点低。由于菌菇采收作业的复杂性，机械化采收成功率低，损伤率高，自动化采收困难。现有的机械化菌菇采收设备的应用较少，蘑菇采收环节一直处于人工采摘阶段[9]。目前，我国科研人员对于菌菇机械化采收技术的研究仍处于起步阶段。国外多针对苗床栽培的菌菇采收设备进行研究，其主要依靠机械手实现菌菇的采摘。本文针对菌菇的栽培方式，将菌菇的采收设备分为苗床式菌菇采收机、瓶栽式菌菇采收机和袋栽式菌菇采收机3种类型。

2.1 苗床式菌菇采收机

苗床式菌菇采收机适用于工厂化褐菇、双孢菇等苗床种植方式菌菇的采收。国外针对苗床栽培的菌菇采收，主要基于视觉识别，依靠机械臂柔性夹爪实现机械化采收。2001年，英国Silsoe研究所[10]设计了一种蘑菇收获机器人。如图1所示，该机器人通过视觉识别系统可以自动完成蘑菇位置、大小的测量并通过末端吸盘采摘机构完成对蘑菇的采摘，但在采摘倾斜生长的蘑菇时成功率较低，其采摘成功率为75%。

图1 蘑菇收获机器人

加拿大安大略西部大学和双孢菇种植企业[11]于2013年研发了一种蘑菇收割机器，如图2所示，该机器通过无差别切割蘑菇根部实现蘑菇的采收，将采收的蘑菇输送至菇床侧方的传送带上。该机器实现了高效率、自动化的蘑菇采收，但这种采收方式对蘑菇损伤较大，且是无差别收割方式，造成了后期人工挑选、分级蘑菇的压力。

图2 双孢菇采摘机器人

国内的苗床式菌菇采收大多为人工采收[12]，研究人员对采收装置和智能化算法方面进行了积极的研究和攻关，目前存在一些实验样机，但未大面积推广应用。目前采收设备主要从采摘机构的材料、运动轨迹、末端执行器、视觉识别等因素来确保采收质量。易山林[13]设计了一种工厂化种植双孢菇自动采摘机，该采摘机主要包括移动采摘平台和辅助换层模块。该机器通过视觉识别算法对成熟蘑菇进行识别并结合采摘手爪完成采摘，通过辅助换层模块完成采摘平台的换层。但该采摘手爪为硬性塑料，采摘蘑菇时破损率较高。换层模块实体图如图3所示。

图3 换层模块实体图

应徐超等[14]研发了一种蘑菇采摘换层模块，该机器换层策略分为“接”“升降台升降”“送”3个步骤，即采摘车离开菇床进入升降平台，升降平台升降至下一待采摘层，采摘车离开升降平台，进入菇床。工作时，该机器利用倾角传感器测量平台倾角，进而调整升降平台的角度；利用高度传感器测量升降平台轨道实时高度，完成菇床轨道与升降平台轨道的对接。该机器解决了在苗床种植时，采摘车无法有效、稳定换层的问题，完善了蘑菇自动采摘系统。该装置的换层模块如图4所示。

图4 换层模块

张俊[15]设计了一种智能蘑菇采摘机器人。如图5所示，该机器主要包括采摘机械手臂、末端执行器、视觉系统、伸缩导轨系统和移动升降平台。工作时，该采摘机器人依靠移动升降平台，将伸缩导轨系统升降至目标菇床。安装在伸缩导轨系统上的机械手臂伸展开，借助视觉识别系统识别可采摘的蘑菇并通过末端执行器的柔性采摘手爪完成采摘。该机器为单臂采摘，采摘效率有待提高，但该机器为苗床种植的蘑菇采收提供了一种新思路，对促进菌菇规模化种植具有一定现实意义。

1.升降台底盘；2.万向轮；3.电气控制盒；4.动力电池；5.支撑平台；6.四串联伸缩柱；7.导轨系统支座；8.固定导轨；9.同步轮模块；10.传动同步带；11.Y方向导轨；12.X方向导轨电机；13.X方向导轨；14.Y方向电机；15.末端柔性手爪；16.采摘机械手臂

蘑菇采收的关键之一为无损采收[16]。采摘手爪多采用硅胶等柔性材料，或者采用吸盘的形式将蘑菇吸起实现采摘。卢伟等[17]设计了一种蘑菇无损采摘柔性手爪，通过该手爪可完成褐菇的自动化无损采摘。使用柔性手爪可以提高末端执行器的通用性，用以适用不同尺寸蘑菇的采摘。同时，与刚性手爪相比较，柔性手爪可以最大限度地减少对蘑菇的损伤[18]。

此外，为了提高采收成功率，研究人员对智能化检测识别算法方面进行了大量的研究，取得了较好的研究成果。Chen等[19]设计了一种双孢菇检测算法，该算法有效地减轻了菌丝体、杂草、照明不均匀和其他因素影响，能够准确检测和定位独立、粘附的蘑菇，且该算法仅需17.6ms即可处理1个图像，这比其他算法的处理时间要快得多。Yang等[20]设计了一种多臂采收机器人的多目标采摘优化算法，该采收机器人主要包括移动平台、视觉定位系统、柔性臂和控制系统。工作时，由相机扫描当前区域的蘑菇，通过视觉定位系统和控制系统驱动多个柔性臂的吸盘将蘑菇旋转或者摆动然后拉起，完成蘑菇采摘。Shi等[21]设计了一种基于深度传感的高精度场景拼接和识别方法，该方法可用于场景拼接、识别、定位和目标收获的机器人平台，平台配备了3个机械臂，以提高采收速度。机械臂末端配备了吸盘进行抓取蘑菇，以确保采收合格率。Hu等[22]设计了一种双孢菇采摘机器人控制系统，该系统包括视觉模块、采摘模块和辅助模块。工作时，摄像机到达指定位置进行拍摄和图片处理以获得蘑菇点的中心坐标。采摘机构根据获取的单个蘑菇坐标点移动到相应位置，通过旋转或吸力实现蘑菇的采摘，其采摘成功率达88%。曹景军[23]设计了一种双孢菇采摘机器人视觉系统，该系统包括图像获取、目标检测、品质分级、三维空间定位、采摘路径规划和数据传输等模块，其识别准确率达97%。双孢菇互相遮挡是未能完全定位的主要原因。施浩楠[24]设计了一种双孢菇采摘机器人，该机器主要包括上层升降模块、移动平台、机械臂执行模块、视觉模块和末端执行器模块。工作时，由移动平台移动至菇床，上层升降模块升降至待采摘层。视觉模块获取图像并对图像进行对齐和拼接，经过计算得到蘑菇尺寸和位置。由控制系统控制机械臂和末端执行器完成蘑菇采摘。

综合以上的研究成果，由表1可知，苗床种植的蘑菇识别准确率达到95%以上，平均采摘成功率在92.71%左右。单个蘑菇采摘用时在3.5s以内。但由于采摘手爪多为单爪，采收效率有待提高。

表1 苗床种植方式下菌菇的检测识别算法指标

2.2 瓶栽式菌菇采收机

瓶栽式菌菇采收机适用于工厂化金针菇、白玉菇等瓶栽式菌菇的采收，主要包括上下料机构、末端执行机构以及控制系统。该种机器一般由人工上下料，由控制系统配合末端执行器完成采摘、切根等工序。杨威[25]设计了一种瓶栽金针菇自动采收包装系统，如图6所示，该机器主要包括瓶筐分离机、采收机和瓶筐收集机。工作时，由工人上料，将装有4×4的瓶栽金针菇培养筐放置在输送带，输送至瓶筐分离机。瓶筐分离机上的夹取装置夹紧培育瓶，升降输送装置下降，实现瓶筐分离，空筐被输送到瓶筐收集机处。夹紧装置松开夹爪，培育瓶由输送装置运输至采收机。采收机的主旋转体安装有12个抓手，通过机械结构完成金针菇的采摘、切根工作。采收后的金针菇被输送至运输线上，空瓶被输送至瓶筐收集机。该机器大大提高了金针菇采收的效率，达到了7200瓶·h-1的采收效率，减轻了工人的劳动强度。但采摘、切根等关键技术并未涉及，而这正是当前瓶栽菌菇采收的核心问题。

图6 自动采收样机

高文硕[26]设计了一种瓶栽金针菇采摘机器，如图7所示。工作前，由人工上料。工作时，2个夹持机构成对分布，用来夹紧培育瓶。机械手夹紧金针菇向上拔拉，达到脱瓶效果。该机器虽然一次只能完成1瓶金针菇的采收且没有切根工序，但为后续机械化瓶栽菌菇采收提供了采摘思路，这种拔拉采摘方式应当是研究的重点。

图7 瓶栽金针菇采摘机械

赵俊[27]设计了一种瓶栽金针菇自动采收机器。该机器主要包括末端执行器、机械臂和传送机构组成。工作前由人工上料，由输送带将整筐金针菇输送至工作区域，输送带两侧设有V型块用以夹紧培育筐。工作台两侧安装有1×4的硅胶夹爪用来夹紧培育瓶并进行晃动，使金针菇和培育瓶松动，夹爪向上运动，使培育瓶和金针菇分离。采摘工作时，另一侧机械手完成相同工作，可以同时实现8瓶菌菇采摘。该机器通过摇晃金针菇使其松动再进行拔拉，减少了对金针菇的损伤，大大提高了采摘效率，但仍没有切根工序且上下料仍需要人工辅助操作。整机三维结构图如图8所示。

图8 整机三维结构图

周顺[28]设计了一种瓶栽白玉菇采收装置。该机器主要包括机械臂、夹持导向装置、切根装置、锁菇定位装置和运输装置。工作时，由夹持导向装置夹紧培育瓶，机械臂夹持白玉菇拔拉使瓶菇分离，将蘑菇固定在锁菇定位装置，由下方切根装置的链式回转切刀进行切根，根部被输送至废料收集装置。该机器实现了菌菇的采摘和切根，但仅能单瓶采摘，采摘效率较低。链式回转切刀为后续菌菇切根工序的研究提供了思路。采收装置三维结构图如图9所示。

1.机架；2.链式回转切根装置；3.废料收集装置；4.锁菇定位装置；5.柔性夹持导向装置；6.六自由度机械臂；7.横向输运装置；8.PLC控制柜

与苗床式菌菇采收机相比，瓶栽式菌菇采收机多为固定式生产线，这样有助于提高生产效率，提高设备稳定性。且工厂化下的菌菇已有规范大小的培育筐和培育瓶种植，对于菌菇规范化采收提供了必要条件。在菌菇采收中，通过摇晃培育瓶再拔拉菌菇的方式可以顺利实现瓶菇分离，减少菌菇采收破损率。现有研究人员对瓶栽菌菇的瓶菇分离、切根等工序的尝试多种多样，但仍未达到理性效果，采收效率仍有待提高。

2.3 袋栽式菌菇采收机

袋栽式菌菇采收机主要依靠机械手视觉识别系统和智能控制系统完成采摘，也有依靠略大于菌袋直径的套筒将菌菇刮下的采摘方法，其适用于工厂化平菇、香菇等袋栽菌菇的采收。

Anant等[29]设计了一种室内蘑菇采收机。为了环保，研发人员用可重复使用的塑料桶代替一次性袋栽塑料袋。如图10所示，工作时，该机器通过视觉识别算法识别可采摘的蘑菇，由气缸带动机械臂末端切刀实现蘑菇的采收。这种采摘方式对视觉识别算法要求很高，对于遮罩下的蘑菇识别耗时较长，采摘效率较低。

图10 采摘机械手

Rong等[30]设计了一种蘑菇收获机器人，如图11所示，该机器人主要由采收模块、控制模块和移动平台组成。其中，移动平台长宽约为7.7m和1.4m，高为1.2m。采收模块安装于平台上方，依靠平台上的导轨进行移动，整个平台安装有4个采收模块。采收模块依靠视觉识别来识别可采收蘑菇，机械臂末端装有四指柔性夹爪，采用先爪再转的方式采摘蘑菇。该机器4个机械爪可同时采摘，采收效率较高，但只能安装于大棚地面一层培育式的袋栽菌菇，采收场景受到限制。

1.采收模块；2.控制单元；3.驱动轮；4.储物篮放置区

王盼等[31]设计了一种多功能木耳培育收获机，如图12所示，该机器主要包括3×6伸缩抓手和圆柱形套筒。工作时，抓手抓住培育袋往上提，通过略大于培育袋的圆柱形套筒，将木耳刮下，实现木耳的采收，这种采摘方式会损坏菌类，提高破损率并降低合格率。

图12 收获机三维图

现阶段的袋栽式菌菇采收机多为专利概念机，或者尚处于试验阶段，未能大规模应用。同时，所描述的采收机均需要人工进行上下料，自动化程度不高。

3 存在问题

随着人工采收菌菇成本的逐渐提高，现有的菌菇采收机械远远达不到工厂化菌菇采收的需求。当前的菌菇机械化采收技术仍存在很多问题。

3.1 现有设备采收效果差

苗床式菌菇采收机其主要依靠视觉识别进行菌菇采摘，但对识别算法调教的难度较高，对于重叠、倾斜、遮盖蘑菇的识别又比较费时，高精度的物体动态跟踪仍然是一个未解决的问题[32]。瓶栽式菌菇采收机对于瓶菇分离和切根技术仍不成熟，尚未研发出集切根和瓶菇分离为一体的采收设备；袋栽式菌菇采收机多采用刮板或套筒来刮下菌菇，虽然这样采收效率较高，但这种采收方式对蘑菇损伤较大且采摘难度较大，而采用机械手采摘则会极大地限制采收效率。

3.2 现有设备适用性低

现有菌菇采收设备与菌菇采收适用性较低。在瓶栽菌菇采收中，一些菌菇植株比较粗壮，用来夹紧菇体的夹紧装置会由于夹紧力过大而损伤蘑菇；有些蘑菇的培养基过厚或者过薄，在切根时切刀会切去过少或者过多的根部进而影响采收合格率。有些苗床培育的菌菇，倾斜、重叠、遮盖生长，采摘难度较大。现有采收设备对于不同品种菌菇的采收适配性研究较少，菌菇品种差异性也少有考虑。

3.3 研发难度大

我国菌菇自动化采收设备的研发尚处于起步阶段，对于设备研发的投入较少。虽设计出许多机械但大多处于概念机或者试验阶段，难以大规模工厂化应用。苗床式菌菇采收机对于视觉识别算法要求较高，同时换层设备也是研究的一大难题。瓶栽菌菇的采收设备在整筐采收、切根、瓶菇分离上的研究具有很大的挑战性。袋栽菌菇采收机在菌菇精准采收、高效采收方面仍面临许多问题。

4 发展趋势

4.1 采收设备标准化

我国工厂化菌菇产业发展已经趋于平稳，相关机械设备的研发逐渐增多，生产技术在不断发展。但装备制造企业的生产技术标准和规范互不相通，许多零件、装置和设备互不兼容，这限制了标准化采收设备的研发和菌菇产业机械化发展。制定出国家产业规范或标准成为迫切需要，这样不仅能规范设备的研发生产，还能大大减少企业和农户维修机械成本，促进菌菇产业持续、良性发展。

4.2 采收设备智能化

目前可用的采收方法无法满足食用菌领域数字化和智能化的要求[33]，因此通过互联网技术、计算机技术、智能控制技术、大数据等关键技术的应用，自动化采收设备能够实现设备防盗、故障检测、参数监测、智能控制和感应、远程操控等功能，可以有效减少运行和维修成本，提高设备稳定性和生产效率，促进工厂化菌菇产业的智能化发展。

4.3 采收设备一体化

我国对菌菇采收设备的研发越来越重视，研究人员也在不断尝试各种采收设备的研发与试验。但对于菌菇采收的上下料、出菇管理等环节仍主要依赖于人工作业，机械化程度不高。通过开展成套化、机械化装备的研发，实现从原料搅拌、接种到上架采收再到分级包装一体化生产，建立自动化智能生产线是未来菌菇产业发展的必然趋势。

5 结语

采收作为菌菇产业发展的必要环节，是菌菇规范化、标准化、工厂化生产的关键。本文梳理了国内外工厂化食用菌生产的3种模式，对比分析现有采收技术和装备的特点和不足，指出我国当前工厂化食用菌采收成功率低、损伤率高等问题，给出促进大规模采收技术标准化、智能化、一体化的建议。未来一段时间，将完善菌菇采收的理论性研究，形成系统的、完整的菌菇理论体系。突破瓶栽菌菇的瓶菇分离、切根工序，袋栽菌菇采收准确率及破损率，苗床种植菌菇采收效率、视觉识别算法等关键问题，促进菌菇产业一体化发展。