科创中国

山东农业大学机械与电子工程学院苑进教授团队开展了白芦笋选择性高效采收的研发工作——创汇型特色农产品芦笋选择性高效采收机器人。国内外白芦笋收获仍以人工采收为主，笋芽脆嫩易损伤，机械化采收难度极大，成为产业发展瓶颈。本项目突破了国外白芦笋原位采收方案的弊端，实现了原位采收到非原位采收的跨越。通过农机农艺结合，进一步自主创新，形成白芦笋标准化与智能化生产，装备具有小型化、自动化程度高、成本效益高的特点，易于推广。在芦笋种植基地建立核心示范区，开展应用示范，迭代优化芦笋选择性采收关键零部件及整机装备，形成机艺融合的白芦笋生产全程智能化生产的关键技术体系，促进芦笋产业增产增收。

笋尖识别准确率是机器能够进行成功采收的关键因素，采收效率与采收质量是机器能否成功推广的决定因素。我们采用了以下指标并评价了技术应用效果：笋尖的识别准确率≥90%，采笋长度≥22cm，漏采率≤6%，芦笋损伤率≤8，单次笋芽采收速度大约是人工采收速度的3倍。

关键技术：一、笋尖目标识别与定位。针对白芦笋选择性采收中，笋尖与垄面存在纹理和颜色相近、垄面笋尖多场景识别的鲁棒性不足等视觉识别难题，提出了YOLO5-Spear和基于重采样的图像增强算法，实现了不同场景下笋尖识别与定位，较好地解决了农业机器人机器视觉在自然环境下识别泛化性较弱的问题，大幅提高了待收获目标识别的准确率。模型仅有6.8M，每秒处理图像71帧，适合嵌入式系统应用，完全满足实时检测要求。二、末端执行器构型和采收模式。笋芽地下生长对采收模式和末端执行器的设计提出了极高的要求，该研究考虑采收过程与机器行走的运动协同，首次提出了不停车、非原位、网捞采收新模式，突破国外“不停车+原位采收+运动补偿”的采收方案弊端，实现了从原位采收到非原位采收的跨越，从源头上解决了机器行走与原位采收的动静矛盾，实现了机器人的选择性高速采收。三、高效采收智能控制。提出了平台移动、笋芽定位和采收作业“走-看-采”协同的控制策略，构建了基于力反馈的低损伤采收控制方法，研究了采收区域多目标的高效采收路径算法，并针对高速低损采收，实现了设计与作业参数空间交替迭代的多目标鲁棒优化，解决了高速采收性能不稳定、参数敏感等问题。开发了基于ROS的多机械臂选择性采收智能控制系统，创制了白芦笋选择性采收机器人。技术基本成熟，经过了大田试验验证，处于小批量试产的初期。

芦笋富含营养且具有抗癌保健功效，被誉为“蔬菜之王”，目前国际上白芦笋采收仍以人工作业为主，采收时间长，劳动强度大，效率非常低。白芦笋地下生长，不断抽发成熟，脆嫩易损伤，高效机械化采收是国际性难题，已成为制约芦笋产业发展的瓶颈。针对以上问题，我们的技术创新如下：

1、提出基于深度学习的笋芽快速识别与定位方法，满足复杂农田环境下笋芽检测的鲁棒性，实时性要求。针对白芦笋选择性采收中，笋尖与垄面存在纹理和颜色相近、垄面笋尖多场景识别的鲁棒性不足等视觉识别难题，提出了YOLO5-Spear识别模型和基于重采样的图像增强算法，实现了不同场景下笋尖识别与定位，较好地解决了农业机器人机器视觉在自然环境下识别泛化性较弱的问题，大幅提高了待收获目标识别的准确率。模型仅有6.8M，每秒处理图像71帧，适合嵌入式系统应用，完全满足实时检测要求，为选择性采收清除了识别障碍。

2、研究“土-笋-器”互作耦合机理，提出末端执行器结构与采收作业的多目标优化控制策略，提高采收精度。针对芦笋脆嫩多汁、易断易损伤的特点，以及土中作业过程中的一些参数难以有效测量的难点，该研究创新设计了高效采收模式、创制低损伤刚柔耦合拉切末端执行器(PCEE)，通过前行入土、拉切、出土、抛射4个子过程实现高效、低损伤的一体化作业过程，整个采收过程笋芽由土壤包裹损伤概率极小。通过建立PCEE-土壤-笋模型，利用双向耦合MBD-DEM (Multi-Body Dynamics and Discrete Element Method，多体动力学与离散单元法)仿真采收过程，分析了末端执行器的运动学和动力学特性，明确了高速采收过程中末端执行器的构型变化以及部件-土-笋之间的互作耦合机理和粒子的运动规律，对末端执行器的结构设计、作业参数优化、采收性能提升具有重要的理论依据。

3、提出平台移动、笋芽定位和采收作业“走-看-采”协同的控制方法，提高作业效率，降低漏采率。

本项目实施之前，经过多次实地调研与市场调查、全面地了解产业与客户的需求，对设备的结构和功能进行了详细的规划与完善，后期对设备的使用效果进行了宣传。

（1）目前国内芦笋种植面积达160万亩，收获装备需求量大，项目组已达成与具有现代农机优势企业合作意向，市场前景非常好。项目实施致力于打造面向国内外的白芦笋智能化采收装备生产基地，目标客户主要面向芦笋种植企业和家庭农场以及芦笋种植合作社。

（2）项目在已取得知识产权的基础上，通过农机农艺结合，进一步自主创新，形成白芦笋选择性收获装备的自主知识产权布局，形成白芦笋标准化与智能化生产。项目完成后，建立核心示范基地2个，芦笋智能化采收验证面积达1000亩以上，综合技术模式推广将辐射带动50万亩以上。项目实施将颠覆在芦笋收获环节只能依靠人工采挖的生产模式，形成芦笋标准化与智能化生产，提高芦笋产业的国际竞争水平，引领整个芦笋产业高速发展。

（3）我国芦笋产业已成为具有国际竞争优势的新兴产业。据国际芦笋协会和中国园艺学会统计，我国是芦笋最大生产国出口国。白芦笋已成为我国加工出口贸易额最大的单一蔬菜品种，年产值超过100亿元。通过建立适于机械化采收的芦笋高产标准化生产模式，提升芦笋产量，促进白芦笋产业提档升级，整体提高我国白芦笋产业的核心竞争力，实现我国出口创汇特色的芦笋产业由大到强的战略转变。

（4）近年来，随着我国人们生活水平不断提高，食用芦笋渐成风尚，传统生产模式下的芦笋产量难以满足国内国外的需求，通过机械化、智能化采收，对促进芦笋的持续、高效发展具有十分重要的意义，在国内外市场上具有很大的发展潜力。

与国外研发的设备相比，无需运动补偿的采收模式，考虑了采收过程与机器行走的运动协同，将提升采收速度体现在采收模式中，技术具有先进性。

目前设备处于研发投入阶段，已投入50万元，在白芦笋种植基地进行了大田试验，完成了各项功能的验证。单次笋芽采收速度大约是人工采收速度的3倍，且作业效果与人工相当，芦笋种植农户具有很高的满意度。

通过功能演示、田间试验、后期宣传，对接了白芦笋种植企业，获得了大量的潜在客户。亟需机器能批量生产，投入使用，使农民从复杂繁重的劳动中解脱出来，实现“机器替人”的自动化采收。对促进芦笋的持续、高效发展具有十分重要的意义。

苑进，博士，山东农业大学机电学院教授，博士生导师，山东省科技特派员，中国农业机械学会人工智能分会副主任委员，基础技术分会委员，中国仪器仪表学会嵌入式分会委员，山东省农业工程学会青年科技工作委员会副主任，泰安市智能制造产业委员会专家组成员。近年来在智能农机装备、精准农业和机电控制等学科主持和参与了863重点项目、国家重点研发计划子课题、科技部成果转化项目、工信部重大专项、国家自然科学基金、中国博士后基金等20余项科研课题。在项目研究过程中负责总体方案的确定和关键技术的研究。

刘雪美，博士，山东农业大学机电学院教授，博士生导师，科技部项目评审专家。山东省优秀博士学位论文获得者，山东农业大学1512人才培养项目第2层次。山东省现代农业产业技术体系棉花机械岗位专家，科技部高级专家库项目评审专家。在项目研究过程中负责总体方案的确定和关键技术的研究。

张萍，博士研究生在读，山东农业大学机电学院讲师。在项目研究过程中负责采收机器人目标识别与采收控制研究。

刘林，工学博士，山东农业大学机电学院讲师，在项目研究过程中负责软硬件方案设计及实施。

张琦，硕士研究生在读，在项目研究过程中负责装置整机加工与调试。

为了研发该成果所投入的各类经费如下：

科  目 经费（万元） 备注

一 研究经费 15

1.科研业务费 7

（1）测试/计算/分析费 3

（2）能源/动力费 1

（3）会议费/差旅费 1

（4）出版物/文献/信息传播费 2 论文版面费，专利费用以及资料打印、复印费等

（5）其他

2.实验材料费 6

（1）原材料/试剂/药品购置费 6 机器加工等材料

（2）其他

3.小型仪器设备费

（1）购置

（2）试制

二 国内外交流与协作费

三 劳务费 2

四 管理费

合  计 15

已经取得的收益：正在与菏泽巨鑫源公司洽谈合作事宜。在在菏泽、潍坊等地开展芦笋选择性收获作业试验验证，试验结果表现良好。

针对尚需完善的技术：相关研究技术已经得到完善。

成果在推动科学技术进步，保护自然资源或生态环境；保障国家和社会安全；改善人民物质、文化、生活及健康水平等方面所起的作用：因芦笋营养价值高，在国际国内市场需求旺盛且我国是世界最大的芦笋生产和出口国，采笋劳动力成本占生产总成本的60-70%，本课题成果如进行推广，将大大降低芦笋生产成本，预计为农民多创收2000-3000元/亩，将为20-25万芦笋种植农民减负增收；提高芦笋产业的国际竞争水平，促进芦笋种植合作社的发展规模，促进社会和谐稳定，助力绿色山东建设；提高芦笋出口创汇核心竞争力；国内芦笋种植面积达160万亩，占全球收获面积的50%，产业规模逐年增大，装备的研制对促进芦笋的持续、高效发展具有十分重要的意义，变传统粗放式的农业生产方式为精准化的现代化农业生产方式。

在技术转让方面：提供详细的专利信息和产品技术，允许受让方使用或复制出让方技术。为保障转让合法权益，出让方与受让方签订具有法律效力的合同，明确双方的权利和义务。同时，出让方将积极协助受让方解决技术实施中的问题，以保证技术转让的成功实施。

在技术入股方面：出让方将以技术成果作为投资，与受让方共同经营科技成果。通过技术入股，出让方将获得更多的资金支持和技术研发优势，同时与受让方共同分享技术成果和商业利益。为保障双方的合法权益，出让方将与受让方签订明确的合同，明确技术入股的比例和权益分配。

在技术合作方面：与具有互补技术的公司或研究机构开展合作，共同经营科技成果。通过技术合作，可以共享资源和技术优势，降低研发成本，缩短产品上市时间。为保障合作的顺利进行，将与合作伙伴建立良好的沟通机制和合作框架，共同制定合作计划和实施方案。

在资金需求方面：寻求风险投资、政府资助、银行贷款等多元化的资金来源，以支持研发和产业化进程。同时，制定合理的资金使用计划和预算，确保资金的有效利用和合理分配。

在成果转化方向、目标的希望和要求方面：密切关注技术进步和行业动态，选择具有商业前景和竞争优势的合作单位开展成果转化。同时，根据实际情况和市场需求，灵活选择合适的转化方式，以实现技术成果的商业价值和推动社会进步。