紅花是一種在世界范圍內廣泛種植的經濟作物，由于其含有天然色素和活性成分，具有很高的商業(yè)價值。紅花花絲的機械化采收是一項技術性、季節(jié)性的工作。在紅花采收過程中，機械采收高含水率的紅花，造成花絲破損率高，果球破損，嚴重限制了紅花產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在保證去除率的同時減少果球和斷絲，成為提高紅花機械化采收水平必須攻克的技術難關。

新疆農業(yè)大學機電工程學院（新能源學院）張振國副教授團隊在《International Journal of Agricultural and Biological Engineering》在線發(fā)表一篇題為 A clamping root-cutting end-effector for harvesting fresh safflower的研究論文。

該研究提出了一種用于高含水率紅花采收的夾持根切式末端執(zhí)行器，采用對輥預夾緊紅花絲、刀具根切的方式完成紅花采收作業(yè)。通過構建對輥-刀具-花絲切割的力學模型，理論分析采收過程，確定影響末端執(zhí)行器性能的關鍵因素為刀具進給速度、對輥旋轉速度和對輥間隙。以花絲采凈率和破損率作為評價指標，進行中心復合設計試驗，獲得試驗因素與評價指標間的數學模型，并通過多目標優(yōu)化回歸模型獲取最優(yōu)參數組合。

如圖1所示，紅花收獲機器人的結構包括移動系統(tǒng)、花絲收集系統(tǒng)、夾持切根末端執(zhí)行器、空間定位系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等。根據花絲運動狀態(tài)，紅花收獲過程分為4個工作階段。在第一階段，中央控制系統(tǒng)調整末端執(zhí)行器的位置。空間定位系統(tǒng)將末端執(zhí)行器移動到紅花果球的頂部，如圖1 a所示。在第二階段，空間定位系統(tǒng)繼續(xù)向下移動。在負壓氣流的作用下，花絲被卷起并保持垂直狀態(tài)，花絲的鋪展度明顯減小。花絲被卷入夾緊機構，切根機構處于打開狀態(tài)，如圖1 b所示。在第三階段，中央控制系統(tǒng)啟動切根機構的步進電機。切根機構切斷紅花頸部，花絲與果球分離，如圖1 c所示。在最后階段，花絲被完全卷入夾緊機構。最后，花絲在負氣流的作用下進入花絲收集箱，如圖1 d所示。

圖1  紅花收獲機器人

夾持機構和根切機構是末端執(zhí)行器的核心部件。圖2的結構中顯示了決定細絲夾緊和根部切割效果的關鍵部件。它主要由雙滾筒、切根刀片、保持器、刀片滑道、支撐板等組成。在采收作業(yè)過程中，夾持機構實現了紅花的預夾持。隨后，切根機構的切根刀片沿著刀片滑道運動，實現對紅花細絲的切割。最后集絲系統(tǒng)通過負壓氣流將紅花花絲收集起來。

1.切刀導向裝置 2.上切刀 3.紅花 4.下切刀 5.果球對花罩

圖2  夾持根切組件結構示意圖

基于各顯著項交互作用對于響應指標交互作用的影響，由于各響應指標隨對輥轉速、切刀進給速度和對輥間隙的變化規(guī)律不同，需建立參數優(yōu)化數學模型。根據響應分析，各因素對花絲采凈率和花絲損壞率的影響各不相同。因此，通過多目標優(yōu)化方法獲得了花絲收割性能所需的最佳參數組合。優(yōu)化目標為最高的花絲采凈率和最低的花絲損壞率。規(guī)劃的目標函數和約束條件如式（1）所示。

利用Design-Expert 軟件求解公式(5-5)，得出影響因素的最佳參數組合如下：轉速為318 r·min-1，滾筒間隙為0.6 mm，刀片進給速度為40 mm·s-1。在這種情況下，花絲采凈率和花絲損壞率的優(yōu)化參數分別為91.06% 和5.31%。

圖3 紅花絲采收機及關鍵部件試驗過程

最終確定最優(yōu)參數組合為刀具進給速度40 mm/s、對輥旋轉速度318 r/min、對輥間隙0.60 mm。在最優(yōu)參數組合下進行田間試驗，花絲去除率和損傷率分別為91.25%和5.57%。與預測值的相對誤差不超過5%，理論值與實際值相近。驗證了模型的準確性，最優(yōu)參數組合可滿足實際應用要求。表明所設計的末端執(zhí)行器能夠實現高采凈率、低破損率的花絲采收。研究為高含水率紅花低損傷采收提供了重要的理論參考。

新疆農業(yè)大學機電工程學院（新能源學院）張振國副教授為論文的第一及通訊作者，碩士研究生曾超等為主要完成者。該研究得到了國家自然科學基金(項目編號：32460449、52265041和31901417)、中央引導地方科技發(fā)展資金（ZYYD2025ZY11）等項目的資助。同時，該研究還得到了新疆云光紅花種植農民專業(yè)合作社、新疆智能農業(yè)裝備重點實驗室、新疆察縣紅花科技小院提供地支持。