紅花不僅是一種重要的油料作物，在工業(yè)、飼料、制藥等領(lǐng)域也有重要的應用價值。紅花具有多茬采收特性（3-5次），采收窗口期短且勞動力需求大。若未能及時采收，會導致花絲枯萎并影響后續(xù)開花，進而降低產(chǎn)量和品質(zhì)。作為機械化采收的核心部件，末端執(zhí)行器的性能直接決定了花絲采收效率和質(zhì)量。同時，花絲的物理特性（如形態(tài)和含水率）會隨開花后天數(shù)發(fā)生動態(tài)變化，對采收設(shè)備的設(shè)計提出了更高要求。因此，優(yōu)化和創(chuàng)新末端執(zhí)行器以保證花絲采凈和完整性，降低花絲破損成為提高紅花機械化采收水平的技術(shù)難點。

新疆農(nóng)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Development of a rotary push-cut-type negative-pressure-airflow end-effector for harvesting safflower filaments的研究論文。

該研究提出了一種推攏-旋切式負風壓采收紅花絲的末端執(zhí)行器，采用阿基米德螺旋線和對數(shù)螺線設(shè)計的刀具結(jié)合負壓氣流的方式，對散亂、柔軟的紅花絲完成高效聚攏、低損切割與同步收集的采收作業(yè)。通過構(gòu)建刀具-花絲切割力學模型和切割腔室流場仿真模型，理論分析了刀具推攏、旋切過程中花絲的受力與運動特性以及氣流場分布規(guī)律，確定了滑切角、刀具進給速度和負壓氣流速度等關(guān)鍵參數(shù)及其影響因素。以花絲采凈率、破損率和掉落率作為評價指標，進行單因素試驗和Box-Behnken中心復合試驗，獲得了試驗因素與評價指標間的二次回歸數(shù)學模型，闡明了各因素對采收效果的交互作用規(guī)律。

推攏-旋切式紅花采收機器人整機結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。主要由推攏-旋切式末端執(zhí)行器、集花系統(tǒng)、紅花檢測系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)、空間定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)組成。其中推攏-旋切式末端執(zhí)行器與紅花檢測系統(tǒng)固接于空間定位系統(tǒng)調(diào)整平臺，通過花絲輸送管道與集花系統(tǒng)連接。中央控制系統(tǒng)通過螺栓連接在移動系統(tǒng)側(cè)面。集花系統(tǒng)安裝在移動系統(tǒng)底部。作業(yè)時，為保證攝像頭和數(shù)據(jù)采集工作，紅花檢測系統(tǒng)的需要計算機為數(shù)據(jù)采集工作提供算力，獲取紅花空間位置信息，傳輸至中央控制系統(tǒng)。調(diào)整空間定位系統(tǒng)使推攏-旋切式末端執(zhí)行器對準紅花絲進行采收作業(yè)，切割后的花絲在集花系統(tǒng)作用下完成收集。推攏-旋切式末端執(zhí)行器為采收機的關(guān)鍵部件，主要包括步進電機、上殼體、旋切刀、集花管、花絲擬合錐面和下殼體，如圖1（b）所示。旋切刀與步進電機連接，可根據(jù)作業(yè)需求調(diào)節(jié)刀具轉(zhuǎn)速。

圖1  推攏-旋切式紅花采收機器人整機結(jié)構(gòu)如圖

首先，檢測出的花絲進入喂入?yún)^(qū)的花絲擬合錐面。將果球擋至花絲擬合錐面外側(cè)，花絲匯聚到切割腔室內(nèi)。同時末端執(zhí)行器的切割口對準花絲。然后啟動電控系統(tǒng)和負壓收集系統(tǒng)。切割區(qū)的旋切刀對紅花絲進行推攏和旋切。最后已切割的花絲經(jīng)收集區(qū)的花絲輸送管道輸送至花絲收集箱。

末端執(zhí)行器作業(yè)時，當花絲喂入末端執(zhí)行器的采收腔室（圖2（b）Initial stage），步進電機驅(qū)動旋切刀推攏花絲向定刀推動，聚攏散亂的花絲（圖2（b）First stage）。然后，動刀與定刀配合，完成縮頸的低速支撐切割（圖2（b） Second stage），防止切割時造成花絲的多次傷害。同時，保持切割腔室內(nèi)切割花絲被負壓氣流吸附，運送至收集箱（圖2（b）Third stage），并在慣性和重力作用下沉降。

（a） 旋切采摘流程圖

（b） 旋切流程圖

圖2  推攏-旋切式紅花絲采收流程示意圖

為確保推攏-旋切式負風壓采收紅花絲末端執(zhí)行器具有更好的工作性能，本文根據(jù)高采凈率、低破損率、低掉落率的采收目標，對采收裝置的結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進行優(yōu)化，利用Design-Expert中進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)與約束條件為：

在適當?shù)哪Ｐ瓦x擇上，以花絲采凈率最高，花絲破損率y2最低，花絲掉落率y3最低為優(yōu)化目標，進行了多目標優(yōu)化。當滑切角為32.20°，刀具進給速度為31.27 mm/s，負壓氣流速度為4.57 m/s，紅花的采收效果最佳。此時，模型預測采凈率為93.47%，破損率為6.94%，掉落率為4.33%。

圖3 田間試驗過程和結(jié)果

最終確定最優(yōu)參數(shù)組合為滑切角32.20°、刀具進給速度31.27 mm/s、負壓氣流速度4.57 m/s。在最優(yōu)參數(shù)組合下進行田間試驗，花絲采凈率、破損率和掉落率分別為93.50%、7.02%和4.43%。理論值與實際值高度吻合，驗證了模型的準確性，表明最優(yōu)參數(shù)組合可滿足實際應用要求。研究結(jié)果為其他易損多茬作物（如茶葉、芍藥等）的機械化采收裝備研發(fā)提供了創(chuàng)新性技術(shù)參考。

新疆農(nóng)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，2024屆碩士研究生邢振宇（現(xiàn)為南京農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院博士生）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）、中央引導地方科技發(fā)展資金（ZYYD2025ZY11）、江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)重點實驗室項目（MAET202305）、以及新疆農(nóng)業(yè)大學研究生科研創(chuàng)新計劃項目（XJAUGRI2023021）等項目的資助。同時，感謝新疆伊犁云光紅花種植農(nóng)民專業(yè)合作社譚云光理事長、新疆智能農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室以及合作共建的新疆察縣紅花科技小院在進行田間實驗過程中提供的幫助。