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本研究针对水培生菜收获中异常叶自动化去除的瓶颈问题，基于人工去除动作提取旋转与平移核心动作，设计六种机械去除方案及双模式多功能末端执行器。实验表明，垂直平面大角度旋转分离模式成功率88.14%、偏移率44.53%、耗时2.864秒，并验证其在非固定场景下的可行性，为垂直农业全流程自动化提供技术参考。
余天成|陈进|江焕宇
浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058，中国
摘要
自动去除水培生菜中的异常叶片是实现商业化收割全流程自动化的关键瓶颈。基于人工去除动作，本研究确定了旋转和平移为核心基本动作，提出了六种候选的机械化去除方法，这些方法可以单独使用或组合使用。为所有候选方法开发了一种具有双模式配置和多模式操作能力的新末端执行器，并将其安装在机械臂上，以构建性能测试平台。以去除成功率、标准化中心欧几里得偏移率和单叶操作时间为核心指标，通过系统比较实验评估了不同模式的综合性能。在固定生菜条件下的实验表明，垂直平面模式下的大角度旋转分离效果最佳：去除成功率为88.14%，偏移率为44.53%，操作时间为2.864秒。该模式适用于顺序进行根部切割和叶片去除的过程，并且可以根据偏移特性在每次操作后进行校准，从而减少操作频率和总操作时间。在非固定场景下的验证表明，其去除成功率（88.68%）和操作时间（2.864秒）与固定条件基本相当，但偏移率超过200%，需要在每次操作后重新定位。这一结果首次验证了非固定条件下的自动化去除的可行性，为构建并行的根部切割和叶片去除过程提供了支持。总之，所提出的末端执行器和最佳模式能够灵活适应不同的生产场景，为改进垂直农业中的水培生菜自动化生产链提供了重要的技术参考。
引言
垂直农业是现代农业发展的核心方向。它得益于高土地利用率、不受自然环境限制以及精确的生产周期控制，已成为大规模种植叶类蔬菜的主流模式（Ji等人，2023年；Kozai等人，2013年；van Delden等人，2021年；Wu等人，2025年）。作为垂直农业中的代表性叶类蔬菜，水培生菜因其生长周期短、无污染品质和高单位产量而在新鲜农产品零售、餐饮供应链和加工食品中得到广泛应用，市场需求稳步增长（Ares等人，2021年；Jaeger等人，2023年；Lin等人，2022年；Yang等人，2024年）。
在水培生菜的商业生产中，收获过程中去除异常叶片（黄色、枯萎和腐烂的叶片）是确保产品质量和商业价值的关键步骤（Wu等人，2021年；Yang等人，2023年）。异常叶片不仅会缩短保质期，还会降低商品等级和市场价格。因此，在根部切割后和包装前精确去除异常叶片是水培生菜行业实现“高质量高价格”的核心保障，也是当前大规模生产中亟需突破的关键技术瓶颈。
目前，垂直农业中的水培生菜自动化生产已经涵盖了根部切割收获和包装等核心环节。在收获设备研究方面已经取得了阶段性突破，商业包装设备也趋于成熟（Bashir等人，2024年；Jia等人，2026年；Ma等人，2020年；Ma等人，2023a年；Mulholland等人，2024年）。相比之下，异常叶片的去除仍然主要依赖人工操作，自动化技术的探索仍处于初级阶段，缺乏可扩展的应用解决方案。Hughes等人（2018年）提出了首个机器人生菜叶片剥离系统，该系统通过软垫板调整生菜姿态，然后利用空气吸嘴去除外层叶片。然而，其操作成功率仅为50%，实用性有限。Ma等人（2024年）将异常叶片去除装置集成到根部切割收获设备中，形成了根部切割和叶片去除的串联操作过程。采用了“四指夹具-空气吸盘升降管-两指夹具”的多末端执行器方案：四指夹具用于固定生菜，空气吸盘升降管协助提升叶片，两指夹具通过“翻转-撕裂-扭转”的复合轨迹完成叶片去除。然而，多个末端执行器的协调控制导致系统复杂度和操作成本较高。总之，现有技术存在显著局限性：以空气吸盘为核心的双末端执行器方案成功率较低，而多末端执行器方案则面临控制复杂和成本高的问题。核心问题在于缺乏针对末端执行器配置的优化。因此，减少末端执行器的数量并优化抓取和分离机制是该领域的研究重点。
机器人末端执行器已广泛应用于农业场景，如授粉（Gao等人，2023年；Lam和Hickey，2025年；Xie等人，2025b年）、移栽（Liu等人，2024a年；Liu等人，2024b年）以及水果和蔬菜收获（Kang等人，2024年；Tang等人，2026年；Williams等人，2020年；Xie等人，2025a年；Zhang等人，2025年）。其中，通过仿生设计人类动作并模拟人类操作逻辑来开发末端执行器是一个关键的研究方向。尽管人类劳动动作涉及复杂的多关节协调，但它们具有高度适应性和效率的优势。将这些动作转化为机器人操作需要工程简化，包括提取核心逻辑并消除冗余的自由度，以实现轻量化和工程实现，这正是“仿生人类操作和适应性工程简化”原则的核心。这一原则已经得到验证：Huang等人（2021年）基于手动采蘑菇的动作提取了三种简化方法，并设计了一种多模式末端执行器；Gao等人（2024年）总结了樱桃番茄采摘的四种方案，并确认“拉扯-扭转”为最佳模式；Li和Liu（2023年）确定了梨收获的核心方法是拉扯，并基于人类手指机制进行了建模；Ma等人（2023b年）基于水培生菜的手动“拉扯-切割”方法构建了一个由四指软夹具和气动剪切器组成的末端执行器系统，实现了自动化收获。尽管关于水培生菜异常叶片去除的机器人抓取机制的研究相对较少，但上述水果和蔬菜收获末端执行器的开发经验为这类专用末端执行器的结构设计和性能优化提供了重要的理论参考和技术指导。
本研究以“仿生人类操作和适应性工程简化”为核心原则，解决了现有技术中的问题，并研究了水培生菜异常叶片去除专用末端执行器的设计和优化。重点关注末端执行器的简化和操作模式的创新，设计了两种方案进行对比验证：方案1采用简化的双末端执行器架构，“一个末端执行器用于固定，另一个末端执行器用于精确去除叶片”，模拟“一只手固定，另一只手操作”的人类操作模式；叶片去除末端执行器配置了六种操作模式，并通过实验选择了最佳模式。此外，还提出了方案2，该方案省略了专用的固定末端执行器，仅使用单个叶片去除执行器通过最佳模式进行叶片去除，以验证非固定辅助方案的可行性。通过系统比较实验评估了两种方案的操作性能，旨在找到既能大幅简化现有复杂多末端执行器系统，又能灵活适应多种生产场景的最佳技术路径。
实验材料
本研究使用的生菜品种是Lvju，这是一种在浙江省杭州市富阳区4D Bios数字农业工业园区的植物工厂中种植的主要商业品种。如图1(a)所示，生菜植株以高密度排列，这容易导致栽培区域内空气流通不良、热量积聚和湿度升高，从而引发外层叶片黄化和萎蔫。
操作效果评估的结果与分析
使用末端执行器完成叶片去除测试后，本研究评估了六种简化动作模式的操作效果，重点关注操作成功案例和测试过程中观察到的典型问题。表2总结了六种操作模式下异常叶片的去除效果。
如表2所示，所有操作模式下的叶片去除成功率均超过57%，表明末端执行器的整体分离性能良好
结论
本研究旨在解决水培叶类蔬菜异常叶片高去除成功率及高效自动化去除的关键需求，从而支持全流程商业化收获的产业化。为此，我们首先基于人工操作特征提取了六种简化的机械化去除模式，并开发了一种与所有这些模式兼容的双配置多功能末端执行器。
进行了系统的性能评估
补充材料声明
为审稿人提供了补充视频演示，以展示末端执行器的性能。访问链接：
该视频是原创的，与手稿中呈现的研究内容直接相关。
此外，所有支持研究结果的相关代码和数据集已公开发布在GitHub上。仓库包括注释过的数据集
手稿准备过程中生成式AI和AI辅助技术的声明
在准备本工作时，作者使用了Doubao工具将初始手稿草稿从中文翻译成英文。使用该工具/服务后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
CRediT作者贡献声明
余天成：写作 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，软件，方法论，概念化。陈进：写作 – 审稿与编辑。江焕宇：写作 – 审稿与编辑，监督，项目管理，概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了浙江省科学技术计划（2022C02003）和智能农业机械设备创新人才培养实践体系与平台建设开放项目（浙江大学-永康智能农业机械设备联合研究中心）（K-Heng 20232076）的支持。
