梅 松，石志剛，宋志禹，萬 如，李 遠(yuǎn)

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇南京 210014；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院，寧夏銀川 750002；3.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

關(guān)鍵字：機(jī)械化采收；農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合；人機(jī)交互；智能化

0 引言

枸杞屬無限花序植物，分段成熟小漿果，其開花與結(jié)果同時(shí)進(jìn)行。枸杞主要分布在寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅和新疆等地，全國的種植面積20萬hm2左右。枸杞枝條纖細(xì)多刺，果實(shí)成熟的速度較快，體積較小，成熟枸杞質(zhì)地柔軟，富有彈性果皮脆弱易損傷，經(jīng)過晾曬干制后受到損傷的果實(shí)表面顏色發(fā)黑，經(jīng)濟(jì)價(jià)值下降幅度高達(dá)90%。當(dāng)前我國枸杞采收環(huán)節(jié)主要依靠人工，效率低，成本高。據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，旺季果實(shí)產(chǎn)量高達(dá)1 500 kg/667m2，采摘期需要大量采果工人。人工采摘的成本可以達(dá)到每斤1.5元，緊急采摘每人每天最多可以采摘50 kg。枸杞的成熟期是夏季。工人勞動強(qiáng)度較大，工作時(shí)間較長。每日最長工作時(shí)間高達(dá)13 h。枸杞進(jìn)入采摘季節(jié)后，采摘頻率為5~7天一次。如果不及時(shí)采收，枸杞果實(shí)會因外界環(huán)境導(dǎo)致自然脫落、開裂腐爛、發(fā)霉腐爛，會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)的采摘方式不能滿足社會高需求的發(fā)展要求，極大地限制了枸杞產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了推動枸杞產(chǎn)業(yè)升級發(fā)展，機(jī)械化采收枸杞裝備的研究迫在眉睫。

1 枸杞機(jī)械化采收技術(shù)現(xiàn)狀

目前，枸杞的機(jī)械化采收主要有四種方式，分別是：振動式、梳刷式、剪切式和氣力式。其中，振動式枸杞采摘機(jī)的工作原理主要是：利用枸杞植株青果、成熟果、花、葉子的結(jié)合力分布范圍不同及枸杞“無限花序，花果同期”的生長特點(diǎn)，利用采摘機(jī)給枸杞植株提供一個(gè)或多個(gè)振動激勵(lì)，當(dāng)枸杞成熟果在發(fā)生受迫振動且慣性力大于結(jié)合力時(shí)，枸杞成熟果從植株上脫落，從而完成僅對成熟果實(shí)的采摘，對其他枝條組成影響較小，是當(dāng)前最理想的枸杞采摘方式。

梳刷式枸杞采摘機(jī)的工作原理是：利用由特殊材料制成的梳理部分對枸杞枝條及果實(shí)進(jìn)行梳理，利用成熟枸杞形狀與枝條其他組成部分形狀特征差異，設(shè)計(jì)最佳梳齒間隙關(guān)鍵部件，完成僅對成熟果的采摘，但是，因?yàn)椴考鳂I(yè)位姿不同，容易因接觸而造成花及成熟果的損傷。

剪切式枸杞采摘機(jī)的工作原理是利用采果頭將枸杞成熟果從枝條上剪切下來，從而完成對枸杞的采摘，其存在的問題是剪切需要人工分別成熟果，采摘效率低。

氣力式枸杞采摘機(jī)主要是利用氣壓差形成的氣流經(jīng)過氣管時(shí)產(chǎn)生作用于枸杞成熟果的力對枸杞進(jìn)行采摘，其主要問題在于對成熟枸杞的識別需要人工來完成，采摘效率低[1]。

鑒于上述枸杞采摘方式，國內(nèi)枸杞收獲機(jī)主要分為兩大類。一類為手持式枸杞采收裝置，該類裝置可配合人工作業(yè)，可將作業(yè)效率提高至3倍以上且降低人工勞動強(qiáng)度；另一類為自走式枸杞連續(xù)采收技術(shù)裝備，該類機(jī)械作業(yè)效率是人工20倍以上，可有效解決枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題。

1.1 手持式枸杞機(jī)械采收

2010年，周兵[2]等設(shè)計(jì)了一種手持式枸杞收獲機(jī)，利用柔性膠管環(huán)將枸杞果實(shí)分離，較早的走上了國內(nèi)枸杞產(chǎn)業(yè)機(jī)械化的步伐。

2011年曹有龍[3]設(shè)計(jì)了一種手持式枸杞采摘器，其基本原理是利用偏心機(jī)構(gòu)使枝條振動，使枸杞果實(shí)瞬間發(fā)生幾次方向變化，如果果實(shí)與莖干之間的慣性力大于結(jié)合力，果實(shí)就會脫落、收獲，但因材料未優(yōu)化，易傷枝，有待優(yōu)化，彌補(bǔ)不足?；谏鲜鲈恚瑥埼膹?qiáng)[4]等設(shè)計(jì)了一種振搖枸杞采收機(jī)，夾持枝條往復(fù)運(yùn)動至脫果，試驗(yàn)表明采凈率93.52%，損傷率為2.54%，滿足對枸杞采收的質(zhì)量要求，是人工的5.5倍。除此之外，西北農(nóng)林科技大學(xué)陳軍等還研制了四爪變頻定幅往復(fù)旋轉(zhuǎn)枸杞采摘機(jī)，完成成熟枸杞高質(zhì)量采摘，采摘效果較好。

2014年，青海林豐農(nóng)牧機(jī)械制造有限公司[5]研制了一種梳刷式枸杞收獲機(jī)通過旋轉(zhuǎn)梳齒，將果實(shí)收集夾在收集區(qū)，使枸杞果在梳齒的作用力下與果梗分離?，F(xiàn)有的梳刷采收方式容易損傷枸杞的果實(shí)和枝條，且造成未成熟的果實(shí)和花朵誤采。張文強(qiáng)[6]等提出一種在溝槽凸輪的引導(dǎo)下，壓板迫使骨架側(cè)向張開，進(jìn)而調(diào)節(jié)梳刷指間距的設(shè)計(jì)方案，采凈率為90%，損傷率為8.41%，滿足枸杞收獲要求。

2015年青海省海西州農(nóng)牧機(jī)械制造有限公司研制的枸杞鮮果采摘機(jī)[7]研制成功并在市場上推廣開來，該機(jī)可根據(jù)枸杞成熟度調(diào)節(jié)旋刀轉(zhuǎn)速，這種手持采摘機(jī)不僅降低了枸杞的破損率，提高了采摘率，節(jié)省了勞動力，而且對下一茬的枸杞生長基本沒有影響。

綜上所述，當(dāng)前寧夏農(nóng)科院，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，西北農(nóng)林科技大學(xué)等單位研制的手持式枸杞振動采收機(jī)均能達(dá)到枸杞高質(zhì)量采摘目標(biāo)，通過當(dāng)前優(yōu)化和改進(jìn)，逐步推向市場。

1.2 自走式枸杞機(jī)械采收

關(guān)于中大型枸杞采收技術(shù)研究，主要依托振動方式開展相關(guān)裝備研發(fā)，新疆維吾爾自治區(qū)精河縣農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣中心的劉文海等[8]介紹了一種大型振搖式枸杞收獲機(jī)，其采用低頻高幅振動原理，配套功率30馬力，搖振條約90根/m2，其對夏果的采凈率約90%，誤采嚴(yán)重，枸杞損傷較小，但振搖式枸杞采收機(jī)不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)采收工作，在一定程度上限制了其效率的提高。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院彭要、張正勇[9]等設(shè)計(jì)了一種精準(zhǔn)夾持振動式枸杞采摘機(jī)，研究確定同等條件多點(diǎn)夾持采摘率優(yōu)于單點(diǎn)，最終，研制間歇式陣列化多點(diǎn)夾持振動單元的枸杞采收機(jī)，采凈率較好，損傷率和誤采率仍有提升空間，采收效率不高。

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所張最[10]等研究了枸杞振動采摘機(jī)理，并建立強(qiáng)迫振動采摘力學(xué)模型，運(yùn)用MATLAB工具對振動式枸杞采摘機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和仿真試驗(yàn)，試制了包含各種采收原理的實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)平臺和自走式枸杞采收機(jī)的樣機(jī)。核心振動單元設(shè)計(jì)過重，導(dǎo)致無法達(dá)到要求脫果要求激勵(lì)。隨后，梅松[11]等以解決自走式連續(xù)采收難題為目標(biāo)，以往復(fù)振動單元為核心技術(shù)，通過縮小振動部件尺寸和實(shí)施輕量化處理，確定最小振動單元，并就雙側(cè)籬架型掛果枝條栽培農(nóng)藝，開展雙側(cè)陣列化振動單元集成與精準(zhǔn)控制技術(shù)研究，研制4GQF-2200型枸杞收獲機(jī)，解決枸杞高效高采凈率和低損傷采收需求，仍存在誤采缺點(diǎn)。

2 枸杞機(jī)械化采收裝備發(fā)展趨勢預(yù)測

當(dāng)前，成熟的便攜式枸杞采摘裝置相關(guān)產(chǎn)品有效改善了人工作業(yè)強(qiáng)度，部分產(chǎn)品得到了推廣應(yīng)用，由于其過度依賴人進(jìn)行作業(yè)，仍不能從根本改善枸杞產(chǎn)業(yè)發(fā)展難題。而大型枸杞采收裝備是未來主力，本文將對其發(fā)展趨勢作如下預(yù)測。

2.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合助力專用采收裝備推廣

枸杞的整個(gè)機(jī)械化過程必須從整體考慮，從枸杞品種、株行間距、栽培方式、作業(yè)方式等整體考慮。根據(jù)枸杞機(jī)械化收獲等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的機(jī)械化作業(yè)要求，選擇合適的品種，發(fā)展適合機(jī)械化作業(yè)的枸杞農(nóng)藝，需研究園地模式、行距布置、樹木栽培、整形修剪等農(nóng)藝配套措施，建立機(jī)械化枸杞作物生產(chǎn)技術(shù)體系，提供機(jī)械化技術(shù)模型和優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝一體化。另一方面，通過配套枸杞機(jī)械在已建立農(nóng)藝條件進(jìn)行試驗(yàn)示范推廣，從采收質(zhì)量、枸杞產(chǎn)量、作業(yè)效率、機(jī)械維護(hù)和培訓(xùn)成本等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，推進(jìn)相關(guān)機(jī)械推廣應(yīng)用。

2.2 基于生物技術(shù)的新型采收技術(shù)預(yù)測

目前國內(nèi)寧夏、青海已有專家提出利用生物技術(shù)改變枸杞生長特性，降低枸杞機(jī)械化采收難度。一方面，可通過生物藥劑改變枸杞無限花序連續(xù)花果生長特性，使得掛果枝條枸杞一次性從值根到末梢掛滿成熟枸杞?；谏鲜黾夹g(shù)，從農(nóng)藝上設(shè)定枝條采摘平面，根據(jù)基準(zhǔn)面，研發(fā)多維冠層雙側(cè)剪切收獲機(jī)，使得掛果枝條全部被剪切并收獲，通過后期干燥處理和分選，篩選出干果。

另一方面，通過生物藥劑，使得枸杞成熟加速，降低成熟果柄或果蒂結(jié)合力，利用當(dāng)前樹莓采收機(jī)，低頻低振幅振動機(jī)理，在不損傷枝條，遠(yuǎn)低于葉、花、青果脫離加速度的條件下，輕松完成成熟枸杞高質(zhì)量采收。

2.3 人機(jī)交互采摘趨勢

人機(jī)交互式采摘是指人機(jī)共存式的采摘方式，這種采摘方式可以有效的改善便攜式采摘長期作業(yè)對人手臂負(fù)荷過大的問題、以及大型自走式收獲機(jī)誤采和漏果等問題。實(shí)際上，人機(jī)交互式采摘方式是介于人工采摘與全自動采摘之間的一種中和方式，是目前采摘環(huán)境以及采摘機(jī)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的產(chǎn)物，是邁向大型枸杞智能化采收裝備的過渡階段。通過人工頂替精準(zhǔn)定位功能，有效解決當(dāng)前大型枸杞采收存在對青果、葉子和花朵的誤采問題，實(shí)現(xiàn)枸杞機(jī)械化采收且不影響枸杞產(chǎn)量的目標(biāo)。

人機(jī)交互式枸杞采收裝備主要依托動力平臺，人工手持便攜式采摘器負(fù)責(zé)枸杞精準(zhǔn)采摘，人工代替機(jī)器視覺識別定位與精準(zhǔn)控制功能，動力平臺負(fù)責(zé)載人行駛和接果歸集。另外，為人工設(shè)計(jì)自調(diào)控位置座椅，輔助人工移動至目標(biāo)采摘區(qū)并進(jìn)行舒適作業(yè)，達(dá)到枸杞精準(zhǔn)高質(zhì)量采收目標(biāo)。專用平臺研究可分為行間行走輔助采收平臺和跨行行走采收平臺。

2.4 智能化采摘

枸杞采摘機(jī)器是一種涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科智能化的自動采摘裝置，要想使采摘機(jī)器具備有選擇性、自動地采摘枸杞的功能，首要解決的問題是要對目標(biāo)物體進(jìn)行準(zhǔn)確的分割識別和精準(zhǔn)的空間定位，而機(jī)器視覺正是解決這一問題的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)較為成熟。就其為枸杞采摘應(yīng)用模式主要分為如下兩方面。

2.4.1 基于平面圖像識別與輔助陣列采摘單元決策智能采摘。就雙側(cè)陣列化振動采摘單元，將側(cè)面采摘面進(jìn)行網(wǎng)格劃分，只需將待采區(qū)圖像進(jìn)行識別，對各網(wǎng)格內(nèi)紅果占所在網(wǎng)格面積進(jìn)行提取并計(jì)算，與多元條件枸杞采摘環(huán)境進(jìn)行匹配，完成不同閾值對比，高于閾值，則通電作業(yè)，否則，不予作業(yè)，依托此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)特定農(nóng)藝條件下的枸杞智能化采收。

2.4.2 基于多臂機(jī)器手的智能化采摘。通過多目視覺技術(shù)，完成多層掛果枝條枸杞掛果情況分析，挑取待采掛果枝條為對象，識別并獲取枝條作業(yè)位置，利用機(jī)械臂夾持枝條或者機(jī)械臂輔助采摘器對作業(yè)位置進(jìn)行采摘處理，實(shí)現(xiàn)機(jī)器模仿人工采摘。該技術(shù)難點(diǎn)在于多層次不規(guī)則掛果枝條紅果與枝條精準(zhǔn)識別與空間位置定位，以及如何抵抗外部非結(jié)構(gòu)環(huán)境干擾。

3 結(jié)語

枸杞的機(jī)械化收獲技術(shù)雖然在手持便攜式上有了一定的成果，但是，隨著枸杞市場的逐漸擴(kuò)大，以及目前勞動成本的逐年提高，枸杞產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化進(jìn)程需往農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合和全面智能化方向發(fā)展。本文結(jié)合當(dāng)前研發(fā)自走式枸杞收獲機(jī)不足，建議農(nóng)機(jī)農(nóng)藝深度融合，不斷優(yōu)化，推向市場；對生物技術(shù)改變枸杞生物特性進(jìn)行假設(shè)，提出了配套機(jī)械化采收技術(shù)裝備研發(fā)方向；結(jié)合便攜式振動采摘器和大型機(jī)械智能化精準(zhǔn)高效定位技術(shù)缺陷，依托平臺，采用人機(jī)交互采收方式，突破大型枸杞采收機(jī)難題，可實(shí)現(xiàn)半人半機(jī)枸杞高效采收；最后，就計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用，從圖像識別與陣列化采摘單元決策簡易智能化采收和仿人工智能采收兩方面做技術(shù)預(yù)測。