寇 欣， 王 東， 周建波*， 湯晶宇

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機電工程實驗室，黑龍江 哈爾濱 150086；3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086)

林果采摘是林果生產(chǎn)全過程中對勞動力、時效性需求最強的環(huán)節(jié)，成熟的果實若不能完成即時采收，會嚴重影響果實質(zhì)量.造成經(jīng)濟損失。隨著林果種植規(guī)模不斷擴大，農(nóng)村勞動力衰減，林果種植的投入成本增大，需要對現(xiàn)有的采收設(shè)備進行優(yōu)化和升級，擴大機械采收設(shè)備的使用規(guī)模，以提高采收效率，降低采收成本。

國外林果機械化采收設(shè)備研究起步較早，整體技術(shù)水平比較成熟，部分大型果園已經(jīng)實現(xiàn)機械化采收作業(yè)。歐美等發(fā)達國家在發(fā)展過程中林機與林藝配合較好，地形整備、果樹間距均參考機械設(shè)備的工作規(guī)范，在很大程度上支撐了機械化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而國內(nèi)目前在林果標準化種植規(guī)范上并沒有與機械化采收的技術(shù)發(fā)展相結(jié)合，大部分果園的種植條件并不符合機械設(shè)備的工作要求，也限制住了機械化設(shè)備的發(fā)展與普及。因此，應(yīng)針對不同林果種類建立標準化種植規(guī)范，為機械化采收技術(shù)的發(fā)展搭建基礎(chǔ)平臺。

目前國內(nèi)對于林果采摘設(shè)備的研究主要集中在以下幾個分類：振動式、拍打式、氣吸式、齒梳式和采摘機器人，本研究對具有代表性的各類采摘設(shè)備進行分析，為其發(fā)展提供一定的參考支持。

1 振動式

振動式采摘設(shè)備通過振動發(fā)生裝置搖振枝干或主枝，使果實被迫運動，當受到的激振力大于果柄與枝干連接力時果實脫落，這是目前應(yīng)用最為廣泛的一種林果機械采摘形式。振動式采摘設(shè)備成本低、效率高、設(shè)備構(gòu)造簡單，操作維修養(yǎng)護方便。振動產(chǎn)生形式主要有兩種，偏心式與曲柄連桿式[1](如圖1)。有部分果實果柄與枝干的連接牢固，在振動采收前會提前噴灑脫果劑，將果實催熟，增加振動采摘效率。

圖1 兩種振動發(fā)生形式

振動式采摘設(shè)備經(jīng)過多年的發(fā)展，在工作過程中已經(jīng)不止是簡單的采用加大振幅、頻率的方式粗暴地將果實搖振掉落，而是充分考慮到末端執(zhí)行器在夾持枝干或主枝時對樹木造成的損傷，在研制過程中針對采摘的果實，參考果實特征因素、樹木特征參數(shù)、果實掉落狀況以及對枝干的損傷等因素，分析出最佳的振動頻率、振幅和激振方式。

東北林業(yè)大學(xué)的李志鵬[2]等研制了一種振動式藍莓采摘機(如圖 2)，通過建立藍莓側(cè)枝受力模型，分析藍莓側(cè)枝的軸向縱向振動，以此建立數(shù)學(xué)模型(如圖3)，推導(dǎo)出側(cè)枝的振動響應(yīng)以及果實的受迫力，驗證出振動形成的徑向力是藍莓果實脫落的主要作用力，設(shè)計藍莓采摘機。其工作效率達到人工采摘的10.6倍且破損率較低。

圖2 藍莓采摘機

圖3 藍莓采摘機激振器1.激振器；2.曲柄；3.連桿；4.搖桿

浙江理工大學(xué)的杜小強[3]等提出了一種振幅可連續(xù)調(diào)節(jié)的單向拽振式林果采收機構(gòu)(如圖4)，通過調(diào)節(jié)曲柄搖桿滑塊機構(gòu)改變直線往復(fù)振動激勵進而改變振幅。用ADAMS軟件對搖振機構(gòu)進行運動學(xué)分析，結(jié)果表明增大搖振曲柄長度能增大變幅搖振機構(gòu)的行程，同時二者成遞增關(guān)系。采用遺傳算法對變幅搖桿機構(gòu)尺寸進行優(yōu)化后，制作樣機進行田間采收試驗，得到的平均采收率為63.9%。

圖4 單向拽振式林果振動采摘裝置

南京林業(yè)大學(xué)的王長勤[4]等設(shè)計了一種偏心式林果振動采收機，其夾持機構(gòu)(如圖 5)通過建立偏心式振動采收動力學(xué)模型，得出采收機-果樹系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)振幅表達式，分析出激振頻率對樹干全振幅和果實采凈率有顯著性影響，并成正相關(guān)。對12棵成熟期核桃樹進行采摘試驗，通過振幅測量系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，綜合參考采凈率和落果、樹干夾持處的破壞性損傷，將激振頻率控制在19～20 Hz，平均采凈率達到89.5%～92.6%。

圖5 夾持機構(gòu)1.夾持主臂；2.連桿；3.氣缸；4.夾持動臂；5.夾板；6.夾板軸向固定；7.橡膠墊；8.電機托板；9.振動電機；10.夾持直徑調(diào)節(jié)機構(gòu)

2 拍打式

拍打式采摘與振動式采摘原理相似，二者差別主要為拍打式力作用于果實及樹枝，振動式力作用于枝干或主枝。拍打式采摘果實掉落形式有兩種[5]：一是當拍打部件擊中果實時，拍打力大于果柄連接力時果實掉落；二是當拍打部件擊中樹枝時，果實被迫運動，當受到的激振力大于果柄連接力時果實脫落。故拍打式多應(yīng)用于耐磕碰的果實，如大棗，板栗等。

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的宗望遠等設(shè)計一種板栗拍打式收獲機，將落果裝置探入板栗樹冠內(nèi)(如圖6)，由拍打裝置(如圖7)對板栗果實及樹枝進行不斷擊打。影響采摘效果以及造成樹木損傷的主要因素有拍打條材質(zhì)、拍打機構(gòu)尺寸參數(shù)及運動規(guī)律。確定參數(shù)后田間試驗結(jié)果表明該裝置平均落果率為90.5%，且對板栗樹枝損傷較小。

圖6 板栗拍打式工作機工作場景

圖7 拍打裝置1.直角架；2.電機；3.聯(lián)軸器；4.拍打箱體結(jié)構(gòu)；5.拍打條

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所的梅松[6]等設(shè)計了一種振動拍打復(fù)合式紅棗采收機(如圖8)。底部設(shè)置有傘形接果裝置，通過懸臂將拍振部件插入果樹冠層待拍振位置，啟動將果實振落。在確定拍打行程及最大轉(zhuǎn)動振動角后，設(shè)計拍振和傘形接果關(guān)鍵部件。通過田間試驗，紅棗歸集率92%左右，采凈率達到90%以上，紅棗損傷率控制在5.4%以內(nèi)。

圖8 拍振復(fù)合式紅棗采收機

3 氣吸式

氣吸式采收設(shè)備主要是采用真空泵生成負壓，通過氣管輸送至果實處，當吸力大于果柄與枝干間的連接力時，果實掉落，進而實現(xiàn)收獲。大部分吸式采收設(shè)備通過氣管能夠直接對采摘下的果實進行收集，不用單獨設(shè)置收集裝置。

氣吸式采收是一種非接觸式采摘方法，可以避免果實與機械接觸造成損傷，保護果實完好。目前針對氣吸式采收設(shè)備的研制主要集中在小漿果、花椒、枸杞、紅棗等質(zhì)量較輕、較易破損的果實。針對氣吸式采收裝備的研究主要集中在如何優(yōu)化吸氣管道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)部氣壓分布更加有利于吸取果實。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的王榮炎[7]等對氣吸式枸杞采摘試驗裝置(如圖9)進行了研究，使用FLUENT軟件對氣吸管道仿真，得到氣體壓力云圖及速度云圖，并與實際工作數(shù)據(jù)進行比對，確定了采摘枸杞的最佳工作參數(shù)：氣吸管徑25 mm，風速27.5 m/s，氣吸角度為90°時成熟枸杞脫落所需時間平均為1.92 s，破果率為6.67%。試驗過程中發(fā)現(xiàn)成熟枸杞與未成熟枸杞的脫落時間相差可達6 s以上。

圖9 氣吸式枸杞采摘試驗裝置1.萬向輪；2.吸風口；3.氣息管道；4.防塵罩；5.抽風機；6.無極調(diào)速旋鈕；7.散熱口；8.電機；9.收集桶

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)的張學(xué)軍[8]等研制了一種用于撿拾落地紅棗的氣吸式撿拾裝備(如圖10)，其難點在于控制氣流速度與紅棗的懸浮速度的關(guān)系以及紅棗與雜質(zhì)的有效分離，避免堵塞風管。通過對吸管口以及吸氣室內(nèi)部的流暢進行模擬，確定吸管口直徑為135 mm，吸氣室進出口直徑分別為137 mm與180 mm時，氣流最穩(wěn)定，吸氣室內(nèi)的氣流速度大于吸管口的流速，降低了撿拾過程中堵塞的可能性，提高了工作效率。經(jīng)過田間試驗驗證，當氣流速度為42 m/s時，撿拾率平均為93.11%，含雜率平均值為2.92%。

圖10 落地紅棗撿拾裝備田間試驗

4 齒梳式

齒梳式采摘是一種通過齒梳狀采摘工作頭，插入果樹枝條中，從而將果實從枝條上梳落的采摘形式。這種收獲過程采摘工作頭與果樹枝條進行柔性接觸，能降低對果樹以及果實造成的損傷。在設(shè)計過程中應(yīng)主要考慮齒梳工作頭的形態(tài)與分布，能夠與被采摘果樹性狀相配，降低對樹木造成的影響。

昆明理工大學(xué)的于英杰[9]等設(shè)計了一種手持振動梳刷式小?？Х炔烧b置(如圖11)，采用振動與梳刷兩種方式共同作用，提高采收率。其中梳刷部件的設(shè)計由小粒咖啡樹的樹形參數(shù)所決定。根據(jù)果樹的枝條長度、果實的大小分布，確定梳齒直徑、長度、分布形態(tài)。若間距過小容易損傷果實及枝干，間距過大容易漏采，降低收獲率。通過二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，可知影響采凈率的因素依次為頻率、梳齒間距、偏心塊夾角，影響損傷率的因素依次為梳齒間距、頻率、偏心塊夾角。設(shè)定偏心塊夾角為22.5°，頻率為26 Hz、梳齒間距為32 mm時，采凈率為91.35%，損傷率為4.15%。

圖11 手持振動梳刷式小粒咖啡收獲裝置1.電機；2.聯(lián)軸器；3.外殼；4.阻力調(diào)節(jié)器；5.梳齒；6.梳齒卡扣；7.指排光軸；8.凸輪軸9.傳動軸；10、20、21、22.鏈輪；11.鏈輪卡座；12.鏈條；13、26.調(diào)節(jié)板；14.固定殼體；15.偏心塊；16、23.菱形帶座軸承；17.軸套；18、24.限位套；19、25.帶槽軸承

甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)萬芳新[10]等研制的梳齒-氣吸式花椒采摘機(其采摘頭如圖12)，通過梳齒將花椒果實與枝干分離，并通過風機產(chǎn)生的負壓收集花椒?；ń饭麑嵲诨ń分l頂部成串生長，因此采摘頭采用疏齒式(如圖13)，采摘頭由固定在旋轉(zhuǎn)軸上的刀片組成，刀片垂直于軸圓周面。參考花椒粒直徑，花椒串尺寸、花椒果梗直徑，設(shè)定刀片齒形，并對齒形尖角進行倒圓角設(shè)計，避免硬性碰撞破損。在進行采摘作業(yè)時，采摘頭向花椒串旋轉(zhuǎn)，使花椒串進入梳齒之間，通過轉(zhuǎn)動采摘頭將花椒果的果梗在齒刃處受到剪切、牽拉，與花椒粒分離，從而實現(xiàn)花椒果實的采摘。

圖12 采摘頭

圖13 梳齒刀片

江西農(nóng)業(yè)大學(xué)的饒洪輝[11]等設(shè)計了一種電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器(如圖14)。在連續(xù)回轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)過程中不停的將油茶果枝夾緊，油茶果在遭到膠輥的撞擊后掉落。這種特殊的膠輥作用形式在采摘理論上與齒梳式采摘較為一致，通過卡住果實將其從生長枝條上拖拽而下。油茶果采摘效果與油茶果直徑、膠輥上下組間間隙有關(guān)，同時膠輥表面光滑，能有效避免對油茶花苞的損傷，這種特殊的形式設(shè)計是根據(jù)油茶果特殊的“花果同期”特性，減少梳齒在工作過程中梳拽下花朵，影響第二年的產(chǎn)果量。

圖14 電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘機

圖15 采摘頭

5 采摘機器人

采摘機械手臂、底部移動平臺、末端執(zhí)行器和果實識別裝置為機械手式采摘機器人的主要組成部分，靈活的機械手臂通常擁有多個自由度，靈活性高，同時采用攝像機、圖像識別技術(shù)來識別果實。機械手式采摘機器人工作更加偏向于“精耕細作”，生產(chǎn)制造成本高昂，維護保養(yǎng)更加復(fù)雜，其工作效率不如其他形式的采摘裝備高，但采摘的質(zhì)量更加優(yōu)良，對果實的傷害較小。目前投入實際生產(chǎn)實踐中的機械手式采摘機器人較少，大多處在研究階段。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳燕[12]等設(shè)了一種夾剪一體的荔枝采摘末端執(zhí)行器(如圖16)，通過左右刀片閉合實現(xiàn)剪切果柄動作，下部配備夾持手指，穩(wěn)定夾持剪切下的荔枝串果母枝。在試驗過程中平均工作時間2 s，成功率與母枝直徑有關(guān)，在母枝直徑5 mm及以下時成功率為100%，母枝直徑達到6～7 mm時成功率為70%，同時具有中等的抗遮擋干擾采摘能力。

圖16 荔枝采摘末端執(zhí)行器采摘試驗

河北工業(yè)大學(xué)的王曉楠[13]等設(shè)計一種筒式末端執(zhí)行器(如圖17)，是一套四自由度關(guān)節(jié)式機械臂，裝備激光視覺系統(tǒng)，由CCD相機和激光豎直掃描完成果實的定位，用于采摘吊線栽培番茄，通過負壓吸入番茄后旋轉(zhuǎn)扭斷果柄實現(xiàn)收獲。單個番茄的采摘耗時約為24 s，強光和弱光下的果實采摘成功率為83.9%和79.4%。

圖17 番茄采摘手爪與采摘試驗

此外采摘機器人末端執(zhí)行器形式還有手指式、夾持式等，其動作軌跡更為復(fù)雜，零部件設(shè)計更為精密。

6 輔助式采摘設(shè)備

除成套式機械采摘設(shè)備外，在實際工作中有大量人工輔助式采摘設(shè)備投入使用。部分果實由于其自身特性，耐磕碰、果柄結(jié)合力不大，如棗類、板栗等，在進行人工采收的區(qū)域，多采用長桿拍打方式，掉落至地上后撿拾收集。另有部分手持式工具幫助工人定位高處果實，通過拖拽切割、氣吸方式切斷果柄，完成采收。

西北農(nóng)林科技大學(xué)的張潤澤[14]等設(shè)計了一種夾持切割式便攜采摘輔助設(shè)備(如圖18)。通過伸縮桿調(diào)節(jié)采摘高度，當達到目標高度時手動收緊閘線，摘果器頂端弧形刀片完成閉合切斷果柄，沿著輸送管道落入背負式收集筐內(nèi)。此裝置研發(fā)針對于蘋果采摘，但其整體結(jié)構(gòu)形式也可適用于與蘋果性狀相近的其他果實采收。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的馬少春[15]等設(shè)計了一種負壓吸力式便攜采摘輔助設(shè)備(如圖19)，通過伸縮桿定位目標果實(蘋果)，利用負壓吸引蘋果進入殼體，閉合殼體口出弧形刀片組完成切斷果柄，果實掉入收集袋中，完成采收。

圖18 夾持切割式便攜采摘輔助設(shè)備1.采摘部件；2.伸縮部件；3.驅(qū)動部件；4.收集部件

圖19 負壓吸力式便攜蘋果采摘裝置

輔助式采摘設(shè)備可看作成套機械采摘設(shè)備的采摘頭部分，通過人工來完成工作定位，采摘作業(yè)形式基本相似，如振動、拍打、切割、氣吸等。其在部分復(fù)雜地形及小范圍人工采摘區(qū)域能得到很好的應(yīng)用，但并不適用于大規(guī)模的標準化果園的采摘工作。

7 總結(jié)

本文總結(jié)了幾種采摘設(shè)備的工作原理，但多數(shù)處于試驗階段，且“一果一機”，沒有成為較為統(tǒng)一、可實現(xiàn)多種林果采摘的裝備。因此要讓林果收獲向更加機械化、自動化方向發(fā)展，充分釋放勞動力，還需進行以下方面的研究：

(1)規(guī)范林果種植模式。針對不同林果種類建立標準化種植規(guī)范，為機械化采收技術(shù)的發(fā)展搭建基礎(chǔ)平臺。目前真正投入到生產(chǎn)實際中的采摘設(shè)備多是結(jié)構(gòu)形式簡單的采摘設(shè)備，如振動式、氣吸式，這些設(shè)備自動化程度和對樹木的種植條件要求不高，工作中往往需要人員參與操作。自動化程度更高的精密型采摘設(shè)備，對于林果種植的整體環(huán)境要求更加嚴格，如種植密度、樹冠寬幅、修枝情況、掛果位置等，除了繼續(xù)大力發(fā)展自動化、智能化的控制技術(shù)、機器視覺技術(shù)外，還應(yīng)規(guī)范林果種植模式為機械化采摘提供便利條件。

(2)一機多用。對于同一種采摘形式的裝備進行多種工作模式的技術(shù)升級，如振動采摘設(shè)備的激振裝置可以進行更大范圍的振動輸出，齒梳式采摘設(shè)備的采摘頭有多種結(jié)構(gòu)形式，適宜不同種林果并可根據(jù)使用需求隨時更換。這種一機多用的使用形式只需根據(jù)相應(yīng)的果樹形式替換相應(yīng)的模塊即可，能大大提高采收設(shè)備的使用成本，提高利用率。

(3)加強采集系統(tǒng)整合研究。林果的采與集在人工采收過程中一次性完成，但是在機械化采收過程中被分割為兩個部分，采摘設(shè)備工作準備就位后，再單獨配備一個倒傘形狀或方形的收集裝置，需進行兩次定位操作，延長了采收作業(yè)時間。建議加強采集系統(tǒng)的整合研究，一次定位即可完成采摘頭和收集裝置的就位。

(4)智能化與輕簡化。針對部分林果存在種植面積分散，產(chǎn)量不集中的問題，建議面向個體種植戶研制小型家用輕簡化采收設(shè)備，輻射周邊小型種植戶，降低生產(chǎn)成本。同時進行設(shè)備的智能化升級，讓機器完成識別、分析、設(shè)置工作參數(shù)等采收工作，降低對從業(yè)人員的操作要求。

(5)強化采收作業(yè)平臺研究。研制適應(yīng)復(fù)雜山地地形的多功能作業(yè)平臺，降低地形條件對經(jīng)濟林果機械化發(fā)展的制約，將設(shè)備的工作部分與移動部分進行分類研究。采收平臺作為各類操作型機械設(shè)備的承托底盤，極大影響采收工作設(shè)備的發(fā)展。