果園采摘平臺研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院 楊云磊 張秀花 于洋 王洪森 黃征

前言

我國在果園面積、產(chǎn)量上均處于穩(wěn)步提升的趨勢[1]，數(shù)據(jù)顯示，2022 年我國果園面積為13021.31 千公頃，比上年增長了1.8%；2022 年水果產(chǎn)量31296.21 萬噸，比上年增長了4.4%[2]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程推進，果園種植向規(guī)模化和現(xiàn)代化發(fā)展，為果園機械化發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。目前，果園采摘主要依賴人工，而采摘占據(jù)整個生產(chǎn)過程勞動的33%至55%[3]。傳統(tǒng)人工采摘爬梯登高作業(yè)，不僅勞動強度大、效率低、安全隱患大，而且很容易錯過采摘的最佳時期，影響果品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。人口老齡化和低生育率問題加劇，使得果園機械化采摘亟待解決[4]，改進或研發(fā)一款適合我國果園的輔助采摘平臺具有重要意義。本文分析了國內(nèi)外采摘平臺研究現(xiàn)狀，為我國采摘平臺研發(fā)提供參考。

1 采摘機械的發(fā)展與分類

1.1 采摘機械的發(fā)展

國外一些國家對于果園采摘機械的研究起步較早，歐美等西方國家從20 世紀60 年代就開始進行相關(guān)研究和探索[5]。起初，研究主要專注于傳統(tǒng)的高空作業(yè)平臺，隨后才開始逐步涌現(xiàn)出單工位、多工位和采摘收獲專用平臺等多種類型的功能性型作業(yè)平臺[6]。相比之下，中國的果園采摘機械進入大眾視野始于20 世紀90 年代[7]。中國在這一領(lǐng)域積極探索，致力于研發(fā)適合國內(nèi)現(xiàn)代化果園的機械作業(yè)平臺，并取得了顯著成效。近年來，隨著農(nóng)機農(nóng)藝融合發(fā)展的寬行密植栽培模式的新型現(xiàn)代化果園蓬勃發(fā)展，為果園采摘機械的推廣應(yīng)用提供了更加寬敞和便利的作業(yè)條件。

1.2 采摘機械的分類

采摘機械按采摘果實的方式分為三種類型：第一種是利用振動樹體的方法使果實與果樹分離的采摘機械；第二種是半自動化的升降采摘作業(yè)平臺；第三種是利用視覺識別和機械臂的智能化采摘[8]。振動式采摘的果實可以用于食品加工、飲料制作、果汁生產(chǎn)等方面，但不適用鮮食水果采摘。智能果園采摘機器人目前僅在發(fā)達國家的設(shè)施農(nóng)業(yè)中有一些使用，由于技術(shù)條件要求高、使用成本昂貴以及工作效率較低等許多因素的限制，其應(yīng)用并不太廣泛。因此，半自動升降作業(yè)平臺是果園采摘應(yīng)用最為普遍的技術(shù)選擇。

按機械行走方式分為三種類型：一種是利用拖拉機后懸掛的方式來提升平臺高度；第二種是利用拖拉機作為動力牽引平臺進行行走；第三種是利用一種獨立的動力底盤來實現(xiàn)獨立行走。懸掛式和牽引式采摘平臺結(jié)構(gòu)簡單，但是需要單獨配備駕駛員進行操作，而且在采摘果實過程中沒有收集裝筐的功能，且轉(zhuǎn)彎不靈活。自走式采摘平臺配備單獨行走動力，獨立底盤轉(zhuǎn)向比較靈活。

2 國內(nèi)外采摘平臺研究現(xiàn)狀

2.1 國外研究現(xiàn)狀

在60 年代的中葉，美國將液壓升降技術(shù)應(yīng)用在了果園作業(yè)平臺當中，液壓技術(shù)的應(yīng)用，極大提高了果園升降平臺的可靠性以及采摘效率[9]，促進了平臺技術(shù)的發(fā)展。隨后，在60 年代的后期，部分歐美發(fā)達國家開始對采摘平臺進行功能化研究，通過引入功能性機械裝備實現(xiàn)平臺集成化工作模式。到了70 年代，新研發(fā)的作業(yè)平臺可以實現(xiàn)配套使用多種作業(yè)設(shè)備，例如氣動式剪枝機和油鋸等。到20 世紀90 年代初期，日本開始對適用于山地丘陵地區(qū)的坡地果園裝備開展研發(fā)，并成功研制出了樞軸式擺動懸掛自走式采摘車[10]。

國外在果園收獲方式和機械裝備方面進行了長期的研究和探索，取得了顯著成效。他們在果園采摘方面進行了開拓性的研究，不斷改進和創(chuàng)新采摘方式和機械裝備類型，以提高果園采摘的效率和質(zhì)量。2012 年P(guān)aul Wafler 在紐約州立大學(xué)設(shè)計并研制了休倫采收平臺[11]，如圖1 所示，這臺機器的核心部件是其容量巨大的采收裝置，每次可同時更換五個果實箱組，有效提高了采摘效率。然而，這種采收平臺適用于行間距較大的大型果園。中國果園的種植方式不適合使用大型果園采摘作業(yè)平臺，因為果園種植相對較密集。2018 年Marcos D.Ferreira 設(shè)計并研發(fā)了一種輪式自走式收獲作業(yè)平臺[12]，如圖2 所示，該平臺能夠協(xié)助多名工人在不同高度采摘果實，并自動完成果實的收集和裝箱。這一平臺的設(shè)計極大地提高了采摘效率和精度，同時減少了人力成本，為果園生產(chǎn)帶來了極大的便利。

圖1 休倫采收平臺

圖2 自走式收獲作業(yè)平臺

2021 年美國加州大學(xué)研發(fā)出聯(lián)合機器人收割平臺[13]，如圖3 所示。該設(shè)備將傳統(tǒng)的收獲平臺轉(zhuǎn)化為協(xié)同機器人平臺。以機器視覺系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合設(shè)計的抓取終端執(zhí)行器，使蘋果平均摘取成功率達到84%。當平臺向前移動時，利用視覺系統(tǒng)來檢測水果的分配情況，使用帶有檢測的儀器拾取袋來測量每個工人的采摘速度，并控制液壓升降機的高度，這些平臺可以讓工人上下移動。基于控制算法改變采摘工位高度同時根據(jù)工人采摘速度相配合，使采摘效率最大化，試驗表明在自動控制高度變化下的采摘速度為327.6kg/h，相比手動控制提高了9.5%，但是經(jīng)濟成本較高，不適合市場推廣。

圖3 聯(lián)合機器人收割平臺

Munckhof 設(shè)計的Pluk-O-Trak 蘋果收獲機如圖4所示，結(jié)合了一個平臺和一系列的傳送帶，可以將采摘下的蘋果輸送到果箱里面。不同的輸送帶長度，可以適應(yīng)不同的果樹高度。相較于傳統(tǒng)的果園收獲平臺，Pluk-O-Trak 蘋果收獲機減少了采摘工人彎腰放蘋果這一動作，大大減輕采摘工人的疲勞程度。

圖4 Pluk-O-Trak 蘋果收獲機

綜合來看，國外發(fā)達地區(qū)的研究機構(gòu)以及制造商大多偏向于高集成度、高自動化水平、高作業(yè)效率的作業(yè)平臺來進行果園的收獲及其他作業(yè)，例如德國生產(chǎn)的大型果園采摘機、美國生產(chǎn)的氣吸式果園采摘設(shè)備、荷蘭生產(chǎn)的升降作業(yè)平臺等。這些裝備均具有較高的科技含量以及智能化程度，但由于購機成本、使用、維護成本，以及后期配件維修等問題，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益較低的我國應(yīng)用范圍十分有限。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，相比于其他作物，我國果園生產(chǎn)的機械化水平仍然較低，以河北省為例，全省林果業(yè)綜合機械化水平僅為31%[14]，尤其是在采摘環(huán)節(jié)，大多以人工為主，不能滿足現(xiàn)代化果園的生產(chǎn)需要。一方面，我國果園種植多在山區(qū)丘陵地帶，復(fù)雜的地形使得大型果園裝備難以得到應(yīng)用；另一方面，我國農(nóng)機行業(yè)對于果園等特色經(jīng)濟作物裝備領(lǐng)域長期的不夠重視，導(dǎo)致目前果園裝備科技含量低、品質(zhì)不可靠，農(nóng)機農(nóng)藝融合程度低，不好用、不適用[15]。

2.2.1 單工位采摘平臺研究現(xiàn)狀

2007 年，新疆機械研究院股份有限公司研制出了我國第一臺自走式果園作業(yè)平臺—牧神LG-1 型多功能果園作業(yè)機[16]，如圖5 所示，填補了國內(nèi)作業(yè)平臺的空白，該作業(yè)平臺以履帶式行走底盤為主，通過搭載剪叉式升降機構(gòu)完成果樹修剪、采摘等功能，升降機構(gòu)可上升到1.5m。其工作原理是將汽油發(fā)動機的動力分為兩部分，一部分用于行走；另一部分驅(qū)動空氣壓縮機工作，為氣缸提供動力。這一作業(yè)平臺的推出，標志著我國的作業(yè)平臺進入了多功能作業(yè)機械時代。

圖5 牧神L-1 多功能果園作業(yè)平臺

2011 年，山東華興機械股份有限公司研制開發(fā)了STQ-3000 型多功能升降工作平臺[17]，如圖6 所示。采用四輪驅(qū)動承載底盤，配備液壓升降作業(yè)平臺，工作臺尺寸1.3 m×1.0 m，起升高度3.5 m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量460 kg。但該機工作臺作業(yè)面積小，工作位置單一，不適合多人連續(xù)采摘作業(yè)，效率低下且操作不方便。

圖6 STQ-3000 型升降工作平臺

2012 年，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)孫振杰等研制了一種液壓驅(qū)動式多功能果園升降平臺[18]，如圖7 所示。該機行走和平臺的升降均由液壓系統(tǒng)提供動力，單人可完成作業(yè)需求操作，最大升降高度為1.325m，平臺起升質(zhì)量320kg，最大爬坡角度為14.97°。該機作業(yè)平臺尺寸較小、舉升高度有限，不能實現(xiàn)多人連續(xù)性采摘和較高位置的采摘作業(yè)，對不同樹形適應(yīng)性較差。

圖7 液壓驅(qū)動式多功能果園升降平臺

2016 年，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)張花哲等設(shè)計研發(fā)了電動履帶式多功能舉升平臺[19]，如圖8 所示。根據(jù)果園果樹的高度和行距的要求，通過對比各舉升機構(gòu)，結(jié)合需求采用剪叉式液壓升降機構(gòu)。果園舉升平臺包含了履帶式行走機構(gòu)、剪叉式升降機構(gòu)以及工作臺等部件，配套動力為2.2kw，起升高度為1.5m，最大舉升質(zhì)量為300kg，其體積較小，工作重心低。這款設(shè)備使用蓄電池作為動力源，可供剪枝等其他裝配提供動力，但舉升平臺的調(diào)平機構(gòu)尚未設(shè)計研究，且不能進行獨立高度升降，同時在整機空間布局上還需要進一步優(yōu)化設(shè)計。

圖8 電動履帶式多功能舉升平臺

2.2.2 多功能采摘平臺研究現(xiàn)狀

2017 年，王亞龍團隊研制出了一款牽引式的果園作業(yè)平臺[20]，如圖9 所示。該款作業(yè)平臺需要利用大馬力拖拉機來提供牽引以及升降動力，并且該機型針對國內(nèi)的矮砧密植新興果園的種植模式，可以提供雙側(cè)6個、三檔高度的作業(yè)工位來實現(xiàn)果品的采摘、裝箱以及輸送。該平臺作業(yè)時，載人工位固定不動，多個作業(yè)人員位于多個不同位置、不同高度的工位進行采摘，車身較長、轉(zhuǎn)彎半徑較大，而且作業(yè)不靈活，當行距過寬時則可能出現(xiàn)采摘不到的問題。

圖9 牽引式果園采摘作業(yè)平臺

2019 年，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的李強團隊設(shè)計研發(fā)了一款自走的履帶式果園作業(yè)平臺[21]，如圖10 所示。該平臺為雙側(cè)、可調(diào)節(jié)多工位，并且可同時完成水果的柔性分級輸送作業(yè)。平臺采用了履帶式自走底盤設(shè)計，通過性好，人工采摘的果實可實現(xiàn)全自動的輸送以及裝箱，平臺配備的柔性輸送裝置采用了單個間隔放置，柔性匯集輸送部件采用的是多個間隔的放置方式，有效降低了機械對果品造成的損傷，實測果品機械損傷在5%以內(nèi)。平臺所采用的升降機構(gòu)結(jié)構(gòu)合理，升降高度相對誤差控制在6%以內(nèi)；平臺的作業(yè)工位單獨可調(diào)，最高可達3.6 米，最寬達3.5 米。除采摘之外，平臺還配有氣泵裝置搭配氣動剪實現(xiàn)多工位果園枝條修剪工作，配備的氣動剪最大剪斷直徑達到了16mm，實現(xiàn)一機多用。

圖10 履帶自走式作業(yè)平臺

3 果園采摘平臺發(fā)展中的問題

通過對國內(nèi)外采摘平臺現(xiàn)狀的研究，發(fā)現(xiàn)果園采摘機械化還有如下問題。

3.1 果園栽培模式多樣化，制約采摘機械發(fā)展

現(xiàn)階段新老果園并存，現(xiàn)代化果園采摘平臺無法進入傳統(tǒng)果園作業(yè)；現(xiàn)代化果園種植地形差異性大，且栽培模式多樣，導(dǎo)致采摘平臺難以做到“一機多用”的情況。

3.2 果園采摘農(nóng)藝融合度低，阻礙采摘機械發(fā)展

目前市場上果園采摘平臺存在許多問題：工作臺單一工位，升降高度一致，對于不同高度果實需要頻繁進行上升或下降，以適應(yīng)果樹高度；工作臺側(cè)展一致，不能進行單獨側(cè)展，對于不同樹形果樹適應(yīng)性較差等問題。

3.3 果園智能技術(shù)研究欠缺，限制采摘機械發(fā)展

果園采摘機械化最終會朝著智能化、信息化發(fā)展，科研成果正處于研發(fā)階段；視覺識別和機械臂采摘的創(chuàng)新性科研成果，沒有進行商業(yè)化融合。

4 果園采摘平臺發(fā)展趨勢

果園采摘環(huán)節(jié)涉及采摘、輸送、裝筐、運輸一系列問題，實現(xiàn)采——輸——裝——運一體化將會逐步實現(xiàn)。隨著現(xiàn)代化果園進展的不斷推進，果園采摘朝著智慧化、科技化發(fā)展。

4.1 加快標準化果園建設(shè)，提高果園作業(yè)條件

加快傳統(tǒng)老齡化果園向現(xiàn)代化果園改進進展，創(chuàng)新栽培模式，加快果園標準化建設(shè)，為現(xiàn)代化果園采摘機械作業(yè)提供條件。

4.2 加強樹機、人機融合，優(yōu)化采摘方式

充分調(diào)查研究現(xiàn)階段從事果園生產(chǎn)人員尺寸。運用人機工程學(xué)技術(shù)，使人——機——樹三要素相融合，減低工作人員工作強度。

4.3 融合現(xiàn)代化智能技術(shù)，加快科研成果轉(zhuǎn)化

結(jié)合現(xiàn)階段機械手技術(shù)、末端執(zhí)行器技術(shù)、視覺識別技術(shù)和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展優(yōu)勢，提升果園采摘智能化水平；加強科研院校與企業(yè)創(chuàng)新合作，加快科研成果轉(zhuǎn)化，降低生產(chǎn)成本，做到經(jīng)濟實用的智慧化采摘平臺。