蘋果機械化采收發展歷程、模式及其技術現狀

摘要：經過近千年的進化發展，蘋果伴隨著品種及樹形的改良，經歷從自然熟落到人工采摘，從輔助工具、輔助收獲平臺、振動撿拾到智能機器人采收的發展歷程及相應的不同的機械化作業模式。介紹蘋果機械化采收的發展歷程及技術現狀、不同收獲模式下所使用的機具設備以及不同收獲模式所應用的場景與條件，為我國蘋果主產區因地制宜地選擇適合當地蘋果收獲作業模式提供借鑒。如人工或機器人采摘適用于蘋果鮮售市場，非選擇性振動撿拾收獲方式適用于蘋果的二次加工領域；而為提高機器人的作業效率，需要對蘋果樹的樹形進行結構簡化改良，需要考慮農機與栽培農藝的結合。

關鍵詞：蘋果；機械化采摘；采摘模式；采摘機器人

中圖分類號：S-1： S225.93： S233.4

文獻標識碼：A

Development process， mode and technology status of apple mechanized harvesting

Abstract：

Over the last thousand years of evolution and development， with the improvement of varieties and tree shape， apple production has evolved in the development process from natural ripening to manual picking， from auxiliary tools， auxiliary harvesting platforms， vibration picking to intelligent robot harvesting and corresponding different mechanized operation modes. This paper introduces the development history and technical status of apple mechanized harvesting， the machines and equipment used in different harvesting modes， as well as the application scenarios and conditions of different harvesting modes， which provides reference for the selection of local apple harvesting modes according to local conditions in Chinas main apple production areas. For example， manual or robot picking of apple is suitable for the fresh market use of apple and non-selective vibration picking and mass harvesting machines such as a limb shaker， trunk shaker， rotating beater bars， and pick-up-machine are only applicable for processing apples， such as apple juice， jams， or apple pies. In order to improve the working efficiency of the robot， it is necessary to simplify and improve the structure of the apple tree， and consider the combination of agricultural machinery and cultivation agronomy.

Keywords：

apple; mechanized harvesting; harvesting modes; harvesting robot

0 引言

蘋果起源于歐洲中部、東南部、中亞細亞乃至我國新疆一帶。中國蘋果，古稱柰（最早見于西漢司馬相如《上林賦》），從有文字記載起，至少有2200多年的栽培歷史［12］。

目前，世界生產蘋果的國家有80多個。中國是世界上蘋果產量第一大國，主要產地有遼寧、山東、陜西、新疆、河南等地。美國是世界上蘋果第二大產量國，有32個州種植蘋果，品種超過100種，種植面積約130khm2，平均每年產量約6530kt，產值50億美元，產量1/3出口，每年出口到墨西哥和加拿大產值為4.5億美元。蘋果是美國消耗量第一的水果，鮮售占67%，33%加工為果汁和蘋果食品。

因此，蘋果根據收獲后用途不同，是鮮售還是加工成果汁、果醬、醬油調味原料、蘋果片、蘋果派等，以及當地的種植規模、地形情況、經濟條件等，蘋果收獲有不同的方式與模式，本文對此進行系統的總結，論述其從人工收獲到目前機器人收獲的發展歷程。

1 人工+梯子采摘方式

蘋果最原始的收獲是果子自然熟落，然后是人工采摘，發展到借助棍子、梯子、籃子等輔助工具以提高收獲效率。

蘋果人工采摘可以最大限度地降低采收過程中對蘋果的損傷，但存在勞動強度大，體力消耗大，重復性爬上爬下、采摘、搬運等繁重工作，以及作業過程中意外出現的跌倒、碰傷等情況。到現代，規模化蘋果種植人工采收通常存在季節性用工量問題，用工成本也會隨當地區的發展不斷增加。

蘋果的人工采摘用時與蘋果樹型、產量以及果園情況有關。Verbiest等［3］通過一個3輪生產周期的調查發現，對于每公頃產量約為50t的高紡錘形樹型的Jonagold果樹品種，在其一個周期的生產過程中，總用工平均每公頃需要466h，其中采摘占總用時的67%，其余依次為修剪16%，疏花疏果7%，噴淋植保4%，其它工作占6%，因此采摘和修剪是用時占比最多的工作，而且需要在較短的時間段內集中完成。

為了提高效率，降低人工勞動強度，解決人工采收中所存在的問題，逐漸出現了不同的收獲方式及其相適應的機器設備，包括人工+輔助臺車、振動撿拾收獲以及機器人收獲方式。

2 人工+輔助臺車采摘方式

傳統的人工+輔助臺車的采摘方式［56］：工人在采摘車上可方便地達到采摘蘋果的高度，隨車沿蘋果樹行前行過程中，將蘋果采摘到胸前掛著的袋（筐）中，采滿后，轉放到（倒入）臺車上放置的收集箱中。顯然，在規模化的果園中，移動臺車的使用，大大降低了人工搬挪梯子、爬上爬下的采摘時間，提高了采摘效率。利用該運輸臺車，還可以完成果樹的修剪、疏枝和整枝等作業。

為了進一步提高采摘效率，改進后的采摘輔助系統在原有的采摘臺車上增加了一個“蘋果氣吸系統”。該氣吸系統安裝有4個氣吸輸送軟管，軟管端部的蘋果收集袋綁縛在工人身上，工人采摘的蘋果被一個個地放入帶有密封蓋的收集袋中，通過氣吸軟管和一個旋轉的蘋果分配器，使蘋果均勻地鋪放收集到收集箱中。改進后的帶有氣吸輔助系統裝備的采摘效率是傳統的無氣吸系統的2倍，4人一組收滿一收集箱只需15min，較原來用時減少一半。主要的原因是去掉了人工將采滿的小袋中蘋果轉放到大的收集箱中的過程，節約了時間。此外，改進后的系統減輕了采摘者在采摘過程中的負重，胸前掛負的收集袋不再隨著蘋果采摘數量的增加而不斷增加重量。新系統需要解決的問題是減少噪聲，進一步改善分配器在收集箱中鋪放蘋果的性能。

圖1所示為跟隨式水果收獲臺車［34］具有不同高度的蘋果收集輸送帶（鏈），工人很方便地站在地上和平臺踏板上作業，將不同高度的蘋果采摘后直接放入輸送帶中。4條（或多條）輸送帶收集到的蘋果，匯集到后續的輸送抬升鏈上，將蘋果連續不斷地輸送到后置的收集箱中或后掛的卡車箱中，收集滿后，收集箱或卡車通過公路運輸到指定地點。更多類型的輔助臺車可參見文獻［5］。輔助臺車的收獲方式顯然可以提高效率，降低人工勞動強度，同時降低人工收獲過程中可能出現的事故損傷，例如攀登梯子采摘時，梯子傾倒造成的人員事故。

使用可移動的輔助運輸平臺和收集箱的工作方式與傳統的使用梯子和人工搬運收集箱的方式相比較，采摘收獲每公頃蘋果用時從312h可減少到216h，減少約30%用時［4］；工作效率則可以提高19%～67%［3， 6］。

3 振動+撿拾收獲方式

采用振動收獲的方式可以極大地提高收獲效率，但是在收獲過程中容易造成蘋果跌落、碰撞損傷，因此主要用于二次加工市場的蘋果收獲。振動收獲的作業模式主要有兩種，一種是振動、撿拾分段（兩段）作業模式；另一種是振動收集一體式（shake-and-catch systems）作業模式。

半自動化的人工手持式振動采收設備及收集裝置［78］通過前端的V型鉤鉤住蘋果枝條，在往復振動力作用下將蘋果振落下來，落入收集裝置中。振動頻率通過調節輸入電壓在0～50Hz之間變化，振幅為3.2cm。手持式振動采收設備結構簡單，操作靈活方便，但在大規模收獲生產中還是存在很多問題，有待完善解決，包括半自動液壓驅動的振動收集收獲系統［5， 9］。

全自動懸掛式蘋果振動收獲機如圖2所示，依靠前端的夾持機構夾持住果樹樹干，通過往復振動將果實振落于地面。后續的撿拾可采用圖3所示的機具進行撿拾收集。撿拾機的前部左右各斜置一個蘋果收攏部件，其中連續旋轉的葉片可以將散落的蘋果撥動歸攏集中成條帶狀，中間的撿拾臺將蘋果撿拾起來，通過輸送帶輸送到后置的收集箱內。收集箱旁可站立一人，從事一些輔助性工作，將雜物、已壞的蘋果挑揀出去，將堆積的蘋果堆推平，使蘋果均勻布滿整個收集箱。

類似的產品還有自走式拖拉機驅動的蘋果收集機，如圖4所示，通過柔性毛刷式旋轉盤和鏟狀擋板配合，將散落在地面上的蘋果歸攏到收集臺前撿拾收集起來，并在后續輸送過程中經過初步清選后運送到拖拉機后部懸掛的卡車中。拖拉機前部安裝有風機吹嘴系統，通過吹嘴可以將地面蘋果中混雜的落葉等雜物在蘋果被撿拾收集前吹走，以減輕后續清選的負擔。

一次性完成振動與收集作業的機具［10］如圖5所示，最早用于收獲甜櫻桃［11］，經過改進后，用來振動采收蘋果。該機具由2個獨立的可駕駛行走的收獲臺組成，2個收獲臺要配合使用，用于樹型是“Y”型生長的蘋果樹。收獲臺與地面成一定角度傾斜布置（45°，30°），以適應“Y”型生長的果樹枝條。收獲臺上的振動器通過人工操作控制夾持住果樹枝條后，開啟振動使蘋果振落到收獲臺上，帶凹槽的輸送帶沿收獲臺的傾斜面運動，將凹槽中的蘋果提升到收獲臺頂端后落入另外一條水平輸送帶上，此輸送帶長度略長于收獲臺的寬度，順著收獲臺寬度方向旋轉（與收獲臺凹槽輸送帶運動方向正交），將所有蘋果輸送到收集箱中。試驗結果表明，蘋果振落率為95%以上，損傷率隨蘋果品種的不同而變化，最低6.8%，最高27.2%。

其他振動收集系統的收集平臺還有扇形漏斗狀、可伸縮的平面形結構等，如圖6所示，在此不再累述。

總體來講，振動撿拾收獲方式由于在收獲過程中蘋果之間、蘋果與果枝間以及蘋果與收集器表面的接觸、觸碰、碰撞等損傷，造成后期貯藏易腐爛，貨架期短，不能滿足蘋果鮮售市場的要求。由此產生了選擇性收獲的蘋果采摘機器人技術。

4 機器人采摘+果樹樹形的改良

從20世紀80年代，機器人技術得到了快速發展。但是經過幾十年的努力，水果收獲機器人系統依然不能滿足商業化的市場需求，除了本身技術的不足外，例如機器視覺系統檢測果實的魯棒性差、機械臂收獲周期長、采摘效率低等問題，更主要的原因是果園的非結構性環境，果樹樹形的復雜性、個體差異大，水果果實形狀大小的不一致性，果實生長分布的不均勻、簇擁生長，果實被遮擋，嬌嫩易受損等特性，制約了果樹采摘機器人的實用性。因此，有科學家進行了果樹樹形的改良，尤其是蘋果樹，以期望新樹形不僅僅提高果實品質、產量，而是在形狀、大小、成熟方面的一致性，易采摘性方面，更利于機器人機械化采摘，利于采摘收獲效率的提高。與蘋果樹樹形這一農藝參數相對應，則出現了針對傳統樹形和改良后樹形的蘋果采摘機器人收獲系統。

4.1 傳統冠狀樹形采摘機器人

對于傳統的蘋果樹形，國內江蘇大學研制出如圖7所示的5自由度機械臂的蘋果收獲機器人及其末端采摘手［12］。5自由度的機械作業臂包括操作臂整體的豎直升降（0～0.8m）、腰關節的水平旋轉（-180°～180°），大小臂的俯仰運動（-80°～80°）和手的伸縮運動（0～0.8m）。無調節末端機械手姿態的腕部旋轉運動關節。所設計的末端采摘機械手為手掌型的兩片狀（勺狀）夾指，其上裝有碰撞傳感器，位置傳感器、壓力傳感器以及一個高像素的彩色CCD攝像機。采摘后的蘋果放入手部下面懸掛的軟管收集到收集箱中。

4.2 果樹樹形改良后的新型采摘機器人

在20世紀60年代，美國學者開始研究不同蘋果果樹樹形對蘋果機械化收獲過程中損傷和對收獲效率的影響。Diener等［13］則提出了蘋果樹搭架栽培方式，表明這種方式有利于機械化收獲蘋果，可提高收獲效率，降低對蘋果和蘋果樹的損傷。Tennes等［14］認為在蘋果機械化振動收獲過程中，下落的蘋果與傳統冠狀樹形（spindle-bush）多枝杈枝條的碰撞接觸是造成蘋果損傷的主要原因，從而提出了Y， T和double-T樹形結構。此外，大規模種植的成排成行蘋果園，由于其傳統冠狀樹形造成蘋果在三維空間中的無規律生長分布，也為機械化采摘帶來了極大的困難。

為了追求更高的收獲效率，降低采收成本以及在收獲過程中對蘋果的損傷，蘋果果樹的樹形改良為如圖8所示的“Y”、“V”和1字型（Ⅰ型）垂直墻樹形［8， 1517］。

果樹枝條不再像冠狀樹形那樣向四周肆意生長，而是沿著搭架線橫向生長，最后果樹樹形從三維冠狀樹形降為準二維的垂直平面墻樹形（planar canopy），顯而易見更適合機器及機器人采摘，即使是人工采摘也是帶來極大便利，降低采摘難度，顯著提高采收效率，減低生產成本。針對V形樹形，華盛頓州立大學研究了一個7自由度、末端為3指夾持手的蘋果采摘機器人系統［18］。該收獲系統整體收獲成功率為84%，平均6s采摘一個蘋果。機器視覺系統精準定位一個蘋果的所需時間為1.5s。

華盛頓州立大學還研制了一個5自由度、末端為氣吸驅動的柔性3指夾持手的蘋果采摘機器人系統，如圖9所示，分別為系統的整體結構、3指夾持手的三維結構以及實際作業過程中對蘋果的夾持采摘［19］。該機器人系統中機械臂的5個自由度，分別為水平面X、Y方向上的平移以及其他3個旋轉關節運動。試驗結果表明，成功率為67%，每個蘋果從采摘下來到放入收集箱中平均用時7.3s。

澳大利亞莫那什大學研究出如圖10所示的蘋果采摘機器人系統［20］，采用工業機械臂UR5（6自由度機械臂），末端連接軟性夾指式采摘器，共有2臺Intel RealSense RGB-D照相機，分別安裝在基座和末端采摘器上。通過系統Apple 3D Network（A3N）軟件模型，可以實現蘋果的識別定位、預估出每個蘋果抓取時姿態、規劃出機械手抓取蘋果時正確的路徑與角度，完成果實的精準、安全采摘。系統在田間試驗收獲成功率為70%～85%。

我國西北農林科技大學集成開發了一個蘋果采摘機器人系統，對垂直樹墻結構的蘋果樹進行了視覺識別定位與不同采摘模式的研究［21］，如圖11所示。該機器人系統機械臂采用xArm 5 Lite （5段式關節），末端手為帶有鰭紋的三指采摘手，視覺系統采用ZED雙目視覺傳感器。結果表明，仿人工采摘（anthropomorphic）和“水平拉彎”（“horizontal pull with bending”）采摘動作分別用時3.13s和1.14s，整個采摘過程（一個采摘周期）用時分別約為17.17s和12.53s，采摘成功率分別為80.17%和82.93%。

不同于上述的多自由度機械臂機器人系統，美國密歇根州立大學研究出只有3個自由度的蘋果采摘機器人系統［22］如圖12所示。該系統末端采摘器為一中空的鋁管，長0.71m，直徑0.04m，同時作為真空負壓氣吸通道，其頭部安裝有一個硅樹脂材料制作的軟吸嘴。此采摘臂的移動，分別為水平運動，俯仰和旋轉運動。田間試驗表明，識別定位出一張圖像中所有果實用時0.3s，采摘臂接近蘋果和返回原位分別用時2.5s和2s，中間摘取過程用時約4s，因此一個蘋果采摘周期約8.8s。

西北農林科技大學［23］則研制了一個4自由度機械臂的蘋果采摘機器人系統，如圖13所示。除了在底座上的水平運動、旋轉、俯仰，增加了一個采摘臂的直線伸縮運動，一個3層波紋管的氣吸嘴作為末端采摘執行器。視覺傳感器為雙目照相機（ZED 2，Stereolabs Inc.）。試驗表明，旋轉—拔拉模式下的采摘成功率在模擬環境下是78%，在田間果園是47.37%，采摘周期約4s。

西北工業大學［24］研制了一個類人的蘋果收獲機器人，安裝在頭部的雙目照相機可以隨頭部俯仰、左右旋轉，但相關研究主要集中在實驗室仿真模擬環境下。

目前蘋果采摘機器人商業化產品開發也較成功。其中美國開發的蘋果采摘機器人［2526］利用計算機視覺系統和吸氣吸嘴式末端執行器識別確定出要采摘的蘋果并將其采摘下來，采摘下來的蘋果通過相連的內部貼敷襯墊的管道進入到收集箱中。其商品化的產品通過在自走式機身上安裝多個機械手實現采摘效率的提高。但也依然存在一些問題，例如，由于樹冠管理水平上的差異以及枝杈遮擋住果實的多少，機器可采摘到的果實在50%～90%之間，而圖像處理技術本身也需要進一步提高；此外，氣吸式系統抓取蘋果在通過硬枝杈的時候比人工采摘時有更多的刺穿損傷；收集箱裝滿后，自動換箱的問題也需要進一步解決。

該蘋果采摘機器人在應用中嘗試了一種新的商業運作模式，即種植者不必購買此機器，而是通過簽訂合同，由公司提供設備與人員服務。這對于農業機器人這類硬軟件均需要高技術水平的產品，即使是在產品商品化后，考慮到使用者的能力、作業過程中出現的問題、解決問題的能力等，在生產實踐中由專業公司、專業技術人員提供服務也是十分必要的。

以色利開發的蘋果機器手式采摘機［25］，其采摘機械手為頂端分叉的三指夾持手。整機共有12個機械手，機身兩側各安裝6個，負責不同高度不同采摘區域內蘋果的采摘，工作效率是人工平均采摘效率的10倍。該機配備有先進的軟件功能，可快速且精確地完成視覺圖像處理，依靠先進的算法實現要采摘的水果與受損、有病害、未成熟的水果的識別與分類分級，控制機械手實現選擇性采收。采摘下來的蘋果通過分輸送機構、總輸送機構匯集到收集箱中。

目前也有采用多架小型無人機采摘蘋果的嘗試與研究。以色列開發了一款人工智能驅動的無人機，該機配備有1m長的機械爪，可以采摘水果，包括蘋果，也能完成果園中的修剪任務。其作業模式是將多臺采摘無人機放置在不同的作業區域，無人機將該區域的蘋果采摘下來后，自動放入相應的收集箱中。

從目前技術來看，期望讓機器人完全代替人工作業，或者完成100%工作是不現實的，而且從機器人開發、技術投入、應用成本以及最終獲得更大的生產效益角度來講，讓機器人完成容易完成的80%～90%的采收作業［2728］，人工完成剩余的10%～15%是更經濟合理的策略。對于規模化生產，綜合考慮效益問題，避免更多成本投入，最難以完成的剩余的5%也許就放棄了，歸為收獲損失。例如，美國加州在機械化振動收獲巴達木果實的時候，每顆樹的果實收獲的時間平均為5s左右，之后未振落下來的果實不再收獲。

本文主要介紹了蘋果采收環節的機械收獲技術、模式及其設備，有關蘋果全程生產關鍵環節技術與機械化設備情況可參見文獻［3］。

5 結語

1） 蘋果收獲具有人工、機械輔助工具、輔助平臺、振動撿拾、振動收集一體、機器人等不同采摘模式和不同的組合作業模式，需要根據當地地形、種植情況、經濟條件、市場需求、技術人才等因素，因地制宜地來選擇。

2） 鮮果銷售通常采用人工或機器人采摘的方式，二次加工用市場通常采用機械化振動收集收獲方式。

3） 蘋果機器人采摘也需要果樹栽培農藝的配合，經過改良的準二維平面型果樹樹形比傳統的三維冠狀樹形更利于機器人以及人工采摘，有利于提高收獲效率，降低生產成本。

4） 機器人和無人機采摘是蘋果機械化作業最新的技術動向，也代表著未來的發展趨勢。而未來農業機器人技術產品的實踐應用推廣，采用專業公司提供商業化服務可能是更好的一種商業運行模型，而不是向傳統的農業機械設備那樣，由農戶（種植經營者）自行購買設備、自行操作完成農業生產。

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