果農(nóng)輔助采摘裝置在現(xiàn)階段的發(fā)展前景

魏常武 王曦楊 李偉 馮喆 殷士恒

摘要：隨著生活水平的提高，經(jīng)濟的發(fā)展，國民生活條件逐步提高。國民對水果的需求量增大。而果樹種植就涉及到了果實的采摘。傳統(tǒng)的果實采摘過多的依賴人工，這也造成人力物力財力的大量浪費，不能實現(xiàn)更高效率的采摘。所以機械化采摘方式愈發(fā)的顯得尤為重要。通過對果農(nóng)采摘的需求，研發(fā)設計了果農(nóng)輔助采摘器。做到一人一機，降低果農(nóng)采摘水果的勞動量，提高了采摘效率，提升了水果完好率。極大地改善了傳統(tǒng)采摘水果過程中的一些詬病。

Abstract： With the improvement of living standards and economic development， the living conditions of citizens have gradually improved， and the national demand for fruits has increased. The planting of fruit trees involves the picking of fruits. The traditional fruit picking relies too much on labor， which also causes a lot of waste of manpower， material and financial resources， and cannot achieve more efficient picking. Therefore， the mechanized picking method becomes more and more important. This paper developed and designed fruit farmer auxiliary pickers through the demand for fruit farmers' picking. It achieves one person and one machine， reduces the labor of fruit farmers to pick fruits， improves the picking efficiency and the fruit intact rate， and greatly improves some of the criticisms in the traditional fruit picking process.

關鍵詞：機械化;采摘;發(fā)展前景;輔助

Key words： mechanization;picking;development prospects;assistance

中圖分類號：S225.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0236-04

0? 引言

中國是水果生產(chǎn)銷售大國，其中蘋果、梨、橙等帶有桔梗的水果，他們的產(chǎn)量在世界的水果產(chǎn)量的排名中也排在了前三的位置。經(jīng)過測量計算，果園需要水果產(chǎn)業(yè)整體勞動力的35-45%。但是，果園的機械化程度在中國比較低。農(nóng)業(yè)機械化在提高單位耕地面積的總農(nóng)業(yè)產(chǎn)量、減少農(nóng)業(yè)勞動力的使用、提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率和優(yōu)化農(nóng)業(yè)結構方面發(fā)揮著重要作用。當前的采摘模式下主要有兩種果樹機械采摘方法，一種是機械式采摘，另一種是機械輔助式采摘。而中國機械化采摘一直存在著低效率、易損、果實機械輸出損失大等問題。中國的果實產(chǎn)量主要集中在南方，這里由于山區(qū)地形制約，拖拉機驅動的大型收獲機器的工作很困難。因此，便攜式的果實采摘機就更為適合這樣的環(huán)境。

1? 發(fā)達國家采摘機械的發(fā)展歷程

1.1 機械化采摘

1.1.1 機械化采摘的分類

一般的機械化的采摘果園主要是有三種機械化采摘的類型。其中振動的種類是使用外力來振動或擺動樹枝的樹木，所以水果產(chǎn)生適當?shù)募铀?，并將其與樹枝分離成最弱的連接。沖擊的種類是，果實的枝頭受到?jīng)_擊的部分直接影響果實的枝頭，或是敲擊樹木的框架，使果實的枝頭振動。切割類型是在切斷樹枝和果實的時候，從果樹中分離水果的方法。同時，切削型分為機械的切削型和動態(tài)的切削型。

1.1.2 機械式采摘工具的現(xiàn)狀

歐美等國所帶領的歐洲國家。1950年代初期，對相關果園的機器進行了深入的研究。研究始于1950年代中期的美國。當時震蕩機會被用來選擇采摘一些梨、核桃和其他水果。直到1960年代中期，這種采摘機在美國和其他國家被開發(fā)出來。同時在多個國家被廣泛使用，之后還有拖拉機驅動的采摘器。1970年代，振動采摘機的構造不再單一，而是由推式和震式發(fā)展成各種振動機械。例如慣性振動機械。然后，為了進行有效的振搖，使用了由動力驅動的軟木橡膠棒的果園振搖機械。但是，那個時代的機械摘果的效率一般很低，對果實的損害也很高。很多水果因為采摘器的采摘問題而受損。這樣也就導致水果的質量會變差。因此，這些挖掘機并不適合采摘這些需要高完好率和容易造成外表損壞的水果。到1970年代中期為止，歐美發(fā)達國家的研究者研究了歐洲和美國的幾個國家果樹栽培、采摘果實、果實管理等有關果實種植、管理、采摘的一系列過程。制作了很多適用于采摘和水果農(nóng)業(yè)防治的驅動采摘機。1980年代之后又有各種各樣的切斷機。類似于：割草機、氣動鋸等。比較有名的有意大利公司campagnola、日本ARS公司及其他機械化公司。這些企業(yè)為機械采摘機的進步和發(fā)展做出了卓越的貢獻。

例如，在日本，平地只占全地面積的29%。由于這些果園的地形與我國南方地區(qū)的外觀相似，所以比較大型的采摘機在日本并不特別適合，但是是比較小的輔助采摘機，在日本很普遍。由于他們的小質量、低價格、搬運簡單、耐用等特點，這些輔助挖掘機非常適合他們的果園。同時，日本果園的機械化普及率比較高。大部分果園的栽培者對機械化的采摘有著特定的理解。這也為我們的機械化普及做出了良好的先例。

1.2 智能機器人采摘

1.2.1 智能機器人采摘的研究現(xiàn)狀

目前，在美國等歐洲發(fā)達國家，機器的主要研究發(fā)展方向還主要是機器人采摘。從70年代到80年代，隨著PC網(wǎng)絡和PLC控制技術的快速發(fā)展，美國成為83年以來研究所有種類農(nóng)業(yè)智能機器人的第一個國家。最初的智能取貨機器人是在美國開發(fā)的。至此之后經(jīng)過幾十年的努力和創(chuàng)新，越來越多的發(fā)達國家開始進入智能機器人研發(fā)的行列。當然，成功總是伴隨著失敗。在各種各樣的失敗之后，發(fā)達國家越來越多的開始有了自己的采摘機器人。例如，可以采摘梨、蘋果、李子等帶有桔梗的智能采摘式機器人。在這些發(fā)達國家，智能采摘機器人型的研究不僅開始的較早研發(fā)的較快，而且可以說還具有非常猛烈的發(fā)展勢頭。

1.2.2 人機協(xié)作型研究思想

人-機械協(xié)調的研究理念是指機器人選擇的果實的探索、位置決定、移動的工作，由機器人的控制系統(tǒng)完成軌道計劃、共同控制、末端執(zhí)行器控制的任務。圖1中展示了基于人類機械協(xié)調想法的工業(yè)自動化西班牙研究所開發(fā)的柑橘類選拔采摘機器人agribot。機器人是由激光測距錄影器、機器移動機構、控制裝置、操作手、自動化機器人、終端執(zhí)行器等構成。在摘取果實的過程中，我們將自動化采摘機器人通過外置游戲平臺的手柄操作讓激光測距錄影器的激光束定位到果實，然后把它的坐標放置于我們的參考系中，之后，控制系統(tǒng)會從中提取出果實相對應的坐標數(shù)據(jù)。與機器人端致動器的當前坐標相比，計劃最佳的采摘路徑，控制關節(jié)軸電機的運動，機器人端致動器到達指定位置。

合理的人類機械分割和協(xié)調不僅提高了智能機器人的緊急性和處理系統(tǒng)穩(wěn)健性的能力，而且在不增加系統(tǒng)的復雜性和成本的情況下，還提高了探測的成功率。人類-機械協(xié)調定位機器人的研究具有實用意義。不僅提高了機器人的采摘效率和成功率，還將盡快大幅降低有助于機器人工業(yè)化的系統(tǒng)成本。

2? 果園采摘機械在目前中國的發(fā)展以及前景

2.1 機械化采摘

中國從上世紀70年代開始研究相關的果園機械。因為當時的經(jīng)濟條件有限，沒有太過高端的電腦以及激光測距儀，因為在那個年代中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍依靠農(nóng)用拖拉機，所以當時的采摘機械主要利用拖拉機作為主要動力源來進行果樹的采摘等一些方面的設計。這樣制造出的輔助機械雖然可以有效地保護好果實的完整率，但是它的效率太低不足以媲美人工采摘。到了80年代初，我們開始研制更新一代的采摘器，我們將切割采摘器作為主力發(fā)展研發(fā)出了可以利用拖拉機作為動力源的切割裝置，可以直接對果實的枝桿進行切割，讓果實掉落。同時，這樣的機械不僅保證了瓜果的完好率，同時也提高了效率。其次還有一種震蕩式采摘器，這種采摘器。通過它的傳導撥片將震蕩傳導至果樹上，讓已經(jīng)熟透的瓜果因為震蕩而掉落在地上。這樣的發(fā)明，可以很好的提高果實采摘的效率。但是有一個缺點就是采摘的果實因為高處掉落容易損壞。所以這樣的機器還有待改善。其次，我國還研制出利用空氣風力來將果實吹落的機械。這樣的機械可以借助鼓風機將大量的氣體吹到果樹上，讓果實因為受到風力的作用而掉落。但是它的采摘效果不是很好，進場會將果實吹得很遠而造成果實的損害，所以很快就被市場所淘汰了。

1990年代以后，市場因素促進了果樹栽培的興起，許多中小品種的需求帶動了單純的采摘器市場。從那以后，氣壓剪切機、輔助提升平臺和其他機器紛紛進入市場。1992年，浙江金華農(nóng)業(yè)機械研究所以高7米的高度，研究了為摘水果而使用拖拉機操作的電梯。這是一種具有維修、修剪、噴霧、運輸、發(fā)電等功能的自動駕駛機。其原理是，汽油引擎將動力的一部分分配給主引擎的齒輪箱，齒輪箱驅動2個橡膠卡車行走。另外，其他部分還驅動雙筒空冷空氣壓縮機，為空氣修枝機和電梯提供力量。橡膠軌道步行部被用于果園柔軟潮濕的環(huán)境。連接到空氣壓縮機的提升平臺高1.5米。這臺機器的成功發(fā)展表明，我們國家果園的單個采摘機進入了多功能工作機的時代。

我國南方大部分果園并非在平原地帶。而是在山坡，丘陵等地區(qū)，所以相對來講比較大型的機械采摘方式。反而不太適用于我們國家的采摘現(xiàn)況。同樣，我們國家的果園種植戶對機械采摘這方面的認知度還不是太高，所以對于機械采摘。重視程度并沒有達到發(fā)達國家那樣的水準。而大型的采摘機器成本又比較高昂。普通的種植戶他的種植量沒有達到一定的規(guī)模，不太會采用這種大型的機械化采摘手段。相比較來說，比較小的輔助型采摘記反而更加具有優(yōu)勢。為了在臺灣省的傾斜地帶對果園進行機械化管理，研究人員開發(fā)了適合傾斜土地操作特性的自走牽引式振動收獲機。該機器以適宜坡地行走的搬運車作為主體進行移動，將360臺旋轉圓板安裝在振動機下，采摘果實時它會按照指令發(fā)出旋轉，將牽引桿與樹干對齊。牽引式推桿配備了4個可以自動調整推桿角度的連桿，這個狀態(tài)下的推桿是最有效的工作角度。當樹干和推桿頭之間的繩子拉緊時，果實可以在張力下掉落。

2.2 智能果園機器人采摘

在果園機器人采摘的研究中，我們國家剛剛開始。2006年，“第十一個五年計劃”全國高科技研究發(fā)展計劃（863計劃）啟動，高科技項目《果樹采摘機器人關鍵技術研究》得到推進。近年來，中國很多大學都積極參與農(nóng)業(yè)機器人的研究。通過跟蹤外國的尖端技術，在機器人維修領域取得了初步結果。例如，上海交大對黃瓜機器人進行了研究，而中國農(nóng)業(yè)大學則對Pibot機器人的視覺識別系統(tǒng)進行了研究，華東交通大學對南方丘陵山區(qū)果園管理及智能機械化機器人采摘進行了研究，浙江大學則對七自由度番茄收獲機械手的優(yōu)化設計研究和機構分析。目前，具有代表性的采摘器機器人是人計算機協(xié)調柑橘類拾取采摘機器人，多功能葡萄藤蔓果實采摘器機器人。當然這些都只是我國在智能機器人采摘道路上的一些不斷嘗試，后面還有很多進步和發(fā)展空間。而這段時間經(jīng)過疫情的影響中國采摘機器人的需求有了不小的提高。復產(chǎn)復工以后各廠商也開始加緊研制相應的采摘機器人，所以采摘機器人在目前中國雖然尚未達到普及，但是它的發(fā)展前景不容小覷，未來發(fā)展趨勢也是一片大好。

3? 果園機械存在的問題

在我國采摘園行業(yè)里有研究人員做過一項統(tǒng)計調查。超過五成的果農(nóng)認為在采摘環(huán)節(jié)中最大的問題就是采摘人員的成本過于高昂。其次還有二成果農(nóng)認為采摘機的利用率不高，一個機器可能只能采摘少數(shù)的幾種水果。另外兩成果農(nóng)面臨著采摘機器過重無法很好搬運，移動困難，導致其利用率比較低。還有一成果農(nóng)遇到的問題是所采用的采摘設備它能承載的果物數(shù)量很少，無法達到采摘的需求。從而使果農(nóng)采摘率比較低。其中在我國現(xiàn)有的經(jīng)濟環(huán)境下從事果農(nóng)種植行業(yè)的農(nóng)民最大的問題是果農(nóng)種植從業(yè)人員的素質偏低，但是如果雇傭高素質的采摘人員來進行作業(yè)的話，勢必會加大他們的人工成本投入，而采摘果物只是果農(nóng)進行果物售賣的一個環(huán)節(jié)，太多的沉沒成本勢必會導致果農(nóng)前期的經(jīng)濟負擔加重，這樣的情形對果農(nóng)來說是不敢輕易承擔的。其次，研究人員在調查過程中多次察覺到機器的易損性也很程度上影響著果農(nóng)對機械化采摘的信心，因為果農(nóng)種植戶一般都會在比較偏僻的丘陵山區(qū)進行種植，而一旦機器損壞，種植戶自己無法進行維修，而維修站的人員有過于遙遠，很容易耽誤水果本就較短的采摘期。

同時有近三成的果農(nóng)認為市面上許多的大型采摘機械，他們的問題是運輸機過程中不好搬運也沒有辦法靈活地在各個地方使用。這個問題對于小型種植戶來說可以說是無法接受的。它的利用率低，也就導致了在各個環(huán)節(jié)上果農(nóng)必須采購其他的相關機械，這樣的話一方面增加了采購機械的費用，增加了采摘成本，其次，這樣購進好幾種采摘機器會是材質人員對機械化的采摘模式失去信心。這些問題是中國果園機械發(fā)展中經(jīng)常出現(xiàn)的一些問題。而對于這些問題多功能的輔助采摘機器就可以很好的解決這個問題。

目前，中國研發(fā)的果實采摘機的通用性和利用率并不是太好，這也是限制采摘機開發(fā)的主要原因。在國外，由于農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)機械的組合、機械化操作的方便快捷、同時對果園栽培管理的關注。研究者提出的新的定位方法和果樹栽培模式還能有效的提高果樹對陽光的利用率。而這些研究也為了果農(nóng)們能更好地進行機械化操作做出了很好的鋪墊。這樣的研究對果農(nóng)是有機械化采摘器有幫助，同時還可以利用到大量的自動化機器的使用中。而在歐美等發(fā)達國家的大規(guī)模果園環(huán)境控制中，計算機開發(fā)了“精準定量”控制理論，由計算機分析果園的經(jīng)濟利益，研究降低成本，減少勞動力，增加收入的最佳策略。

相比之下，中國幾乎沒有大規(guī)模的現(xiàn)代果園，主要是分散性的栽培、家庭經(jīng)營和集中性的統(tǒng)一經(jīng)營。這種小規(guī)模農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟種植形式，根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗維持果園的生產(chǎn)管理，難以實施標準科學的生產(chǎn)管理方法，果園機械化程度一般較低。

4? 中國目前輔助果園的發(fā)展前景及優(yōu)勢

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的根本趨勢，提高農(nóng)用資源的利用率、降低人工勞動強度、提升相對應的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率、提高果園經(jīng)濟效益。同時由于成本技術還有研發(fā)速度的影響。中國目前的機器人采摘正處于研發(fā)階段，可以說要做到大量普及還有很長的一段路要走，而在這種智能機械采摘尚不成熟，手工采摘又費時費力的背景下，輔助式的機械采摘必將擁有很大的市場競爭力。而輔助式機械采摘目前也逐漸成熟化、多樣化，也可以很好的滿足果農(nóng)對采摘機械的大部分需求。同時輔助機械采摘在發(fā)展的過程中具備了以下的幾個特點：

4.1 操作簡單、可靠性高

機械式采摘設計高的機械專業(yè)知識并不多，對于農(nóng)學歷較低的采摘果農(nóng)來說，比較容易上手，同時機械式采摘相對于人工采摘來說效率比較高，對于單個采摘器來說成本也很低，比較適合中國目前的果農(nóng)實際情況。

4.2 通用性好

便攜式機械采摘器相對于大型機械采摘器來說，它的主要優(yōu)點是單個果農(nóng)可以攜帶，對于中國來說，大多數(shù)的種植果園分布在南方的丘陵山區(qū)地帶，太過大型的采摘機，可能會有無法上山，無法到達指定的果園等一系列問題。而便攜式機械采摘機就解決了這個問題，可以很方便攜帶，也就可以隨果農(nóng)進入一些比較偏僻的果園進行采摘。

4.3 自動化和智能化

隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，我國的果農(nóng)采摘市場會逐漸的走向智能化及自動化。所以我國的機械化采摘器的發(fā)展是必然趨勢，而便攜式機械化采摘器也就是由手工采摘往全自動化采摘的過渡階段，這也符合目前中國的采摘行情。也方便普及機械化采摘，為機械化采摘的普及做出一定的貢獻。

4.4 利用率高

可以對多種帶梗的果物進行采摘，同時經(jīng)過合理的設計，輔助式采摘機械還可以做到更換采摘頭對更多的水果及農(nóng)作物進行有效快速的采摘，這樣也很大程度上提高了采摘器的實際利用率，使得采摘機械的優(yōu)勢更加明顯，種植戶也愿意去嘗試。

4.5 多功能化

該采摘機不僅僅適用于單一作物。而且還適用于大部分帶枝梗的水果，通過采摘機的切割，這些水果都能完成切割，最終實現(xiàn)采摘機一機多用。

4.6 低成本的采摘器

成本較低的采摘器可以方便日后的推廣普及，果農(nóng)買的起，也用得起，而且較低成本的采摘器也給果農(nóng)減輕了許多不必要的負擔。

5? 結束語

采摘水果是非常有意義的研究方向。現(xiàn)在，中國是人口最多的發(fā)展中國家。隨著中國科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，中國國民的整體生活水平也大幅提高，水果需求也大幅增加，對果樹產(chǎn)業(yè)也進行了嚴峻的考驗。水果采摘也逐步智能化、高效化和機械化。原來的人工的采摘漸漸被取代了，新的機械化維修還沒有完全普及。因此，有必要出現(xiàn)輔助摘果機。由于人口老齡化和農(nóng)村勞動力的轉移，在采摘果實的單調和危險的作用下，高效、普遍、低成本的收獲技術成為當務之急。另外，機械采摘方法遠優(yōu)于機器人的挖掘機和大規(guī)模的機械自動采摘，適用于現(xiàn)在中國的栽培產(chǎn)業(yè)的利用。因此，作為果樹選拔機的新一代，研究輔助果實采摘機非常實用重要，同時，對中國的經(jīng)濟發(fā)展和機械化發(fā)展也有很重要的意義。

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作者簡介：魏常武（1972-），男，安徽合肥人，安徽建筑大學講師。