我國果園機械采摘與分級研究進展

呂怡秋，楊葉

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學院，寧夏 銀川 750001）

果業(yè)經(jīng)濟是我國農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，亦是社會經(jīng)濟發(fā)展的強勁動力，隨著水果產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，極大地滿足了市場和消費者的巨大需求。現(xiàn)階段，隨著我國果園種植規(guī)模和面積日益擴大，對果園采摘工序提出了更高要求。我國部分水果種植區(qū)仍沿用傳統(tǒng)的人工采摘模式，勞動強度大、生產(chǎn)效率低及易造成水果損壞等弊端嚴重制約著我國林果業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展[1]。因此，果業(yè)采摘作業(yè)與機械化的有效融合，不僅能夠顯著提高采摘效率、節(jié)約生產(chǎn)成本，而且最大程度上降低了水果的損耗，提高了種植戶的經(jīng)濟效益，對實現(xiàn)果園全機械化具有現(xiàn)實意義。

水果分級，即按照果實的形式大小、質(zhì)量品質(zhì)及顏色等特征分為不同等級，是水果采摘后商品化的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)[2]。在水果采摘、加工、包裝、打蠟及分級等產(chǎn)后處理工序中，除分級外，其他環(huán)節(jié)相對容易解決，因此，水果分級技術(shù)對于果業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

1 果園機械采摘研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，我國果園采摘主要有人工采摘模式、機械輔助人工采摘模式及全機械化采摘模式三種方式，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化水平不斷提高，機械化程度逐漸提高，經(jīng)過長期的實踐，我國林果業(yè)生產(chǎn)常用的機械分為搖臂式水果采摘機、撞擊式水果采摘機、氣動式水果采摘機、分割式水果采摘機及機器人采摘模式[3]。

搖臂式水果采摘機，主要有搖臂機械、夾持裝置、連接裝置及傳輸裝置組成，其工作原理是利用機械搖臂對果樹主要干枝進行搖動，將力矩傳輸至果實上，使得水果通過振動自然脫落；這種機械采摘方式適用于中小型水果，比如蘋果、桃子、梨、紅棗及櫻桃等。

撞擊式水果采摘機，主要有機械傳動裝置、連接裝置及敲擊部件組成，其主要原理是利用敲擊部件對果樹枝條上果實進行反復撞擊，進而實現(xiàn)果實脫落。這種連續(xù)式撞擊方式對果樹造成了極大的傷害，一般不適用矮化密植建園模式，普及率相對較低。

氣動式水果采摘機，主要通過氣體流速裝置產(chǎn)生強大的吸力和吹力，所以，氣動式水果采摘機根據(jù)其工作原理一般分為吹氣式和吸氣式兩種類型。對于吹氣式水果采摘機來說，主要通過多個機械排氣孔對果樹枝條產(chǎn)生振動，結(jié)合氣體流向不斷發(fā)生變化，使得果實脫離枝條；吸氣式水果采摘機主要利用強大的氣體吸力，將果實采摘至機械儲存?zhèn)}內(nèi)，通過過濾裝置，將樹葉、枝條等雜物有效排出。氣動式水果采摘機在規(guī)?；N植基地較為適用且應用廣泛，采摘效率較高，但機械功率高，極容易破壞樹體。

分割式水果采摘機主要是利用切割裝置將果實枝條和果柄快速切割，從而實現(xiàn)果實和樹體分割，常用的切割裝置有油動力、氣動力及電動力三種類型。該采摘機械具有省力省時優(yōu)勢，對果樹枝條的損壞率低，不僅在矮化密植果園適用，同時在高大樹型中被廣泛應用。

機器人采摘模式是新時代科學技術(shù)發(fā)展的時代產(chǎn)物，在國內(nèi)其應用還處于試驗階段，僅局限于小范圍采摘，投入生產(chǎn)還需進一步推廣應用。

2 水果分級技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 基于水果大小分級研究現(xiàn)狀

對于水果機械分級來說，主要是依據(jù)水果直徑大小進行機械化分級，在我國市場上常見的分級機械有滾筒篩孔式分揀機和輥帶式分揀機，雖然結(jié)構(gòu)簡易、生產(chǎn)效率高，但運行過程中機械摩擦會增大果傷概率，進而水果質(zhì)量無法充分保障，尤其是形狀不規(guī)則的水果，很容易造成分揀存在極大偏差。以滾筒篩孔式分揀機為例，常見的滾筒篩孔式分揀機一般由多個滾筒組成，每個滾筒直徑為60～80cm之間，不同類型的水果其滾筒的篩孔直徑各異，篩孔大選擇直徑大的水果、篩孔小選擇直徑小的水果，進而實現(xiàn)大小分級的目的。

計算機機器視覺技術(shù)是新時代互聯(lián)網(wǎng)信息化的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)物，其與水果分級有效結(jié)合，從根本上代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工及機械分級模式，極大促進了分揀效率，其次，機器視覺分級技術(shù)能夠最大程度上避免人為因素干擾而導致分級產(chǎn)生偏差。對于機器視覺在水果大小分級方面的應用，我國相關(guān)學者進行了大量研究表明，利用計算機圖像處理軟件實時動態(tài)地連續(xù)采集3張以上的清晰圖像就能夠充分反映水果相關(guān)要素，結(jié)合面積投影法及計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，精確地計算出不同類型水果的直徑大小，進而高效地實現(xiàn)水果智能化分級。現(xiàn)階段，機器視覺技術(shù)在我國水果應用還未普及，但也取得了現(xiàn)階段成果，常見的機器視覺水果分級系統(tǒng)能夠滿足分級要求和市場需求，分級速度、精度和效率已遙遙領(lǐng)先純機械化分揀模式。

2.2 基于水果其他指標研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，水果機械分揀機主要是運用對水果大小進行分級，而對形狀、顏色及內(nèi)在品質(zhì)等方面無法實現(xiàn)分級的目的，因此，傳統(tǒng)的機械化分級模式已無法滿足果業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展?；跈C器視覺技術(shù)在水果的顏色、形狀、品質(zhì)及表面缺陷等指標的廣泛應用，結(jié)合分揀速度快、信息量大及精確度高等優(yōu)勢且能消除主觀意識因素，同時對水果相關(guān)分級指標進行智能識別，實現(xiàn)無損分級，有效代替了傳統(tǒng)的分級模式，因此，計算機機器視覺技術(shù)具有無可比擬的巨大優(yōu)勢，必將成為水果分級的未來發(fā)展方向。

3 果園機械采摘與分級所面臨困境

3.1 水果機械采摘所面臨困境

當前，隨著科學水平不斷提高，我國果園采摘機械得到了前所未有的發(fā)展機遇，市場涌現(xiàn)了許多創(chuàng)新產(chǎn)品，比如人工采摘剪、動力采摘器、通用式采摘機械等，總體上應用效果不明顯，大部分采摘機械功能單一、效率低下及對果實極易造成損壞，雖相對于人工方式生產(chǎn)效率有所提高，在成本方面卻未顯著提高，無法根本上解決果業(yè)經(jīng)濟發(fā)展緩慢的現(xiàn)狀。同時，由于種植區(qū)地域條件和果樹品種具有差異，使得果實成熟期各不相同，進而對采摘機械提出了更高要求，因此，在實際生產(chǎn)過程中難以實現(xiàn)果業(yè)機械自動化，通用性不強。其次，在我國山東、新疆及廣西等地區(qū)已形成規(guī)模化種植基地，但絕大部分地區(qū)仍沿用傳統(tǒng)勞動密集型種植方式，其果園較為分散、規(guī)?；潭鹊停r(nóng)藝措施和農(nóng)機之間無法有效銜接，無法真正建立現(xiàn)代化大型水果種植基地，同時，農(nóng)戶專業(yè)素質(zhì)低也是影響果業(yè)采摘機械推廣的主要阻力。

采摘機器人是當前比較新穎的高科技產(chǎn)品，但在實際生產(chǎn)過程中無法大面積推廣示范，主要是表現(xiàn)在采摘過程中識別度不高、無法精確定位果實位置，截止目前仍未有高效的智能識別傳感器能夠自動識別水果位置，因此，在采摘機器人融入計算機圖像處理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等技術(shù)迫在眉睫。

3.2 水果機械分級所面臨困境

機器視覺技術(shù)在水果分級的廣泛應用，促進了果業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展，雖在水果指標檢測方面取得了階段性成果，但仍然面臨諸多局限性，在未來果業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略中仍是研究的重點，尤其是如何高效地解決分級過程中損傷問題是研究的重中之重，下文主要是對水果機械化分級所存在問題進行分析，對機械自動化識別技術(shù)不再詳細闡述。水果機械分級是國內(nèi)普遍采取的分級方法，這種方法需人工進行輔助，操控人員需實時動態(tài)的進行機械操作，進而實現(xiàn)水果分級的目的。水果機械分級主要依據(jù)果實直徑大小和重量進行分級，市場流通的分級機械結(jié)構(gòu)原理基本類似，依托物理結(jié)構(gòu)實現(xiàn)機械分級的目的，但在具體操作過程中，機械化分級很容易造成水果表面出現(xiàn)碰傷、擦傷等現(xiàn)象，且分級精度不高，大小果實很容易產(chǎn)業(yè)“串級”現(xiàn)象，因此，現(xiàn)階段分級機械主要應用在表層較為堅硬的水果，比如柑桔、石榴等，而對于梨、柿子、蘋果、火龍果等表層較軟的水果應用效果不是很理想。

4 我國果園機械采摘與分級未來發(fā)展趨勢

4.1 低成本、通用化、高效率

采摘機械和分級機械的未來發(fā)展趨勢必須和農(nóng)戶的成本控制有機統(tǒng)一，在國家政策宏觀調(diào)控下，在農(nóng)戶采購機械方面給予資金補貼，極大地實現(xiàn)機械的普及推廣。同時，由于水果采摘和分級具有很強的實效性（季節(jié)性），因此，實現(xiàn)機械通用化提高機械化生產(chǎn)效率是當前研究重點，其能夠適應不同水果品種及地域差異。其次，在果園種植的修剪、施肥、植保等關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)，只需更換核心機械裝置就能完成不同類型的農(nóng)業(yè)工作，同時將機械采摘與分級環(huán)節(jié)高效聯(lián)合，使得果業(yè)經(jīng)濟效益進一步提升。

4.2 自動化、智能化、信息化

切實加快采摘機械和分級機械的研發(fā)，使其向自動化程度高、智能化識別、信息化處理等方面發(fā)展，進一步提高生產(chǎn)效率，最大程度上將人們從高強度勞作方式中解放出來。對于水果采摘而言，智能機器人必將成為水果采摘的發(fā)展方向，結(jié)合自動化控制系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)及信息化處理系統(tǒng)，真正實現(xiàn)自動化采摘。對于水果分級來說，人工分級和機械分級模式必將被時代的快速發(fā)展而淘汰，計算機視覺技術(shù)、采集圖像技術(shù)、無損傷檢測技術(shù)以及自動化控制技術(shù)的快速突起為果業(yè)分級提高了巨大的發(fā)展空間，由此可見，自動化、智能化及信息化的現(xiàn)代化技術(shù)應用，將為果業(yè)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供強勁動力。