核桃采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

羅自瑤 楊淑華,2 張秀花 馮凡 弋景剛 郝建軍 楊欣

1、河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2、河北?。ㄐ吓_(tái)）核桃產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院

引言

目前，我國核桃的種植面積居世界第一，截至2015年，我國核桃結(jié)果樹面積66.7萬公頃有2億多株實(shí)生樹品種。隨著我國核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，核桃的需求在不斷的增加，隨之核桃的種植面積也在迅速增長。但核桃的采收基本由人工完成。人工采收消耗的時(shí)間長、效率低，如果不能及時(shí)采收還會(huì)對(duì)核桃的形狀、殼面光滑度、殼厚、出仁率等品質(zhì)造成一定影響[1]。人工采收嚴(yán)重制約了核桃產(chǎn)業(yè)的快速可持續(xù)發(fā)展，核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展必然要走機(jī)械化的道路[2]。因此，各國研制出了多種不同的采摘機(jī)械，對(duì)核桃進(jìn)行采摘，收集處理，以增加核桃產(chǎn)業(yè)的效益。

1 核桃采收機(jī)械國外研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達(dá)國家在研究采摘機(jī)械方面起步較早。

1983年美國研制出了第一臺(tái)采摘機(jī)器人，對(duì)柑橘、蘋果、西瓜等水果進(jìn)行采摘。但采摘機(jī)器人的采摘效率低、識(shí)別率低、成本較高，不能應(yīng)用到大面積作業(yè)中。美國生產(chǎn)的振動(dòng)式果園采收機(jī)[9]，利用夾持機(jī)構(gòu)夾住樹干，通過振動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)樹干進(jìn)行搖晃振動(dòng)，樹干帶動(dòng)枝條振動(dòng)，果實(shí)被迫振動(dòng)落地[7]。該機(jī)構(gòu)適用于空間大、種植稀疏的環(huán)境。但核桃的果實(shí)與枝條連接力大，想要振落需要噴灑藥劑，會(huì)對(duì)果實(shí)造成損傷。

振落后果實(shí)需進(jìn)行人工收集。因此，在已有的振動(dòng)機(jī)構(gòu)中也設(shè)計(jì)增加了集果裝置，集果裝置為傘狀，在振動(dòng)前將樹干環(huán)住包圍，振落下的果實(shí)落入收納的容器中，以此節(jié)省了人工撿拾的時(shí)間和成本。

2012年英國Genie公司生產(chǎn)了GR12、GR15和GR20等型號(hào)的電動(dòng)輪式升降平臺(tái)[3]。澳大利亞CRENDON公司生產(chǎn)了SQUIRREL型號(hào)的升降平臺(tái)[4]。作業(yè)人員進(jìn)入平臺(tái)，利用升降桿將作業(yè)人員升到合適高度進(jìn)行作業(yè)，達(dá)到了人工進(jìn)行作業(yè)的功效。

同年，英國N.P.SEYMOUR公司生產(chǎn)的Windegger Picking Platforms[12]，利用輪式行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行移動(dòng)，平臺(tái)伸高8.5米，采用液壓底盤驅(qū)動(dòng)，行星減速箱和樞軸傳動(dòng)，可以調(diào)節(jié)平臺(tái)的傾斜程度，一站式進(jìn)行控制。

意大利ORSI公司生產(chǎn)了四輪驅(qū)動(dòng)自走式果園升降平臺(tái)[11]，液壓缸控制剪叉式升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)作業(yè)平臺(tái)完成升降工作，底盤兩端都設(shè)置了果箱傳送機(jī)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行操作，調(diào)整所需要的高度。該機(jī)構(gòu)的體積小，操作方便簡單，適用于山地丘陵的果園環(huán)境。但該機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，需要升降平臺(tái)才能完成果箱的搬運(yùn)，連續(xù)采摘作業(yè)時(shí)操作不方便。

2 核桃采收機(jī)械國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1992年浙江金華農(nóng)機(jī)所研究了有拖拉機(jī)操作的用于果實(shí)采摘的升降機(jī)，高度上升可達(dá)7米。2007年，新疆機(jī)械研究院研制了LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)[10]，如圖1所示，該機(jī)器可以對(duì)果園進(jìn)行采摘、修剪、噴藥等作業(yè)，也可作為運(yùn)輸、動(dòng)力來工作。它工作時(shí)升降臂展開，升降支架帶動(dòng)車廂升高，人站在平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)，完成核桃采摘。但升降平臺(tái)的高度有限，限制了采摘更高位置處的果實(shí)，因此也限降低了作業(yè)效率。

圖1 新疆研制的LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)

2011年姚文斌等研制出了便攜式振動(dòng)山核桃采摘裝置[4]，汽油機(jī)提供動(dòng)力，采摘桿和采摘頭作為采摘裝置，采用振動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行傳動(dòng)。進(jìn)行作業(yè)時(shí)，振動(dòng)機(jī)開始工作，對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘，提高了采摘效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

2011年東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了林木球果采摘機(jī)器人[5]。采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為液壓驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)控制的機(jī)械手。作業(yè)時(shí)機(jī)器人距果樹3～5m，機(jī)械手上升到一定高度，張開采摘爪，對(duì)準(zhǔn)樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，夾住樹干，然后按原路向后返回，將果實(shí)梳落下來。但使用這種方式進(jìn)行采摘時(shí)，會(huì)梳落大量樹葉，會(huì)對(duì)枝條造成損傷。

2011年，北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站對(duì)小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)研制成功[5，13]。該機(jī)械平臺(tái)可對(duì)果樹進(jìn)行修剪、旋耕除草、果樹打藥和采摘。該機(jī)械有手動(dòng)和無線遙控兩種控制方式，便于操作和控制。作業(yè)人員站在作業(yè)平臺(tái)上進(jìn)行作業(yè)，達(dá)到半自動(dòng)化作業(yè)。

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(dòng)式多功能果園升降平臺(tái)[11]，液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力完成機(jī)構(gòu)的行走和采摘，一個(gè)人就可以進(jìn)行作業(yè)，操作簡單。該平臺(tái)的工作臺(tái)尺寸為1310×1000，操作面積較小，上升的高度為3.5米，限制了對(duì)更高的果實(shí)的采摘。

2013年新疆石河子大學(xué)對(duì)國外的振動(dòng)采收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)[9]。對(duì)夾持振動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、集果裝置進(jìn)行了改進(jìn)。由拖拉機(jī)上的內(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)力，動(dòng)力傳給液壓泵，夾住后調(diào)整液壓馬達(dá)使夾緊裝置夾緊樹干，利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行作業(yè)，驅(qū)動(dòng)樹干做低幅高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將果實(shí)振落。

江蘇大學(xué)研制了一種果樹采摘機(jī)器人[14]。該機(jī)器人有移動(dòng)底盤和機(jī)械手兩部分，采摘果實(shí)的末端執(zhí)行器固定在機(jī)械臂上，通過視覺傳感器對(duì)果實(shí)進(jìn)行定位，當(dāng)操作器夾住果實(shí)后，一端的電動(dòng)刀具對(duì)果實(shí)進(jìn)行剪切。但該機(jī)構(gòu)的采摘效率低，識(shí)別系統(tǒng)存在弊端，有時(shí)不能精準(zhǔn)地捕捉果實(shí)信息。

3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀優(yōu)缺點(diǎn)

現(xiàn)有的核桃采摘主要有振動(dòng)式采摘機(jī)械、采摘平臺(tái)和采摘機(jī)械手。振動(dòng)式采摘機(jī)械工作較為常見，但由于核桃的果實(shí)與莖的連接牢固，在采用振動(dòng)機(jī)械時(shí)需提前噴灑脫果劑，使果實(shí)催熟。采摘平臺(tái)屬于半自動(dòng)化的采收機(jī)械，在進(jìn)行采收時(shí)，需作業(yè)人員登上升降臺(tái)進(jìn)行人工采果，從而限制了采摘效率。采摘機(jī)器人可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采摘效率，但采摘機(jī)器人的精準(zhǔn)度要求高，研制成本就會(huì)隨之增加，設(shè)備的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費(fèi)用，技術(shù)不成熟、適用性差、利用率不高和損傷率較高等問題較為突出。

4 核桃采摘機(jī)未來發(fā)展趨勢(shì)

果園采收機(jī)械不斷發(fā)展，應(yīng)用越來越廣泛。技術(shù)也逐漸趨于成熟，大大提高了采收的效率，提升了果實(shí)的品質(zhì)。目前，國內(nèi)外核桃采收機(jī)械大多采用振動(dòng)裝置進(jìn)行振動(dòng)采收提高了采摘效率、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。但采摘機(jī)械目前只用于采摘，對(duì)于采摘后對(duì)果實(shí)的處理不能有效地結(jié)合，即便用了機(jī)械采摘，但收集的方式大多還是人工收集，從而增大了收集的勞動(dòng)強(qiáng)度。集采摘、收集、分選及采后預(yù)處理于一體的聯(lián)合采收，實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化種植也可能是未來機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)。