松子采摘裝置研究

張偉 倪子璇 張電寶 祖奔紅 戴澳雙

摘要：松子具有豐富的營養(yǎng)和保健功能，目前其采摘方式主要靠人工爬樹、機(jī)器震動(dòng)以及人站在吊籃這三種方式。分析這幾種方式的優(yōu)缺點(diǎn)后，提出了一種基于無人機(jī)的松子采摘方法。該方法是以無人機(jī)為本體，其下方懸掛根據(jù)松塔形狀特制的U型割刀。工作時(shí)無人機(jī)飛到松塔的上方，通過控制將U型割刀插入松塔的根部，再通過飛升將松塔摘下。

關(guān)鍵詞：松子;人工采摘;機(jī)械振動(dòng);無人機(jī);U型割刀

1.背景

松子又稱做松籽、紅松果等，是名貴樹種紅松的種子，主要產(chǎn)自于我國東北部長白山、小興安嶺等山林地區(qū)?！侗静菥V目》記載：松仁性溫、味甘、無毒、主治關(guān)節(jié)風(fēng)濕、頭眩、潤五臟、逐風(fēng)痹寒氣、補(bǔ)體虛、滋潤皮膚、久服輕身不老。現(xiàn)代研究表明摘要：松子中含有豐富的營養(yǎng)成分，其中不飽和脂肪酸、氨基酸、多糖為重要的生物活性成分，在免疫調(diào)節(jié)、減肥降脂、抗氧化、抗衰老等方面發(fā)揮著重要作用[1]。紅松生長五十年后才能結(jié)籽，需兩年果實(shí)才可成熟食用，因此松子極為珍貴，所以紅松種子成熟時(shí)，需及時(shí)采摘避免損失。

2.松子采摘現(xiàn)狀

紅松松齡可達(dá)五百年之久，一般來說天然野生紅松林生長80至200年生林結(jié)實(shí)株數(shù)占91%以上，人工栽培紅松林生長40至80年結(jié)實(shí)株數(shù)占90%以上。紅松果實(shí)多數(shù)位于樹冠頂端、少數(shù)位于側(cè)枝末端，樹高大挺拔，樹高約25米左右，果實(shí)于9月初至10月上旬成熟，當(dāng)球果由綠色變成黃綠色，部分種鱗開裂，進(jìn)入初熟期，此后種鱗逐漸變黃，個(gè)別球果開始脫落，便達(dá)到果成熟期，可以采摘。目前松果的采摘方式有人工采摘、機(jī)器采摘以及人工與機(jī)器配合采摘。

（1）人工爬樹采摘

松塔成熟后，采摘工人們借助專業(yè)的爬樹工具爬上十幾米高的松樹，把松塔一個(gè)一個(gè)打下來，下面的工人負(fù)責(zé)收集裝袋。因?yàn)榧t松球果都結(jié)在樹冠最頂端和側(cè)枝最末端，整個(gè)采收過程緩慢又不安全，每年都有采摘工人發(fā)生意外事故，從樹上跌落下來受傷，甚至喪失了生命。社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步，使從事采摘紅松種子的工人也在逐年減少[2]。

（2）機(jī)器采摘

東北林業(yè)大學(xué)發(fā)明一種針葉樹球果采摘五自由度機(jī)器人，它包括下手爪、下回轉(zhuǎn)臂、下俯仰臂、上俯仰臂、上回轉(zhuǎn)臂、上手爪、振動(dòng)采摘器組成，如圖1所示。它類似蛇纏繞在樹上，通過震動(dòng)器的震動(dòng)來采摘[3]。

如之前所述紅松球果都結(jié)在樹冠最頂端和側(cè)枝最末端，該款采摘設(shè)備采集效果不是很理想。

（3）央視《我愛發(fā)明》中發(fā)明人設(shè)計(jì)了一款采摘設(shè)備，利用液壓泵提供動(dòng)力來震動(dòng)松樹，通過震動(dòng)的方式來進(jìn)行采摘松塔，如圖2所示[4]。

該設(shè)備是由拖拉機(jī)帶動(dòng)體積較大，對于樹林密集的山丘很難上去，震動(dòng)過程中刮破樹皮，影響樹木生長，行進(jìn)過程中對森林植被有破壞。

（4）濟(jì)寧國沃制造一種便于操作的松塔采摘機(jī)，其前端設(shè)置有長桿支撐的吊籃，人可以站在吊籃上進(jìn)行松塔的采摘，如圖3所示。

通過圖片可以看出其為液壓高空操作平臺(tái)，整個(gè)設(shè)備體積龐大，林區(qū)內(nèi)沒有路，山的坡度陡，不容易把設(shè)備運(yùn)進(jìn)高山[5]。

3.無人機(jī)松子采摘原理

根據(jù)紅松樹高約25米左右，松塔多數(shù)位于樹冠頂端、少數(shù)位于側(cè)枝末端的特點(diǎn)，決定用無人機(jī)采摘。松塔形式寶塔，設(shè)計(jì)一款U型刀片通過導(dǎo)桿搭載在無人機(jī)下方，無人機(jī)通過圖像識別出成熟松塔，把U型刀片卡在松塔根部，再通過升高將松塔采摘下來。

3.1 多旋翼無人機(jī)

多旋翼無人機(jī)主要靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力讓無人機(jī)起飛，具有垂直起降、空中懸停、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)中，多旋翼無人機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也已涉及糧食估產(chǎn)、作物種類識別、作物長勢監(jiān)測、農(nóng)藥噴施等領(lǐng)域[6]。

3.2 松塔收割刀

根據(jù)松塔的形狀設(shè)計(jì)出如下圖5所示為U型割刀，其兩內(nèi)側(cè)為刀口，其懸掛在直升機(jī)的下方，通過調(diào)整將該割刀插入松塔的底部，并通過直升機(jī)的飛升將松塔摘下。

4.總結(jié)

通過分析松塔現(xiàn)有的采摘方式，提出一種基于無人機(jī)的采摘方式，該方法能夠有效避免人工上樹的危險(xiǎn)性和大型機(jī)械上山的困難性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉迪迪，李景彤，程翠林，等.紅松松子中生物活性成分研究與開發(fā)[J].食品研究與開發(fā)，2017（23）：216-219.

[2]李立夫，董寶丹.松樹球果采摘機(jī)的使用[J].農(nóng)民致富之友，2018，No.584（15）：176-176.

[3]文龍，薛偉.一種針葉樹球果采摘機(jī)器人：CN208425223 U[P].2019.

[4]我愛發(fā)明.巧摘松果[EB/OL].2020[2021.10.16].http：//tv.cctv.com /2020/11/10/VIDEg9U3HhVdsm34tvGfT5Lo201110.shtml.

[5]愛采購.國沃松子采摘用伸縮臂 [EB/OL].2017.03.10[2021. 10.16].https：//b2b.baidu.com/land？id=924565e667504adaddf9eda1468ad3 7f10.

[6]陳鵬飛.無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版），2018（4）：399-406.

作者簡介：張偉（1990.12），男，漢族，安徽·蒙城人，碩士，講師 ?研究方向 ：機(jī)械設(shè)計(jì)。

倪子璇（2000.11），女，漢族，安徽省黃山市祁門縣人

張電寶（1999.4.28），男，漢族，安徽省宿州市靈璧縣人

祖奔紅（1999.10.05），男，漢族，安徽馬鞍山市當(dāng)涂縣縣人

戴澳雙（1999.09.25），男，漢族，安徽省和縣人

工作單位：皖西學(xué)院，學(xué)生

研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。

基金項(xiàng)目：校級+皖西學(xué)院2020省級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（wxxy2020132）+松子采摘機(jī)器人研究

2020年校級教學(xué)研究一般項(xiàng)目：皖西學(xué)院2020校級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目+松子采摘機(jī)器人研究+006020121226