我國熱帶丘陵山區(qū)膠園采收機械和技術(shù)研究現(xiàn)狀

王玲玲 黎土煜 陳娃容 鄧祥豐 賈倩 鄭勇

摘要 機械釆膠技術(shù)研發(fā)難度大，是一個世界性難題。我國熱帶丘陵山區(qū)膠園現(xiàn)有收獲機械較少，尤其是全自動采收機械發(fā)展較為緩慢，現(xiàn)有的膠園收獲機械主要以試驗樣機為主，樣機成本高、適用性差，難以大面積推廣應(yīng)用。介紹了我國熱帶丘陵山區(qū)膠園采收機械技術(shù)研究現(xiàn)狀，按照操作方式主要分為便攜式、固定式、移動式3種。分析了膠園采收機械在研發(fā)創(chuàng)新與推廣應(yīng)用中存在的問題，提出了農(nóng)業(yè)機械化、智能化裝備研發(fā)與應(yīng)用仍是今后發(fā)展趨勢。建議加強膠園機械裝備技術(shù)的創(chuàng)新研發(fā)，提升膠園生產(chǎn)管理智能化和精準化，助力產(chǎn)業(yè)全面升級。

關(guān)鍵詞 膠園;機械化采收;研究現(xiàn)狀;問題與建議

中圖分類號 S 22? 文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2022）12-0183-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.047

開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Research Status of Rubber Tapping Machinery and Technology in Tropical Hills and Mountainous Areas of China

WANG Ling-ling1，2，LI Tu-yu1，2，CHEN Wa-rong1，2 et al

（1.Institute of Rubber， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan? 571101;2.Mechanical Sub-center of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center，Haikou，Hainan 571101）

Abstract The mechanized tapping technology is a worldwide difficult problem， so the technical research is difficult.The rubber estate has little equipment rubber tapping machinery in tropical hills and mountainous area of China.Especially the entirely automatic tapping machinery has been developed slowly.The rubber tapping machinery is mainly occupied by experiment prototype with high cost and weak applicability， which? is difficult to be popularized and applied in large area.This paper introduced the research status of rubber tapping machinery， including portable tapping， fixed tapping and moving tapping ranked in mode of operating.The existing problems in the popularization and application of rubber tapping machinery were analyzed.It was proposed that the development and application of mechanized and intelligent equipment were also the trend of future development.It was recommended that the research on innovation-tapping technology should be strengthened， which could promote rubber production and management intelligently and accurately，and promote rubber industrial upgrading.

Key words Rubber estate;Mechanized tapping;Research status;Problems and suggestions

橡膠樹（Hevea brasiliensis（Willd.ex A.Juss.）Muell.Arg）是大戟科（Euphorbiaceae）橡膠樹屬（Hevea Aubl）植物，主要分布在亞洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40多個國家和地區(qū)。橡膠樹兼具經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，是膠農(nóng)的主要經(jīng)濟收入來源。1876年，Wickham把橡膠樹引入東南亞栽培，至今已有100多年的歷史，目前世界最大產(chǎn)膠區(qū)在東南亞，種植面積1 066.67萬hm2[1]。我國橡膠種植業(yè)從20世紀70年代開始，是世界上首個在北緯18°～24°大面積植膠成功的國家[2]，主要種植在熱帶丘陵山區(qū)，種植面積超過113.33萬hm2，主要分布在海南、廣東、云南等地。經(jīng)過近50年的努力，我國天然橡膠產(chǎn)業(yè)為我國國民經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代國防建設(shè)作出了重大貢獻。

橡膠樹最佳產(chǎn)膠時間是在凌晨03：00—04：00。割膠仍沿用人力割膠方式，且技術(shù)要求高，割膠勞動強度大，人力割膠成本占生產(chǎn)成本的70%以上[3]，是天然橡膠行業(yè)長久以來的發(fā)展“痛點”。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的農(nóng)村青壯年勞動力和高素質(zhì)人才流入城市就業(yè)，不愿意從事低收入、高強度的割膠工作，天然橡膠種植業(yè)面臨人力成本和用工荒的雙重壓力，對膠園機械化采收需求迫切。目前國內(nèi)外割膠仍大面積沿用傳統(tǒng)的人力割膠工具和方式。受機械釆膠技術(shù)的限制，現(xiàn)有的膠園采收機械較少，尤其是全自動采收機械發(fā)展較慢，機械成本高且適用性不強，應(yīng)用效果仍不理想，不能滿足我國熱帶丘陵山區(qū)膠園發(fā)展需求，難以實現(xiàn)大規(guī)模機械化作業(yè)。筆者介紹了目前國內(nèi)膠園采收機械技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析了我國熱帶丘陵山區(qū)膠園采收機械技術(shù)存在的問題和發(fā)展趨勢，旨在為研發(fā)全自動采收機械裝備提供參考。78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

1 我國熱帶丘陵山區(qū)膠園采收機械和技術(shù)研究現(xiàn)狀

機械割膠是輔助或代替人工割膠的重要方式之一，也是一個世界性難題。橡膠樹樹皮厚度約7 mm，從外到內(nèi)依次為粗皮、沙皮外層、沙皮內(nèi)層、黃皮和水囊皮，其中水囊皮的厚度小于1 mm[4]。割膠時要求避免損傷到水囊皮，割膠難度大，在機械設(shè)計上要求割膠精度達到毫米級。同時，橡膠樹主要分布在熱帶丘陵山區(qū)，丘陵山區(qū)地形差異大，且丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展滯后，農(nóng)機化技術(shù)服務(wù)水平低，對膠園采收機械的研發(fā)與應(yīng)用提出了更高的要求。目前，國內(nèi)已經(jīng)開展了便攜式采收裝備、一樹一機固定式采收機械、移動式采收機械（包括機器人）等多種采收機械技術(shù)的探索。

1.1 便攜式采收機械與技術(shù)

與傳統(tǒng)釆膠工具相比，便攜式采收機械仍需要人力輔助操作，但大大降低了割膠難度，擴展了膠工來源。便攜式采收機械主要包括傳統(tǒng)膠刀式、旋切式和往復式。中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院牽頭研發(fā)的4GXJ系列便攜式電動割膠（往復式）裝備達到國際領(lǐng)先水平。使用該裝備割膠，勞動強度降低60%以上，割膠效率提高30%～40%，已在中國、馬來西亞、泰國等13個橡膠種植國推廣使用10 000 余臺[3]。目前，該技術(shù)處于小面積推廣應(yīng)用階段。

（1）傳統(tǒng)膠刀式。王馭陌等[5]研發(fā)的智能割膠刀是利用發(fā)明問題解決理論（TRIZ）的沖突矩陣和創(chuàng)新原理，對傳統(tǒng)割膠刀進行改進。它能夠同時測量已割樹皮的厚度和樹皮總厚度，沒有割膠經(jīng)驗的膠農(nóng)使用該割膠刀割膠，產(chǎn)量增加20%～30%。該款智能割膠刀如圖1所示。

（2）旋切式。黃理等[6]研發(fā)的旋切式割膠機主要由機頭組件、割膠機本件、電池盒連接組件組成。該割膠機通過機器帶動切刀旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對樹皮的精準切割。該割膠機降低了采膠時割膠機本體的控制難度，實現(xiàn)了電池盒主體的快速更換，能夠同時實現(xiàn)拉割或推割的割膠方式。該款旋切式割膠機如圖2所示。

（3）往復式。曹建華等[7]研發(fā)的割膠刀主要由手柄、刀片、采膠耗皮深度調(diào)節(jié)裝置、耗皮量調(diào)節(jié)裝置等組成。該割膠刀能夠?qū)崿F(xiàn)采膠深度和厚度的有效確定，降低了人為主觀因素對采膠深度和厚度的影響，降低了割膠難度。該款割膠刀如圖3所示。

黃敞等[8]研發(fā)的電動割膠刀主要由刀片、驅(qū)動桿、軸承、偏心軸、電機和手柄組成。通過電機動力傳動帶動刀片切割橡膠樹的樹皮，實現(xiàn)扇形切割，不需要人工控制刀片單次的切割軌跡，減少對橡膠樹皮水囊皮的傷害，提高割膠質(zhì)量，降低對割膠產(chǎn)量的影響。該款電動割膠刀如圖4所示。

1.2 一樹一機固定式采收機械與技術(shù)

一樹一機固定式采收機械不需要人力輔助割膠，將該裝備捆綁在橡膠樹的開割面上可自動完成割膠作業(yè)，可大幅度降低人力割膠成本，但機械割膠成本較高。海南海膠集團與青島中創(chuàng)瀚維精工科技有限公司聯(lián)合研發(fā)的一樹一機固定式割膠機器人[9]開展了樣機生產(chǎn)和技術(shù)測試演示，可實現(xiàn)靈活全自動割膠作業(yè)。2019年，海南海膠集團在海南紅光公司配套了2.5代智能割膠機器，覆蓋膠園20.0 hm2的面積，已安裝7 000多臺機器開展試點應(yīng)用[10]。目前一樹一機固定式采收機械仍處于小范圍試點應(yīng)用階段，有望解決膠工短缺問題。

張喜瑞等[11]研發(fā)的異向曲柄自動夾緊定心割膠機主要由上夾緊裝置、下夾緊裝置、刀具軸向運動裝置組成。該割膠機使用異向曲柄夾緊裝置對橡膠樹進行定心及夾緊，再通過對刀具夾持機構(gòu)進行復合運動實現(xiàn)割膠。該款割膠機如圖5所示。

鄧怡國等[12]研發(fā)的具有雙刀刃結(jié)構(gòu)的割膠設(shè)備主要由外框架、垂直升降進給裝置、螺旋割膠裝置、太陽能板、收膠桶等組成。該割膠設(shè)備可以完全模仿人工割膠的動作，實現(xiàn)全自動化割膠，可以提高割膠效率和割膠質(zhì)量。該款具有雙刀刃結(jié)構(gòu)的割膠設(shè)備如圖6所示。

鄭勇等[13]研發(fā)的電動割膠機主要由割膠刀、導軌、第一驅(qū)動裝置和控制器等組成。該割膠機通過第一驅(qū)動裝置驅(qū)動滑塊沿著導軌運動，滑塊帶動割膠刀運動，實現(xiàn)自動割膠。該款電動割膠機如圖7所示。

許振昆等[14]研發(fā)的割膠機主要由支撐鋼管、螺旋導軌、電機、刀架等組成。該裝備借助夾持機構(gòu)固定在橡膠樹上，利用切割軌跡控制機構(gòu)使切割軌跡呈螺線形，借助絲杠螺母實現(xiàn)換行切割，利用切割深度調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)節(jié)適當?shù)那懈钌疃?，能夠替代人工割膠，實現(xiàn)無人自動割膠，最大程度解決了人工割膠勞動強度大、人工割膠不夠精細的問題。該款割膠機如圖8所示。

1.3 移動式采收機械與技術(shù)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)進入數(shù)字化時代，農(nóng)業(yè)機械往自動化、智能化方向發(fā)展，工業(yè)機器人技術(shù)被應(yīng)用于熱帶丘陵山區(qū)的膠園采收。移動式采收機械主要包括空中移動式和地面行走式。

（1）空中移動式。曹建華等[15]研發(fā)的自動割膠設(shè)備主要由行走軌道、行走機構(gòu)、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)器、回轉(zhuǎn)臂、回轉(zhuǎn)傳動機構(gòu)、割膠刀片等組成。該割膠裝備采用懸空軌道實現(xiàn)割膠裝備的空中行走，進而實現(xiàn)一機多樹的釆膠目的。該設(shè)備充分利用膠園中部空間，既不受膠園地形的影響，也不影響林下經(jīng)濟作物的種植。該款自動割膠設(shè)備如圖9所示。

（2）地面行走式。張俊雄等[16]研發(fā)的割膠機器人主要由刀具、傳感器、底座、機械臂、刀片等組成。該裝備采用力反饋控制系統(tǒng)和方法，降低割膠軌跡誤差，實現(xiàn)自動化割膠作業(yè)，提高割膠作業(yè)效率和割膠質(zhì)量。該款割膠機器人如圖10所示。

邱繼紅等[17]研發(fā)的智能割膠機器人主要由機械臂、GPS、底盤、激光雷達、儲膠罐、掃描儀、電動割膠刀、膠水收集泵、吸膠管等組成。該裝備采用二維碼標識、云端系統(tǒng)等現(xiàn)代信息技術(shù)，由云端系統(tǒng)控制割膠機器人進行割膠作業(yè)，

可在膠園復雜地形中靈活行走，能實現(xiàn)一機多樹割膠，提高割膠效率。該款智能割膠機器人如圖11所示。

周航等[18]研制的割膠機器人樣機主要由地面軌道、機械臂、視覺系統(tǒng)、傳感器等組成。該設(shè)備適合復雜的膠園地形，利用RFID（radio frequency identification，射頻標簽）技術(shù)，集成應(yīng)用了無源電子標簽和閱讀器，幫助準備定位目標橡膠樹的割面，割膠作業(yè)精度達到亞毫米級，切割樹皮時耗皮量誤差、切割深度誤差分別為0.28和0.49 mm。該裝備能夠利用鋪設(shè)在膠園的軌道實現(xiàn)無人化一機多樹割膠。該款割膠機器人樣機如圖12所示。78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

2 存在的問題

（1）我國熱帶丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械化基礎(chǔ)薄弱，膠園較少使用機械。我國熱帶丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)主要以傳統(tǒng)的耕種收模式為主，因為地形復雜，較少使用農(nóng)業(yè)機械設(shè)備。尤其在膠園采收環(huán)節(jié)，膠農(nóng)仍沿用傳統(tǒng)的人力割膠方式，且形成了比較固定的割膠習慣和思維，主動接受新裝備、新技術(shù)的難度較大。

（2）缺乏與熱帶丘陵山區(qū)相適應(yīng)的膠園采收機械。我國天然橡膠生產(chǎn)面積雖不大，但釆膠機械研發(fā)難度較大，導致企業(yè)不愿意參與開展該方面的創(chuàng)新研究。目前，便攜式割膠機械、一樹一機全自動割膠機均處于樣機試驗與推廣階段，種類較少，機械性能仍需持續(xù)優(yōu)化改進，且應(yīng)用進展較為緩慢，從而導致熱帶丘陵山區(qū)相適應(yīng)的膠園采收機械供給水平低下。

（3）割膠機械樣機推廣應(yīng)用成本高，膠農(nóng)購機意愿不強。在天然橡膠采收環(huán)節(jié)中，近年來干膠價格處于低位，人力割膠成本較高，導致膠園棄割、棄管現(xiàn)象嚴重，膠農(nóng)收入銳減，橡膠收獲環(huán)節(jié)對機械需求顯得迫切。但是，目前研發(fā)的便攜式割膠機械、一樹一機全自動割膠機械樣機的推廣應(yīng)用成本高，膠農(nóng)愿意使用但購買意愿不強。

（4）農(nóng)村勞動力老齡化且膠工短缺，缺乏有效的農(nóng)業(yè)機械管理服務(wù)體系。我國熱帶丘陵山區(qū)青壯年更愿意進城務(wù)工，不愿意從事低收入、高難度的割膠工作。目前，從事膠園生產(chǎn)管理的人員老齡化嚴重，嚴重制約了膠園機械的發(fā)展。同時，膠農(nóng)購買割膠機械后，會遇到操作難、機械故障維修難、售后服務(wù)難等問題。

（5）缺乏對割膠機械的創(chuàng)新研發(fā)和優(yōu)化。相關(guān)割膠機械研發(fā)單位應(yīng)根據(jù)熱帶丘陵山區(qū)膠園生產(chǎn)的實際需求，及時對研發(fā)的割膠機械進行優(yōu)化與改進，減少機械故障率，提高使用安全性和穩(wěn)定性，提高割膠機械在熱帶丘陵山區(qū)膠園的適用性。

3 技術(shù)發(fā)展趨勢和建議

農(nóng)業(yè)高效發(fā)展是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要理念，目前我國也在積極探索和攻關(guān)農(nóng)業(yè)傳感器與高端芯片、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)智能與知識模型、農(nóng)業(yè)人工智能算法與云服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)。我國熱帶丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)機械化、智能化裝備研發(fā)與應(yīng)用仍是今后發(fā)展趨勢。針對我國熱帶丘陵山區(qū)膠園采收機械技術(shù)發(fā)展，建議如下：

（1）現(xiàn)階段仍需持續(xù)加強便攜式釆膠機械和一樹一機固定式釆膠機械的優(yōu)化升級，提高機械裝備的安全性與適用

性，促進便攜式和固定式釆膠機械技術(shù)的搭配、農(nóng)機農(nóng)藝融合發(fā)展[19]。

（2）加強膠園采收機械的技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)與我國熱帶丘陵山區(qū)相適應(yīng)的膠園采收機械裝備，豐富產(chǎn)品類型，提高機械性能，降低技術(shù)難度，提高作業(yè)效率和質(zhì)量。

（3）加強橡膠樹樹皮厚度智能探測與分析、割膠路徑與軌跡智能規(guī)劃、割膠環(huán)境監(jiān)測等農(nóng)業(yè)傳感器和高端芯片的研發(fā)，及時準確獲取機械化、智能化采收裝備研發(fā)的基礎(chǔ)農(nóng)藝數(shù)據(jù)，為我國熱帶丘陵山區(qū)膠園高端智能化采收機械的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)支持。

（4）采用大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、人工智能等新一代信息技術(shù)，建立我國熱帶丘陵山區(qū)智慧膠園釆膠服務(wù)系統(tǒng)，提升膠園生產(chǎn)管理智能化和精準化，助力產(chǎn)業(yè)技術(shù)全面升級。

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