山地柑橘采摘作業(yè)平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)研究綜述

范 勇，王海寶，秦雪靜，徐光強(qiáng)

（重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404000）

我國(guó)既是水果生產(chǎn)大國(guó)，同時(shí)也是水果消耗大國(guó)，柑橘是生活中非常常見(jiàn)的一種水果，尤其在重慶四川云南一帶極為盛產(chǎn)，提高柑桔采摘效率和降低采摘成本是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采摘的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著我國(guó)水果種植面積不斷擴(kuò)大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷的進(jìn)行調(diào)整，水果產(chǎn)業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的新亮點(diǎn)，水果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新支柱［1-3］。另外，柑橘的采摘成本比較高、季節(jié)性很強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度比較大、勞動(dòng)成本高，另外丘陵地區(qū)的坡度比較大，且種植密度不合理，一般采摘機(jī)械難以得到普遍應(yīng)用。

為了降低果農(nóng)的生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，進(jìn)一步提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益，研究安全、高效率和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的山地丘陵多功能機(jī)械對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的調(diào)整具有非常長(zhǎng)遠(yuǎn)的重大意義。

丘陵地區(qū)地勢(shì)復(fù)雜、山多坡陡、道路條件差，人工采摘作業(yè)耗費(fèi)很大。如不及時(shí)采收成熟的果實(shí)，將很大程度影響其品質(zhì)。目前柑橘的采摘形式仍然主要是人工采摘，對(duì)于大面積的規(guī)?；N植果園來(lái)說(shuō)，只有采用機(jī)械化才能提高采摘效率，有效地降低果農(nóng)的生產(chǎn)成本，并保障果實(shí)品質(zhì)。

目前，限制水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸仍然是水果采摘作業(yè)。實(shí)際應(yīng)用于水果采摘的主要有三種機(jī)械設(shè)備：一種是通過(guò)撞擊、振動(dòng)等方法實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果樹(shù)分離的采摘機(jī)械，第二種是半自動(dòng)化的采摘作業(yè)平臺(tái)，第三種是利用采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘[4-6]。機(jī)器人采摘是未來(lái)收獲果實(shí)的必然趨勢(shì)，也是果園采收機(jī)械的最終形態(tài)[9]。雖然機(jī)器人采摘具有較高的自動(dòng)化水平和技術(shù)水平，但由于其技術(shù)復(fù)雜、成本高、效率低，很難在短時(shí)間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，無(wú)法解決當(dāng)下的實(shí)際問(wèn)題。短時(shí)間內(nèi)，基于采摘機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性多個(gè)方面問(wèn)題，人工半自動(dòng)化的果園采摘作業(yè)平臺(tái)將成為果園收獲環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的主力。

半自動(dòng)化果園采摘作業(yè)平臺(tái)使用人機(jī)協(xié)同工作的模式，對(duì)柑橘進(jìn)行人工定位和采摘，由機(jī)械裝備完成繁重的、單調(diào)的傳送裝箱工作，設(shè)計(jì)并制造能滿足農(nóng)藝要求的、效率高、功能多樣、適應(yīng)性強(qiáng)的半自動(dòng)化果園采摘作業(yè)平臺(tái)，是當(dāng)前柑橘采摘的迫切需求，也是柑橘采摘機(jī)械研究的前進(jìn)方向。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60 年代中期，果園升降作業(yè)平臺(tái)在美國(guó)研制成功，由機(jī)械液壓力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)使工作臺(tái)上下進(jìn)行移動(dòng)，農(nóng)民采摘蘋(píng)果的速度得到了極大地提高。美國(guó)研發(fā)的氣吸式蘋(píng)果收獲裝備，首先，站在升降臺(tái)上的采摘工作人員將蘋(píng)果摘下，利用氣壓實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果的傳送，導(dǎo)管口的負(fù)壓吸入人工摘下的蘋(píng)果，并驅(qū)使蘋(píng)果運(yùn)動(dòng)，當(dāng)蘋(píng)果運(yùn)動(dòng)到果箱位置時(shí)，正壓排出蘋(píng)果，保證每個(gè)蘋(píng)果進(jìn)行高精度和高速度傳送，傳送導(dǎo)管末端的旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)使蘋(píng)果在果箱底面均勻地分布。

目前，國(guó)外的公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出了許多自動(dòng)化水平、作業(yè)效率、集成度都比較高的水果采摘設(shè)備，如意大利蘋(píng)果收獲機(jī)、南美洲哥倫比亞研制的Model CF-105 型蘋(píng)果收獲機(jī)和德國(guó)大型果園采摘機(jī)，它們均是由站在空間位置可自由調(diào)整的采摘作業(yè)平臺(tái)上的人員進(jìn)行果實(shí)的采摘，然后傳送系統(tǒng)將采摘下的果實(shí)進(jìn)行傳送、裝箱，極大地提高了采摘效率。操作員只需要定位和采摘果實(shí)，顯著減小了勞動(dòng)強(qiáng)度。雖然這些機(jī)械設(shè)備具有很高的應(yīng)用價(jià)值和技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是由于其可靠性和成本方面的問(wèn)題，在外國(guó)應(yīng)用的范圍非常有限。

綜上所述，隨著近幾十年的迅速發(fā)展，國(guó)外水果采摘機(jī)械的研究成果主要集中于采摘機(jī)器人、大型果園采摘平臺(tái)和振動(dòng)式收獲機(jī)械，預(yù)計(jì)很快就可實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘全程自動(dòng)化作業(yè)。國(guó)外研究的果園采摘作業(yè)平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)主要采用氣吸式和傳送帶式，并且多為大中型聯(lián)合作業(yè)機(jī)械，雖然會(huì)配套很高動(dòng)力，但價(jià)格昂貴。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)開(kāi)始研究果園采摘機(jī)械，前期主要研究無(wú)動(dòng)力的通用機(jī)械設(shè)備，例如：手持電動(dòng)采摘臂、氣囊式采果器和基于手扶拖拉機(jī)的振動(dòng)式山楂收獲機(jī)等。80 年代，科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究切割式采摘機(jī)械，手動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)的果園采摘機(jī)械逐漸得到應(yīng)用。同期還出現(xiàn)了吹氣式采摘機(jī)和振搖式的采摘器，分別為氣動(dòng)和電動(dòng)，前者利用風(fēng)力，后者利用振動(dòng)使果實(shí)脫落。到上世紀(jì)90 年代，由于果園種植產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的簡(jiǎn)易采摘機(jī)械，其后升降平臺(tái)和剪枝機(jī)等設(shè)備也相繼面世。1992 年，浙江金華農(nóng)機(jī)所研制了安裝在拖拉機(jī)上的采摘水果升降機(jī)。它是較為典型的液壓升降平臺(tái)。2007 年，新疆機(jī)械研究院研制了具有較高的集成度的多功能果園作業(yè)機(jī)，能夠完成果園修建、維護(hù)和果實(shí)采摘等多項(xiàng)任務(wù)，具有較高的功能性和實(shí)用性。

我國(guó)機(jī)器人采摘研究起步較晚，但近幾年各高校及科研單位投入頗多。例如浙江大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、東北林業(yè)大學(xué)、沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)和江蘇大學(xué)等在采摘機(jī)器人方面都進(jìn)行了一次大量的研究。參考國(guó)外相關(guān)先進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步自主創(chuàng)新，并且已經(jīng)取得了一定的成果，但總體仍然處于試驗(yàn)研究初級(jí)階段，實(shí)際應(yīng)用于果園生產(chǎn)仍然需要解決很多問(wèn)題。雖然，國(guó)內(nèi)水果采摘作業(yè)平臺(tái)產(chǎn)品種類(lèi)很多，但是同質(zhì)化、單一化、小型化情況嚴(yán)重，難以大幅度提高作業(yè)效率，實(shí)際應(yīng)用規(guī)模受到限制。采摘機(jī)器人的研究道路還很遠(yuǎn)，許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題未得到解決，目前研發(fā)和應(yīng)用內(nèi)容無(wú)法滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，短期內(nèi)難以解決果園收獲的問(wèn)題。

另外，山地丘陵地區(qū)坡地眾多、道路崎嶇并且耕作地塊面積小等特殊的地理環(huán)境，導(dǎo)致適用于丘陵地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械較少，目前研究的大中型果園采摘機(jī)械不能滿足該地區(qū)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化需求。

3 展 望

本文介紹了山地柑橘采摘作業(yè)平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)潛在的需求、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展、目前所面臨的問(wèn)題及對(duì)策。目前，水果采摘機(jī)器人的研究仍然處于初級(jí)階段，需不斷完善其工作性能。傳送裝箱系統(tǒng)工作過(guò)程中必然會(huì)對(duì)柑橘造成機(jī)械損傷，研究這方面的內(nèi)容可為柑橘的商品化采摘提供保證，提高采摘設(shè)備的實(shí)用性。

當(dāng)前設(shè)計(jì)的果園采摘作業(yè)平臺(tái)主要是幫助人工實(shí)現(xiàn)升降作業(yè)，僅減輕了一定程度的勞動(dòng)強(qiáng)度，但采摘效率并沒(méi)有得到有效提高。中小型半自動(dòng)化的采摘作業(yè)平臺(tái)能夠提高丘陵地區(qū)柑橘的采摘效率，同時(shí)能保證采摘的柑橘品質(zhì)，控制柑橘傳送和裝箱過(guò)程的損傷率。

我國(guó)已進(jìn)入農(nóng)業(yè)4.0 時(shí)代，國(guó)家對(duì)智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)技術(shù)和裝備研發(fā)的支持力度也在不斷加大，未來(lái)果園采摘作業(yè)平臺(tái)在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中將有巨大的應(yīng)用空間，迫切需要研究一種基于山地丘陵柑橘采摘作業(yè)平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)，主要研究適用于丘陵地區(qū)的自走式中小型采摘作業(yè)平臺(tái)的傳送裝箱系統(tǒng)，保證高效完成柑橘的傳送和裝箱工序，控制柑橘傳送裝箱過(guò)程中的滾動(dòng)碰撞損傷和跌落高度，提高柑桔采摘的智能化和自動(dòng)化水平。