樹木修枝機(jī)械的研究綜述

尹吉遠(yuǎn)　靳可心　劉程程　傅可藝　王超　邢艷秋

【摘? 要】隨著社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到保護(hù)森林的重要性，因此，進(jìn)一步強(qiáng)化對(duì)森林培育、維護(hù)和管理的研究。修剪樹枝是樹木生長過程中必不可少的環(huán)節(jié)，能夠促進(jìn)樹木健康成長，保障樹木成長質(zhì)量。當(dāng)前，傳統(tǒng)的人工修剪模式已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，加強(qiáng)對(duì)修枝機(jī)械設(shè)備的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)，如爬樹修枝機(jī)器人得到了大力研發(fā)和應(yīng)用。論文對(duì)樹木修枝機(jī)械研究存在的問題進(jìn)行分析和探究，旨在進(jìn)一步促進(jìn)樹木修枝機(jī)械的研發(fā)，提升樹木修枝機(jī)械的現(xiàn)代化水平，加大環(huán)境保護(hù)和森林資源保護(hù)力度。

【Abstract】With the development of society， people gradually realize the importance of protecting forest. Therefore， people further strengthen the research of forest cultivation， maintenance and management. Pruning of branches is an essential part of the tree growth process， which can promote the healthy growth of the tree and guarantee the quality of tree growth. At present， the traditional manual pruning mode can no longer meet the actual need， and strengthening the research and application of pruning machine and equipment has become a key concern in the industry， such as tree-climbing pruning robot has been vigorously researched， developed and applied. This paper analyzes and explores the problems existing in the research of tree pruning machine， aiming to further promote the research and development of tree pruning machine， improve the modernization level of tree pruning machine， and increase the efforts of environment protection and forest resources protection.

【關(guān)鍵詞】樹木;修枝機(jī)械;爬樹機(jī)器人

【Keywords】tree; pruning machine; tree-climbing robot

【中圖分類號(hào)】S718.4-33;TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）03-0135-02

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的日益提升，生態(tài)環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅了人類的可持續(xù)性發(fā)展。在此背景下，加大對(duì)林果業(yè)的發(fā)展力度，不僅可以改善經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生態(tài)環(huán)境，而且還可以促進(jìn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的共同提升。對(duì)樹木進(jìn)行科學(xué)的修剪可以保障樹木健康成長，并發(fā)揮提升木材質(zhì)量等作用。因此，要積極強(qiáng)化對(duì)樹木修枝機(jī)械的研究和應(yīng)用，加大研發(fā)投入，提升修枝機(jī)械研發(fā)技術(shù)水平，保障森林資源的優(yōu)質(zhì)生長。由此可見，強(qiáng)化對(duì)爬樹機(jī)器人等樹木修枝機(jī)械的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 樹木修枝機(jī)械研究的意義

在國家退耕還林號(hào)召下，林果業(yè)得到了極大的發(fā)展空間，種植面積逐漸拓展，但是相關(guān)產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員結(jié)構(gòu)偏差較大，嚴(yán)重限制了林果業(yè)的持續(xù)性發(fā)展，因此，強(qiáng)化機(jī)械化和自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)研究事關(guān)整體行業(yè)的未來發(fā)展。傳統(tǒng)的人工修枝方式，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，工作量比較大，效率低下，而且樹木切口處理不當(dāng)會(huì)對(duì)樹木造成傷害，影響其整體生長質(zhì)量，并對(duì)人員安全帶來隱患。針對(duì)這種情況，需要強(qiáng)化對(duì)樹木修枝機(jī)械如爬樹機(jī)器人的研究，提升林果業(yè)修枝工作的機(jī)械化和自動(dòng)化水平，提升整體行業(yè)的生產(chǎn)效率。同時(shí)，爬樹機(jī)器人的應(yīng)用還有以下優(yōu)勢作用：可以降低人工成本，大大減輕人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并在一定程度上保障了人身安全;適應(yīng)能力強(qiáng)，自動(dòng)化程度高，修枝效率高、質(zhì)量好;可以有效地解決之前在人工林中修剪樹木時(shí)作業(yè)噪聲大、操作不便、大面積破壞林地等各種問題?；诖耍瑖乙约跋嚓P(guān)行業(yè)逐漸加大了資金投入和人才投入，強(qiáng)化了對(duì)修枝機(jī)械的開發(fā)與研制工作[1]。

3 樹木修枝機(jī)械研究的現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

國外樹木修枝機(jī)械的類型較多，如手持式、背負(fù)式、車載式、自動(dòng)式等，其中無動(dòng)力和有動(dòng)力式較為流行。背負(fù)式操作簡單，易于攜帶。車載式體型較大，利用拖拉機(jī)牽引液壓折疊臂，使其進(jìn)行靈活伸縮，從而完成修枝任務(wù)，主要應(yīng)用于雜草林、灌木等樹種類型中。手動(dòng)型修枝機(jī)械，在魚頭鋸基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)伸縮桿，提升其修枝高度，且具有應(yīng)用方便、成本較低等優(yōu)勢，但工作效率較低。機(jī)動(dòng)型修枝機(jī)械以汽油機(jī)為動(dòng)力源，并牽引鏈條鋸實(shí)施作業(yè)，其修枝直徑可以達(dá)到0.2m左右，切口質(zhì)量較高，效率高，但是應(yīng)用成本較高，操作難度大。日本研發(fā)的自動(dòng)型立木修剪機(jī)，利用智能化技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爬樹機(jī)器人的遙感控制，提升其智能化水平，但適應(yīng)性較低，容易損壞樹皮等[2]。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)有多所大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)著手于剪枝機(jī)器人的研發(fā)，如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的樹莓剪枝機(jī)器人、東北林業(yè)大學(xué)的模糊控制的剪枝機(jī)器人及其他機(jī)構(gòu)對(duì)于剪枝機(jī)器人方面的相關(guān)研究。此類機(jī)器人的開發(fā)通過利用機(jī)器視覺技術(shù)，實(shí)時(shí)處理采集到的圖像，通過處理結(jié)果來控制剪枝機(jī)器人的前進(jìn)行為，控制機(jī)械臂工作，達(dá)到對(duì)細(xì)弱枝、破損枝的識(shí)別與剪除的目的[3]。

當(dāng)前，國內(nèi)的樹木剪枝機(jī)械化水平與國外相比，還處于落后階段，剪枝機(jī)械化程度不高，推廣范圍不夠廣，應(yīng)用不夠深入，但林果業(yè)的發(fā)展在國內(nèi)林業(yè)發(fā)展中又占有相當(dāng)大的比重，因此，有關(guān)人士要大力推動(dòng)國內(nèi)剪枝機(jī)械化的發(fā)展。根據(jù)林果業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢的要求，未來剪枝裝備的發(fā)展應(yīng)該著重于能源動(dòng)力的選擇、裝備制造的成本、自動(dòng)化智能技術(shù)的應(yīng)用、修剪準(zhǔn)確性的提升、復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)等方面。我國需進(jìn)一步推動(dòng)與國外先進(jìn)技術(shù)的對(duì)接，在當(dāng)前林業(yè)政策的支持下，努力提高樹木修剪裝備的機(jī)械化水平，促進(jìn)林業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)林業(yè)的現(xiàn)代化建設(shè)。

4 我國修枝機(jī)械研發(fā)的特點(diǎn)及存在的問題

4.1 修枝機(jī)械研發(fā)的特點(diǎn)

我國林果業(yè)的分布較為分散，而且分布區(qū)域的地形較為復(fù)雜，如果使用大型的修枝機(jī)械難以順利展開作業(yè)。針對(duì)這種情況，可以對(duì)我國修枝機(jī)械的未來研究方向進(jìn)行明確：應(yīng)用安全性;具有較高的自動(dòng)化和智能化水平，內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成和架構(gòu)要簡單優(yōu)化，不能過于煩瑣，質(zhì)量要輕，便于在丘陵等地形中提攜行動(dòng);保障刀具的質(zhì)量;能夠?qū)Υ笠?guī)模、大范圍的樹木進(jìn)行修枝作業(yè)，并且修剪速度要快，質(zhì)量要高，且不需要耗費(fèi)大量的人力等;價(jià)格要實(shí)惠利民;保障機(jī)械設(shè)備體型小巧，且內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照一定的序列進(jìn)行模塊化組合，提升其質(zhì)量穩(wěn)定性，強(qiáng)化其對(duì)不同生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，最大限度地降低機(jī)械故障率，減少應(yīng)用、維護(hù)成本;盡量降低機(jī)械應(yīng)用過程中的噪聲，強(qiáng)化其環(huán)保性能[4]。此外，要綜合考慮在不同的地形條件、不同的樹木類型、不同的季節(jié)因素等客觀條件的影響下，枝條含水量有所不同，所以要研制出更加精準(zhǔn)化和高效化的樹木修枝機(jī)械。

4.2 需要解決的問題

雖然目前我國在樹木修枝機(jī)械研發(fā)方面取得了一定的成績，在理論研究以及實(shí)踐應(yīng)用方面取得了較大進(jìn)展，如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的半自動(dòng)高效電動(dòng)高空剪枝機(jī)、東北林業(yè)大學(xué)的模糊控制剪枝機(jī)器人等，但是仍面臨很多問題需要解決：很多配套設(shè)備的研發(fā)速度跟不上，電源等相關(guān)設(shè)備的研發(fā)較為落后，不能滿足電動(dòng)修枝機(jī)的需求;修枝機(jī)械的剪切效果、質(zhì)量、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求;修枝機(jī)械在應(yīng)用過程中道具、電能消耗量較大，使用性價(jià)比較低;刀具磨損狀態(tài)和枝條切口質(zhì)量之間的聯(lián)系需要進(jìn)一步考證;修枝機(jī)械與樹木類型之間的匹配度不高;對(duì)人工的依賴性依舊很大[5]。

4.3 未來的研發(fā)方向

第一，遵循人機(jī)工程學(xué)基本原理，通過應(yīng)用三維建模技術(shù)以及CAD技術(shù)，對(duì)總體圖樣進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì);第二，利用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件全面分析虛擬樣機(jī)的各種性能，如機(jī)械性能、運(yùn)動(dòng)范疇、碰撞檢測等，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行改良;第三，強(qiáng)化對(duì)枝條與金屬互相摩擦作用的理論研究，從而為修枝機(jī)械的刀具材料選擇和制作技術(shù)選擇提供依據(jù);第四，強(qiáng)化修枝機(jī)械的智能化識(shí)別功能，提升總體修剪技術(shù);第五，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)科學(xué)研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝要求和設(shè)備選擇的有效融合[6]。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著我國林果業(yè)的逐步發(fā)展，對(duì)樹木修枝機(jī)械的研究越來越深入，并取得了一定的研究成果，有效提升了樹木修枝的效率和安全性，降低了修枝成本投入，對(duì)于促進(jìn)林果業(yè)的發(fā)展大有助益。此外，本文對(duì)國內(nèi)外關(guān)于樹木修枝機(jī)械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和研究，并對(duì)我國樹木修枝機(jī)械的研發(fā)問題和研發(fā)方向進(jìn)行綜述，以期為實(shí)現(xiàn)我國樹木修枝機(jī)械研發(fā)的針對(duì)性、智能化、高效化指明方向。

【參考文獻(xiàn)】

【1】陳至靈，姜樹海，孫翊.農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程，2019，64（9）：20-28.

【2】王征，宋月鵬，柳洪潔，等.我國林果樹木修枝機(jī)械的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2017，277（38）：130-134.

【3】付光華.高大樹木修枝機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

【4】袁吉偉，王汝貴.爬樹機(jī)器人的研究現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，178（34）：8-23.

【5】李永陽.爬樹修枝機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[D].泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

【6】劉桂珍.爬樹機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2006.