我國油茶果采摘裝備研究進展與趨勢*

伍德林，楊俊華，劉蕓，趙恩龍，劉路，曹成茂

(安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，合肥市，230036)

0 引言

油茶(Camellia)是一種木本油料樹種[1]，油茶果被世界糧農(nóng)組織優(yōu)選為健康食用油原料。其主要分布于中國南方丘陵地區(qū)，以湖南、江西和廣西等地居多，其他地方亦有少量分布。截至2020年底，全國油茶種植面積達到4 533 khm2，高產(chǎn)油茶林933 khm2，茶油產(chǎn)量627 kt，預計2025年，我國油茶種植面積將達到6 000 khm2，茶油產(chǎn)量達2 000 kt，產(chǎn)值提升到4 000億元。油茶果充分成熟時，茶油的品質(zhì)處于最佳狀態(tài)[2]，茶油具有極高的保健和營養(yǎng)價值，受到越來越多的消費者青睞[3]，油茶殼也是一種理想的制備活性炭的原材料[4]。

由于全國油料種植面積持續(xù)下滑，產(chǎn)量徘徊不前，國內(nèi)食用植物油產(chǎn)需缺口不斷擴大。充分利用豐富的山地資源，挖掘木本油料植物的生產(chǎn)潛力，大力發(fā)展油茶產(chǎn)業(yè)[5]是破解我國食用油供應緊張，保障國家油料安全的一個重要途徑。為此，對我國油茶果采摘裝備研究現(xiàn)狀進行闡述，指出目前油茶果機械化采摘存在的科學問題和關(guān)鍵技術(shù)問題及其發(fā)展對策與趨勢，旨在為我國油茶果機械化采摘裝備進一步研究提供參考，促進我國油茶產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

1 油茶果生物特性

油茶果的形狀都是比較統(tǒng)一的球形，并且油茶果主要分布在樹冠的表層，而樹冠里層的油茶果較少。通過對湖南省部分油茶品種進行實測，6年的湘林63油茶樹，株距2.5 m，行距3 m，平均株高1.78 m，平均冠幅1.63 m；11年的湘林82油茶樹，株距3 m，行距2.6 m，平均株高3.3 m，平均冠幅3.5 m。由此可以看出：油茶樹的高度為2～3 m左右，直徑大約為2 m，油茶果主要分布在冠層0.3 m處，油茶樹的株距大約為3 m(見圖1)。

圖1 油茶果分布范圍

油茶的主要特性表現(xiàn)為兩點:一是果實與枝條之間的生長力大，且縱向拉斷力大于橫向扭斷力，油茶果的平均脫離力明顯大于花苞的平均脫離力[6]，處于適采期的不同油茶果品種的果柄分離力約為7～17 N，各品種間的果柄分離力有明顯差異；二是油茶是花果同期，油茶果進入采摘季時，花苞正含苞待放，如若花苞損傷較大，將直接影響來年油茶果的產(chǎn)量。油茶果的采摘收獲一般在每年10月中旬左右，且收獲期較短。成熟后的油茶果要及時采收，否則油茶果將會脫離果柄掉落在地面，如遇降水等氣候問題，未能及時撿拾也將大幅降低油茶果的產(chǎn)量[7]。油茶果機械化采摘環(huán)節(jié)成為限制油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，油茶果機械化采摘難度大已經(jīng)成為業(yè)界共識。

2 油茶果機械化采摘裝備研究

隨著我國油茶產(chǎn)業(yè)開發(fā)和利用的不斷擴大，研究適合我國國情的先進油茶果采摘裝備具有重要的經(jīng)濟價值。專利文獻也是一種重要的信息資源，可以反映出本行業(yè)的研究現(xiàn)狀[8]。

近年，國外研究人員對林果采摘有一定的研究，Blanco等[9]采用振動機械對油橄欖進行采收研究，發(fā)現(xiàn)以不同振動頻率進行分批采收的策略可以明顯提高采收率；Zhou等[10]用高速相機拍攝了櫻桃脫落過程的位移軌跡，分析了振動頻率對果實脫落速度和損傷的影響。根據(jù)油茶的生物特性及目前油茶果機械化采摘環(huán)節(jié)中存在的主要問題，我國的科研人員也設(shè)計出了不同類型和不同采摘方式的油茶果采摘裝備。其中，油茶果采摘形式主要有機械輔助采摘、機械化采摘、智能化采摘三大類，分為吸附式、剪切式、抓拉式、梳刷式、震動式等形式[11]。國內(nèi)科研院所研制出的一系列油茶果采摘設(shè)備或裝置，彌補了我國林果采收設(shè)備中油茶果采摘設(shè)備的空白[12]。但是，國內(nèi)丘陵山區(qū)推廣的林果類采收設(shè)備種類仍然較少，沒有合適的機械裝備進行油茶果采摘作業(yè)，嚴重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[11]。

當前，油茶的發(fā)展主要在湖南和江西一帶，但當?shù)貏趧尤嗣翊蠖噙€是采用手工完成采摘，或者是通過輔助工具來完成采摘。因此，當?shù)卣图哟笱芯坑筒韫臋C械化采摘的力度，促使當?shù)剞r(nóng)林高校進行油茶果機械化采摘的研究工作，這些高校不斷地進行著相關(guān)的科學研究與試驗，并且取得了很大的收獲與研究進展。

2.1 油茶果機械化采摘裝置

李贊松[13]設(shè)計了一種振動式油茶果采摘試驗臺(見圖2)。其工作原理是通過振動機構(gòu)使果實振搖產(chǎn)生慣性力，對果柄施以拉、彎、扭作用。當慣性力大于果實與樹枝的結(jié)合力時，果實在連接最弱處果枝分離，完成分離過程。為實現(xiàn)油茶果半機械化采摘。

圖2 振動式油茶果采摘試驗臺

羅時挺等設(shè)計了一種齒梳撥刀式油茶果采摘裝置(見圖3)，利用采摘頭固定住油茶果位置，然后控制拉線使撥刀加速運動，最終使油茶果脫落，并對該裝置進行了試驗研究。該設(shè)計是一種半機械化設(shè)備，其優(yōu)點是人工操作便捷，一定程度上提高了采摘效率，但其缺點是不適合樹枝較密集的油茶果采摘，對樹枝、花苞的損傷也很嚴重[14]。

圖3 齒梳撥刀式采摘裝置

饒洪輝等[15]設(shè)計了一種電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器，上下膠輥相向旋轉(zhuǎn)運動，膠輥在油茶果表面接觸位置處壓力的垂直分力達到最大值，當膠輥對果實產(chǎn)生的作用力大于其果柄結(jié)合力時，果實即可順利脫落。由于油茶花苞直徑遠小于油茶果直徑，因此花苞易從膠輥間隙漏過，從而減少采摘過程中對花苞的損傷。

油茶果采摘裝置如表1，以下研究團隊采用半機械化、機械化采摘方式進行油茶果的采摘，不同的采摘裝置采摘原理不同。搖振式采摘試驗臺體積較大，結(jié)構(gòu)復雜，采摘過程中以曲柄滑塊機構(gòu)作為振動源，再與油茶果碰撞使之掉落；齒梳式采摘裝置以人工為輔助，通過齒梳與進入齒隙中的油茶果沖擊作用，將油茶果撥落；電動膠輥采摘執(zhí)行器機械化程度高，經(jīng)過上下回轉(zhuǎn)膠輥的撞擊使油茶果掉落，較為先進。

表1 油茶果采摘裝置

根據(jù)表2，可以看出不同的采摘裝置對油茶果力的作用方式、工作參數(shù)以及各自的優(yōu)缺點。這三種采摘裝置都提高了油茶果的采摘效率，但對油茶果的花苞、枝葉都有損傷和漏采現(xiàn)象。后期，研究人員仍可以對這幾種裝置進行改進和優(yōu)化，最終達到對油茶果機械化、高效率、低損傷采摘。

表2 油茶果采摘裝置性能分析

2.2 油茶果機械化采摘機

高自成等[16]系統(tǒng)地研究油茶的生物特性及采摘原理，并設(shè)計出了第一代油茶果采摘輔助機械——齒梳式油茶果采摘機采摘執(zhí)行機構(gòu)，其設(shè)計為多自由度結(jié)構(gòu)，并且采漏率低，該采摘機主要由采摘和收集等部分組成。這種油茶果采摘機大幅提高了采摘效率，但在收獲過程中花苞受損不可避免，加之對油茶果樹內(nèi)部的油茶果采摘困難，加上現(xiàn)在中國油茶樹的種植間距分析，這個采摘機的整體尺寸參數(shù)較大，在行間很難行駛和轉(zhuǎn)彎，林間作業(yè)難度較大。

高自成等[17]在分析采摘執(zhí)行機構(gòu)的機構(gòu)組成和工作原理的基礎(chǔ)上，建立了采摘執(zhí)行機構(gòu)—油茶果采收動力學模型，得出了該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應下的振幅表達式以及影響因素。通過油茶果采摘機(見圖4)進行采摘試驗得出：激振頻率和夾持高度對樹干振幅有影響，落果率和落花率隨著采摘頻率增加而增加，落果率隨著加持高度增加而增加，落花率隨著夾持高度增加而減小，這種采摘機有較高的采摘率和較低的花苞掉落，但是還對樹體還是有一定的影響。

圖4 懸掛振動式油茶果采摘機

饒洪輝等[18]設(shè)計了一種液壓驅(qū)動式油茶果采摘機。與電動膠輥旋轉(zhuǎn)式油茶果采摘執(zhí)行器相比，液壓驅(qū)動式油茶果采摘機旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速提高了83.33%，采摘效率明顯提高，其平均采摘效率為210個/min，還分析了影響油茶果采摘率的主要因素依次為上下組膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速、膠輥直徑；影響花苞損傷率的主要因素依次為膠輥直徑、膠輥間距、旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速。伍德林等[19]設(shè)計了一款搖枝式油茶果采摘機(見圖5)。

圖5 搖枝式油茶果采摘機

通過適當?shù)膴A持和振動油茶枝的力度都不會對枝條造成損傷，設(shè)計了四因素三水平正交試驗，對搖枝式油茶果采摘機進行了田間試驗。通過正交試驗結(jié)果分析，果柄直徑、油茶果幾何平均直徑和成熟度對油茶果果柄分離的影響程度不同，成熟度是影響果柄分離力的主要因素，而油茶果幾何平均直徑和果柄直徑對分離力影響較??；成熟度越高其果柄分離力越小，所需的采摘力越小，成熟度越低分離力越大，所需的采摘力越大。

以下四種油茶果采摘機均采用了履帶式行走方式，并且采摘機體積較大，在種植較密的油茶果園的行間不易轉(zhuǎn)彎和行走，林間作業(yè)空間小。不同的采摘機采用了不同的動力來源，包括柴油機、液壓馬達、液壓缸、電機等方式。

這四種采摘機均大幅提高了油茶果的采摘效率，但普遍存在對花苞和枝葉的損傷等問題，具體如表3所示。

表3 油茶果采摘機總體參數(shù)及性能

根據(jù)表4，這四種油茶果采摘機的末端執(zhí)行器和采摘方式均不相同，根據(jù)采摘參數(shù)分析，目前采摘效果最佳的是懸掛振動式采摘機。該采摘機根據(jù)不同的樹形生長狀況進行作業(yè)，能進行精準的能量匹配，實現(xiàn)只摘果不損花，還具有落果率高、落花率低的采摘效果；激振方式采摘時，末端執(zhí)行器對樹體的夾持部位有所損傷，優(yōu)化后的夾持高度和振動頻率對花苞的損傷很小、對油茶果的采摘效率和采凈率有一定的保障。

表4 油茶果采摘機末端執(zhí)行器

3 油茶果機械化采摘存在的問題

我國油茶果機械化采摘裝備的研制為丘陵山地的油茶果采摘帶來了極大的便利[7]，但由于油茶生長特性帶來的科學問題和機械化采摘存在的關(guān)鍵技術(shù)問題等，導致我國油茶果機械化采摘裝備一直未取得突破性的進展，未能普遍用于實際的油茶基地進行機械化采摘。機械化采摘過程中，花苞、枝葉等損傷問題也成了機械化采摘環(huán)節(jié)中亟待解決的問題[20-21]。

3.1 油茶存在的科學問題

1)油茶樹生長特性：油茶樹枝干交錯，樹冠處細枝紊亂繁多并且生長方向各異，不同生長年限和品種油茶樹的樹體性狀差異大，部分油茶品種主枝和次生枝不分明，樹冠分布錯亂。同時，未經(jīng)改良的油茶品種樹體過高增大了油茶果的采摘難度。

2)油茶花果生長特點:花果同期，在采摘油茶果的過程中采摘裝置難免碰到油茶花苞，導致油茶花苞掉落。因此，避開油茶花苞采摘油茶果較為困難。

3)油茶果采摘時機：油茶果成熟的季節(jié)性強、適采期較短，成熟后的油茶果未及時采摘將會掉落在地面，影響油茶果的產(chǎn)量[7]。

4)油茶力學特點：果實與枝條之間的結(jié)合力較大，且油茶果的平均脫離力大于花苞的平均脫離力[6]，機械采摘的時候?qū)τ筒璧闹ηo、花苞等損傷很大。油茶果與果柄的結(jié)合力會隨著時間的推移逐漸減小，不同時期、不同成熟度的油茶果與果柄之間的結(jié)合力不相同。

5)油茶生長環(huán)境：油茶樹大多生長在丘陵山地一帶，喜熱怕寒，突然的低溫或晚霜會導致落花落果，從而降低了油茶果的產(chǎn)量。

6)油茶種植模式：油茶林分布較亂，不同地區(qū)的種植模式不盡相同，未達到規(guī)范化、矮密化種植，導致機械化采摘進行困難、采摘裝備難以適用多樣的栽培模式。

3.2 油茶果機械化采摘存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

3.2.1 采摘裝備差異大

小型便攜式采摘裝置和大型采摘機是當前研究設(shè)計的普遍趨勢，但在關(guān)鍵技術(shù)上都存在不同問題。

1)小型便攜式采摘裝置的質(zhì)量普遍較大，人工手持作業(yè)不能長時間進行；同時，加工制造過程中未能使用新材料，導致采摘時普遍不能實現(xiàn)柔性化采摘。因此滿足不了當前油茶果高效、花苞低損傷采摘過程。

2)大型采摘機體積較大，穩(wěn)定性較差，作業(yè)區(qū)域在丘陵山地，環(huán)境的復雜性非常高，不易在行間及丘陵山地行走和掉頭，危險系數(shù)高。因此，在該作業(yè)環(huán)境下對采摘機的地盤要求較高，采摘機研發(fā)過程中選擇輪式或者履帶式行走裝置是必須考慮的問題。

3.2.2 末端執(zhí)行器作業(yè)性能較差

末端采摘執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計取決于油茶的生物特性和理化特性，因此需要適應油茶的生長特征以及農(nóng)藝的特點，需要有柔性和靈巧性[7]，從而降低損傷。(1)不同類型的末端執(zhí)行器采摘后對花苞的損傷普遍較高。由于油茶花果同期，花苞的生長距離和油茶果較近，所以很多油茶果機械化采摘裝備在采摘油茶果的過程中都對油茶花苞有所損傷。如果花苞在油茶果采摘的過程中掉落，則直接影響來年油茶果的產(chǎn)量，研制出花苞損傷小的末端執(zhí)行器較困難。(2)振動式采摘末端執(zhí)行器對油茶樹采用強制性振動。對樹干進行振搖或?qū)M行敲擊，雖然提高了采摘效率，減輕了勞動強度，但夾持過程中，存在傷枝(破皮)、折斷等，以及樹體主干有輕微晃動，對樹體產(chǎn)生機械式損傷，影響油茶樹的生長年限和掛果情況。(3)梳刷式末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)較為復雜，在冠層內(nèi)操作會出現(xiàn)纏繞現(xiàn)象，對枝、葉、花苞都有損傷，在作業(yè)過程中經(jīng)常出現(xiàn)枝條纏繞，影響油茶果采摘的連續(xù)性，單次作業(yè)時間較長，采摘效率低。

3.2.3 新興技術(shù)應用困難

新興技術(shù)對油茶果機械化、自動化采摘有極大幫助，目前此類技術(shù)在油茶果機械化采摘研究領(lǐng)域應用困難。如傳感與檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)、圖像識別技術(shù)、機器人路徑規(guī)劃[22]等相關(guān)技術(shù)。要實現(xiàn)油茶果機械化、自動化采摘，研究應用上述新興技術(shù)是油茶果機械化采摘的必要手段。

4 油茶果機械化采摘發(fā)展對策與趨勢

針對上述油茶果機械化采摘過程中存在的問題，結(jié)合當前油茶果采摘領(lǐng)域的熱點分析，提出了可行性的對策與建議，并且對今后油茶果機械化采摘的發(fā)展趨勢做出了期望。

提取62篇油茶果機械化采摘相關(guān)論文中出現(xiàn)頻次兩次以上且有實質(zhì)意義的21個關(guān)鍵詞(見表5)，來分析該領(lǐng)域當前研究熱點主題。根據(jù)表5，從21個關(guān)鍵詞中可以看出，當前油茶果機械化采摘的熱點是油茶果采摘機和采摘機器人[21]。采摘機的研制可以加快油茶果的發(fā)展，有利于油茶果規(guī)?；N植和采摘，同時可以提高采摘效率，降低勞動力。

表5 油茶果機械化采摘相關(guān)論文中高頻出現(xiàn)的關(guān)鍵詞

油茶果采摘機器人的研制可以實現(xiàn)油茶果的精準、高效采摘，可以有效提高采摘效率、擴大種植規(guī)模。采摘機械臂和圖像識別及傳感器[23]的研究發(fā)展是采摘機和采摘機器人的研制基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，圖像識別技術(shù)如果能達到要求[24]，將其使用在采摘機器人裝備上，油茶果的機械化、自動化、智能化采摘將會很快實現(xiàn)[25]。

4.1 發(fā)展對策

根據(jù)以上油茶果機械化采摘存在的科學問題及關(guān)鍵技術(shù)問題，結(jié)合當前油茶果采摘領(lǐng)域研究的熱點，要推動油茶產(chǎn)業(yè)優(yōu)質(zhì)、高效發(fā)展，必須對上述問題給予解決。

1)種植油茶時可以通過規(guī)范化種植以及修剪，保證油茶樹枝條生長的一致性，油茶果在冠層空間分布位置的相似性，從而使得油茶果機械化采摘作業(yè)時的通用性[26]。

2)通過使用脫落酸、乙烯等化學試劑，使得適采期時油茶果-柄結(jié)合力盡可能減小。在采摘過程中對采摘裝置施加合適的的作用力來匹配油茶果脫落的結(jié)合力，減小了作業(yè)過程中的能量損失，也提高了采摘效率。

3)為了不降低油茶果來年的產(chǎn)量，降低機械化采摘過程中花苞的損傷?？梢酝ㄟ^精準識別油茶果進行采摘，有效地避免接觸油茶花苞，使油茶花苞從采摘裝置中漏采，從而降低油茶果花苞的損傷以及掉落。

4)通過分析與研究機械化采摘設(shè)備對花苞的機理，設(shè)計低損花苞的機械化采摘設(shè)備，同樣達到降低油茶果花苞的損傷以及掉落的效果。

5)為了適應油茶樹體復雜性狀和油茶果分布的不確定性，適當兼顧花苞的損傷率，研究油茶樹-采摘裝置之間的互作機制及適應性，建立果實與裝置之間的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進而探索低損傷、高效率的油茶果采摘機制和作用機理。

目前，油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)節(jié)中最迫切的任務就是研制油茶果機械化采摘裝備，最終實現(xiàn)油茶果采摘機高效、優(yōu)質(zhì)、低耗、安全的采摘，達到油茶果高效率、低損傷的機械化采摘效果。

4.2 發(fā)展趨勢

油茶果機械化采摘是油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，油茶果采摘裝備的進展分析研究可以為今后油茶果采摘裝備的研究提供一定參考和指導意義。對于以上油茶果機械化采摘過程中存在的相關(guān)問題及給出的對策與建議，再結(jié)合油茶樹體生物特性及其各項參數(shù)以及油茶果機械化采摘現(xiàn)狀，油茶產(chǎn)業(yè)將有以下發(fā)展趨勢。

4.2.1 采摘裝備與種植模式融合

油茶栽培密度與采摘裝備融合發(fā)展，規(guī)劃出適宜采摘裝備在行間作業(yè)的種植規(guī)模，便于采摘裝備對油茶果進行采摘收獲，規(guī)模化的種植保障油茶果高效率、低損傷采摘。同時，建立采摘裝備與油茶樹體的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚27]，分析兩者之間的相互作用機制以及果—柄脫離力大小，進而實現(xiàn)采摘過程中的能量匹配。

4.2.2 新型末端執(zhí)行器的研制

增加柔性材料在末端執(zhí)行器上的使用，對油茶果及花苞、枝葉等低損傷采摘發(fā)展，提高油茶花苞的漏采率和油茶果的落果率，確保下年油茶果產(chǎn)量。末端執(zhí)行器采用多作用機制組合方式采摘，采摘過程中讓油茶果受到不同方向上的作用力，使其更容易脫落。

4.2.3 采摘裝備便攜化

為了適應丘陵山地油茶果采摘裝備行走及操作困難等問題，今后油茶果采摘裝備將向體積小、操作方便快捷、穩(wěn)定性高、工作連續(xù)性好發(fā)展。另外，今后可以在便攜式采摘裝備上增加收集功能，實現(xiàn)采收一體化，避免人工拾撿。油茶果采摘裝備便攜化也會大幅減輕勞動強度，同時提高采摘效率及機械化作業(yè)時的安全性。

4.2.4 采摘裝備智能化

半機械化、機械化采摘轉(zhuǎn)向智能化采摘發(fā)展。由于油茶果“花果同期”的特點，在采摘油茶果過程中難免會損傷花苞。所以油茶果精準采摘已成為當前油茶果智能化采摘的發(fā)展趨勢，將圖像識別技術(shù)等新興技術(shù)應用于油茶果采摘裝備上，推進油茶果精準采摘。綜合分析，在農(nóng)業(yè)機械科技工作者的共同探究下，我國的油茶產(chǎn)業(yè)將高速發(fā)展，油茶果的價值將最大化吸取并加以利用，油茶果機械化采摘裝備與技術(shù)將會達到新的水平。

5 結(jié)論

隨著油茶的價值被不斷地發(fā)掘，油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也不斷加速向前邁進。無論從油茶的種植還是油茶果采收、加工環(huán)節(jié)等來看，油茶產(chǎn)業(yè)都取得了巨大的發(fā)展。國內(nèi)科研工作者研發(fā)了很多油茶果機械化采摘裝備，填補了我國林果采收裝備中油茶果采收裝備的空白。這些研究成果已經(jīng)很大程度上降低了勞動力及勞動成本，并且大大地提高了采摘效率，基本解決了油茶果高效采摘、損花少等關(guān)鍵技術(shù)難題，并且解決了我國油茶果采摘環(huán)節(jié)有機可用的問題。但是，當前研究階段也仍存在油茶的科學問題以及機械化采摘的關(guān)鍵技術(shù)問題等，如油茶種植模式不規(guī)范、油茶枝條分布錯亂、“花果同期”、采摘裝備不能滿足“高效低損”采摘等，這些都是制約油茶產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展的因素，需要盡快地研究解決。對油茶進行規(guī)范化的種植和修剪以及研制出采摘效率高、花苞枝葉損傷小的新型采摘裝備，同時增加對油茶果智能化、精準化采摘的研究，將極大地推進油茶果機械化采摘進程及油茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。