鮑玉冬，郭艷玲，郭 帥

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來(lái)，隨著農(nóng)林業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，藍(lán)莓種植和生產(chǎn)已成為林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)。藍(lán)莓(學(xué)名越桔Blueberry)，素有“世界水果之王”和“黃金水果”的美譽(yù)［1－2］，其果實(shí)銷量在國(guó)內(nèi)外一直處于供不應(yīng)求狀態(tài)［3］。隨著種植面積的不斷擴(kuò)大，藍(lán)莓果園規(guī)模化發(fā)展的要求日益提高，使得藍(lán)莓果園收獲機(jī)械化的重要性日益顯著。

在藍(lán)莓的種植生產(chǎn)中，藍(lán)莓采摘作業(yè)是藍(lán)莓生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。由于藍(lán)莓果實(shí)小、產(chǎn)量高、季節(jié)性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得藍(lán)莓采摘成為一項(xiàng)勞動(dòng)密集型工作，需要投入大量的人力進(jìn)行采摘，但是在很多國(guó)家，由于勞動(dòng)力的高齡化和人力資源的缺乏，勞動(dòng)力不僅成本高，而且不容易獲得，因此藍(lán)莓采摘的機(jī)械化開(kāi)發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

1 藍(lán)莓采摘技術(shù)的原理

藍(lán)莓植株，灌木叢生，其果實(shí)小，生長(zhǎng)分散，因此主要的采摘方式是振動(dòng)式。振動(dòng)式采摘是利用熟果和青果與母枝的結(jié)合力不同，依靠振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力，介于熟果和青果的結(jié)合力之間，使得熟果與母枝分離，青果保留。

采摘機(jī)械對(duì)果樹(shù)施加強(qiáng)迫振動(dòng)，果樹(shù)接受振動(dòng)后以一定的頻率和振幅振動(dòng)，樹(shù)枝上的果實(shí)加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)加速運(yùn)動(dòng)的果實(shí)受到的慣性力大于果實(shí)和樹(shù)枝之間的結(jié)合力時(shí)，果實(shí)與枝分離，再利用機(jī)械自身的收獲機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的收獲［4］。

2 國(guó)內(nèi)外藍(lán)莓采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)果園收獲技術(shù)的研究起步較早，做了大量研究。20世紀(jì)40年代初由法國(guó)人率先研制出了操作簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)易采摘器。進(jìn)入40年代中期，美國(guó)開(kāi)始致力于振動(dòng)式采收果實(shí)的研究，直到50年代中期，該種采摘方式在歐美等地得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用［5］。美國(guó)是最早研究藍(lán)莓收獲機(jī)的國(guó)家。自從1959年H.McKibben發(fā)表第一篇關(guān)于藍(lán)莓采摘技術(shù)的專利開(kāi)始，美國(guó)的相關(guān)學(xué)者和科研人員針對(duì)藍(lán)莓采摘技術(shù)展開(kāi)了相關(guān)研究。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，振動(dòng)采摘機(jī)械由單一的定沖程推搖方式發(fā)展為慣性式振動(dòng)、氣力推動(dòng)和使用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)棒擊打果樹(shù)等多種類型的果園采摘機(jī)械［6］。

現(xiàn)在美國(guó)主要有三家公司研究藍(lán)莓采摘機(jī)，形成了Korvan、Littau和BEI三種各具特色的品牌，其中BEI技術(shù)最先進(jìn)，該公司研究的LBT Harvester、BEI L－Tracks Blueberry Harvester、Rotary Harvester等型號(hào)的藍(lán)莓采摘機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)，推動(dòng)了藍(lán)莓在美國(guó)大面積的推廣與種植，并獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，當(dāng)今世界各地的藍(lán)莓采摘機(jī)多數(shù)都采用美國(guó)的技術(shù)。

國(guó)外的藍(lán)莓采摘機(jī)按照振動(dòng)方式可以分為旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式和擺動(dòng)振動(dòng)式，旋轉(zhuǎn)振動(dòng)式即振動(dòng)棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生振動(dòng)，擺動(dòng)振動(dòng)式即振動(dòng)棒擺動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)。按照行走方式可以分牽引式和自走式，牽引式即拖拉機(jī)牽引藍(lán)莓采摘機(jī)作業(yè)，采摘機(jī)動(dòng)力來(lái)自牽引拖拉機(jī)，自走式即采摘機(jī)依靠自身的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)行進(jìn)和工作。按照車輪類型可以分為車輪式和履帶式，其中車輪式應(yīng)用最廣泛。車輪式行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活，但輪式結(jié)構(gòu)對(duì)于松軟地面和坡陡地面適應(yīng)性差。無(wú)論是那種類型的藍(lán)莓采摘機(jī)，其振動(dòng)采摘工作原理相同。圖1所示為自走車輪式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)藍(lán)莓采摘機(jī)。

圖1 自走車輪式旋轉(zhuǎn)振動(dòng)藍(lán)莓采摘機(jī)Fig.1 Self Propelled and wheel rotating vibration picking machine of blueberry

另外，國(guó)外在水果采摘機(jī)器人方面也開(kāi)展了大量研究，形成了以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，包括美國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、西班牙等國(guó)相繼試驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)器人，如蘋果、柑橘、番茄、西瓜等果實(shí)采摘的具有人工智能的機(jī)器人［7］。但是這些機(jī)器人存在采摘周期長(zhǎng)、識(shí)別定位性差、制造成本高等問(wèn)題，不能適用于藍(lán)莓這種小漿果的采摘。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究果園采摘機(jī)械，在藍(lán)莓采摘方面，主要靠人工手摘和借助簡(jiǎn)單工具，如圖2所示。藍(lán)莓采摘機(jī)械的研究在我國(guó)仍處于起步階段。

新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所研制開(kāi)發(fā)了機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)［8］，采用推搖樹(shù)干振動(dòng)的收獲方式，與常規(guī)拖拉機(jī)懸掛式連接，主要適用于稀疏種植紅棗、核桃等林果的收獲，不適用于藍(lán)莓收獲［9］。

圖1 簡(jiǎn)易采摘工具Fig.2 Ordinary picking tools

東北林業(yè)大學(xué)在藍(lán)莓視頻識(shí)別和定位、振動(dòng)采摘方面做了大量研究［10］，研制了適合野生藍(lán)莓收獲的手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)和適合矮叢藍(lán)莓的手推式矮叢藍(lán)莓振動(dòng)收獲機(jī)［11］，兩款采摘均為手扶式機(jī)械，操作簡(jiǎn)單，制造成本低，在矮叢藍(lán)莓采摘領(lǐng)域內(nèi)取得了初步的成果，但是兩款機(jī)械在行走機(jī)構(gòu)需要配有動(dòng)力，因此都處于實(shí)驗(yàn)階段，投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際仍需時(shí)日。在半高叢、高叢藍(lán)莓收獲方面，東北林業(yè)大學(xué)跟蹤國(guó)外技術(shù)研制了牽引式藍(lán)莓采摘機(jī)，采摘機(jī)由拖拉機(jī)牽引行進(jìn)，行走方式為車輪式，主要依靠擺動(dòng)振動(dòng)藍(lán)莓果樹(shù)收獲果實(shí)，同時(shí)該款采摘機(jī)具備采收過(guò)程中果葉的在線分選功能，但是由于采摘機(jī)與農(nóng)藝之間不協(xié)調(diào)，如種植模式多樣性等造成采摘機(jī)與作業(yè)環(huán)境不能匹配，采摘過(guò)程中對(duì)枝葉存在一定的損傷等，為該款采摘機(jī)在普及應(yīng)用方面帶來(lái)了極大的困擾。

3 制約因素

3.1 農(nóng)業(yè)與農(nóng)藝未能有效結(jié)合

藍(lán)莓的規(guī)?；N植沒(méi)有考慮機(jī)械化作業(yè)的因素，特別是我國(guó)的藍(lán)莓種植主要是分散栽培，真正集中成規(guī)模的大型現(xiàn)代化藍(lán)莓果園很少，致使藍(lán)莓采摘機(jī)在工作中不能適應(yīng)現(xiàn)有的種植環(huán)境，如預(yù)留調(diào)頭區(qū)和牽引區(qū)等，在推廣和使用上造成極大的困難，阻礙了藍(lán)莓收獲的大規(guī)模機(jī)械化作業(yè)。

3.2 科研力度不夠，機(jī)具功能單一

我國(guó)對(duì)藍(lán)莓收獲機(jī)械化的重視程度不夠，在藍(lán)莓采摘機(jī)的研發(fā)上的投入遠(yuǎn)不及其他果蔬等相關(guān)機(jī)械的科研投入，科研力度不夠。藍(lán)莓采摘機(jī)功能單一，只能實(shí)現(xiàn)單純的果實(shí)采摘，不能根據(jù)大小、顏色和糖分等選擇性收獲果實(shí)。

3.3 技術(shù)普及率低，技術(shù)人員缺乏

我國(guó)對(duì)藍(lán)莓機(jī)械化收獲的普及率低，加之藍(lán)莓采摘機(jī)價(jià)格高，降低了果農(nóng)接受新技術(shù)和使用機(jī)械化采收的積極性。另外，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力大量向社會(huì)其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)技術(shù)人員缺乏，阻礙了藍(lán)莓機(jī)械的推廣和普及。

4 發(fā)展趨勢(shì)

藍(lán)莓采摘機(jī)朝著與農(nóng)藝相匹配的方向發(fā)展。在現(xiàn)代種植業(yè)中，農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)關(guān)系密切，缺一不可。農(nóng)藝是農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的前提和發(fā)展的動(dòng)力。新的農(nóng)藝技術(shù)要盡快應(yīng)用于生產(chǎn)，發(fā)揮其應(yīng)有的增產(chǎn)增收效果，必須與農(nóng)機(jī)相結(jié)合，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效化的關(guān)鍵［12］。應(yīng)保證采摘機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)相互匹配，使藍(lán)莓果樹(shù)栽培條件標(biāo)準(zhǔn)化，如果樹(shù)品種、種植模式、樹(shù)形等都要規(guī)范一致，作為采摘機(jī)研制開(kāi)發(fā)的依據(jù)。

藍(lán)莓采摘機(jī)多功能化發(fā)展。即機(jī)械不僅具有采摘果實(shí)的功能，還兼具其他功能，如果實(shí)篩選、果業(yè)分選等，以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少購(gòu)機(jī)投入。

藍(lán)莓采摘機(jī)智能化發(fā)展。即機(jī)械可以根據(jù)圖像識(shí)別規(guī)劃采摘機(jī)行走軌跡，識(shí)別品種類型、成熟度、糖分等，有選擇性采摘。

藍(lán)莓采摘機(jī)朝著人性化發(fā)展。使用方法簡(jiǎn)單，維修維護(hù)方便，可靠性高。通用性好，在各種不同的條件和作業(yè)環(huán)境下，均能適用。

5 結(jié)束語(yǔ)

藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展，離不開(kāi)先進(jìn)適用的藍(lán)莓采摘機(jī)械。隨時(shí)掌握國(guó)內(nèi)外藍(lán)莓采摘機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)，引進(jìn)、消化、吸收國(guó)外先進(jìn)藍(lán)莓采摘機(jī)械的生產(chǎn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，研究適合我國(guó)藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的采摘機(jī)械，不僅關(guān)系到我國(guó)果園的機(jī)械化水平，而且也關(guān)系到我國(guó)林業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

［1］王姍姍，孫愛(ài)東，李淑燕.藍(lán)莓的保健功能及其開(kāi)發(fā)應(yīng)用［J］.中國(guó)食物與營(yíng)養(yǎng)，2010(6):17－19.

［2］董亞娟.藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)或可成為發(fā)展縣域經(jīng)濟(jì)的一個(gè)強(qiáng)機(jī)遇［J］.農(nóng)村實(shí)用技術(shù)，2010(9):6－8.

［3］Strik B·Blueberry production and research treands in-North America·Acta Horticulturae，2006，715:173－184.

［4］李志鵬.藍(lán)莓采摘機(jī)采摘策略及行走軌跡規(guī)劃研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2011.

［5］藍(lán)峰，蘇子昊，黎子明，等.國(guó)內(nèi)外果園采摘機(jī)械的研究及發(fā)展探討［J］.2010國(guó)際農(nóng)業(yè)工程大會(huì)論文集，2010 (6):19－24.

［6］陳度，杜小強(qiáng)，王書(shū)茂，等.振動(dòng)式果品收獲技術(shù)機(jī)理分析及研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(8):195－200.

［7］藍(lán)峰，蘇子昊，黎子明，等.果園采摘機(jī)械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010(11):249－252.

［8］湯智輝，孟祥金，沈從舉，等.機(jī)械振動(dòng)式林果采收機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010(8):65－69.

［9］湯智輝，賈首星，沈從舉，等.新疆兵團(tuán)林果業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008(11):5－8.

［10］韓非.藍(lán)莓機(jī)器視覺(jué)識(shí)別與標(biāo)定技術(shù)研究［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2011.

［11］郭艷玲，鮑玉冬，何培莊，等.手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(7):40－45.

［12］張保軍，韓思明，楊文平，等.新世紀(jì)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)結(jié)合的思考［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，2(3):69－73.