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）

我國既是水果生產(chǎn)大國，同時也是水果消耗大國，柑橘是生活中非常常見的一種水果，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)鍵問題。隨著我國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)、勞動強(qiáng)度比較大、勞動成本高，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)械對我國的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的調(diào)整具有非常長遠(yuǎn)的重大意義。

丘陵地區(qū)地勢復(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，對于大面積的規(guī)?；N植果園來說，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：一種是通過撞擊、振動等方法實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果樹分離的采摘機(jī)械，第二種是半自動化的采摘作業(yè)平臺，第三種是利用采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘[4-6]。機(jī)器人采摘是未來收獲果實(shí)的必然趨勢，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，很難在短時間內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，無法解決當(dāng)下的實(shí)際問題。短時間內(nèi)，基于采摘機(jī)器人經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性多個方面問題，人工半自動化的果園采摘作業(yè)平臺將成為果園收獲環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)自動化的主力。

半自動化果園采摘作業(yè)平臺使用人機(jī)協(xié)同工作的模式，對柑橘進(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)的半自動化果園采摘作業(yè)平臺，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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

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

目前，國外的公司和科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)研發(fā)出了許多自動化水平、作業(yè)效率、集成度都比較高的水果采摘設(shè)備，如意大利蘋果收獲機(jī)、南美洲哥倫比亞研制的Model CF-105 型蘋果收獲機(jī)和德國大型果園采摘機(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)，顯著減小了勞動強(qiáng)度。雖然這些機(jī)械設(shè)備具有很高的應(yīng)用價值和技術(shù)優(yōu)勢，但是由于其可靠性和成本方面的問題，在外國應(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、大型果園采摘平臺和振動式收獲機(jī)械，預(yù)計很快就可實(shí)現(xiàn)果實(shí)采摘全程自動化作業(yè)。國外研究的果園采摘作業(yè)平臺的傳送裝箱系統(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，雖然會配套很高動力，但價格昂貴。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，我國開始研究果園采摘機(jī)械，前期主要研究無動力的通用機(jī)械設(shè)備，例如：手持電動采摘臂、氣囊式采果器和基于手扶拖拉機(jī)的振動式山楂收獲機(jī)等。80 年代，科研機(jī)構(gòu)開始研究切割式采摘機(jī)械，手動、氣動或電動的果園采摘機(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，分別為氣動和電動，前者利用風(fēng)力，后者利用振動使果實(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)了各種各樣的簡易采摘機(jī)械，其后升降平臺和剪枝機(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。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)研究初級階段，實(shí)際應(yīng)用于果園生產(chǎn)仍然需要解決很多問題。雖然，國內(nèi)水果采摘作業(yè)平臺產(chǎn)品種類很多，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)問題未得到解決，目前研發(fā)和應(yīng)用內(nèi)容無法滿足實(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)自動化需求。

3 展 望

本文介紹了山地柑橘采摘作業(yè)平臺的傳送裝箱系統(tǒng)潛在的需求、國內(nèi)外研究進(jìn)展、目前所面臨的問題及對策。目前，水果采摘機(jī)器人的研究仍然處于初級階段，需不斷完善其工作性能。傳送裝箱系統(tǒng)工作過程中必然會對柑橘造成機(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)計的果園采摘作業(yè)平臺主要是幫助人工實(shí)現(xiàn)升降作業(yè)，僅減輕了一定程度的勞動強(qiáng)度，但采摘效率并沒有得到有效提高。中小型半自動化的采摘作業(yè)平臺能夠提高丘陵地區(qū)柑橘的采摘效率，同時能保證采摘的柑橘品質(zhì)，控制柑橘傳送和裝箱過程的損傷率。

我國已進(jìn)入農(nóng)業(yè)4.0 時代，國家對智慧農(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，未來果園采摘作業(yè)平臺在智慧農(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程中的滾動碰撞損傷和跌落高度，提高柑桔采摘的智能化和自動化水平。