逯澤鵬， 許 威

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)輕工學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

果蔬含有豐富的營養(yǎng)元素，是人類日常生活中必不可少的食品[1]。我國是世界第一大果蔬生產(chǎn)國，2019年我國蔬菜的種植面積達(dá)到3.13億畝，年產(chǎn)量約為7.21億t，果蔬產(chǎn)業(yè)在我國經(jīng)濟(jì)體系中占有舉足輕重的地位[2-5]。果蔬生產(chǎn)具有較強的時效性，并直接影響果蔬產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)價值。目前，我國果蔬的采摘方式還是以效率低、成本高的人工采摘為主，采摘過程所消耗的資源占整個果蔬生產(chǎn)成本的35%～45%[6-7]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，越來越多的農(nóng)村勞動力外出打工，這導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)青壯年勞動力人口急劇下降，進(jìn)一步增加了人工采摘的成本，降低了采摘效率[8]。

為了解決人工采摘方式高成本、低效率的問題，研究員們對機械采摘進(jìn)行了大量研究。目前，對機械采摘的研究主要有振動式采摘機械、剪切式采摘機械和采摘機器人等。振動式采摘機械是通過執(zhí)行機構(gòu)使果蔬植株產(chǎn)生一定頻率和振幅的激振，從而使果實與果柄實現(xiàn)分離的采摘方式。該類型機械一次作業(yè)可采摘整顆植株上的全部果實，采摘效率高，對操作人員的體能與技術(shù)要求較低，國外的振動式采摘機械已在實際生產(chǎn)得到部分應(yīng)用，而國內(nèi)尚處于研發(fā)階段[6]。剪切式采摘機械主要是通過執(zhí)行機構(gòu)利用剪切力使果實與果柄實現(xiàn)分離，該類型機械具有操作簡單、便于攜帶等優(yōu)點，但由于每次只能采摘一顆果實采摘效率較低，便攜式剪切采摘機械對操作人員的體能要求較高[9]。采摘機器人是一種集果實定位、果實分離、果實收集等功能于一機的自動化采摘機械，但是受果蔬種植場地的復(fù)雜性，風(fēng)、光線等自然因素的隨機性，以及機器視覺、傳感器等技術(shù)的限制，使得采摘機器人的研究困難重重，距真正取代人工采摘還有很大的距離[10-11]。

機械采摘是解決農(nóng)村勞動力不足，降低果蔬生產(chǎn)成本，提高農(nóng)民收入最直接、最有效的方法，振動式采摘機械是唯一已部分應(yīng)用于實際生產(chǎn)中的采摘機械。因此，本文對振動式采摘機械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了全面闡述，對目前振動式采摘機械研發(fā)中存在的問題進(jìn)行了深入分析，并對振動式采摘機械未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，為國內(nèi)果蔬采摘機械的研究提供參考。

1 振動式采摘機械的研究現(xiàn)狀

振動式采摘機械的采摘原理是利用激振裝置對果蔬植株施加一定頻率和振幅的激振，進(jìn)而使果實做加速運動，當(dāng)果實受到的力達(dá)到一定程度時，果實與果蔬植株在連接的最弱處分離脫落，從而實現(xiàn)果實的采收。按照激振方式的不同，振動式采摘機械可分為氣力式振動采摘機械、撞擊式振動采摘機械、振搖式振動采摘機械和梳刷式振動采摘機械。下面將分別對這四種振動式采摘機械的研究現(xiàn)狀進(jìn)行論述分析。

1.1 氣力式振動采摘機械

氣力式振動采摘機械一般利用大功率風(fēng)機產(chǎn)生高速氣流對樹冠進(jìn)行沖擊，高速氣流產(chǎn)生的力會使林果受迫運動，當(dāng)果實受迫運動產(chǎn)生的力大于果實與果樹之間的結(jié)合力時，果實就會脫落，從而完成果實的收獲。

20世紀(jì)60年代，Jutrast[12]等最早進(jìn)行氣力式振動采摘機械的研究，但是由于當(dāng)時技術(shù)條件不夠先進(jìn)、機械設(shè)備功率不夠高導(dǎo)致氣流產(chǎn)生的沖擊力較小，果實脫落效果并不理想。1972年，Whitney[13]等對氣力式振動采摘機械進(jìn)行了試驗研究，他們使用最大流速為43.8 m/s的風(fēng)機，對柑橘樹進(jìn)行了10 s的持續(xù)沖擊，試驗表明，這種方式對成熟柑橘的采凈率為85%～90%，但是氣流沖擊會對樹體造成損傷，導(dǎo)致下一年度柑橘的產(chǎn)量下降了10%。Coppock和Donhaiser[14]提出了圓錐掃描式氣流沖擊振動采摘機，該機使用翼式軸流風(fēng)機提供氣流沖擊力，氣流路徑為圓錐形，在進(jìn)行采摘試驗時使用化學(xué)試劑降低了果實與果樹之間的結(jié)合力，試驗表明，當(dāng)果實與果樹間的結(jié)合力為22.2 N或者更低時，采凈率可高達(dá)97%。Whitney[15]、Sumner[16]、Brown[17]和Hutton[18]等均對氣力式振動采摘機械進(jìn)行了研究，研究結(jié)果都說明了氣力式振動采摘機械的采摘效率主要受果實和果樹之間結(jié)合力大小的影響，果實和果樹之間結(jié)合力越小越能取得更好的采摘效果。Coppock設(shè)計的氣力式振動采摘機如圖1所示。

圖1 Coppock設(shè)計的氣力式振動采摘機

氣力式振動采摘機械在采摘過程中采摘機械不與果蔬植株直接接觸，不會對果蔬的表皮和主干造成物理損傷，但是采摘過程中高速氣流對枝葉、青果等會產(chǎn)生不可避免的損傷，使得果蔬的次年產(chǎn)量有所下降；由于是通過高速氣流使得果實產(chǎn)生振動，因此氣力式振動采摘機大多采用高功率的大型風(fēng)機，甚至2～3個大風(fēng)機并排使用，工作成本較高。氣力式振動采摘機并沒有研發(fā)至實際應(yīng)用階段就被其他振動采摘機械所取代。

1.2 撞擊式振動采摘機械

撞擊式振動采摘機械是依靠撞擊裝置直接作用于樹干，通過輸入單次或多次的振動激勵，使果樹受撞擊作用而產(chǎn)生瞬時加速度，從而使果實果樹之間產(chǎn)生大于二者之間結(jié)合力的作用力，進(jìn)而達(dá)到果實快速脫落的效果，撞擊式振動采摘機如圖2所示。撞擊設(shè)備一般為機械彈簧或者電磁式激振設(shè)備，這種方法可以減小果樹在連續(xù)振動過程中受到的損傷。

圖2 撞擊式振動采摘機

Norton[19]使用撞擊式振動采摘機械對甜櫻桃進(jìn)行了采收實驗，實驗結(jié)果表明：撞擊式振動采摘機械能夠有效的實現(xiàn)果實的采摘，可以達(dá)到80%～90%的采凈率。Pellerin[20]等使用撞擊式振動采摘機械對蘋果進(jìn)行了采摘試驗，采摘率達(dá)到90%以上。Pacheco[21]等設(shè)計了一款用于粗壯樹木的撞擊式采摘機械，該機利用機械彈簧產(chǎn)生的瞬時彈力最大可以產(chǎn)生1 151 J的能量。Peterson為了收獲可鮮食的甜櫻桃，設(shè)計了一款針對櫻桃樹特有樹形的撞擊式振動采摘機，該機區(qū)別于單一撞擊式振動采摘機，采用了對稱布置，在果樹的兩側(cè)都安裝了撞擊裝置，工作時的加速度高達(dá)3 000 m/s2，實驗表明該采摘機對Y形果樹的采摘效率可達(dá)1 590 kg/h[22]。

撞擊式收獲機具有較高的采凈率，但是對果樹的損傷較大，會造成下一年度果品產(chǎn)量的下降，一般適用于比較粗壯的果樹。

1.3 振搖式振動采摘機械

振搖式振動采摘機械的主要工作部件是振動夾持機構(gòu)，工作時通過調(diào)節(jié)夾持機構(gòu)的位置，使夾持機構(gòu)與果樹剛性連接，通過驅(qū)動夾持機構(gòu)中的偏心輪或者曲柄滑塊結(jié)構(gòu)帶動果樹產(chǎn)生振動，使果實受迫振動從而完成采摘作業(yè)。振搖式采摘機振動機構(gòu)主要有偏心輪式和曲柄滑塊機構(gòu)式。

Whitney[23]等對偏心輪和曲柄滑塊機構(gòu)這兩種振搖式采摘機械進(jìn)行了比較，實驗結(jié)果表明：偏心輪式采摘機的采凈率為70%～75%，曲柄滑塊式采摘機的采凈率為50%～55%。振搖式采摘機的主要工作參數(shù)為振動頻率、振動時間和振動幅度，這些參數(shù)都對果品收獲的效率與質(zhì)量有著特別重要的影響，采摘不同植株需要的最佳參數(shù)往往是不同的[24-26]。為了獲得最佳的采摘參數(shù)，Erdogan[27]設(shè)計了一種應(yīng)用于杏樹的采摘機械，并在試驗中使用了不同的工作參數(shù)組合，試驗結(jié)果表明40 mm和15 Hz是杏收獲的最佳振幅、振頻組合。Castro-Garica等對石松果實的最佳振搖頻率進(jìn)行試驗研究，試驗結(jié)果表明，在振動頻率為16.1～18.9 Hz時，成熟球果的采收效率可以達(dá)到85.7%，研究表明小于4 s的持續(xù)振動時間是合理的，此外試驗還表明使用兩次短時間的重復(fù)振動，可以在果樹損傷程度不增加的基礎(chǔ)上有效提高成熟球果的采收效率[28]，振搖式振動采摘機械如圖3所示。

圖3 振搖式振動采摘機械

在振動式采摘機械的研究進(jìn)程中，一些研究人員還設(shè)計研發(fā)了參數(shù)可調(diào)節(jié)的振動式采摘機。杜小強[29]等設(shè)計了一種可調(diào)振幅單向拽振式振動采摘機并進(jìn)行了山核桃田間采收試驗，結(jié)果表明：當(dāng)振搖曲柄轉(zhuǎn)動頻率連續(xù)變化范圍在5～14 Hz，調(diào)幅曲柄轉(zhuǎn)速在7 r/min時，該機可以實現(xiàn)山核桃的采收，平均采收率為63.9%。伍德林[30]等設(shè)計了一種搖枝式油茶果采摘機，該采摘機的采摘頭的振幅為3.5 cm、4 cm、5 cm可調(diào)，該機的采凈率可達(dá)95.2%，花苞受損率為17.2%。

為了提高采摘效率，杜小強[31]等使用三維激振載荷的方法，同時對果樹施加徑、軸兩向的激振作用，設(shè)計了一種三維激振果品采收機并進(jìn)行了田間收獲試驗，試驗結(jié)果表明，偏心振動電機和三維激振采摘機對于施加在樹木上的激振平均加速度變異系數(shù)分別為0.72和0.67，這一結(jié)果說明三維激振的方式可以使加速度更加均勻的分布，進(jìn)而能夠減少樹枝激振的次數(shù)，從而提高采收率。Rosana Moreno[32]等利用乙烯利作為脫落劑對柑橘進(jìn)行了噴灑之后進(jìn)行采摘，采摘試驗如圖4所示，采摘效率可達(dá)70%～85%，乙烯利增加了果實脫落量。此外Colmenero-martinez[33]等還提出了通過紅外傳感器探測樹干，降低操作者對采摘機的影響，設(shè)計了一種自動收獲系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)對樹干的抓取成功率為91%，減小了人為因素對采摘作業(yè)的不良影響。

圖4 Rosana Moreno等試驗現(xiàn)場

圖5 Colmenero-martinez等設(shè)計的自動收獲系統(tǒng)

振搖式振動采摘機械是目前研究最多的收獲機械之一，振搖式振動采摘機械能夠采摘核桃、橄欖、杏等多種不同類型的果實，適用范圍較為廣泛。

1.4 梳刷式振動采摘機械

梳刷式振動采摘機械如圖6所示，可用于多種果品的收獲作業(yè)中，如枸杞、藍(lán)莓、葡萄等[34-41]。梳刷式收獲機工作時一般是將振動器深入到植株中，采用不同的振動方式梳刷或者擊打植株的枝條，從而使果實脫落。

圖6 梳刷式振動采摘機

Peterson[42]等設(shè)計了一種用于采摘生長在“T”型“V”型“Y”型等不同形狀棚架上的黑莓的梳刷式采摘機，采摘試驗結(jié)果表明這種采摘機對于生長在三種形狀棚架上的黑莓的采摘率分別為88%、92%和85%。Peterson[43]還設(shè)計了一種新型藍(lán)莓采摘機V45，該機振動裝置為雙滾釘式傾角振動器，試驗結(jié)果表明，這種設(shè)計可以更好地減少果實的落地?fù)p失，并且可以獲得與人工采摘品質(zhì)相近的果實。為了研究梳刷式振動采摘機械采摘效率的影響因素，獲得合理的工作參數(shù)，從而提高采摘效率，許多學(xué)者都進(jìn)行了試驗研究。Savary[44]用梳刷式振動采摘機械進(jìn)行了實驗來研究樹枝和水果上的力和加速度分布，實驗表明樹冠內(nèi)果實的所受的力高于邊緣果實所受的力。Rafaeld[45]等設(shè)計了一種梳刷式振動采摘機械如圖7所示，并對橄欖樹進(jìn)行了田間采摘試驗，試驗結(jié)果表明：影響采摘效果的決定性因素是采摘機的振動頻率和振幅，果實和果樹的損傷程度會隨著梳齒密度的增加而變大，該機可以達(dá)到77.3%的采凈率，并且能夠使超過65%的果實達(dá)到垂直脫落的效果，更加有利于果實的收集。

圖7 Rafaeld等設(shè)計采摘機

梳刷式振動采摘機械的振動效果是通過振動桿傳遞給樹枝的，主要依靠振動桿與樹冠的接觸傳遞能量，不同振動桿組成的振動機構(gòu)對采摘效果以及對樹和果實損傷的影響是不同的[46-52]。Pu[53]等對三種不同材料不同形狀的搖桿的振動效果進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了試驗，三種不同材料不同形狀的搖桿如圖8所示，試驗結(jié)果表明：PVC剛性搖桿抗彎曲強度最高；相同轉(zhuǎn)速下剛性搖桿能比其他柔性搖桿產(chǎn)生更強的振動；弓形搖桿較剛性搖桿和柔性搖桿具有更好的廣布性能、更低的樹損。

圖8 三種不同材料不同形狀的搖桿

Liu[54]等利用柑橘樹冠對不同類型振動機構(gòu)的振動特性進(jìn)行了研究，振動齒類型包括直尼龍、彎尼龍、直PVC和直鋼彈齒，實驗結(jié)果表明：彈齒材料影響樹木的振動響應(yīng)，鋼彈齒對樹枝的加速度峰值約為尼龍彈齒的2.0倍，彈齒彎曲剛度對所產(chǎn)生的加速度有積極的影響，尼龍直齒對樹木的傷害遠(yuǎn)小于其他直齒，結(jié)果表明振動齒應(yīng)具有較高的剛度，但其表面應(yīng)柔軟。

梳刷式振動采摘機能夠有效的提高采收效率，但是因其直接與植株接觸，會對植株特別是植株的冠層部分產(chǎn)生一定程度的破壞。搖桿的選擇是減少樹木損壞和提高采凈率的一個重要方面，進(jìn)一步研究振動桿對樹木的損傷機理，以獲得優(yōu)化振動桿的參數(shù)，可以減小樹木的損傷，獲得更多的果實。

2 振動式采摘機械存在的問題及研究展望

從國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果可以看出，振動式采摘機械是目前收獲效率最高、實現(xiàn)條件最容易的機械化采摘設(shè)備之一。振動式采摘機械能夠顯著的提高采摘效率、降低采摘成本，對提高果蔬產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益有著重要的意義。但是與此同時，振動式采摘機械也存在著一定的問題：在采摘過程中由于果實的晃動產(chǎn)生的相互碰撞和收集時果實與收集裝置產(chǎn)生的物理接觸會損害果實的品質(zhì)，嚴(yán)重影響果實的經(jīng)濟(jì)價值；撞擊式、振搖式和梳刷式振動采摘機械在工作時因與植株發(fā)生直接接觸，不可避免的會使植株產(chǎn)生損傷，而氣力式振動采摘機械雖然不與植株直接發(fā)生物理接觸，但是大功率風(fēng)機產(chǎn)生的高速氣流會對植株的枝條和葉產(chǎn)生較大的沖擊作用，嚴(yán)重時會造成枝條的折斷，這些都可能導(dǎo)致減產(chǎn)，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致植株的死亡；綜合國內(nèi)外的研究成果來看，不同品種的果蔬需要的振動式采摘機械的最佳工作參數(shù)往往是不同的，但是目前研究的振動式采摘機械，往往只能針對單一品種的果蔬進(jìn)行采摘作業(yè)，這嚴(yán)重地限制了振動式采摘機械的通用性，增大了采摘成本。因此振動式采摘機械的研究應(yīng)該向著保證果實品質(zhì)、降低植株損傷、提高采摘機的通用性等方向發(fā)展，現(xiàn)提出以下幾點研究方向以供振動式采摘機械未來的研究作為參考：

(1)系統(tǒng)研究植株的振動特性和振動損傷機理，建立完善的植株振動特性數(shù)據(jù)庫；研究植株形狀對振動傳遞的影響，修剪出適于激振的傳遞、可以保護(hù)樹體的樹形；分析植株振動特性對采摘效率的影響，為研發(fā)節(jié)能高效的采摘設(shè)備提供一定的理論依據(jù)。

(2)分析振動式采摘機械采摘過程中造成植株和果實損傷的原因，優(yōu)化振動采摘機械的結(jié)構(gòu)，提高激振傳遞效率，減少植株振動損傷，保證果實的品質(zhì)。

(3)研究開發(fā)可以用于不同植株的振動式采摘機械，提高振動式采摘機械的通用性與使用效率，降低振動采摘機械的使用成本。

(4)研發(fā)半自動化和全自動化的振動式采摘機械，提高振動式采摘機械的自動化程度，加快機械化采摘取代人工作業(yè)的進(jìn)程。

3 結(jié)束語

本文對目前機械化采摘方式進(jìn)行了比較，并對振動式采摘機械的國內(nèi)外研現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述。分析了振動式采摘機械存在的問題并提出了未來研究展望。綜合國內(nèi)外研究進(jìn)展來看，振動式采摘機械是實現(xiàn)果蔬產(chǎn)業(yè)機械化采收的重要方式之一，具有極廣闊的應(yīng)用前景與研究價值。雖然發(fā)達(dá)國家在相關(guān)領(lǐng)域研究較早，但是目前的機械化采摘設(shè)備仍然存在一些需要解決的問題，不同類型的振動式采摘機械也都具有各自的局限性，距離真正的廣泛應(yīng)用還有一定的距離。因此，研究開發(fā)一種通用性高、能夠保證果實質(zhì)量、具有一定自動化程度、具有較高采摘效率和較小樹木損傷的振動式采摘機械將會是今后的重要研究方向。我國在果蔬機械化采收領(lǐng)域起步較晚，與發(fā)達(dá)國家差距較大，應(yīng)該在總結(jié)歸納國外研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國果蔬產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、種植模式等特點進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究，促進(jìn)我國果蔬產(chǎn)業(yè)機械化采收技術(shù)的應(yīng)用。