龔赟輝 ，劉義漢 ，孫宇杰 ，谷潤潤 ，李利芳 ，吳業(yè)北

（新疆理工學(xué)院，新疆 阿克蘇 843100）

0 引言

我國是林果第一生產(chǎn)大國，林果種類豐富，其中，核桃種植分布較廣?！吨袊y(tǒng)計年鑒2022》顯示，2019年核桃產(chǎn)量近468.92萬t，2020年核桃產(chǎn)量近479.59萬t，2021年核桃產(chǎn)量近540.35萬t，2016—2021年中國核桃產(chǎn)量及增速如圖1所示，其中，核桃第二生產(chǎn)大省新疆的核桃年產(chǎn)量近120萬t[1]。

圖1 2016—2021年中國核桃產(chǎn)量及增速

近年來，核桃產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，新疆南疆地區(qū)作為新疆核桃的主要生產(chǎn)力，每年的核桃種植面積以30萬畝的速度增長，核桃產(chǎn)業(yè)面積已達600萬畝[2]。目前，我國核桃生產(chǎn)總值和核桃種植面積均位居世界第一，但是我國核桃產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起步晚，機械化采收不成熟。新疆南疆土地遼闊，氣候和自然條件獨特，為核桃種植提供了廣闊的土地資源和生態(tài)環(huán)境，但當(dāng)?shù)睾颂覔焓盎疽揽咳肆?，撿拾核桃的人工成本占?0%的核桃生產(chǎn)過程成本，人工撿拾不僅成本高、周期長，如果撿拾不及時，會嚴(yán)重影響核桃的產(chǎn)量，因此，機械化采收核桃是核桃采收的發(fā)展趨勢。

1 核桃的采收現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)的核桃采收方式

傳統(tǒng)的核桃采收一般采用人工的方式，如圖2所示，但用竹竿等工具敲打果實所在的枝條，會損壞核桃樹的枝芽和枝干，并且費時又費工。

圖2 人工采摘

1.2 當(dāng)前的核桃采收方式

目前核桃采收主要依賴人工完成，主要的采收方式有自然落果法、人工采摘、機械式采收等，人工與機械相結(jié)合的方式只在部分地區(qū)被采用。

呂燕翔[3]研究的核桃自然落果法需核桃自然脫落，然后順著事先安裝好的網(wǎng)兜滾動到山腳的收集桶中，省去了上山撿拾的步驟，減少了人工勞動成本，降低了安全事故的發(fā)生率，很好地保障了山核桃的質(zhì)量。但該方法只適用在山區(qū)和丘陵，且種植環(huán)境需成階梯式，平原不適合這種方式。

目前最常見的采摘方法依然是人工采摘，低處的核桃靠人工可直接摘取，較高的果實可使用工具采摘，但會增加人員摔傷的風(fēng)險，并且會有部分果實掉落在地上，核桃雖然能夠在外殼和果皮的保護下完好無損，但需要人工撿拾，從而增加了人工成本。隨著中國城市化的發(fā)展，外出務(wù)工的人數(shù)增多，務(wù)農(nóng)人數(shù)減少，務(wù)農(nóng)人員老齡化嚴(yán)重，人工采收會出現(xiàn)人工不足、人工成本增加的情況，因而在大面積產(chǎn)業(yè)化的核桃種植園中采用人工采摘方式是不可取的，可以應(yīng)用機械采收核桃。

我國目前使用多種機械采摘核桃，包括振動式、平臺式、拍打式、旋轉(zhuǎn)切割式等。振動式核桃采摘裝置是利用夾持機構(gòu)夾住樹干，通過振動機構(gòu)對樹干進行搖晃振動，使得樹枝與果實在最弱處斷裂，落在地上再進行撿拾，具體如圖3所示。

圖3 機械采摘

采摘平臺式的核桃采摘機可實現(xiàn)采摘、修剪、噴藥、運輸?shù)茸鳂I(yè)，工作時升降臂展開，升降支架帶動車廂升高，人站在平臺上進行工作。拍打式核桃采摘機是擬人使用木棍或竹竿拍打的一種裝置，這是人工采摘的延伸，拍打動作由機器完成，降低了人工采摘強度，加快了采摘速度。旋轉(zhuǎn)切割式采摘機械是將裝置伸長到合適高度并鎖死，然后啟動切割電機，再由刀片將果實切下完成采收[4]。

1.3 核桃機械化采收裝置的國外研究現(xiàn)狀

針對核桃機械化采收裝置存在的問題，目前國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了許多相關(guān)的研究。國外針對林果類機械化的理論研究開展比較早，也較成熟，普遍認(rèn)為通過機械方式給樹施加外力，能使得果實與樹枝斷裂，實現(xiàn)采摘。其中，振動式采收是國內(nèi)外使用最廣泛的一種，主要通過機器振搖樹干使得核桃掉落，工作原理是利用來回旋轉(zhuǎn)運動的振動方式使樹干產(chǎn)生振動，樹受外力振動后會以一定頻率和振幅振動，果實也會加速振動，當(dāng)受到的力大于與樹枝的結(jié)合力時，果實脫落，實現(xiàn)果實與樹枝分離[5]。在機械振動采摘中，激振頻率對采收率的影響很顯著[6]，這種采摘技術(shù)在美國、英國、德國等國家的應(yīng)用較為普遍，主要適用于核桃、銀杏等林果的采摘。

意大利生產(chǎn)了SR-1搖樹機，當(dāng)夾持器夾住樹干時，振動裝置會以一定的頻率振動，使得果實脫落，并掉入下方收集器中，其可用于堅果果實的采摘[7]。Orchard公司設(shè)計的沖擊波式采摘機主要使用液壓鉗夾住果樹的樹干，產(chǎn)生振動促使果實脫落，以方便進行采摘[8]。

Lang[9]研究了多種果樹在振動采收時的動力學(xué)模型，并建立了偏心塊式和曲柄滑塊式振動采收機的能量方程，得出調(diào)節(jié)振動頻率、振幅、采收機質(zhì)量等因素來優(yōu)化采收機的設(shè)計，找到了最合適的振動點，從而產(chǎn)生位移運動，以獲得最高的果實分離率。

Chen等[10]通過對核桃外表進行研究，對裂紋、發(fā)霉、黑胚粒識別方法的準(zhǔn)確率分別達到了98.5%、96.7%和95.6%。通過對核桃外表的研究準(zhǔn)確判斷出適宜進行機械采收的時間，進而提高采凈率。

美國Energid公司研究的柑橘采摘機，采用視覺導(dǎo)引與蛙舌式末端執(zhí)行器結(jié)合的方式進行采摘，采摘成功率高達98%[11]。Vidson開發(fā)了具有8個自由度的機器人揀選系統(tǒng)，采用水果采集雙機器人協(xié)同工作的概念，平均采摘周期縮短了50%以上，但增加了果實的損傷率[12]。

1.4 核桃機械化采收裝置的國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對樹冠振動式采收方式進行了大量研究，充分證明了樹冠振動式的采收裝置在林果采收方面的可行性。但目前國內(nèi)外學(xué)者對樹冠振動式采收裝置的研究主要集中在非干果上，在新疆核桃采收方面的研究較少。核桃機械化采收的研究方向主要集中在通過調(diào)節(jié)振動頻率、振幅等實現(xiàn)采收，存在采收的自動化程度低、易損傷核桃樹干及樹枝、采收效率低、采收不干凈等問題。

國內(nèi)機械化采摘起步晚，2011年姚文斌設(shè)計出了一種便攜式振動山核桃采摘裝置，由汽油機為振動機提供動力，振動機工作使得果實與樹枝脫離[13]。

曹東安[14]設(shè)計了一款拍打式山核桃采摘機，其工作原理是將作為自由段的敲擊頭升到適當(dāng)位置，液壓缸敲擊棒的頭端進行來回運動從而敲擊帶有果的枝條，該裝置模擬人工的敲打動作，結(jié)構(gòu)緊湊，使用和攜帶方便。

仰時威[15]設(shè)計了一款便攜式山核桃采摘裝置，采摘桿頂端連接電機，電機控制旋轉(zhuǎn)刀片，刀片固定在支撐架上，電機啟動時，刀片運動使得核桃與枝條分離，還配備了集果裝置，被剪落的核桃會經(jīng)過滑道進入收集裝置。采用采摘裝置采集核桃，不僅避免了人工攀爬采摘的風(fēng)險，并且提高了采摘的效率。王利[16]設(shè)計了一種核桃采摘裝置，通過地面的控制箱可控制兩桿的長度和方向，桿末端的采摘器采用剪切刀的結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)高處核桃的采摘。

張永成等[17]設(shè)計了一種適用于新鮮果園的核桃采摘收集裝置，包括收集斗、箱體、驅(qū)動輪、振動采摘裝置、吸入式收集裝置、分揀裝置和儲料箱，通過機械振動的方式給樹施加外力，能使得果實與樹枝斷裂，實現(xiàn)采摘；果實落下，再通過吸入式收集裝置收集核桃，并將雜物從中分離出，從而實現(xiàn)采摘收集一體化。

郭江等[18]設(shè)計了一款基于無人機的山核桃采摘收集裝置，根據(jù)識別定位系統(tǒng)控制采摘無人機飛行到指定位置，固定裝置為兩個伸出的自動可伸縮夾爪，用于夾取兩個樹枝固定機身。采摘裝置通過伺服電機實現(xiàn)玻璃纖維桿的偏心變速旋轉(zhuǎn)擊打，進一步實現(xiàn)對山核桃樹枝的變力、變位置、變角度擊打，確保山核桃被擊落，擊打過程中采摘無人機停止工作。收集無人機與收集網(wǎng)連接，擊落的山核桃會落入收集網(wǎng)內(nèi)，實現(xiàn)采摘收集一體化。

朱惠斌等[19]研究了一種新型山地核桃振動采摘機，采摘機主要由夾持爪、振動部件、汽油機等組成，其工作原理為：將夾持爪卡在樹枝上，旋轉(zhuǎn)主桿使夾持爪抱緊樹枝；振動部件中偏心輪開始旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生合適的轉(zhuǎn)速使連桿做往復(fù)直線運動，產(chǎn)生的力將果實晃落實現(xiàn)核桃的采摘。

2 核桃機械化采收裝置存在的主要問題

近年來，我國核桃機械化采收裝置在應(yīng)用中還存在著諸多的技術(shù)和使用問題，例如：林果類振動采收機械的理論研究較少，振動式林果采摘方式需要采摘機與果樹剛性連接，如果振動頻率過低，采凈率會降低；如果振動頻率過高，會對果樹造成損害，甚至?xí)?dǎo)致果樹死亡。機械化采收裝置的結(jié)構(gòu)較為單一，無法實現(xiàn)一機多用，一臺機器僅對核桃進行采摘；機械化采摘機不能實現(xiàn)采摘、收集、運輸一體化，從而導(dǎo)致成本增加[20]。這些問題使得我國核桃作物的采收工作質(zhì)量難以大幅提升，無法發(fā)揮先進科學(xué)技術(shù)的指引和改善作用，甚至?xí)苯佑绊懙轿覈磥磙r(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高。

3 結(jié)論與展望

我國核桃種植面積快速增長，人工采收已經(jīng)不能滿足當(dāng)前核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求。目前的采收技術(shù)可以減少社會資源的消耗，節(jié)省大量勞動力，降低核桃生產(chǎn)的成本，也可以降低核桃損傷率，做到及時采收，避免果實浪費，從而提高核桃產(chǎn)量。本文通過對果園核桃采收裝置進行國內(nèi)外研究綜述，得出了以下結(jié)論：1）在此后的研究過程中，可以從振動頻率和振幅等諸多方面進行研究，使得采凈率和效率提高，避免二次采摘，減少對核桃樹的傷害；2）研究果實催熟技術(shù)，保證所有樹的果實成熟度相同，進而提高采凈率；3）推行全國統(tǒng)一種植標(biāo)志，在不減少產(chǎn)量的前提下，盡可能地給機械化裝備留有活動空間，為機械化采摘模式提供條件，進而推動全國機械化采收的發(fā)展。