劉維孟 ，李沐桐

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

菠蘿（Ananas comosus）作為一種重要的熱帶水果，其在全球范圍內(nèi)的種植面積不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)需求也日益增長(zhǎng)[1-3]。菠蘿的田間收獲是整個(gè)種植過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響到菠蘿的產(chǎn)量和品質(zhì)。傳統(tǒng)的菠蘿田間收獲主要依賴(lài)人工勞動(dòng)，然而隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)械化收獲裝備逐漸應(yīng)用于菠蘿種植實(shí)踐中。本文旨在全面分析菠蘿田間收獲裝備的現(xiàn)狀，并深入探討這些裝備存在的技術(shù)短板。通過(guò)對(duì)菠蘿田間收獲裝備的綜合分析與評(píng)估，為菠蘿種植者、農(nóng)業(yè)科技研發(fā)人員以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的決策者提供有價(jià)值的參考，以促進(jìn)菠蘿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和升級(jí)。

1 菠蘿田間收獲技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 人工收獲方法

1.1.1 掰斷式采摘

人工摘取是常見(jiàn)的菠蘿田間收獲方式之一，它包括從莖稈上掰斷或輕輕摘取并扭轉(zhuǎn)果實(shí)，使果實(shí)與植株分離。人工摘取相比于切割方式能夠減少果實(shí)損傷，保持果實(shí)的完整性和高品質(zhì)。然而，人工摘取方法卻也存在著勞動(dòng)力成本高、效率低以及對(duì)勞動(dòng)力技能的要求較高等局限性。為了提高收獲效率，減少勞動(dòng)力成本，菠蘿種植者和農(nóng)業(yè)科技研發(fā)人員正在探索機(jī)械化收獲裝備的應(yīng)用。

1.1.2 刀割式分離

人工刀割法是一種常見(jiàn)的菠蘿收獲方法，主要是手工使用刀具將菠蘿果實(shí)從植株上割下。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，不需要大量的設(shè)備投資。然而，人工刀割法也存在一些缺點(diǎn)。首先，由于人工操作的限制，收獲效率較低，無(wú)法滿(mǎn)足大規(guī)模種植的需求。其次，容易造成果實(shí)的損傷，降低菠蘿的品質(zhì)和商業(yè)價(jià)值。最后，人工刀割法需要訓(xùn)練有素的工人，增加了勞動(dòng)力成本和人力資源需求[4-5]。

1.2 機(jī)械化收獲方法

傳統(tǒng)的收獲裝備多以喂入割臺(tái)、拉莖輥為核心部件，主要利用刀具、夾具或其他裝置將成熟的作物從植株上分離。收獲部件的工作原理通?；跈C(jī)械運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)控制切割或摘取過(guò)程的力度和速度來(lái)實(shí)現(xiàn)收獲。雖然目前全世界尚未有成熟的、適用于菠蘿的專(zhuān)用收獲裝備，但農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的研究人員和工程師們正在積極探索機(jī)械化收獲菠蘿的解決方案。

目前，國(guó)外多數(shù)菠蘿采收裝備以人工輔助輸運(yùn)為主，主要為可收展式大型輸送裝備，如美國(guó)Dole 公司配套的田間臂式收獲平臺(tái)，主要用于在人工采摘后輔助采后的果實(shí)通過(guò)傳送帶輸運(yùn)至運(yùn)輸車(chē)內(nèi)，進(jìn)一步提高收運(yùn)效率；日本ATEX 公司研制的高床引擎搬運(yùn)車(chē)，針對(duì)菠蘿收獲轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了履帶軌距和平臺(tái)高度可調(diào)節(jié)的功能。大型田間運(yùn)輸分流裝備和日本高床引擎搬運(yùn)車(chē)分別如圖1、圖2 所示?？傊?，國(guó)外對(duì)于菠蘿收獲裝備的研制較少，由于菠蘿集中在亞熱帶地區(qū)種植，主要以哥斯達(dá)黎加、巴西、菲律賓、泰國(guó)、印度尼西亞、尼日利亞居多，我國(guó)種植面積在世界排名第八，多集中在廣東、海南、云南、福建、臺(tái)灣省，墨西哥、哥倫比亞等國(guó)家也有一定的種植規(guī)模，但對(duì)于收獲裝備而言，目前均無(wú)可參考的前沿技術(shù)，更多要依靠我國(guó)擔(dān)任菠蘿收獲裝備和技術(shù)發(fā)展的引領(lǐng)者。

圖1 大型田間運(yùn)輸分流裝備

圖2 日本高床引擎搬運(yùn)車(chē)

國(guó)內(nèi)菠蘿/鳳梨的主要種植區(qū)域集中在廣東湛江，目前仍以人工采摘為主，多通過(guò)折斷、切割方式完成采收動(dòng)作，再搬運(yùn)至指定裝卸點(diǎn)轉(zhuǎn)運(yùn)，近年來(lái)，一些高校和科研院所已開(kāi)展了一些關(guān)鍵技術(shù)和收獲裝置的研究與試驗(yàn)，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的劉天湖等[6-7]研制了多柔性指滾筒菠蘿采收機(jī)構(gòu)，如圖3 所示，模擬人工采收方式形成折斷力矩使水果與植株分離，但其強(qiáng)制喂入的方式易造成莖稈和果實(shí)底部的芽苗損傷，還不能實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化。廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所為滿(mǎn)足田間采后轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，研制了7YLZG 履帶自走式高床作業(yè)機(jī)[8]，其具備履帶變軌和平臺(tái)地隙可調(diào)功能，已批量化投入市場(chǎng)應(yīng)用，為滿(mǎn)足菠蘿采收裝備的行走運(yùn)輸需求奠定了重要裝備載體基礎(chǔ)，如圖4 所示。在此基礎(chǔ)上，李沐桐針對(duì)菠蘿果-柄分離機(jī)理研制了一種氣動(dòng)剛?cè)峤M合式的菠蘿抓取末端裝置，配合協(xié)作手臂可實(shí)現(xiàn)仿人工“掰斷式”采摘作業(yè)，如圖5 所示；同時(shí)，設(shè)計(jì)了“一種用于仿田間菠蘿生長(zhǎng)姿態(tài)的植株固定試驗(yàn)臺(tái)架”和“菠蘿果實(shí)斷裂扭矩試驗(yàn)裝置”相組合的試驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)果-莖斷裂試驗(yàn)研究了果實(shí)斷裂扭矩變化規(guī)律，獲得了最佳斷裂方式和條件，解決了田間菠蘿種植周期長(zhǎng)、試驗(yàn)開(kāi)展困難且緩慢的問(wèn)題，創(chuàng)制了室內(nèi)全天候采收試驗(yàn)平臺(tái)，如圖6 所示。仲愷工業(yè)工程學(xué)院的張日紅等[9-10]研制了一種菠蘿自動(dòng)采摘機(jī)，如圖7 所示，采用自適應(yīng)導(dǎo)向菠蘿采摘器和壟線自主跟蹤導(dǎo)航相結(jié)合的技術(shù)方案，但其主要依賴(lài)于對(duì)行控制的準(zhǔn)確性，而且作業(yè)效率低、易傷芽苗，還不具備熟化落地的條件。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院的鄧干然研制了人工輔助式半自動(dòng)機(jī)械化采收平臺(tái)，如圖8 所示，在一定程度上降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率。綜上所述，目前對(duì)于菠蘿的采收關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)具備了一定的研究與試驗(yàn)基礎(chǔ)，主要以一些高校的理論模型、組合收獲裝置為代表，但還未形成可落地的成熟裝備，還需要集中力量突破技術(shù)瓶頸，形成可轉(zhuǎn)化的實(shí)用成果。

圖3 多柔性指滾筒菠蘿采收機(jī)構(gòu)

圖4 7YLZG履帶自走式高床作業(yè)機(jī)

圖5 氣動(dòng)剛?cè)峤M合式的菠蘿抓取末端裝置

圖6 菠蘿果-莖斷裂試驗(yàn)平臺(tái)

圖7 菠蘿自動(dòng)采摘機(jī)

圖8 輔助式半自動(dòng)機(jī)械化采收平臺(tái)

2 短板技術(shù)分析

菠蘿田間收獲裝備在實(shí)際應(yīng)用中存在一些短板技術(shù)，這些技術(shù)限制了其效率和適用性。本節(jié)將詳細(xì)討論菠蘿田間收獲裝備的短板技術(shù)，并從效率和適用性、損傷率、成本和維護(hù)困難性等方面進(jìn)行分析。

2.1 行走底盤(pán)適應(yīng)性差

菠蘿種植通常在多種地形條件下進(jìn)行，包括平地、丘陵和山區(qū)。在緩坡丘陵地帶，地形起伏較大，地面可能不平整，存在斜坡、凹凸等不規(guī)則地形，這對(duì)行走底盤(pán)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性提出了挑戰(zhàn)。一些裝備可能在斜坡上行走時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定或行走困難的情況，無(wú)法保持良好的平衡，影響了裝備的操作和收獲效率。一些機(jī)械化收獲裝備的行走底盤(pán)設(shè)計(jì)可能無(wú)法適應(yīng)緩坡丘陵地帶的復(fù)雜地形。此外，緩坡丘陵地帶的地面可能具有較高的摩擦力，對(duì)行走底盤(pán)的牽引和推動(dòng)能力提出了要求，一些裝備的行走底盤(pán)設(shè)計(jì)可能無(wú)法提供足夠的牽引力，導(dǎo)致其在復(fù)雜地形中移動(dòng)困難或滑動(dòng)[11]。

因此，為了提高菠蘿田間收獲裝備在緩坡丘陵地帶的適應(yīng)性，需要改進(jìn)行走底盤(pán)的設(shè)計(jì)，這可能包括增加底盤(pán)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性，提高牽引力和推動(dòng)能力，以應(yīng)對(duì)復(fù)雜地形的挑戰(zhàn)。同時(shí)，進(jìn)行地形調(diào)查和預(yù)先規(guī)劃也是重要的，以確保裝備能夠在特定地形條件下進(jìn)行高效的收獲操作。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和裝備改進(jìn)，可以逐步解決行走底盤(pán)在緩坡丘陵地帶的適應(yīng)性問(wèn)題，提升菠蘿田間收獲裝備的整體性能和可靠性。

2.2 效率和適用性低

菠蘿果實(shí)在尺寸和形狀上存在較大的差異，這對(duì)收獲裝備的適用性提出了挑戰(zhàn)。一些收獲裝備可能難以適應(yīng)各種尺寸和形狀的菠蘿果實(shí)，導(dǎo)致收獲效率的降低和操作困難。此外，相對(duì)于人工收獲，當(dāng)前的機(jī)械化收獲裝備在收獲速度上仍然存在短板。這主要是由于機(jī)械化裝備的操作和移動(dòng)速度相對(duì)較慢，無(wú)法快速處理大量的菠蘿植株。

2.3 損傷率較高

由于菠蘿果實(shí)的外皮較硬，若操作不當(dāng)或機(jī)械裝備設(shè)計(jì)不合理，容易導(dǎo)致當(dāng)前的收獲裝備在收獲過(guò)程中對(duì)果實(shí)造成較高的損傷率。這些損傷可能包括果皮劃痕、果肉壓碎或破損等，從而降低菠蘿的品質(zhì)和商業(yè)價(jià)值[12]。

2.4 成本和維護(hù)困難性高

機(jī)械化收獲裝備的購(gòu)買(mǎi)和安裝需要較高的投資成本。對(duì)于小規(guī)模種植者而言，這可能成為一項(xiàng)經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，限制了此類(lèi)裝備的普及和應(yīng)用。收獲裝備在使用過(guò)程中可能需要定期維護(hù)和維修，然而，由于技術(shù)復(fù)雜性和維護(hù)部件的可獲得性等問(wèn)題，裝備的維護(hù)和維修可能具有一定的困難性，增加了運(yùn)營(yíng)成本和時(shí)間成本。

現(xiàn)階段，對(duì)于果蔬作物類(lèi)的經(jīng)濟(jì)作物，國(guó)內(nèi)收獲機(jī)械有著良好的技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，此外，根據(jù)菠蘿的生長(zhǎng)特點(diǎn)及相關(guān)物理特性，設(shè)計(jì)出的喂入式割臺(tái)裝置，是目前提高收獲效率的重點(diǎn)，在作業(yè)形式上將逐步引入半喂入、全喂入式收獲裝備。隨著技術(shù)體系的改進(jìn)與完善，相關(guān)附屬產(chǎn)物（地上莖、莖葉等）可以被分選集中，作為可再生資源逐漸投入多方面的綜合利用環(huán)節(jié)中?？偠灾?，菠蘿的大面積田間采收裝備研發(fā)應(yīng)以點(diǎn)（單株試驗(yàn)）—線（多行作業(yè)）—面（高速作業(yè)）的趨勢(shì)進(jìn)行，逐步提高割臺(tái)收獲可靠性，向?qū)挿⒏咝?、高適應(yīng)性、精細(xì)化的趨勢(shì)發(fā)展。

3 現(xiàn)存問(wèn)題與未來(lái)展望

3.1 提高采摘收獲裝備可靠性

當(dāng)前的菠蘿收獲方式與采摘手段主要是人工田間采摘，對(duì)于國(guó)內(nèi)的菠蘿收獲裝備的研究現(xiàn)狀而言，其主要是沿著基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別平臺(tái)逐步研發(fā)采摘機(jī)械手臂的路線發(fā)展，近年來(lái)大多科研人員及學(xué)者的研究與分析都主要致力于該方向。但對(duì)于目前技術(shù)體系尚未成熟的單株仿生采摘機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，屬于未來(lái)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)范疇，對(duì)于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的促進(jìn)與發(fā)展，并不能在短時(shí)間內(nèi)解決具體效率問(wèn)題；此外，考慮到田間實(shí)際作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性與多變性，機(jī)器視覺(jué)、圖像處理等識(shí)別技術(shù)多受氣候、時(shí)間等因素影響，而隨著未來(lái)無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，多種傳感技術(shù)將擁有巨大的適用潛力，例如熱紅外傳感、激光測(cè)距、雷達(dá)超聲波定位技術(shù)等，其極有可能是高速精準(zhǔn)采收效率瓶頸的重要突破點(diǎn)。

3.2 擴(kuò)大田間運(yùn)輸裝備覆蓋面

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)菠蘿田間采收運(yùn)輸設(shè)施已有了初步的改進(jìn)，由傳統(tǒng)人工為主的采集裝車(chē)作業(yè)逐漸過(guò)渡到了運(yùn)輸車(chē)的引進(jìn)與使用。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家雖然使用了大型運(yùn)輸工具，卻也并非為菠蘿采摘、運(yùn)輸?shù)膶?zhuān)用機(jī)械。整體而言，國(guó)內(nèi)外在運(yùn)輸設(shè)施的投入成本上進(jìn)行了有效的縮減，但在目前田間小區(qū)域分散采集方式的效率和規(guī)模上仍有待提高。

依據(jù)菠蘿收獲期生長(zhǎng)形式的特點(diǎn)，運(yùn)輸車(chē)需逐步改進(jìn)，解決通過(guò)性差、穩(wěn)定性低的問(wèn)題，對(duì)于不同生長(zhǎng)環(huán)境的地理因素（如坡地、丘陵、濕地、沙土等多種地形特點(diǎn)），研制多功能型、高適應(yīng)性的運(yùn)輸車(chē)。此外，建議在大型菠蘿種植基地建立集中型、規(guī)?；臋C(jī)械運(yùn)輸管理設(shè)施，旨在降低人力投入的同時(shí)，提高綜合管理水平。

4 結(jié)論

綜上所述，目前全球尚未有針對(duì)菠蘿的專(zhuān)用收獲裝備，機(jī)械化收獲仍面臨一些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工摘取和切割方法效率低且勞動(dòng)密集，當(dāng)前的機(jī)械化裝備在適應(yīng)性、損傷率和成本等方面也存在一些技術(shù)短板。盡管如此，農(nóng)業(yè)科技的不斷進(jìn)步和創(chuàng)新為人們不斷帶來(lái)希望，針對(duì)這些短板技術(shù)的改進(jìn)和優(yōu)化將推動(dòng)菠蘿收獲裝備邁向更高效、更智能、更可持續(xù)的方向，加強(qiáng)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際需求的結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)菠蘿產(chǎn)業(yè)的持續(xù)增長(zhǎng)和繁榮。