王樹城，盧緒振，張波，劉印增，屈慧星，楊化偉，張璇，孫翔鴻

（1.250010 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院；2.638000 四川省 廣安市 廣安區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)中心）

0 引言

藍(lán)莓是杜鵑花科、越橘屬藍(lán)果類型植物的俗稱，因其具有較高的藥用價值及營養(yǎng)保健功能，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織列為人類五大健康食品之一，具有“漿果之王”的稱號[1-2]。

藍(lán)莓采收環(huán)節(jié)占整個生產(chǎn)過程總工作量的40%左右，是最耗時、耗力的環(huán)節(jié)[3]。目前，我國藍(lán)莓仍以人工采收為主，效率低且勞動成本高，嚴(yán)重制約了藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。藍(lán)莓機(jī)械采收的效率是人工的60 倍以上，采收成本相比人工采收降低85%以上，因此機(jī)械采收具有效率高、成本低等優(yōu)點[4-5]。歐美國家最早研究藍(lán)莓采收技術(shù)，目前藍(lán)莓采收的機(jī)械化程度較高，國內(nèi)藍(lán)莓機(jī)械采收研究起步較晚，還未有成熟上市的采收裝備。本文通過分析藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，探究藍(lán)莓采收技術(shù)與裝備存在的問題，對未來發(fā)展進(jìn)行展望，為后續(xù)藍(lán)莓機(jī)械采收技術(shù)研究提供參考。

1 藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

藍(lán)莓起源于北美洲，目前主要分布于美國、智利、秘魯以及中國等區(qū)域。近年來，全球藍(lán)莓種植面積不斷增加，由2016 年的132.56 khm2增加到2020 年的206.67 khm2，特別是在中國、秘魯、波蘭等國得到快速發(fā)展。

近年來，我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展迅速，目前已形成6 大核心產(chǎn)區(qū)：東北產(chǎn)區(qū)、遼東半島產(chǎn)區(qū)、膠東半島產(chǎn)區(qū)、長江中下游產(chǎn)區(qū)、云貴產(chǎn)區(qū)、華南產(chǎn)區(qū)。藍(lán)莓種植模式根據(jù)地形可分為平原種植與丘陵山地種植；根據(jù)樹形、生態(tài)特征及果實特點主要分為矮叢藍(lán)莓、半高叢藍(lán)莓以及高叢藍(lán)莓。

2 國內(nèi)外藍(lán)莓采收技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前我國藍(lán)莓采收主要以人工采收為主，藍(lán)莓收獲技術(shù)與裝備的研究整體處于起步階段[6-7]，其中在采收、集果、篩選等關(guān)鍵技術(shù)方面仍處于實驗室研究階段。國外藍(lán)莓采收技術(shù)發(fā)展較成熟，采收機(jī)型的作業(yè)方式主要有機(jī)械振動式、氣力式、半機(jī)械化式及采摘機(jī)器人，其中機(jī)械振動式機(jī)型具有迅速分離藍(lán)莓果實與植株的優(yōu)點，適用于大面積、規(guī)?；墓麑嵅墒?，在全球范圍的應(yīng)用最為廣泛。藍(lán)莓采收機(jī)根據(jù)采摘植株樹叢的高低可分為高叢藍(lán)莓采收機(jī)和矮叢藍(lán)莓采收機(jī)；根據(jù)行走方式可分為自走式藍(lán)莓采收機(jī)、牽引式藍(lán)莓采收機(jī)、分體式藍(lán)莓采收機(jī)和便攜式藍(lán)莓采收機(jī)；根據(jù)采收機(jī)底盤形式可分為履帶式藍(lán)莓采收機(jī)和車輪式藍(lán)莓采收機(jī)。

2.1 機(jī)械振動式采收機(jī)

機(jī)械振動式藍(lán)莓采收機(jī)的原理是利用振動裝置對植株產(chǎn)生接觸作用，利用慣性力將樹枝與藍(lán)莓果實分離[8-9]，根據(jù)振動器的工作類型可分為慣性振動式、拍打式和梳刷式采收機(jī)。

2.1.1 慣性振動式采收機(jī)

慣性振動式藍(lán)莓采收機(jī)利用機(jī)械振動使藍(lán)莓果實受慣性作用[10-11]，克服果實和果柄間的結(jié)合力，實現(xiàn)果實脫落。國外技術(shù)比較成熟，已應(yīng)用于藍(lán)莓采收，國內(nèi)仍處于起步階段。慣性振動式采收機(jī)根據(jù)其振動方向可分為旋轉(zhuǎn)振動式與往復(fù)振動式，如圖1 所示。根據(jù)振動裝置的布置方式可分為豎直式與傾斜式，如圖2 所示。

圖1 慣性振動式示意圖Fig.1 Inertial vibration diagram

圖2 振動裝置布置方式Fig.2 Vibration device arrangement

美國BEI 公司的一款自走式藍(lán)莓采收機(jī)[12]如圖3（a）所示，該機(jī)型的振動裝置采用豎直布置方式，通過旋轉(zhuǎn)振動的方式進(jìn)行采摘，采收時旋轉(zhuǎn)式采摘頭穿過藍(lán)莓果樹，對其進(jìn)行振動和搖動，實現(xiàn)果實與果枝的分離，該機(jī)型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國外藍(lán)莓采摘作業(yè)；美國Littau 公司的OR-1601 漿果采收機(jī)如圖3（b）所示，該機(jī)型的振動裝置豎直布置，振動撥指橫跨漿果樹叢，進(jìn)行水平或豎直自由旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)振動收獲，收獲速度0.40～1.61 km/h。美國OXBO 公司研發(fā)的OXBO 930 牽引式藍(lán)莓采收機(jī)如圖3（c）所示，其振動裝置呈雙排豎直分布，利用上下往復(fù)振動實現(xiàn)對藍(lán)莓果實的采收；波蘭JAGODA 公司研發(fā)的OSKAR 4WD Plus 自走式收獲機(jī)如圖3（d）所示，其振動裝置傾斜布置，液壓調(diào)節(jié)振動和傾斜角度；橫向輸送帶與被采摘枝條間距控制在10 cm 以內(nèi)，顯著降低了藍(lán)莓果實采收破損率。

圖3 國外藍(lán)莓采收機(jī)Fig.3 Foreign blueberry harvester

寧波大學(xué)的陳嘉瑤等[13]研發(fā)了一款軸向振動式藍(lán)莓采摘機(jī)，其采摘裝置豎直分布，上下往復(fù)實現(xiàn)采摘，采摘裝置的雙搖桿機(jī)構(gòu)能夠產(chǎn)生橫向偏移，避免卡死，但其往復(fù)運(yùn)動為定沖程方式，缺乏自適應(yīng)性；北華大學(xué)的史亮等[14]研發(fā)了一款抖動式藍(lán)莓采收機(jī)，利用ADAMS 進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，建立采收機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，探究偏心塊轉(zhuǎn)速和半徑對采收質(zhì)量的影響，試驗表明，轉(zhuǎn)速為300 r/min、偏心塊半徑為28 mm 時，采收效果最好。

綜上所述，慣性振動式采收機(jī)的振動系統(tǒng)布置方式各異，各有優(yōu)缺點。振動系統(tǒng)豎直布置需要的龍門距離與行距較小，但其振動裝置與收集裝置距離大，易造成果實從樹冠中部掉落不易收集且損壞率較高；振動系統(tǒng)采用傾斜布置，振動裝置與收集裝置距離較近，有利于降低果實損傷，樹冠向兩側(cè)傾斜后，果實不會落入樹冠中部，有利于果實的收集，但需要的龍門距離和行距較大且容易對果樹造成一定的損傷。

目前慣性振動式藍(lán)莓采收機(jī)是國外最先進(jìn)、最成熟、應(yīng)用最廣的采收裝備，采收機(jī)的振動撥指能夠做到自適應(yīng)調(diào)節(jié)，避免單一定沖程的振動方式對果實以及果樹造成損傷，即工作過程中要確保振動力能夠使熟果脫落，又在碰到較為粗壯的樹干時（較大的阻力時）撥指能夠及時被動偏移或暫停至下一波振動，從而化解較大的沖擊和偏差，避免收獲過程中振落青果，減少對藍(lán)莓果實及樹枝的損害。目前國外研發(fā)的藍(lán)莓采收機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)振動裝置自適應(yīng)調(diào)節(jié)，但國內(nèi)機(jī)型仍以定沖程振動方式為主。

2.1.2 拍打式采收機(jī)

拍打式采收機(jī)的原理是利用拍打力作用于果實或者樹枝，實現(xiàn)果實脫落[15]，果實脫落形式：一是拍打力大于果實與樹枝的結(jié)合力時，直接作用于果實實現(xiàn)脫落；二是拍打樹枝，果實被迫運(yùn)動，當(dāng)其受到的激振力大于果實結(jié)合力時完成脫落。

鮑玉冬等[16]研究了藍(lán)莓果實接觸碰撞特性，分析拍打式藍(lán)莓采收機(jī)工作過程，測定果實損傷率；梅松等[17]研發(fā)了一種果實拍振復(fù)合采收裝置，該裝置將曲柄搖桿和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組合，進(jìn)行復(fù)合拍振運(yùn)動；耿雷等[18]研發(fā)了一款牽引式高叢藍(lán)莓采收機(jī)（如圖4 所示），該機(jī)具兩側(cè)指排豎直分布，交替拍打藍(lán)莓樹枝使果實落下，試驗表明，該機(jī)具的采摘效率是人工采摘的12.67 倍，果實的平均破損率、采凈率、青果脫落率分別為8.3%、96.9%、9.7%。

圖4 牽引式高叢藍(lán)莓采收機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.4 Structural schematic diagram of traction highbush blueberry harvester

綜上所述，拍打式藍(lán)莓采收機(jī)屬于果實-機(jī)壁直接接觸型裝備，雖然構(gòu)造相對簡單，但采收果實的損傷率較大，采凈率較低。

2.1.3 梳刷式采收機(jī)

梳刷式藍(lán)莓采收機(jī)利用梳刷裝置直接作用于藍(lán)莓植株的冠層，通過梳刷裝置旋轉(zhuǎn)、撥動等作用將果實脫落[19-20]。梳刷式藍(lán)莓采收機(jī)更適用于矮叢藍(lán)莓植株的采收作業(yè)。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員在藍(lán)莓采收機(jī)方面做了較多研究，郭艷玲等[21]設(shè)計了一款手推式矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)，如圖5 所示。通過建立藍(lán)莓植株力學(xué)模型，分析藍(lán)莓果實-果柄結(jié)合力與振動機(jī)理，為該裝備的設(shè)計提供理論依據(jù)。試驗結(jié)果表明，該機(jī)采收量為12 kg/h，果實損壞率與采凈率分別為10%、86%。研究團(tuán)隊后續(xù)對該機(jī)型做了進(jìn)一步優(yōu)化，通過添加牽引裝置，減輕了采收機(jī)的整體質(zhì)量。該機(jī)型已開展推廣應(yīng)用，能夠減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高采收效率，降低生產(chǎn)成本。

圖5 矮叢藍(lán)莓采摘機(jī)工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of dwarf blueberry picking machine

2.2 氣力式采收機(jī)

氣力式藍(lán)莓采收機(jī)主要分為氣吹式和氣吸式。塞爾維亞BSK Air Technologies 公司在氣力式藍(lán)莓采收機(jī)研究方面技術(shù)較為先進(jìn)，該公司研發(fā)的KOKAN 500s 脈沖氣流漿果采收機(jī)（如圖6 所示）由拖拉機(jī)牽引工作，脈沖氣流調(diào)整方便，不傷果、傷樹，可采收特定成熟度漿果且破損率極低，一級果率（IQF）達(dá)到90%以上。Gallardo 等[22]對改良式OTR 藍(lán)莓采收機(jī)的作業(yè)性能進(jìn)行了評估，研究表明，氣力式振動器可以顯著降低對果實的沖擊，實現(xiàn)無損采摘。

目前，氣力式藍(lán)莓采收機(jī)在國內(nèi)已經(jīng)開展初步研究與應(yīng)用。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙永超等[23]通過建模分析對比了不同管徑下輸送管的輸送效率與漿果破損率，試驗得到輸送管直徑為40 mm 時輸送效果最佳，對應(yīng)工作流量范圍為0.01～0.03 m3/s；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的張韻[24]設(shè)計了5 種不同口徑的氣吸式小漿果收獲機(jī)采收頭，并對其進(jìn)行優(yōu)化試驗，試驗得出直徑為30 mm 的氣吸采收頭相比另外4 組采摘效果更好。

綜上所述，氣力式藍(lán)莓采收技術(shù)是一種非接觸式采收方法，由于其工作時避免了與果實、樹枝的直接接觸，因此極大地降低了果實損失率。但是氣力式采收在運(yùn)行過程中需要大功率風(fēng)機(jī)連續(xù)作業(yè)，采收過程運(yùn)行成本高、功率損失大、采凈率相對較低、含雜率相對較高、噪音大，難以實現(xiàn)短期內(nèi)大批量作業(yè)。

2.3 半機(jī)械化式采收機(jī)

半機(jī)械化式藍(lán)莓采收機(jī)屬于輔助性采摘工具，如移動采摘平臺、手持式收獲機(jī)等。Malladi 等[25]研制了一款便攜式、手持式藍(lán)莓采收機(jī)，通過對兔眼藍(lán)莓和高叢藍(lán)莓進(jìn)行果實脫離試驗，結(jié)果表明該機(jī)具能在3～4 s內(nèi)使大部分果實脫落；Fumiomi等[26]、Takeda 等[27]、Sargent 等[28]評估了一種半機(jī)械收獲系統(tǒng)，如圖7 所示，該系統(tǒng)是一個牽引式收獲輔助平臺和水果捕獲表面，安裝有便攜式、手持、氣動搖床，其收獲效率比手工收獲提高10～20 倍。

徐潺等[29]研發(fā)了一款山地手持式純電動藍(lán)莓采摘機(jī)，如圖8 所示，該機(jī)具工作頻率為3～10 Hz、振幅為±15°時效果最好，平均采收效率為86.65%，平均采收未熟果率為9.83%，平均采收未采凈果實率為1.48%。

圖8 山地手持式純電動藍(lán)莓采摘機(jī)Fig.8 Mountain handheld pure electric blueberry picking machine

綜上所述，與大型藍(lán)莓采收機(jī)相比，半機(jī)械化采收機(jī)的造價相對較低且操作簡單。目前由于我國藍(lán)莓種植還未產(chǎn)業(yè)化，分布廣泛，地形復(fù)雜，部分地區(qū)并不適宜采用大型藍(lán)莓采收機(jī)，而人工采收作業(yè)效率太低，因此半機(jī)械化采收方式更適合面積小、地形復(fù)雜種植區(qū)的作業(yè)。

2.4 采摘機(jī)器人

近幾年，隨著機(jī)器視覺技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用越來越廣泛，藍(lán)莓采摘機(jī)器人得到快速發(fā)展，主要解決果實識別定位及無損采摘等問題。Sun 等[30]基于激光雷達(dá)研發(fā)了一種用于田間測量藍(lán)莓灌木高度的機(jī)器人平臺，如圖9 所示，利用LIDAR 系統(tǒng)自動采集藍(lán)莓植株的點云數(shù)據(jù)，通過左右側(cè)掃描，準(zhǔn)確測量藍(lán)莓灌木叢高度，改型機(jī)器人平臺的研發(fā)，為藍(lán)莓采摘機(jī)器人的后續(xù)研發(fā)提供了重要依據(jù)。

圖9 田間測量藍(lán)莓灌木高度的機(jī)器人平臺Fig.9 Robot platform for measuring blueberry shrub height in field

韓非[31]提出了一種基于機(jī)器視覺的藍(lán)莓檢測方法，可根據(jù)藍(lán)莓形狀、尺寸等參數(shù)進(jìn)行分級，為藍(lán)莓采摘機(jī)器人的精準(zhǔn)化作業(yè)提供理論與技術(shù)基礎(chǔ)；王迪等[32]基于ARM 微處理器構(gòu)建了漿果采摘機(jī)械手的運(yùn)動控制系統(tǒng)，解決了漿果采摘機(jī)器手的運(yùn)動控制問題，為后續(xù)漿果采摘機(jī)器人的研發(fā)奠定控制基礎(chǔ)。

綜上所述，采收機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對藍(lán)莓果實的精準(zhǔn)采摘，但目前對藍(lán)莓果實識別定位算法的研究較多，對采摘機(jī)械手方面的研究較少；藍(lán)莓種植環(huán)境的復(fù)雜性較高，導(dǎo)致藍(lán)莓采收機(jī)器人主要處于實驗室研究階段，還未實現(xiàn)商業(yè)化使用。

3 藍(lán)莓采收技術(shù)與裝備存在問題

現(xiàn)有藍(lán)莓采收機(jī)能極大提高采收效率，降低勞動強(qiáng)度，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時也存在農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)不匹配、采收破損率高、未實現(xiàn)分級采收等問題。

（1 ）農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)不匹配

我國藍(lán)莓種植分布范圍廣、栽培品種多，但目前主要種植區(qū)的模塊化和規(guī)范化程度較低，國外藍(lán)莓采收裝備無法直接應(yīng)用于國內(nèi)藍(lán)莓采收。我國藍(lán)莓種植的不規(guī)范性增加了藍(lán)莓采收機(jī)械設(shè)計的復(fù)雜性，降低了采收裝備的適用性與通用性；

（2）采收破損率高

現(xiàn)在普遍采用的慣性振動式采收方式在作業(yè)過程中會出現(xiàn)果實-果實、果實-機(jī)械、果實-樹枝之間的多次碰撞，造成相當(dāng)比例的果實破損，嚴(yán)重影響了果實品質(zhì)與收獲質(zhì)量。目前，氣力式采收方式能夠降低果實破損率，但果實采凈率較低，含雜率較高；采摘機(jī)器人的技術(shù)尚未成熟，無法實現(xiàn)無損采摘；

（3）分級采收難度大

目前應(yīng)用最成熟、最廣泛的采收機(jī)具是慣性振動式藍(lán)莓采收機(jī)，由于藍(lán)莓生長過程中不同植株乃至同一植株的不同果實成熟度存在區(qū)別，采用機(jī)械式采收容易將熟果與青果同時振落。

4 結(jié)論與對策

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，農(nóng)村勞動力缺失與人工成本占比過高將成為長期制約藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，同時藍(lán)莓種植模式散亂，未形成模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化種植，不規(guī)范的種植方式進(jìn)一步制約了我國藍(lán)莓產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過對國內(nèi)外藍(lán)莓采收技術(shù)與裝備的研究分析，藍(lán)莓采收機(jī)械化、自動化、智能化是未來的主流發(fā)展趨勢。

近幾年為突破藍(lán)莓采收瓶頸，國內(nèi)科研院所、企業(yè)等引入了部分國外先進(jìn)采收裝備，但國外采收機(jī)具主要基于規(guī)范化的藍(lán)莓種植方式，因此并不能解決我國藍(lán)莓采收面臨的問題。需要研究符合國情的藍(lán)莓采收裝備，彌補(bǔ)采收技術(shù)的不足與差距，實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、智能化藍(lán)莓采收作業(yè)。本文基于國內(nèi)外藍(lán)莓采收機(jī)的研究現(xiàn)狀，提出如下建議：

（1）國家和決策部門應(yīng)加大對藍(lán)莓采收機(jī)械的政策支持與經(jīng)費投入，規(guī)范藍(lán)莓種植模式的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，促進(jìn)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)融合，提高采收技術(shù)與裝備的適用性；

（2）研究藍(lán)莓果實的力學(xué)特性（擠壓、碰撞、摩擦等），優(yōu)化機(jī)械化采收方式，降低果實破損率。重點突破慣性振動式采收機(jī)撥指運(yùn)動軌跡的自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)，提高果實采凈率，降低破損率與含雜率。研究集成力感知技術(shù)的采摘機(jī)械手，提高藍(lán)莓果實識別定位的準(zhǔn)確率，將采收機(jī)器人從實驗室階段推廣到田間應(yīng)用，大幅提高藍(lán)莓的采收效率。