倪燕妹，代 葉，鄧干然，覃金轉(zhuǎn)，李 玲，鄭 爽

（1.廣東農(nóng)墾熱帶農(nóng)業(yè)研究院有限公司，廣東 廣州 511365；2.中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，廣東 湛江 524013；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524091）

0 菠蘿產(chǎn)業(yè)基本情況

菠蘿是世界第三大、我國(guó)第四大熱帶水果作物[1]，因其味道香甜、可口、富含維生素廣受消費(fèi)者喜愛[2]。我國(guó)菠蘿主要種植區(qū)域涉及廣東、海南、福建、云南等多個(gè)省區(qū)，其中廣東省湛江市徐聞縣是中國(guó)最大的菠蘿生產(chǎn)基地，在全國(guó)擁有“每3 個(gè)菠蘿就有1 個(gè)來(lái)自徐聞”的美譽(yù)[3]，種植面積約35 萬(wàn)畝（1 畝=0.067 hm2），年產(chǎn)量90 多萬(wàn)t[4]。雖然我國(guó)菠蘿種植面積和產(chǎn)量位居世界前列，但田間生產(chǎn)方式和管理技術(shù)相對(duì)落后，而且受菠蘿種植農(nóng)藝多樣化的影響，菠蘿機(jī)械化生產(chǎn)及管理難以實(shí)施，導(dǎo)致種植、田間管理（施肥、催花、噴藥等）、采收、轉(zhuǎn)運(yùn)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)基本依靠人工完成。菠蘿又屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)周期短，勞動(dòng)用工需求量大，我國(guó)人口老齡化加重，農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏、用工荒等問題使得菠蘿產(chǎn)業(yè)發(fā)展受限。因此，加快推進(jìn)菠蘿生產(chǎn)全程機(jī)械化對(duì)提高菠蘿品質(zhì)、降低人工成本具有重要意義。本文從全程機(jī)械化角度探究菠蘿生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀，以期為后續(xù)菠蘿機(jī)械化技術(shù)研究提供參考。

1 菠蘿生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 菠蘿耕整地機(jī)械化

耕整地作業(yè)在菠蘿生產(chǎn)中不可或缺，能夠改善菠蘿地土壤環(huán)境，使菠蘿根層土壤松軟，利于根系生長(zhǎng)，同時(shí)達(dá)到除草殺蟲，粉碎作物根茬的目的，并使肥料、農(nóng)藥等在土壤中充分混合以增加其效用。目前，耕整地機(jī)械化技術(shù)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，但在菠蘿生產(chǎn)方面還存在一定的問題。

李妍等[5]設(shè)計(jì)了一款聯(lián)合整地機(jī)，可實(shí)現(xiàn)滅茬、旋耕、深松等功能。該機(jī)主要由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，刀軸帶動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，作用于土壤，作物根茬和雜草會(huì)被滅茬刀高速粉碎、旋耕刀疏松土壤，作業(yè)深度為100～200 mm，作業(yè)后，土壤疏松、平整、保濕、保肥、有機(jī)質(zhì)含量高，基本達(dá)到菠蘿種植土壤條件，但作業(yè)深度達(dá)不到菠蘿生產(chǎn)要求。

黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院[6]研制了一種復(fù)式聯(lián)合整地機(jī)械，可進(jìn)行旋耕、碎土、深松、起壟、鎮(zhèn)壓等一體化作業(yè)。復(fù)式聯(lián)合整地機(jī)同樣由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，由變速箱和動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)刀輥旋轉(zhuǎn)，工作時(shí)先后由滅茬刀、旋耕刀和碎土刀分別對(duì)根茬、雜草和土壤進(jìn)行粉碎及起壟。滅茬環(huán)節(jié)作業(yè)深度為50～80 mm，作物根茬粉碎率達(dá)90%以上；旋耕環(huán)節(jié)作業(yè)深度為150～180 mm；深耕環(huán)節(jié)作業(yè)深度可達(dá)到250～350 mm。該深松聯(lián)合整地機(jī)可有效提高作業(yè)效率，滿足菠蘿種植所需土壤條件，但功能多的同時(shí)，機(jī)具所需動(dòng)力要求會(huì)更高，耗能可能也會(huì)有所增加。

甘肅省張掖市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站[7]研制的聯(lián)合整地機(jī)可依次完成旋耕、深松、鎮(zhèn)壓等作業(yè)，整機(jī)幅寬3 000 mm，旋耕機(jī)和深松機(jī)入土深度分別為130 mm 和300 mm。如果旋耕機(jī)和深松機(jī)的作業(yè)深度與實(shí)際深度不相符，可以通過(guò)調(diào)節(jié)伸縮螺桿調(diào)整入土深度。鎮(zhèn)壓裝置預(yù)壓力的強(qiáng)弱則通過(guò)調(diào)節(jié)浮動(dòng)機(jī)構(gòu)中的行程來(lái)改變。

王賢斐等[8]研發(fā)的立旋式驅(qū)動(dòng)型聯(lián)合整地能夠完成松土、碎土、平整和鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序。該機(jī)由拖拉機(jī)牽引工作，耙齒在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，擠壓、切削土壤，完成碎土工序；拖拉機(jī)前進(jìn)過(guò)程中帶動(dòng)平土杠對(duì)地表進(jìn)行平整作業(yè)，后鎮(zhèn)壓輥壓實(shí)耕層，完成整地工序。試驗(yàn)結(jié)果表明：該整地機(jī)破土率為92.6%，地面土壤平整度標(biāo)準(zhǔn)差為28 mm，滿足技術(shù)要求。

目前，耕整地作業(yè)環(huán)節(jié)多采用聯(lián)合整地機(jī)，由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，能夠一次性完成深犁、旋耕、碎土等多個(gè)工序，降低了作業(yè)次數(shù)，提高了作業(yè)效率，總體上可滿足菠蘿生產(chǎn)的需要。

1.2 菠蘿種植機(jī)械化

菠蘿是通過(guò)培育種苗進(jìn)行繁育，植株中用于移栽的有冠芽、裔芽、吸芽、地芽等，其中，吸芽使用最多[9]。菠蘿種植從選苗、開溝、下苗、覆土等環(huán)節(jié)中主要依靠人工。菠蘿種類繁多，種植農(nóng)藝各有不同，種植機(jī)械主要有單行種植機(jī)、雙行種植機(jī)、四行種植機(jī)，放苗方式均為人工放苗[10]。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所[11]研發(fā)的2ZBL-90 雙行菠蘿種植機(jī)可以完成施肥、旋耕、起壟、覆膜、移栽等多個(gè)作業(yè)工序。2ZBL-90 雙行菠蘿種植機(jī)作業(yè)如圖1 所示，工作時(shí)，在施肥絞龍作用下，肥料經(jīng)過(guò)導(dǎo)肥管撒在菠蘿地表面，旋耕刀具轉(zhuǎn)動(dòng)使得肥料與土壤充分混合后起壟，覆膜輥對(duì)壟覆膜，人工將菠蘿苗放入苗杯中，鴨嘴器將地膜劃破，菠蘿苗被種在壟面上，隨后由覆土鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)菠蘿苗根部，該菠蘿移栽機(jī)可完成施肥—起壟—覆膜—移栽一體化作業(yè)。雙行菠蘿移栽機(jī)起壟高度為250 mm，種植株距和行距分別為300 mm 和500 mm，種植深度為100～120 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明：該種植機(jī)種植株距及深度符合要求，合格率在95%以上。

圖1 2ZBL-90 雙行菠蘿種植機(jī)作業(yè)

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所聯(lián)合廣東農(nóng)墾熱帶農(nóng)業(yè)研究院有限公司針對(duì)“臺(tái)農(nóng)”品系菠蘿研發(fā)的2ZB-130 型壟作雙行菠蘿種植機(jī)采用寬窄雙行（寬行距90 mm，窄行距50 mm）起壟種植模式，以轉(zhuǎn)杯式放種圓盤為排苗部件，結(jié)合鴨嘴放苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)菠蘿的種植。如圖2 所示，該機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括起壟裝置、施肥機(jī)構(gòu)、覆膜和鋪管裝置、種植機(jī)構(gòu)等，達(dá)到起壟、施肥、覆膜、鋪管和種植一體化目標(biāo)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程只需4 人即可完成，其中拖拉機(jī)手1 人、放苗工2 人、機(jī)動(dòng)人員1 人。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)單次載苗量可達(dá)2 000～3 200 株，生產(chǎn)效率為1.26 畝/人，約是純?nèi)斯ぷ鳂I(yè)的3～4倍，可減輕50%以上的勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，該菠蘿種植機(jī)平均種植合格率在92%以上，菠蘿種苗成活率在95%以上，移栽效果總體達(dá)到生產(chǎn)要求。

圖2 2ZB-130 型壟作雙行菠蘿種植機(jī)作業(yè)

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所根據(jù)“巴厘”品系菠蘿農(nóng)藝要求，研制了一款集旋耕、開溝、施肥、栽植等功能于一體的2ZB-4L 型四行菠蘿種植機(jī)，種植形式為夾持移栽。如圖3 所示，該機(jī)以穴插式鴨嘴為栽植部件，以轉(zhuǎn)杯式放種圓盤為排苗部件，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)中央傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)栽植計(jì)劃作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由人工輔助投送種苗，完成移栽過(guò)程，其作業(yè)幅寬為2 000 mm，種植行距為450 mm，種植株距為280～350 mm，可一次性載苗800～1 000 株，作業(yè)效率為3.0～3.5 畝/小時(shí)，移栽合格率達(dá)92%以上。該機(jī)采用的鏈夾式移栽機(jī)構(gòu)可保證種植株距準(zhǔn)確，菠蘿種苗直立度較好，放苗時(shí)可實(shí)時(shí)觀察是否存在漏植情況，能夠?qū)崿F(xiàn)多行并行種植。

廣東農(nóng)墾熱帶農(nóng)業(yè)研究院有限公司[12]公開了一種半自動(dòng)化上苗菠蘿種植機(jī)，人工手動(dòng)將菠蘿種苗從物料放置架中拿出并逐個(gè)放入輸送帶上運(yùn)送至移栽機(jī)構(gòu)，當(dāng)種苗靠近撥動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)，若根部朝下，撥動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)操作，種苗直接進(jìn)入下料桶；若根部向上，在左右壓力傳感器的檢測(cè)下，撥動(dòng)機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行，主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)圓形輪旋轉(zhuǎn)，撥動(dòng)桿將菠蘿種苗撥動(dòng)至根部朝下，進(jìn)入移栽裝置中。該裝置無(wú)需區(qū)分菠蘿種苗頭部和根部，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化上苗的效果，提高了人工放苗效率。

目前菠蘿種植機(jī)大多依靠輪式拖拉機(jī)牽引作業(yè)，原因是輪式拖拉機(jī)具有一定的通用性和經(jīng)濟(jì)性。但由于農(nóng)機(jī)農(nóng)藝不匹配，現(xiàn)行菠蘿行距小于拖拉機(jī)輪距，輪式拖拉機(jī)進(jìn)入菠蘿地可能存在壓行的情況。自走式菠蘿種植機(jī)使用成本較高，機(jī)型寬度難以選擇。因此，菠蘿種植行距與種植機(jī)不匹配會(huì)造成種植機(jī)無(wú)法下地的情況，這也是當(dāng)前菠蘿種植機(jī)械化的瓶頸之一。另外，菠蘿種植機(jī)存在載苗量少的問題，在大面積種植的情況下，效率會(huì)大打折扣。

1.3 菠蘿田間管理機(jī)械化

1.3.1 菠蘿施肥機(jī)械化

菠蘿種類多樣，種植農(nóng)藝各有不同。“巴厘”品系菠蘿通常采用四行平地種植方式，而“臺(tái)農(nóng)”品系菠蘿則采用雙行起壟種植方式。不同品系菠蘿種植方式的差異決定了其施肥方式的差異。對(duì)于“巴厘”品系菠蘿，通常在種苗種植前向菠蘿地大規(guī)模拋灑有機(jī)肥，而“臺(tái)農(nóng)”品系菠蘿則是在種苗種植時(shí)，通過(guò)聯(lián)合種植機(jī)對(duì)壟面開溝，復(fù)合肥由肥箱進(jìn)入溝槽，施肥過(guò)程完成。在9～11 月份時(shí)，常采用無(wú)人機(jī)對(duì)“臺(tái)農(nóng)”品系菠蘿噴施葉面肥，以提高菠蘿病蟲害防御能力，增加坐果率。在湛江地區(qū)，菠蘿經(jīng)常遭遇季節(jié)性干旱問題，灌溉方式主要有滴灌、噴灌等，因此灌溉施肥技術(shù)也是菠蘿產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)和發(fā)展方向[13]。滴灌、噴灌等灌溉施肥技術(shù)能夠按照菠蘿各個(gè)階段需要的養(yǎng)分，將肥料和水分施在菠蘿根系附近，可有效提高肥料利用率，解決干旱問題。

1.3.2 菠蘿催花機(jī)械化

自然狀態(tài)下菠蘿抽蕾率不高，需要電石、乙烯利等催花劑促進(jìn)菠蘿抽蕾[14]，使果實(shí)成熟時(shí)期集中，提高管理效率。但不同種類菠蘿對(duì)各催花藥劑敏感度也存在差異，如“臺(tái)農(nóng)”品種菠蘿對(duì)乙烯利不敏感，常出現(xiàn)抽蕾率很低等催花失敗現(xiàn)象[15]，而電石催花則可以使“臺(tái)農(nóng)”植株開花，滿足商業(yè)化生產(chǎn)要求。與“臺(tái)農(nóng)”完全相反的是，“巴厘”品系菠蘿對(duì)乙烯利極為敏感，少量乙烯利便可以誘導(dǎo)植株開花。因此傳統(tǒng)菠蘿催花方式主要有2 種：對(duì)于催花藥劑不敏感的“臺(tái)農(nóng)”品系菠蘿，采用人工拉管對(duì)噴或漫噴的方式催花；對(duì)于催花藥劑極為敏感的“巴厘”品系菠蘿則采用無(wú)人機(jī)噴灑的方式催花。

張日紅等[16]提出了一種基于PLC 控制的自走式高地隙催花機(jī)，整機(jī)包括行走和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、電氣接線和PLC 控制系統(tǒng)等。在噴藥單元中，為適應(yīng)菠蘿種植模式，催花劑噴頭安裝在水平滑軌上，并能夠在水平方向自由移動(dòng)，噴藥動(dòng)作由PLC 控制電磁閥啟停實(shí)現(xiàn)，人工可通過(guò)觸摸屏設(shè)置催花試劑噴灑時(shí)間、行走距離等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)車體行走位移的自動(dòng)校正，滿足不同菠蘿地的種植規(guī)范，可用于“臺(tái)農(nóng)”品系催花。

廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所[17]提出了一種無(wú)人機(jī)均勻噴灑器，可用于菠蘿催花。無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，由水泵抽取催花劑，催花劑從噴槍處噴出，轉(zhuǎn)盤在雙頭電機(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，圓柱銷推拉兩側(cè)連桿，進(jìn)而控制噴槍擺動(dòng)。該設(shè)計(jì)使得噴槍噴射范圍擴(kuò)大，提高噴灑效率，可用于“巴厘”品系催花。

云南農(nóng)業(yè)大學(xué)[18]公開了一種菠蘿催花裝置，提前向儲(chǔ)液桶中注入配比好的催花劑，作業(yè)人員使用時(shí)手動(dòng)操縱儲(chǔ)液桶導(dǎo)流閥門開關(guān)推動(dòng)桿，使催花劑流入定量桶，人工將催花管對(duì)準(zhǔn)菠蘿植株株心，隨后控制定量桶出口閥門蓋推動(dòng)桿，使催花劑通過(guò)催花管流入菠蘿株心。該催花裝置可通過(guò)定量桶實(shí)現(xiàn)對(duì)催花劑劑量的嚴(yán)格把控，能夠精確完成催花過(guò)程。

目前菠蘿催花機(jī)械化研究較少，主要為人工輔助或無(wú)人機(jī)噴藥。人工輔助催花相比無(wú)人機(jī)噴藥能夠做到藥量的相對(duì)精準(zhǔn)控制，但工作量大，效率很低。無(wú)人機(jī)催花只能大范圍噴灑催花藥劑，導(dǎo)致菠蘿莖葉存在藥劑殘留現(xiàn)象，影響菠蘿植株的生長(zhǎng)，還造成藥劑浪費(fèi)，生產(chǎn)成本增加。

1.3.3 菠蘿催熟機(jī)械化

為保證菠蘿成熟度一致，采收時(shí)間統(tǒng)一，通常采用乙烯利催熟菠蘿[19]，催熟方法一般為噴果、滴頂及灌注果柄，其中催熟效果最好的方法為全面噴灑菠蘿表面[20]。但菠蘿催熟主要依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低。而成熟期菠蘿葉面肥大，無(wú)人機(jī)無(wú)法精準(zhǔn)識(shí)別菠蘿，催熟效果較差，且造成催熟試劑浪費(fèi)，增加生產(chǎn)成本。

1.4 菠蘿采收機(jī)械化

菠蘿采收是田間管理的重要環(huán)節(jié)之一，也是主要生產(chǎn)成本之一。菠蘿采收環(huán)節(jié)分為采摘和轉(zhuǎn)運(yùn)，同樣依賴人工，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)。目前菠蘿采摘機(jī)械理論研究較多，并逐步從理論轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際應(yīng)用。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所[2]研發(fā)了高地隙履帶自走式菠蘿采收車，如圖4 所示。該采收車與農(nóng)藝相結(jié)合，包括高地隙橡膠履帶動(dòng)力底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、裝載車廂、輸送臂、自動(dòng)收放系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。作業(yè)時(shí)，車廂后端的輸送裝置在電動(dòng)絞盤的控制下對(duì)稱展開，工人跟隨采收車前進(jìn)采摘菠蘿，并將其置于輸送帶上，由輸送帶運(yùn)輸至裝載車廂內(nèi)部。當(dāng)采收車遇到障礙物或者完成作業(yè)時(shí)，需要通過(guò)電動(dòng)絞盤將輸送裝置收起放置于車廂后端。在其工作幅寬內(nèi)可同時(shí)采摘16 株菠蘿果實(shí)，而采收車廂可裝載140 個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)筐。因此該菠蘿采收車可以有效降低菠蘿搬運(yùn)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高采收效率，但菠蘿地障礙物的檢測(cè)和輸送裝置折疊收放依靠人工，不能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)避障。

圖4 高地隙履帶自走式菠蘿采收車

劉天湖等[21]根據(jù)菠蘿脫落層的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了一種多柔性指滾筒菠蘿采收機(jī)構(gòu)，如圖5 所示，該采收機(jī)構(gòu)模擬手指采摘菠蘿的方式，通過(guò)柔性指與菠蘿果實(shí)相互作用形成折斷力矩，繼而實(shí)現(xiàn)菠蘿采收。作業(yè)過(guò)程為：柔性指垂直于地面，壓葉片將菠蘿莖葉壓在下方，使菠蘿位于兩側(cè)柔性指之間，左右兩側(cè)柔性指分別接觸菠蘿，施加相向力，形成折斷力矩。該柔性采摘機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)菠蘿的自動(dòng)采摘，采收率約為85%，損傷率約為5%，平均采收時(shí)間約為1 s，但該設(shè)計(jì)未考慮到柔性機(jī)構(gòu)和壓葉片對(duì)菠蘿裔芽、吸芽的損傷。

圖5 多柔性指滾筒菠蘿采收機(jī)構(gòu)

梁策等[22]通過(guò)菠蘿受力部位的靜力學(xué)分析，設(shè)計(jì)了一種立式夾持菠蘿采收裝置，如圖6 所示。該裝置用于輔助人工采摘菠蘿，主要涉及夾持、折斷菠蘿莖稈這2 個(gè)動(dòng)作。作業(yè)時(shí)，電機(jī)為夾持裝置提供動(dòng)力，夾穩(wěn)菠蘿后，由錐齒輪折斷菠蘿莖稈，完成對(duì)菠蘿的采收。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠滿足實(shí)際菠蘿采收的強(qiáng)度。但未考慮到采摘?jiǎng)幼魍瓿珊?，菠蘿果實(shí)的放置問題。另外，該裝置用車輪作為行走底盤，可能存在菠蘿植株長(zhǎng)勢(shì)過(guò)高，無(wú)法通行的情況。

圖6 立式夾持菠蘿采收裝置

劉玉杰等[23]設(shè)計(jì)了一種菠蘿半自動(dòng)采摘機(jī)，由人工駕駛采摘機(jī)到達(dá)目標(biāo)菠蘿位置，隨后控制機(jī)械手采摘菠蘿，效率較低。衛(wèi)泓宇等[24]基于嵌入式和圖像識(shí)別技術(shù)，研制了一種菠蘿自動(dòng)采收機(jī)，如圖7 所示。整機(jī)采用高地隙履帶式底盤，可保證在菠蘿田間通行。作業(yè)時(shí)，首先由攝像頭采集圖像信息，獲取目標(biāo)三維坐標(biāo)信息，實(shí)現(xiàn)定位—夾緊—摘取—松抓等動(dòng)作，果實(shí)由輸送帶運(yùn)輸至收集箱。該機(jī)集識(shí)別、定位、采摘、收集等功能于一體，可用于菠蘿自動(dòng)化采收。

圖7 菠蘿自動(dòng)采收機(jī)

吳沛晟等[25]基于雙目立體視覺技術(shù)設(shè)計(jì)了一款菠蘿采摘機(jī)器人，由雙目立體視覺定位技術(shù)檢測(cè)菠蘿果實(shí)，調(diào)整機(jī)械手位置，將機(jī)械手置于菠蘿果實(shí)頂部，機(jī)械手夾緊果實(shí)后完成采摘?jiǎng)幼?，并根?jù)實(shí)際菠蘿重量分類放入相應(yīng)規(guī)格收集框。該采摘機(jī)器人可有效降低搬運(yùn)環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省人工分類時(shí)間。

中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院南亞熱帶作物研究所[26]公開了一種莖葉果實(shí)自動(dòng)分離的菠蘿采收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)菠蘿莖葉和果實(shí)同時(shí)采收。該機(jī)內(nèi)部裝有水箱，作業(yè)時(shí)，將水噴到斷裂的菠蘿莖葉上，使莖葉重量大于果實(shí)重量，重力作用使得莖葉方向一致向外，便于抓取果實(shí)，并對(duì)果實(shí)莖葉切割分離，切割完畢后，菠蘿莖葉經(jīng)過(guò)破碎刀破碎，因重力作用掉落到地面還田。該機(jī)實(shí)現(xiàn)了菠蘿采摘和莖葉還田，可有效提高作業(yè)效率，但其無(wú)法用于培育菠蘿種苗的菠蘿地。

目前菠蘿種植大戶愿意采用菠蘿采收機(jī)降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，替代原有人工背負(fù)轉(zhuǎn)運(yùn)方式，此舉雖然提高了工作效率，但依然需要人工輔助，而且大型采收車在田間通行易傷苗，小型采收車運(yùn)載量不夠；采摘方式依然靠人工，現(xiàn)有技術(shù)如視覺技術(shù)，雖可以實(shí)現(xiàn)理想環(huán)境下菠蘿的采摘，但效率不高，田間復(fù)雜環(huán)境下菠蘿的識(shí)別采摘還有待深入研究。

1.5 菠蘿莖葉處理機(jī)械化研究

菠蘿莖葉中含有豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如有機(jī)酸、鈣、磷、鐵等[27]。若將莖葉還田，相當(dāng)于每公頃約3 150 kg 復(fù)合肥的效力。最初菠蘿莖葉還田方式是將莖葉集中搬運(yùn)至田頭堆漚成肥料，速度慢且污染環(huán)境。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所[28]研制了一款雙輥式菠蘿葉粉碎還田機(jī)，如圖8 所示。該機(jī)由輪式拖拉機(jī)牽引作業(yè)，菠蘿植株首先受到前刀輥甩刀的擊打、切割，再被甩入粉碎容腔內(nèi)，先后受到前刀輥定刀和后刀輥直刀作用后被排出粉碎容腔，菠蘿葉粉碎還田作業(yè)完成。試驗(yàn)結(jié)果表明：與單輥式菠蘿莖葉粉碎還田機(jī)2 遍作業(yè)效率相比，可節(jié)省1/3 的燃油成本，合格率達(dá)89.3%，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T500—2015《秸稈粉碎還田機(jī)-作業(yè)質(zhì)量》要求。

菠蘿莖葉富含纖維，可加工成紡織品，因而除將菠蘿莖葉粉碎還田處理外，還可將其回收利用。曾招兵等[29]公開了一種菠蘿莖葉高效回收設(shè)備，該設(shè)備將菠蘿莖葉放入進(jìn)料口，由稱重傳感器對(duì)菠蘿葉實(shí)時(shí)稱重，同時(shí)進(jìn)度條顯示回收進(jìn)度，當(dāng)重量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，停止回收。為防止產(chǎn)生異味，回收盒體內(nèi)部裝有活性炭板，用于凈化氣味。

菠蘿莖葉回收后，可采用浸泡方法或機(jī)械方法提取纖維，而機(jī)械提取的設(shè)備主要為刮麻機(jī)。中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所[30]研制了一種手拉式菠蘿麻刮麻機(jī)，該機(jī)由人工手持菠蘿葉經(jīng)喂入口送入凹板與刀片中間，在旋轉(zhuǎn)刀片帶動(dòng)下，菠蘿葉進(jìn)入刮麻區(qū)，經(jīng)刀片打擊和刮削后，纖維與葉肉分離，刮麻過(guò)程完成，可有效提高纖維提取率。但該刮麻機(jī)存在安全隱患，菠蘿葉邊緣刺容易刺傷手。針對(duì)此隱患，歐忠慶等[31]對(duì)手拉式菠蘿麻刮麻機(jī)進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，公開了一種間歇式菠蘿麻刮麻機(jī)。作業(yè)時(shí)，將菠蘿莖葉放置于輸送帶上，啟動(dòng)裝置，菠蘿葉自動(dòng)送入刮麻機(jī)構(gòu)中，經(jīng)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的刀輪全方位打擊、刮削后，反向進(jìn)入另一端刮麻機(jī)構(gòu)，再次進(jìn)行刮麻操作。該刮麻機(jī)減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，且纖維含雜率低。

2 總結(jié)與展望

由于菠蘿品種多樣，種植農(nóng)藝不一、農(nóng)機(jī)需求多樣且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，并存在傳統(tǒng)高密度種植造成的“機(jī)器下地難”等問題，當(dāng)前菠蘿生產(chǎn)機(jī)械化水平提高緩慢，為迅速提高菠蘿生產(chǎn)機(jī)械化水平，在構(gòu)建適宜機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)藝模式的基礎(chǔ)上，用全程機(jī)械化的整體理念，系統(tǒng)研發(fā)與之匹配的全程機(jī)械化作業(yè)裝備，是快速推進(jìn)菠蘿生產(chǎn)機(jī)械化的根本途徑。同時(shí)，在實(shí)施機(jī)械化過(guò)程中，充分應(yīng)用機(jī)器視覺、智能控制等高新技術(shù)，開發(fā)菠蘿智能化生產(chǎn)設(shè)備，可有效解決田間管理過(guò)程中機(jī)械設(shè)備識(shí)別精度差、用工量大的問題，能夠快速應(yīng)對(duì)田間復(fù)雜環(huán)境，降低勞動(dòng)力，推動(dòng)菠蘿生產(chǎn)向智能化、精準(zhǔn)化發(fā)展。