山地柑橘采摘作業平臺的傳送裝箱系統研究綜述

范 勇，王海寶，秦雪靜，徐光強

（重慶三峽學院機械工程學院，重慶 404000）

我國既是水果生產大國，同時也是水果消耗大國，柑橘是生活中非常常見的一種水果，尤其在重慶四川云南一帶極為盛產，提高柑桔采摘效率和降低采摘成本是當前實現機械化采摘的關鍵問題。隨著我國水果種植面積不斷擴大，農業產業結構不斷的進行調整，水果產業已成為我國農業領域的新亮點，水果產區經濟發展的新支柱［1-3］。另外，柑橘的采摘成本比較高、季節性很強、勞動強度比較大、勞動成本高，另外丘陵地區的坡度比較大，且種植密度不合理，一般采摘機械難以得到普遍應用。

為了降低果農的生產成本和勞動強度，進一步提高果農的經濟效益，研究安全、高效率和經濟實用的山地丘陵多功能機械對我國的農業產業鏈的調整具有非常長遠的重大意義。

丘陵地區地勢復雜、山多坡陡、道路條件差，人工采摘作業耗費很大。如不及時采收成熟的果實，將很大程度影響其品質。目前柑橘的采摘形式仍然主要是人工采摘，對于大面積的規?；N植果園來說，只有采用機械化才能提高采摘效率，有效地降低果農的生產成本，并保障果實品質。

目前，限制水果產業發展的主要瓶頸仍然是水果采摘作業。實際應用于水果采摘的主要有三種機械設備：一種是通過撞擊、振動等方法實現果實與果樹分離的采摘機械，第二種是半自動化的采摘作業平臺，第三種是利用采摘機器人進行采摘[4-6]。機器人采摘是未來收獲果實的必然趨勢，也是果園采收機械的最終形態[9]。雖然機器人采摘具有較高的自動化水平和技術水平，但由于其技術復雜、成本高、效率低，很難在短時間內得到廣泛應用，無法解決當下的實際問題。短時間內，基于采摘機器人經濟性和技術性多個方面問題，人工半自動化的果園采摘作業平臺將成為果園收獲環節實現自動化的主力。

半自動化果園采摘作業平臺使用人機協同工作的模式，對柑橘進行人工定位和采摘，由機械裝備完成繁重的、單調的傳送裝箱工作，設計并制造能滿足農藝要求的、效率高、功能多樣、適應性強的半自動化果園采摘作業平臺，是當前柑橘采摘的迫切需求，也是柑橘采摘機械研究的前進方向。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

20 世紀60 年代中期，果園升降作業平臺在美國研制成功，由機械液壓力進行驅動，驅使工作臺上下進行移動，農民采摘蘋果的速度得到了極大地提高。美國研發的氣吸式蘋果收獲裝備，首先，站在升降臺上的采摘工作人員將蘋果摘下，利用氣壓實現蘋果的傳送，導管口的負壓吸入人工摘下的蘋果，并驅使蘋果運動，當蘋果運動到果箱位置時，正壓排出蘋果，保證每個蘋果進行高精度和高速度傳送，傳送導管末端的旋轉圓盤使蘋果在果箱底面均勻地分布。

目前，國外的公司和科研機構已經研發出了許多自動化水平、作業效率、集成度都比較高的水果采摘設備，如意大利蘋果收獲機、南美洲哥倫比亞研制的Model CF-105 型蘋果收獲機和德國大型果園采摘機，它們均是由站在空間位置可自由調整的采摘作業平臺上的人員進行果實的采摘，然后傳送系統將采摘下的果實進行傳送、裝箱，極大地提高了采摘效率。操作員只需要定位和采摘果實，顯著減小了勞動強度。雖然這些機械設備具有很高的應用價值和技術優勢，但是由于其可靠性和成本方面的問題，在外國應用的范圍非常有限。

綜上所述，隨著近幾十年的迅速發展，國外水果采摘機械的研究成果主要集中于采摘機器人、大型果園采摘平臺和振動式收獲機械，預計很快就可實現果實采摘全程自動化作業。國外研究的果園采摘作業平臺的傳送裝箱系統主要采用氣吸式和傳送帶式，并且多為大中型聯合作業機械，雖然會配套很高動力，但價格昂貴。

1.2 國內研究現狀

20 世紀70 年代，我國開始研究果園采摘機械，前期主要研究無動力的通用機械設備，例如：手持電動采摘臂、氣囊式采果器和基于手扶拖拉機的振動式山楂收獲機等。80 年代，科研機構開始研究切割式采摘機械，手動、氣動或電動的果園采摘機械逐漸得到應用。同期還出現了吹氣式采摘機和振搖式的采摘器，分別為氣動和電動，前者利用風力，后者利用振動使果實脫落。到上世紀90 年代，由于果園種植產業的迅速發展，出現了各種各樣的簡易采摘機械，其后升降平臺和剪枝機等設備也相繼面世。1992 年，浙江金華農機所研制了安裝在拖拉機上的采摘水果升降機。它是較為典型的液壓升降平臺。2007 年，新疆機械研究院研制了具有較高的集成度的多功能果園作業機，能夠完成果園修建、維護和果實采摘等多項任務，具有較高的功能性和實用性。

我國機器人采摘研究起步較晚，但近幾年各高校及科研單位投入頗多。例如浙江大學、中國農業大學、南京農業大學、東北林業大學、沈陽農業大學和江蘇大學等在采摘機器人方面都進行了一次大量的研究。參考國外相關先進技術，進一步自主創新，并且已經取得了一定的成果，但總體仍然處于試驗研究初級階段，實際應用于果園生產仍然需要解決很多問題。雖然，國內水果采摘作業平臺產品種類很多，但是同質化、單一化、小型化情況嚴重，難以大幅度提高作業效率，實際應用規模受到限制。采摘機器人的研究道路還很遠，許多關鍵技術問題未得到解決，目前研發和應用內容無法滿足實際生產要求，短期內難以解決果園收獲的問題。

另外，山地丘陵地區坡地眾多、道路崎嶇并且耕作地塊面積小等特殊的地理環境，導致適用于丘陵地區的農業機械較少，目前研究的大中型果園采摘機械不能滿足該地區農業自動化需求。

3 展 望

本文介紹了山地柑橘采摘作業平臺的傳送裝箱系統潛在的需求、國內外研究進展、目前所面臨的問題及對策。目前，水果采摘機器人的研究仍然處于初級階段，需不斷完善其工作性能。傳送裝箱系統工作過程中必然會對柑橘造成機械損傷，研究這方面的內容可為柑橘的商品化采摘提供保證，提高采摘設備的實用性。

當前設計的果園采摘作業平臺主要是幫助人工實現升降作業，僅減輕了一定程度的勞動強度，但采摘效率并沒有得到有效提高。中小型半自動化的采摘作業平臺能夠提高丘陵地區柑橘的采摘效率，同時能保證采摘的柑橘品質，控制柑橘傳送和裝箱過程的損傷率。

我國已進入農業4.0 時代，國家對智慧農業相關技術和裝備研發的支持力度也在不斷加大，未來果園采摘作業平臺在智慧農業發展中將有巨大的應用空間，迫切需要研究一種基于山地丘陵柑橘采摘作業平臺的傳送裝箱系統，主要研究適用于丘陵地區的自走式中小型采摘作業平臺的傳送裝箱系統，保證高效完成柑橘的傳送和裝箱工序，控制柑橘傳送裝箱過程中的滾動碰撞損傷和跌落高度，提高柑桔采摘的智能化和自動化水平。