藍莓采收技術研究現狀與發展趨勢研究

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 濟南市 山東省農業機械科學研究院；2.638000 四川省 廣安市 廣安區農業技術中心）

0 引言

藍莓是杜鵑花科、越橘屬藍果類型植物的俗稱，因其具有較高的藥用價值及營養保健功能，被聯合國糧農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]。

藍莓采收環節占整個生產過程總工作量的40%左右，是最耗時、耗力的環節[3]。目前，我國藍莓仍以人工采收為主，效率低且勞動成本高，嚴重制約了藍莓產業的高質量發展。藍莓機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，因此機械采收具有效率高、成本低等優點[4-5]。歐美國家最早研究藍莓采收技術，目前藍莓采收的機械化程度較高，國內藍莓機械采收研究起步較晚，還未有成熟上市的采收裝備。本文通過分析藍莓機械采收技術的發展現狀，探究藍莓采收技術與裝備存在的問題，對未來發展進行展望，為后續藍莓機械采收技術研究提供參考。

1 藍莓產業發展概況

藍莓起源于北美洲，目前主要分布于美國、智利、秘魯以及中國等區域。近年來，全球藍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展。

近年來，我國藍莓產業規模發展迅速，目前已形成6 大核心產區：東北產區、遼東半島產區、膠東半島產區、長江中下游產區、云貴產區、華南產區。藍莓種植模式根據地形可分為平原種植與丘陵山地種植；根據樹形、生態特征及果實特點主要分為矮叢藍莓、半高叢藍莓以及高叢藍莓。

2 國內外藍莓采收技術研究現狀

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

2.1 機械振動式采收機

機械振動式藍莓采收機的原理是利用振動裝置對植株產生接觸作用，利用慣性力將樹枝與藍莓果實分離[8-9]，根據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。

2.1.1 慣性振動式采收機

慣性振動式藍莓采收機利用機械振動使藍莓果實受慣性作用[10-11]，克服果實和果柄間的結合力，實現果實脫落。國外技術比較成熟，已應用于藍莓采收，國內仍處于起步階段。慣性振動式采收機根據其振動方向可分為旋轉振動式與往復振動式，如圖1 所示。根據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莓采收機[12]如圖3（a）所示，該機型的振動裝置采用豎直布置方式，通過旋轉振動的方式進行采摘，采收時旋轉式采摘頭穿過藍莓果樹，對其進行振動和搖動，實現果實與果枝的分離，該機型已經廣泛應用于國外藍莓采摘作業；美國Littau 公司的OR-1601 漿果采收機如圖3（b）所示，該機型的振動裝置豎直布置，振動撥指橫跨漿果樹叢，進行水平或豎直自由旋轉，實現振動收獲，收獲速度0.40～1.61 km/h。美國OXBO 公司研發的OXBO 930 牽引式藍莓采收機如圖3（c）所示，其振動裝置呈雙排豎直分布，利用上下往復振動實現對藍莓果實的采收；波蘭JAGODA 公司研發的OSKAR 4WD Plus 自走式收獲機如圖3（d）所示，其振動裝置傾斜布置，液壓調節振動和傾斜角度；橫向輸送帶與被采摘枝條間距控制在10 cm 以內，顯著降低了藍莓果實采收破損率。

圖3 國外藍莓采收機Fig.3 Foreign blueberry harvester

寧波大學的陳嘉瑤等[13]研發了一款軸向振動式藍莓采摘機，其采摘裝置豎直分布，上下往復實現采摘，采摘裝置的雙搖桿機構能夠產生橫向偏移，避免卡死，但其往復運動為定沖程方式，缺乏自適應性；北華大學的史亮等[14]研發了一款抖動式藍莓采收機，利用ADAMS 進行運動學分析，建立采收機構的剛柔耦合模型，探究偏心塊轉速和半徑對采收質量的影響，試驗表明，轉速為300 r/min、偏心塊半徑為28 mm 時，采收效果最好。

綜上所述，慣性振動式采收機的振動系統布置方式各異，各有優缺點。振動系統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。

目前慣性振動式藍莓采收機是國外最先進、最成熟、應用最廣的采收裝備，采收機的振動撥指能夠做到自適應調節，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，減少對藍莓果實及樹枝的損害。目前國外研發的藍莓采收機能夠實現振動裝置自適應調節，但國內機型仍以定沖程振動方式為主。

2.1.2 拍打式采收機

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

鮑玉冬等[16]研究了藍莓果實接觸碰撞特性，分析拍打式藍莓采收機工作過程，測定果實損傷率；梅松等[17]研發了一種果實拍振復合采收裝置，該裝置將曲柄搖桿和曲柄滑塊機構組合，進行復合拍振運動；耿雷等[18]研發了一款牽引式高叢藍莓采收機（如圖4 所示），該機具兩側指排豎直分布，交替拍打藍莓樹枝使果實落下，試驗表明，該機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 牽引式高叢藍莓采收機結構原理圖Fig.4 Structural schematic diagram of traction highbush blueberry harvester

綜上所述，拍打式藍莓采收機屬于果實-機壁直接接觸型裝備，雖然構造相對簡單，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

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

東北農業大學的研究人員在藍莓采收機方面做了較多研究，郭艷玲等[21]設計了一款手推式矮叢藍莓采摘機，如圖5 所示。通過建立藍莓植株力學模型，分析藍莓果實-果柄結合力與振動機理，為該裝備的設計提供理論依據。試驗結果表明，該機采收量為12 kg/h，果實損壞率與采凈率分別為10%、86%。研究團隊后續對該機型做了進一步優化，通過添加牽引裝置，減輕了采收機的整體質量。該機型已開展推廣應用，能夠減輕工人的勞動強度，提高采收效率，降低生產成本。

圖5 矮叢藍莓采摘機工作原理圖Fig.5 Working principle diagram of dwarf blueberry picking machine

2.2 氣力式采收機

氣力式藍莓采收機主要分為氣吹式和氣吸式。塞爾維亞BSK Air Technologies 公司在氣力式藍莓采收機研究方面技術較為先進，該公司研發的KOKAN 500s 脈沖氣流漿果采收機（如圖6 所示）由拖拉機牽引工作，脈沖氣流調整方便，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）達到90%以上。Gallardo 等[22]對改良式OTR 藍莓采收機的作業性能進行了評估，研究表明，氣力式振動器可以顯著降低對果實的沖擊，實現無損采摘。

目前，氣力式藍莓采收機在國內已經開展初步研究與應用。東北農業大學的趙永超等[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，對應工作流量范圍為0.01～0.03 m3/s；東北農業大學的張韻[24]設計了5 種不同口徑的氣吸式小漿果收獲機采收頭，并對其進行優化試驗，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，氣力式藍莓采收技術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行過程中需要大功率風機連續作業，采收過程運行成本高、功率損失大、采凈率相對較低、含雜率相對較高、噪音大，難以實現短期內大批量作業。

2.3 半機械化式采收機

半機械化式藍莓采收機屬于輔助性采摘工具，如移動采摘平臺、手持式收獲機等。Malladi 等[25]研制了一款便攜式、手持式藍莓采收機，通過對兔眼藍莓和高叢藍莓進行果實脫離試驗，結果表明該機具能在3～4 s內使大部分果實脫落；Fumiomi等[26]、Takeda 等[27]、Sargent 等[28]評估了一種半機械收獲系統，如圖7 所示，該系統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]研發了一款山地手持式純電動藍莓采摘機，如圖8 所示，該機具工作頻率為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莓采摘機Fig.8 Mountain handheld pure electric blueberry picking machine

綜上所述，與大型藍莓采收機相比，半機械化采收機的造價相對較低且操作簡單。目前由于我國藍莓種植還未產業化，分布廣泛，地形復雜，部分地區并不適宜采用大型藍莓采收機，而人工采收作業效率太低，因此半機械化采收方式更適合面積小、地形復雜種植區的作業。

2.4 采摘機器人

近幾年，隨著機器視覺技術在農業機械中的應用越來越廣泛，藍莓采摘機器人得到快速發展，主要解決果實識別定位及無損采摘等問題。Sun 等[30]基于激光雷達研發了一種用于田間測量藍莓灌木高度的機器人平臺，如圖9 所示，利用LIDAR 系統自動采集藍莓植株的點云數據，通過左右側掃描，準確測量藍莓灌木叢高度，改型機器人平臺的研發，為藍莓采摘機器人的后續研發提供了重要依據。

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

韓非[31]提出了一種基于機器視覺的藍莓檢測方法，可根據藍莓形狀、尺寸等參數進行分級，為藍莓采摘機器人的精準化作業提供理論與技術基礎；王迪等[32]基于ARM 微處理器構建了漿果采摘機械手的運動控制系統，解決了漿果采摘機器手的運動控制問題，為后續漿果采摘機器人的研發奠定控制基礎。

綜上所述，采收機器人能夠實現對藍莓果實的精準采摘，但目前對藍莓果實識別定位算法的研究較多，對采摘機械手方面的研究較少；藍莓種植環境的復雜性較高，導致藍莓采收機器人主要處于實驗室研究階段，還未實現商業化使用。

3 藍莓采收技術與裝備存在問題

現有藍莓采收機能極大提高采收效率，降低勞動強度，節約生產成本，同時也存在農藝與農機不匹配、采收破損率高、未實現分級采收等問題。

（1 ）農藝與農機不匹配

我國藍莓種植分布范圍廣、栽培品種多，但目前主要種植區的模塊化和規范化程度較低，國外藍莓采收裝備無法直接應用于國內藍莓采收。我國藍莓種植的不規范性增加了藍莓采收機械設計的復雜性，降低了采收裝備的適用性與通用性；

（2）采收破損率高

現在普遍采用的慣性振動式采收方式在作業過程中會出現果實-果實、果實-機械、果實-樹枝之間的多次碰撞，造成相當比例的果實破損，嚴重影響了果實品質與收獲質量。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；采摘機器人的技術尚未成熟，無法實現無損采摘；

（3）分級采收難度大

目前應用最成熟、最廣泛的采收機具是慣性振動式藍莓采收機，由于藍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別，采用機械式采收容易將熟果與青果同時振落。

4 結論與對策

隨著我國城市化進程的快速推進，農村勞動力缺失與人工成本占比過高將成為長期制約藍莓產業發展的瓶頸，同時藍莓種植模式散亂，未形成模塊化、標準化種植，不規范的種植方式進一步制約了我國藍莓產業的發展。通過對國內外藍莓采收技術與裝備的研究分析，藍莓采收機械化、自動化、智能化是未來的主流發展趨勢。

近幾年為突破藍莓采收瓶頸，國內科研院所、企業等引入了部分國外先進采收裝備，但國外采收機具主要基于規范化的藍莓種植方式，因此并不能解決我國藍莓采收面臨的問題。需要研究符合國情的藍莓采收裝備，彌補采收技術的不足與差距，實現機械化、自動化、智能化藍莓采收作業。本文基于國內外藍莓采收機的研究現狀，提出如下建議：

（1）國家和決策部門應加大對藍莓采收機械的政策支持與經費投入，規范藍莓種植模式的標準化建設，促進農藝與農機融合，提高采收技術與裝備的適用性；

（2）研究藍莓果實的力學特性（擠壓、碰撞、摩擦等），優化機械化采收方式，降低果實破損率。重點突破慣性振動式采收機撥指運動軌跡的自適應調節技術，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的采摘機械手，提高藍莓果實識別定位的準確率，將采收機器人從實驗室階段推廣到田間應用，大幅提高藍莓的采收效率。