果園采摘平臺研究現狀及發展趨勢

河北農業大學機電工程學院 楊云磊 張秀花 于洋 王洪森 黃征

前言

我國在果園面積、產量上均處于穩步提升的趨勢[1]，數據顯示，2022 年我國果園面積為13021.31 千公頃，比上年增長了1.8%；2022 年水果產量31296.21 萬噸，比上年增長了4.4%[2]。隨著農業現代化進程推進，果園種植向規?；同F代化發展，為果園機械化發展創造了有利條件。目前，果園采摘主要依賴人工，而采摘占據整個生產過程勞動的33%至55%[3]。傳統人工采摘爬梯登高作業，不僅勞動強度大、效率低、安全隱患大，而且很容易錯過采摘的最佳時期，影響果品質量和經濟效益。人口老齡化和低生育率問題加劇，使得果園機械化采摘亟待解決[4]，改進或研發一款適合我國果園的輔助采摘平臺具有重要意義。本文分析了國內外采摘平臺研究現狀，為我國采摘平臺研發提供參考。

1 采摘機械的發展與分類

1.1 采摘機械的發展

國外一些國家對于果園采摘機械的研究起步較早，歐美等西方國家從20 世紀60 年代就開始進行相關研究和探索[5]。起初，研究主要專注于傳統的高空作業平臺，隨后才開始逐步涌現出單工位、多工位和采摘收獲專用平臺等多種類型的功能性型作業平臺[6]。相比之下，中國的果園采摘機械進入大眾視野始于20 世紀90 年代[7]。中國在這一領域積極探索，致力于研發適合國內現代化果園的機械作業平臺，并取得了顯著成效。近年來，隨著農機農藝融合發展的寬行密植栽培模式的新型現代化果園蓬勃發展，為果園采摘機械的推廣應用提供了更加寬敞和便利的作業條件。

1.2 采摘機械的分類

采摘機械按采摘果實的方式分為三種類型：第一種是利用振動樹體的方法使果實與果樹分離的采摘機械；第二種是半自動化的升降采摘作業平臺；第三種是利用視覺識別和機械臂的智能化采摘[8]。振動式采摘的果實可以用于食品加工、飲料制作、果汁生產等方面，但不適用鮮食水果采摘。智能果園采摘機器人目前僅在發達國家的設施農業中有一些使用，由于技術條件要求高、使用成本昂貴以及工作效率較低等許多因素的限制，其應用并不太廣泛。因此，半自動升降作業平臺是果園采摘應用最為普遍的技術選擇。

按機械行走方式分為三種類型：一種是利用拖拉機后懸掛的方式來提升平臺高度；第二種是利用拖拉機作為動力牽引平臺進行行走；第三種是利用一種獨立的動力底盤來實現獨立行走。懸掛式和牽引式采摘平臺結構簡單，但是需要單獨配備駕駛員進行操作，而且在采摘果實過程中沒有收集裝筐的功能，且轉彎不靈活。自走式采摘平臺配備單獨行走動力，獨立底盤轉向比較靈活。

2 國內外采摘平臺研究現狀

2.1 國外研究現狀

在60 年代的中葉，美國將液壓升降技術應用在了果園作業平臺當中，液壓技術的應用，極大提高了果園升降平臺的可靠性以及采摘效率[9]，促進了平臺技術的發展。隨后，在60 年代的后期，部分歐美發達國家開始對采摘平臺進行功能化研究，通過引入功能性機械裝備實現平臺集成化工作模式。到了70 年代，新研發的作業平臺可以實現配套使用多種作業設備，例如氣動式剪枝機和油鋸等。到20 世紀90 年代初期，日本開始對適用于山地丘陵地區的坡地果園裝備開展研發，并成功研制出了樞軸式擺動懸掛自走式采摘車[10]。

國外在果園收獲方式和機械裝備方面進行了長期的研究和探索，取得了顯著成效。他們在果園采摘方面進行了開拓性的研究，不斷改進和創新采摘方式和機械裝備類型，以提高果園采摘的效率和質量。2012 年Paul Wafler 在紐約州立大學設計并研制了休倫采收平臺[11]，如圖1 所示，這臺機器的核心部件是其容量巨大的采收裝置，每次可同時更換五個果實箱組，有效提高了采摘效率。然而，這種采收平臺適用于行間距較大的大型果園。中國果園的種植方式不適合使用大型果園采摘作業平臺，因為果園種植相對較密集。2018 年Marcos D.Ferreira 設計并研發了一種輪式自走式收獲作業平臺[12]，如圖2 所示，該平臺能夠協助多名工人在不同高度采摘果實，并自動完成果實的收集和裝箱。這一平臺的設計極大地提高了采摘效率和精度，同時減少了人力成本，為果園生產帶來了極大的便利。

圖1 休倫采收平臺

圖2 自走式收獲作業平臺

2021 年美國加州大學研發出聯合機器人收割平臺[13]，如圖3 所示。該設備將傳統的收獲平臺轉化為協同機器人平臺。以機器視覺系統為基礎，結合設計的抓取終端執行器，使蘋果平均摘取成功率達到84%。當平臺向前移動時，利用視覺系統來檢測水果的分配情況，使用帶有檢測的儀器拾取袋來測量每個工人的采摘速度，并控制液壓升降機的高度，這些平臺可以讓工人上下移動?；诳刂扑惴ǜ淖儾烧の桓叨韧瑫r根據工人采摘速度相配合，使采摘效率最大化，試驗表明在自動控制高度變化下的采摘速度為327.6kg/h，相比手動控制提高了9.5%，但是經濟成本較高，不適合市場推廣。

圖3 聯合機器人收割平臺

Munckhof 設計的Pluk-O-Trak 蘋果收獲機如圖4所示，結合了一個平臺和一系列的傳送帶，可以將采摘下的蘋果輸送到果箱里面。不同的輸送帶長度，可以適應不同的果樹高度。相較于傳統的果園收獲平臺，Pluk-O-Trak 蘋果收獲機減少了采摘工人彎腰放蘋果這一動作，大大減輕采摘工人的疲勞程度。

圖4 Pluk-O-Trak 蘋果收獲機

綜合來看，國外發達地區的研究機構以及制造商大多偏向于高集成度、高自動化水平、高作業效率的作業平臺來進行果園的收獲及其他作業，例如德國生產的大型果園采摘機、美國生產的氣吸式果園采摘設備、荷蘭生產的升降作業平臺等。這些裝備均具有較高的科技含量以及智能化程度，但由于購機成本、使用、維護成本，以及后期配件維修等問題，在農業經濟效益較低的我國應用范圍十分有限。

2.2 國內研究現狀

目前，相比于其他作物，我國果園生產的機械化水平仍然較低，以河北省為例，全省林果業綜合機械化水平僅為31%[14]，尤其是在采摘環節，大多以人工為主，不能滿足現代化果園的生產需要。一方面，我國果園種植多在山區丘陵地帶，復雜的地形使得大型果園裝備難以得到應用；另一方面，我國農機行業對于果園等特色經濟作物裝備領域長期的不夠重視，導致目前果園裝備科技含量低、品質不可靠，農機農藝融合程度低，不好用、不適用[15]。

2.2.1 單工位采摘平臺研究現狀

2007 年，新疆機械研究院股份有限公司研制出了我國第一臺自走式果園作業平臺—牧神LG-1 型多功能果園作業機[16]，如圖5 所示，填補了國內作業平臺的空白，該作業平臺以履帶式行走底盤為主，通過搭載剪叉式升降機構完成果樹修剪、采摘等功能，升降機構可上升到1.5m。其工作原理是將汽油發動機的動力分為兩部分，一部分用于行走；另一部分驅動空氣壓縮機工作，為氣缸提供動力。這一作業平臺的推出，標志著我國的作業平臺進入了多功能作業機械時代。

圖5 牧神L-1 多功能果園作業平臺

2011 年，山東華興機械股份有限公司研制開發了STQ-3000 型多功能升降工作平臺[17]，如圖6 所示。采用四輪驅動承載底盤，配備液壓升降作業平臺，工作臺尺寸1.3 m×1.0 m，起升高度3.5 m，結構質量460 kg。但該機工作臺作業面積小，工作位置單一，不適合多人連續采摘作業，效率低下且操作不方便。

圖6 STQ-3000 型升降工作平臺

2012 年，河北農業大學孫振杰等研制了一種液壓驅動式多功能果園升降平臺[18]，如圖7 所示。該機行走和平臺的升降均由液壓系統提供動力，單人可完成作業需求操作，最大升降高度為1.325m，平臺起升質量320kg，最大爬坡角度為14.97°。該機作業平臺尺寸較小、舉升高度有限，不能實現多人連續性采摘和較高位置的采摘作業，對不同樹形適應性較差。

圖7 液壓驅動式多功能果園升降平臺

2016 年，華南農業大學張花哲等設計研發了電動履帶式多功能舉升平臺[19]，如圖8 所示。根據果園果樹的高度和行距的要求，通過對比各舉升機構，結合需求采用剪叉式液壓升降機構。果園舉升平臺包含了履帶式行走機構、剪叉式升降機構以及工作臺等部件，配套動力為2.2kw，起升高度為1.5m，最大舉升質量為300kg，其體積較小，工作重心低。這款設備使用蓄電池作為動力源，可供剪枝等其他裝配提供動力，但舉升平臺的調平機構尚未設計研究，且不能進行獨立高度升降，同時在整機空間布局上還需要進一步優化設計。

圖8 電動履帶式多功能舉升平臺

2.2.2 多功能采摘平臺研究現狀

2017 年，王亞龍團隊研制出了一款牽引式的果園作業平臺[20]，如圖9 所示。該款作業平臺需要利用大馬力拖拉機來提供牽引以及升降動力，并且該機型針對國內的矮砧密植新興果園的種植模式，可以提供雙側6個、三檔高度的作業工位來實現果品的采摘、裝箱以及輸送。該平臺作業時，載人工位固定不動，多個作業人員位于多個不同位置、不同高度的工位進行采摘，車身較長、轉彎半徑較大，而且作業不靈活，當行距過寬時則可能出現采摘不到的問題。

圖9 牽引式果園采摘作業平臺

2019 年，山東農業大學的李強團隊設計研發了一款自走的履帶式果園作業平臺[21]，如圖10 所示。該平臺為雙側、可調節多工位，并且可同時完成水果的柔性分級輸送作業。平臺采用了履帶式自走底盤設計，通過性好，人工采摘的果實可實現全自動的輸送以及裝箱，平臺配備的柔性輸送裝置采用了單個間隔放置，柔性匯集輸送部件采用的是多個間隔的放置方式，有效降低了機械對果品造成的損傷，實測果品機械損傷在5%以內。平臺所采用的升降機構結構合理，升降高度相對誤差控制在6%以內；平臺的作業工位單獨可調，最高可達3.6 米，最寬達3.5 米。除采摘之外，平臺還配有氣泵裝置搭配氣動剪實現多工位果園枝條修剪工作，配備的氣動剪最大剪斷直徑達到了16mm，實現一機多用。

圖10 履帶自走式作業平臺

3 果園采摘平臺發展中的問題

通過對國內外采摘平臺現狀的研究，發現果園采摘機械化還有如下問題。

3.1 果園栽培模式多樣化，制約采摘機械發展

現階段新老果園并存，現代化果園采摘平臺無法進入傳統果園作業；現代化果園種植地形差異性大，且栽培模式多樣，導致采摘平臺難以做到“一機多用”的情況。

3.2 果園采摘農藝融合度低，阻礙采摘機械發展

目前市場上果園采摘平臺存在許多問題：工作臺單一工位，升降高度一致，對于不同高度果實需要頻繁進行上升或下降，以適應果樹高度；工作臺側展一致，不能進行單獨側展，對于不同樹形果樹適應性較差等問題。

3.3 果園智能技術研究欠缺，限制采摘機械發展

果園采摘機械化最終會朝著智能化、信息化發展，科研成果正處于研發階段；視覺識別和機械臂采摘的創新性科研成果，沒有進行商業化融合。

4 果園采摘平臺發展趨勢

果園采摘環節涉及采摘、輸送、裝筐、運輸一系列問題，實現采——輸——裝——運一體化將會逐步實現。隨著現代化果園進展的不斷推進，果園采摘朝著智慧化、科技化發展。

4.1 加快標準化果園建設，提高果園作業條件

加快傳統老齡化果園向現代化果園改進進展，創新栽培模式，加快果園標準化建設，為現代化果園采摘機械作業提供條件。

4.2 加強樹機、人機融合，優化采摘方式

充分調查研究現階段從事果園生產人員尺寸。運用人機工程學技術，使人——機——樹三要素相融合，減低工作人員工作強度。

4.3 融合現代化智能技術，加快科研成果轉化

結合現階段機械手技術、末端執行器技術、視覺識別技術和北斗衛星導航技術發展優勢，提升果園采摘智能化水平；加強科研院校與企業創新合作，加快科研成果轉化，降低生產成本，做到經濟實用的智慧化采摘平臺。