核桃采摘機械的研究現狀及發展趨勢

羅自瑤 楊淑華,2 張秀花 馮凡 弋景剛 郝建軍 楊欣

1、河北農業大學機電工程學院 2、河北省（邢臺）核桃產業技術研究院

引言

目前，我國核桃的種植面積居世界第一，截至2015年，我國核桃結果樹面積66.7萬公頃有2億多株實生樹品種。隨著我國核桃產業的發展，核桃的需求在不斷的增加，隨之核桃的種植面積也在迅速增長。但核桃的采收基本由人工完成。人工采收消耗的時間長、效率低，如果不能及時采收還會對核桃的形狀、殼面光滑度、殼厚、出仁率等品質造成一定影響[1]。人工采收嚴重制約了核桃產業的快速可持續發展，核桃產業發展必然要走機械化的道路[2]。因此，各國研制出了多種不同的采摘機械，對核桃進行采摘，收集處理，以增加核桃產業的效益。

1 核桃采收機械國外研究現狀

國外發達國家在研究采摘機械方面起步較早。

1983年美國研制出了第一臺采摘機器人，對柑橘、蘋果、西瓜等水果進行采摘。但采摘機器人的采摘效率低、識別率低、成本較高，不能應用到大面積作業中。美國生產的振動式果園采收機[9]，利用夾持機構夾住樹干，通過振動機構對樹干進行搖晃振動，樹干帶動枝條振動，果實被迫振動落地[7]。該機構適用于空間大、種植稀疏的環境。但核桃的果實與枝條連接力大，想要振落需要噴灑藥劑，會對果實造成損傷。

振落后果實需進行人工收集。因此，在已有的振動機構中也設計增加了集果裝置，集果裝置為傘狀，在振動前將樹干環住包圍，振落下的果實落入收納的容器中，以此節省了人工撿拾的時間和成本。

2012年英國Genie公司生產了GR12、GR15和GR20等型號的電動輪式升降平臺[3]。澳大利亞CRENDON公司生產了SQUIRREL型號的升降平臺[4]。作業人員進入平臺，利用升降桿將作業人員升到合適高度進行作業，達到了人工進行作業的功效。

同年，英國N.P.SEYMOUR公司生產的Windegger Picking Platforms[12]，利用輪式行走機構進行移動，平臺伸高8.5米，采用液壓底盤驅動，行星減速箱和樞軸傳動，可以調節平臺的傾斜程度，一站式進行控制。

意大利ORSI公司生產了四輪驅動自走式果園升降平臺[11]，液壓缸控制剪叉式升降機構帶動作業平臺完成升降工作，底盤兩端都設置了果箱傳送機構。根據實際情況進行操作，調整所需要的高度。該機構的體積小，操作方便簡單，適用于山地丘陵的果園環境。但該機構進行作業時，需要升降平臺才能完成果箱的搬運，連續采摘作業時操作不方便。

2 核桃采收機械國內研究現狀

1992年浙江金華農機所研究了有拖拉機操作的用于果實采摘的升降機，高度上升可達7米。2007年，新疆機械研究院研制了LG-1型多功能果園作業機[10]，如圖1所示，該機器可以對果園進行采摘、修剪、噴藥等作業，也可作為運輸、動力來工作。它工作時升降臂展開，升降支架帶動車廂升高，人站在平臺上進行作業，完成核桃采摘。但升降平臺的高度有限，限制了采摘更高位置處的果實，因此也限降低了作業效率。

圖1 新疆研制的LG-1型多功能果園作業機

2011年姚文斌等研制出了便攜式振動山核桃采摘裝置[4]，汽油機提供動力，采摘桿和采摘頭作為采摘裝置，采用振動機構，進行傳動。進行作業時，振動機開始工作，對果實進行采摘，提高了采摘效率，降低了勞動強度。

2011年東北農業大學研制了林木球果采摘機器人[5]。采摘機構設計為液壓驅動、單片機控制的機械手。作業時機器人距果樹3～5m，機械手上升到一定高度，張開采摘爪，對準樹枝，大小臂同時運動，夾住樹干，然后按原路向后返回，將果實梳落下來。但使用這種方式進行采摘時，會梳落大量樹葉，會對枝條造成損傷。

2011年，北京市農業機械試驗鑒定推廣站對小型多功能遙控動力平臺研制成功[5，13]。該機械平臺可對果樹進行修剪、旋耕除草、果樹打藥和采摘。該機械有手動和無線遙控兩種控制方式，便于操作和控制。作業人員站在作業平臺上進行作業，達到半自動化作業。

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[11]，液壓系統提供動力完成機構的行走和采摘，一個人就可以進行作業，操作簡單。該平臺的工作臺尺寸為1310×1000，操作面積較小，上升的高度為3.5米，限制了對更高的果實的采摘。

2013年新疆石河子大學對國外的振動采收裝置進行設計改進[9]。對夾持振動機構、傳動系統、集果裝置進行了改進。由拖拉機上的內燃機提供動力，動力傳給液壓泵，夾住后調整液壓馬達使夾緊裝置夾緊樹干，利用曲柄連桿機構的往復運動原理進行作業，驅動樹干做低幅高頻往復運動，將果實振落。

江蘇大學研制了一種果樹采摘機器人[14]。該機器人有移動底盤和機械手兩部分，采摘果實的末端執行器固定在機械臂上，通過視覺傳感器對果實進行定位，當操作器夾住果實后，一端的電動刀具對果實進行剪切。但該機構的采摘效率低，識別系統存在弊端，有時不能精準地捕捉果實信息。

3 國內外發展現狀優缺點

現有的核桃采摘主要有振動式采摘機械、采摘平臺和采摘機械手。振動式采摘機械工作較為常見，但由于核桃的果實與莖的連接牢固，在采用振動機械時需提前噴灑脫果劑，使果實催熟。采摘平臺屬于半自動化的采收機械，在進行采收時，需作業人員登上升降臺進行人工采果，從而限制了采摘效率。采摘機器人可降低勞動強度，提高采摘效率，但采摘機器人的精準度要求高，研制成本就會隨之增加，設備的使用和維護都需要相當高的技術水平和費用，技術不成熟、適用性差、利用率不高和損傷率較高等問題較為突出。

4 核桃采摘機未來發展趨勢

果園采收機械不斷發展，應用越來越廣泛。技術也逐漸趨于成熟，大大提高了采收的效率，提升了果實的品質。目前，國內外核桃采收機械大多采用振動裝置進行振動采收提高了采摘效率、降低了勞動強度。但采摘機械目前只用于采摘，對于采摘后對果實的處理不能有效地結合，即便用了機械采摘，但收集的方式大多還是人工收集，從而增大了收集的勞動強度。集采摘、收集、分選及采后預處理于一體的聯合采收，實現全機械化種植也可能是未來機械發展的趨勢。