樹木修枝機械的研究綜述

尹吉遠　靳可心　劉程程　傅可藝　王超　邢艷秋

【摘? 要】隨著社會的發展，人們逐漸意識到保護森林的重要性，因此，進一步強化對森林培育、維護和管理的研究。修剪樹枝是樹木生長過程中必不可少的環節，能夠促進樹木健康成長，保障樹木成長質量。當前，傳統的人工修剪模式已經不能滿足實際需求，加強對修枝機械設備的研究和應用已經成為業界關注的重點，如爬樹修枝機器人得到了大力研發和應用。論文對樹木修枝機械研究存在的問題進行分析和探究，旨在進一步促進樹木修枝機械的研發，提升樹木修枝機械的現代化水平，加大環境保護和森林資源保護力度。

【Abstract】With the development of society， people gradually realize the importance of protecting forest. Therefore， people further strengthen the research of forest cultivation， maintenance and management. Pruning of branches is an essential part of the tree growth process， which can promote the healthy growth of the tree and guarantee the quality of tree growth. At present， the traditional manual pruning mode can no longer meet the actual need， and strengthening the research and application of pruning machine and equipment has become a key concern in the industry， such as tree-climbing pruning robot has been vigorously researched， developed and applied. This paper analyzes and explores the problems existing in the research of tree pruning machine， aiming to further promote the research and development of tree pruning machine， improve the modernization level of tree pruning machine， and increase the efforts of environment protection and forest resources protection.

【關鍵詞】樹木;修枝機械;爬樹機器人

【Keywords】tree; pruning machine; tree-climbing robot

【中圖分類號】S718.4-33;TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）03-0135-02

1 引言

隨著經濟水平的日益提升，生態環境問題日益嚴峻，嚴重威脅了人類的可持續性發展。在此背景下，加大對林果業的發展力度，不僅可以改善經濟結構，優化生態環境，而且還可以促進生態效益和經濟效益的共同提升。對樹木進行科學的修剪可以保障樹木健康成長，并發揮提升木材質量等作用。因此，要積極強化對樹木修枝機械的研究和應用，加大研發投入，提升修枝機械研發技術水平，保障森林資源的優質生長。由此可見，強化對爬樹機器人等樹木修枝機械的研究具有重要的現實意義。

2 樹木修枝機械研究的意義

在國家退耕還林號召下，林果業得到了極大的發展空間，種植面積逐漸拓展，但是相關產業的從業人員結構偏差較大，嚴重限制了林果業的持續性發展，因此，強化機械化和自動化生產技術研究事關整體行業的未來發展。傳統的人工修枝方式，需要投入大量的人力、物力和財力，工作量比較大，效率低下，而且樹木切口處理不當會對樹木造成傷害，影響其整體生長質量，并對人員安全帶來隱患。針對這種情況，需要強化對樹木修枝機械如爬樹機器人的研究，提升林果業修枝工作的機械化和自動化水平，提升整體行業的生產效率。同時，爬樹機器人的應用還有以下優勢作用：可以降低人工成本，大大減輕人的勞動強度，并在一定程度上保障了人身安全;適應能力強，自動化程度高，修枝效率高、質量好;可以有效地解決之前在人工林中修剪樹木時作業噪聲大、操作不便、大面積破壞林地等各種問題。基于此，國家以及相關行業逐漸加大了資金投入和人才投入，強化了對修枝機械的開發與研制工作[1]。

3 樹木修枝機械研究的現狀

3.1 國外研究現狀

國外樹木修枝機械的類型較多，如手持式、背負式、車載式、自動式等，其中無動力和有動力式較為流行。背負式操作簡單，易于攜帶。車載式體型較大，利用拖拉機牽引液壓折疊臂，使其進行靈活伸縮，從而完成修枝任務，主要應用于雜草林、灌木等樹種類型中。手動型修枝機械，在魚頭鋸基礎上設計伸縮桿，提升其修枝高度，且具有應用方便、成本較低等優勢，但工作效率較低。機動型修枝機械以汽油機為動力源，并牽引鏈條鋸實施作業，其修枝直徑可以達到0.2m左右，切口質量較高，效率高，但是應用成本較高，操作難度大。日本研發的自動型立木修剪機，利用智能化技術和自動化技術，實現對爬樹機器人的遙感控制，提升其智能化水平，但適應性較低，容易損壞樹皮等[2]。

3.2 國內研究現狀

目前，國內有多所大學及研究機構著手于剪枝機器人的研發，如中國農業大學的樹莓剪枝機器人、東北林業大學的模糊控制的剪枝機器人及其他機構對于剪枝機器人方面的相關研究。此類機器人的開發通過利用機器視覺技術，實時處理采集到的圖像，通過處理結果來控制剪枝機器人的前進行為，控制機械臂工作，達到對細弱枝、破損枝的識別與剪除的目的[3]。

當前，國內的樹木剪枝機械化水平與國外相比，還處于落后階段，剪枝機械化程度不高，推廣范圍不夠廣，應用不夠深入，但林果業的發展在國內林業發展中又占有相當大的比重，因此，有關人士要大力推動國內剪枝機械化的發展。根據林果業的應用現狀以及發展趨勢的要求，未來剪枝裝備的發展應該著重于能源動力的選擇、裝備制造的成本、自動化智能技術的應用、修剪準確性的提升、復雜環境的適應等方面。我國需進一步推動與國外先進技術的對接，在當前林業政策的支持下，努力提高樹木修剪裝備的機械化水平，促進林業經濟發展，推動林業的現代化建設。

4 我國修枝機械研發的特點及存在的問題

4.1 修枝機械研發的特點

我國林果業的分布較為分散，而且分布區域的地形較為復雜，如果使用大型的修枝機械難以順利展開作業。針對這種情況，可以對我國修枝機械的未來研究方向進行明確：應用安全性;具有較高的自動化和智能化水平，內部結構組成和架構要簡單優化，不能過于煩瑣，質量要輕，便于在丘陵等地形中提攜行動;保障刀具的質量;能夠對大規模、大范圍的樹木進行修枝作業，并且修剪速度要快，質量要高，且不需要耗費大量的人力等;價格要實惠利民;保障機械設備體型小巧，且內部結構設計按照一定的序列進行模塊化組合，提升其質量穩定性，強化其對不同生產環境的適應性，最大限度地降低機械故障率，減少應用、維護成本;盡量降低機械應用過程中的噪聲，強化其環保性能[4]。此外，要綜合考慮在不同的地形條件、不同的樹木類型、不同的季節因素等客觀條件的影響下，枝條含水量有所不同，所以要研制出更加精準化和高效化的樹木修枝機械。

4.2 需要解決的問題

雖然目前我國在樹木修枝機械研發方面取得了一定的成績，在理論研究以及實踐應用方面取得了較大進展，如山東農業大學的半自動高效電動高空剪枝機、東北林業大學的模糊控制剪枝機器人等，但是仍面臨很多問題需要解決：很多配套設備的研發速度跟不上，電源等相關設備的研發較為落后，不能滿足電動修枝機的需求;修枝機械的剪切效果、質量、內部結構等方面的設計遠遠達不到標準設計要求;修枝機械在應用過程中道具、電能消耗量較大，使用性價比較低;刀具磨損狀態和枝條切口質量之間的聯系需要進一步考證;修枝機械與樹木類型之間的匹配度不高;對人工的依賴性依舊很大[5]。

4.3 未來的研發方向

第一，遵循人機工程學基本原理，通過應用三維建模技術以及CAD技術，對總體圖樣進行科學合理的設計;第二，利用運動學仿真軟件全面分析虛擬樣機的各種性能，如機械性能、運動范疇、碰撞檢測等，并結合仿真結果對設計方案和設計思路進行改良;第三，強化對枝條與金屬互相摩擦作用的理論研究，從而為修枝機械的刀具材料選擇和制作技術選擇提供依據;第四，強化修枝機械的智能化識別功能，提升總體修剪技術;第五，強化農業科學研究，實現農藝要求和設備選擇的有效融合[6]。

5 結語

綜上所述，隨著我國林果業的逐步發展，對樹木修枝機械的研究越來越深入，并取得了一定的研究成果，有效提升了樹木修枝的效率和安全性，降低了修枝成本投入，對于促進林果業的發展大有助益。此外，本文對國內外關于樹木修枝機械的研究現狀進行了分析和研究，并對我國樹木修枝機械的研發問題和研發方向進行綜述，以期為實現我國樹木修枝機械研發的針對性、智能化、高效化指明方向。

【參考文獻】

【1】陳至靈，姜樹海，孫翊.農林業采收機器人發展現狀[J].農業工程，2019，64（9）：20-28.

【2】王征，宋月鵬，柳洪潔，等.我國林果樹木修枝機械的研究現狀及其發展趨勢[J].中國農機化學報，2017，277（38）：130-134.

【3】付光華.高大樹木修枝機控制系統設計與試驗研究[D].泰安：山東農業大學，2016.

【4】袁吉偉，王汝貴.爬樹機器人的研究現狀綜述[J].機械設計與研究，2018，178（34）：8-23.

【5】李永陽.爬樹修枝機器人機械系統的設計與試驗[D].泰安：山東農業大學，2016.

【6】劉桂珍.爬樹機器人機構設計及運動分析[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2006.