花椒采摘機研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

蔡芳蘭

（蘭州博文科技學院，蘭州 730101）

我國花椒種植的主產(chǎn)區(qū)在甘肅、陜西、四川、河南、河北、山西和山東等省，據(jù)2016年資料統(tǒng)計，甘肅花椒種植面積突破27萬hm2，種植面積居全國首位。在甘肅花椒種植地區(qū)，花椒是大部分農(nóng)戶的主要經(jīng)濟來源，且花椒采摘以手工掐摘為主，掐摘工作效率低，花椒生有皮刺，掐摘速度慢，難度大，用工多，人工采摘方式已成為限制花椒產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的一個阻礙因素。尤其是近幾年花椒采摘工價不斷攀升，2020年高達6元/斤，采摘費用占花椒產(chǎn)值近1/3，致使花椒產(chǎn)業(yè)“豐產(chǎn)不豐收”，廣大椒農(nóng)的種植成本不斷提高，利益得不到保障，嚴重限制了花椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。我國花椒采摘技術研究起步較晚、科研力量分散，在多數(shù)地區(qū)的研究還不夠深入。

甘肅省是我國花椒種植大省，也是花椒消費大省，花椒種植的迅速發(fā)展對花椒產(chǎn)業(yè)機械化、智能化和一體化的發(fā)展提出更高的要求。隨著農(nóng)村城市化建設的推進，農(nóng)村絕大部分壯年勞動力逐漸轉(zhuǎn)向社會其他領域，椒農(nóng)主要勞動力以中老年人為主，勞動力嚴重缺乏，并且花椒采摘具有極強時效性，成熟期采摘不及時會導致果穗自動脫落，由此造成椒農(nóng)不必要的經(jīng)濟損失，因此花椒采摘機械化、智能化的實現(xiàn)顯得尤為重要，并具有較大的經(jīng)濟效益和潛在的市場前景。

1 花椒采摘機的研究現(xiàn)狀分析

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外主要以韓國和日本對花椒的研究較多，但其研究主要傾向于花椒食用和藥用價值[1]，并且已培育出了較多品種優(yōu)良的大果穗、大果粒和無刺的新品種，在椒樹品質(zhì)與花椒成分鑒別上處于領先水平，而在花椒采摘機械上研究成果較少。韓國研究的機械振動法，使用大型機械手臂夾住樹枝根部，進行搖振，通過搖晃共振將椒穗從花椒樹枝上振落收集；另外還有負壓虹吸法，采用負壓吸管對準果穗，借用大型動力機械產(chǎn)生的強負壓吸力將果穗吸入收集箱中，但大型機械采摘需具備有利的采摘條件，對果園果地條件及種植道路和電源等都有較高的要求，同時采摘后果穗的質(zhì)量得不到保障及對果樹造成不同程度的損傷，故只能借鑒。

花椒種植雖然存在著較大的地域差異，但花椒栽培技術及花椒采摘機械的研究設計和我國的差別不大，設計出的花椒采摘機械類型也是大同小異，研究方向也趨于一致。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)研究從20世紀80年代開始，隨著我國花椒栽培產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，很多花椒栽培人員與研究者設計制造了幾種花椒采摘工具，代替了純手工采摘。1994年山西農(nóng)業(yè)大學學報發(fā)表了《頂生小果實采集機的設計》，論述了山西農(nóng)業(yè)大學葉全民教授有關花椒采摘頭的設計；2003年陜西省韓城市某花椒研究所最先設計了一款花椒采摘機，在韓城生產(chǎn)、推廣并使用，對花椒采摘方式由人工采摘轉(zhuǎn)向機械采摘有較大的推進；2007年在陜西省韓城市研究出一款新型手持式鋸齒形手動花椒采摘器，成為當時椒農(nóng)應用最廣泛、使用率最高的花椒采摘器。此外，還有較多研究工作者對花椒采摘機械進行了更深層次的思考和研究，如：陜西省的研究者設計了手套式花椒采摘器；長臂剪刀式花椒采摘器出自劉筠先生的設計；電動花椒采摘機出自浙江省的陳龍德先生設計；M環(huán)齒花椒采摘機由林州市的楊德文先生[2]研究等。近幾年來，隨著花椒產(chǎn)業(yè)省力化、機械化、智能化理念的深入，花椒采摘機的研發(fā)設計進入了快車道。2009年研究者設計了全自動花椒采摘機，利用機械原理、機械設計等學科知識對花椒采摘機頭、調(diào)節(jié)裝置、收集裝置及基礎裝置進行了設計，并符合花椒采摘農(nóng)藝設計的要求；王峰[3]研究設計了負壓吸收式花椒采摘機，該設計與國外采摘機設計相似，采用機器產(chǎn)生的負壓，將花椒吸入采摘頭，并由旋轉(zhuǎn)式采摘頭把花椒與樹枝分離之后，由高速氣流吸入收集箱；后續(xù)的4HJ－8型便攜式花椒采摘機是蘇光遠研究設計的；雙盤平板式電磁花椒采摘器由鄭天云研究設計。甘肅農(nóng)業(yè)大學萬芳新教授[4]研究設計出了一款利用撥椒輪高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的梳刷作用和撥椒輪與弧形凹板間相對運動所產(chǎn)生的搓擦作用來收獲花椒的機械式花椒采摘機；張文斌[5]設計了采用梳齒和刀殼嚙合的方式來剪斷花椒果穗的梳齒式花椒采摘機，該機采用自帶收集裝置較大程度提高了采摘效率；花椒采摘機械種類越來越多，性能也有所提升，但花椒種植戶對采摘機的使用率不高，主要是花椒采摘機在采摘過程中都不同程度地存在生產(chǎn)效率低、人工干預高、含雜率高、果穗及樹枝損失率大、斷枝傷芽等問題。

我國研究設計的花椒采摘機械種類不少，但能持續(xù)研究設計采摘機的科研者寥寥無幾，要想采摘機設計研究有新突破，除了掌握先進的科技技術，還應該持之以恒地進行設計研究，在原有設計機型基礎上，進一步進行技術創(chuàng)新，才能設計出適合采摘花椒的理想采摘機。

1.3 花椒采摘機研究存在的不足

目前我國研究的花椒采摘機種類較少，且以手持式的居多，因現(xiàn)有花椒采摘機對果穗及樹干損傷嚴重，使用率低，故大多數(shù)椒農(nóng)使用較多的是花椒采摘工具，而不是采摘機械，市面上設計的采摘機類型不多，現(xiàn)列舉幾種花椒采摘機類型并做簡要分析，如圖1所示。

圖1 花椒采摘機及采摘工具

手持式花椒采摘機在采摘過程中因采摘頭鋸齒較多，人工操作時穩(wěn)定性差，采摘過程中很容易出現(xiàn)操作失誤，對果穗及樹干的損傷較大，導致花椒果粒的油腺破損，花椒色澤發(fā)黑，食用麻度口感較差，雖然提升了采摘效率，但又降低了采摘后花椒的質(zhì)量，會大大降低花椒的出售價格，減少了椒農(nóng)的收入，故此類采摘機的使用率較低。

椒農(nóng)大部分采用花椒采摘工具進行采摘，這種采摘工具較手持式采摘機穩(wěn)定性好，操作簡單，采摘時對果穗和樹枝的損傷小，也在一定程度上降低了椒農(nóng)的勞作強度，但采摘效率低，依然不能解決本質(zhì)問題，長期采用重復性動作勞作，致使大部分椒農(nóng)患上手部關節(jié)疾病。

花椒采摘無人機是目前設計出最先進的采摘機，無人機采摘人工干預過多，耗電量大，工作中因無人機機翼工作，花椒樹干晃動較大，采摘過程中的對準性較差，不能準確地對花椒果穗進行定位，采摘效率不高，且無人機采摘機的成本高[6]。

綜合來看，花椒采摘機研究設計的種類較多，但使用率不高，應利用高速發(fā)展的科學技術，提升花椒采摘機研究設計的高度，向智能化設計領域靠近，結(jié)合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的科技創(chuàng)新理念，滿足花椒產(chǎn)業(yè)省力化、機械化及智能化栽培的要求。

2 花椒采摘機研究的發(fā)展趨勢

隨著科技的高速發(fā)展，智能化機械的研究及使用已經(jīng)涉及各個領域，故花椒采摘機的設計也會趨于向智能化的方向發(fā)展。

2.1 花椒采摘機的智能化設計

花椒采摘機的研究應趨于智能化、一體化的實現(xiàn)，即采摘機輕量化、便攜帶、便操作及可靠性等方面的性能提升及降低對果品和枝葉的損傷方面的研究，提高椒農(nóng)對采摘機的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面，隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設的推進，椒農(nóng)年齡基本以中老年人居多，智能化采摘機的創(chuàng)新設計能有效減緩農(nóng)村勞動力缺乏與采摘用工需求之間的矛盾，符合我國花椒產(chǎn)業(yè)朝著省力化、機械化及智能化栽培的發(fā)展要求。

農(nóng)業(yè)智能化是我國農(nóng)村社會經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要標志，隨著我國新農(nóng)村建設步伐的逐步推進，科學技術水平快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機械化、智能化的發(fā)展也十分迅速。智能化采摘機主要利用機械原理、機械設計、機電一體化、微機原理及機器人技術等知識的結(jié)合進行設計，并符合教育、科技創(chuàng)新的理念，夯實了科技創(chuàng)新的理論基礎，為區(qū)域農(nóng)業(yè)機械化、智能化提供理論支撐。

2.2 花椒采摘機的一體化設計

采摘機智能化、一體化的設計成本相比普通的采摘機的成本更高，故將多種機械的使用功能結(jié)合在一臺機械上，降低采摘機成本，降低椒農(nóng)的投入成本，提升椒農(nóng)智能化采摘機的使用率，例如：采摘機既可實現(xiàn)采摘功能，果穗和樹葉的分揀功能，還可實現(xiàn)樹干裁剪功能等。

現(xiàn)有花椒采摘機存在的普遍不足就是沒有實現(xiàn)智能化和一體化，智能化、一體化的設計主要是針對采摘過程中感觸到果穗時自動采摘，經(jīng)過無果穗枝干時可自動停止作業(yè)，實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)化，節(jié)省電能，盡可能降低使用采摘機械操作過程中的安全隱患；借助高速圖像識別模塊，識別準確率高、速度快；花椒采摘機械一體化的設計功能要全面，不能僅局限在采摘花椒果穗上使用，還應在裁剪樹枝、疏松花苞、疏松果穗等方面應用，實現(xiàn)一機多用，減少椒農(nóng)購機的重復投入。

4 結(jié)束語

我國花椒采摘機研究設計的起步較晚，且花椒種植地域性強，花椒采摘機的研究設計者較少，大多數(shù)研究設計者都是設計完一款，再沒有繼續(xù)更新?lián)Q代，導致花椒采摘的研究設計工作停滯不前，花椒采摘機的設計應該隨著我國科技的高速發(fā)展持續(xù)推進，研究設計出花椒采摘機的第一代、第二代、直至第n代，朝著智能化設計的方向發(fā)展，創(chuàng)新花椒采摘機研究設計，進一步促進我國農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展。