丘陵山區(qū)桃子采摘機械研究現(xiàn)狀與優(yōu)化
——以山東臨沂平邑縣桃子采摘為例

李春曉 ， 朱 欣 ， 蔡善儒

（山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000）

平邑是我國知名產桃區(qū)，尤其是“武臺黃桃”經(jīng)常作為名貴水果銷往我國各地和海外各國[1]。平邑的桃子產量大、品種多，現(xiàn)有20 多個桃子品種，年產量可達15.8 萬噸。而且平邑地理環(huán)境多丘陵山區(qū)且土地干旱，尤其適于種植桃子，擁有我國僅有的3 個黃桃生產基地之一，具有作為我國桃子種植示范區(qū)的資格，因此平邑桃園非常適合作為探究我國桃子采摘機械現(xiàn)有問題及優(yōu)化路徑的研究基地[2]。

1 平邑桃園桃子采摘現(xiàn)狀

平邑桃園主要分布于丘陵山區(qū)地帶，其地形復雜且道路崎嶇不平，同時不同的桃園桃樹栽植間距不一樣，而我國現(xiàn)有的桃子采摘機械不具有足夠的平穩(wěn)性和靈活性，爬行能力和避障能力也不能達到要求。因此，現(xiàn)有桃子采摘機械不能應用于多為丘陵山區(qū)地形的平邑桃園，也無法靈活應對不同桃園桃樹栽植間距不同的問題。所以目前平邑桃農只能采取人工采摘的方法，通過攀爬梯蹬或桃樹的樹干進行高處的采摘作業(yè)，或者可以通過農民自制的桿式網(wǎng)兜采摘器實現(xiàn)高處的采摘工作，但是該自制的桿式網(wǎng)兜采摘器工作效率低，易耽誤農時，且難以保證采摘質量，會造成一定的經(jīng)濟損失。

2 平邑桃園的栽植技術

平邑桃園栽植的樹苗之間保持4.5 m~5.0 m 的行距，而且同一行的植株之間保持4.5 m 左右的距離，桃樹的主干保持在高3 m~4 m。桃樹修剪時每一棵桃樹的主干上都均勻分布有三個主枝，而每一主枝上又留有兩個側枝，且與主枝距離60 cm 的位置開始留有第一個側枝，合理修剪剩余用于結果的枝條，同時保證桃樹的樹冠一般呈球狀，這也符合我國絕大部分桃園的現(xiàn)狀[1-4]。

為防止養(yǎng)分分散量過大，無法形成大果，影響果實口感，還需要對桃樹進行人工疏果。疏果時對于果實密集度過大的枝條，要適當?shù)靥蕹恍﹤€頭小的果實，使最終一般長的枝條上留有4 個果實，中等枝條留有2~3 個果實，較短的枝條留有1 個果實。而桃樹的枝葉生長茂密，果實會藏在樹葉里，桃樹之間也會因枝葉的生長而緊密相連，留有的行走空間極小，因此采摘桃子時的難度較大[5]。

3 我國桃子采摘機械現(xiàn)狀

3.1 全自動可避障蜜桃采摘機

由山東農業(yè)大學的一支研究團隊所研發(fā)的全自動可避障蜜桃采摘機是針對丘陵山區(qū)桃園設計的一種桃子采摘設備。該裝置由3 大系統(tǒng)組成，分別為電力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和智能識別系統(tǒng)。該蜜桃采摘機不僅有針對丘陵山區(qū)的崎嶇地形而研發(fā)的避障功能，而且還利用熱成像儀和其他一些識別裝置自主識別成熟的桃子，實現(xiàn)桃子的自動采摘。該采摘機由電動機提供動力，并在機械臂處單獨配有3 臺電機，所有的電機之間協(xié)調工作，保證了裝置的高靈活性。為保證該裝置能夠安全行駛于丘陵山區(qū)的復雜地形中，其動力系統(tǒng)還使用了防爆的蜂窩輪胎。該采摘機通過皮帶將動力傳遞給機械臂，然后與機械臂通過舵機連接的采摘手可以實現(xiàn)平移、旋轉和采摘運動，最終將采摘的果實輸送到位于底盤處的集裝箱，集裝箱下面設有重量傳感裝置使采摘機及時發(fā)出警報提醒更換，降低果實的壓壞率[6]。

3.2 五自由度蜜桃采摘機器人

現(xiàn)有研究的五自由度蜜桃采摘機器人主要是對采摘臂和采摘手進行結構優(yōu)化，其主要由底座、兩臂、鉸接的連接機構和最終執(zhí)行機構等組成。該機械臂在底座處安裝有一臺電動機，而且底座內部還設有減速機構和齒輪傳動機構，將電機的動力傳遞給大機械臂并使大機械臂繞底座做旋轉運動。而大機械臂內部也設有一臺電機，用于傳遞動力于小機械臂，實現(xiàn)小機械臂繞大機械臂的旋轉。兩臂的俯仰運動通過鉸接機構的內置電機提供動力并繞鉸接機構旋轉。該采摘機械臂通過結合各種采摘機械手的特點，使用電機作為動力源，以PLC 為控制系統(tǒng)，通過皮帶傳遞動力于可伸縮的刀片上，并在其殼體的外部設有一個可容納3~10 顆果實的槽，槽內設有一傾斜角度，防止果實停滯于槽口[7]。

3.3 基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法

目前，我國所研發(fā)的桃子采摘機械只能通過桃子的顏色和大小判斷桃子成熟度，或者是通過采摘人員進行人工鑒別，而由江南大學的一支團隊所研發(fā)的一種基于近紅外光譜的采摘方法能夠通過對桃子的內部成分進行檢測，然后與已有的信息進行對比來判斷桃子的成熟度。該方法不僅準確度高，而且還能夠解放勞動力，實現(xiàn)真正的自動化采摘。近紅外光譜技術能夠同時對多種成分進行檢測，所以檢測速度快，并且不需要對桃子進行破壞性的前期處理，不僅能夠降低成本，而且不會造成廢棄桃子污染環(huán)境的問題，因此紅外光譜檢測技術被稱為“綠色檢測技術”。研究團隊通過對當?shù)啬炒笈飪鹊乃厶疫M行不同時期的采摘檢測實驗，分別針對不同生長時期的果實進行實驗并記錄實驗數(shù)據(jù)，并通過多種高等數(shù)學理論計算建立了水蜜桃采摘適宜度的鑒別模型，通過多次驗證得到該方法能夠使桃子矯正集和鑒別正確率達到95.13%和93.75%的水平，因此具有較大的發(fā)展空間[8]。

4 現(xiàn)有桃子采摘機械應用于平邑桃園存在的問題

4.1 不適于丘陵山區(qū)桃園栽植模式與地理狀況

平邑桃園多建于丘陵山區(qū)，地形崎嶇不平，容易導致采摘機械重心不穩(wěn)而翻倒的問題，而且桃樹之間的距離保持在2 m~3 m，桃樹的樹冠一般會修剪為球形，造成樹與樹之間的行距縮小，大中型機械難以通行。桃園為了防止果實被偷，一般會用鐵網(wǎng)將果園包圍，只在偏角處留有一個不易被發(fā)現(xiàn)的小門，而現(xiàn)有的桃子采摘機結構復雜，配有多個驅動電機，導致裝置體積過大，無法在果園內通行和正常作業(yè)。比如現(xiàn)有的全自動可避障蜜桃采摘機具有自動避障功能，但是該采摘機的底盤共配有11 臺電機提供動力，采摘機的體積過大無法進入果園。還有現(xiàn)有的五自由度蜜桃采摘機器人也需要多臺電機提供動力，并且該機器人所設有的槽不能存儲足夠多的果實，作業(yè)人員需要不斷進行果實的移送，這將導致果實的磕碰問題嚴重。

4.2 經(jīng)濟實惠性差

平邑桃園的種植戶大多以家庭為單位，大型桃園數(shù)量很少。此外平邑縣無大型企業(yè)，工業(yè)發(fā)展水平低，主要以林木業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品加工等小型個體工商戶為經(jīng)濟支柱，難有桃子代理采摘公司或機構，所以采摘機的價格不能太高，而這就要求采摘機械的制造成本不能太高。但是目前我國研發(fā)的桃子采摘機械臂需要很高的制造成本。而且機械臂中安有很多傳感器和智能設備[9]，需要計算機分析計算才可以完成自動功能，因此制造成本大大提高。尤其是基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法，該技術需要花費大量的資金購買相應的設備，這對我國目前桃園種植戶的經(jīng)濟能力來說遠遠不能達到要求，所以該技術難以推廣。

4.3 無法準確判斷果實的成熟度

桃子的成熟度無法單純通過顏色和大小進行判斷，尤其是平邑的黃桃和青桃，顏色在生長期間幾乎沒有變化，且存在果實以較小果形發(fā)育成熟的情況，所以現(xiàn)有的全自動可避障蜜桃采摘機采用傳感器通過桃子的顏色來判斷桃子是否成熟的方法并不可靠[10]。而半自動化五自由度采摘機器人通過人工判斷果實成熟程度，采摘效率低，勞動強度改善效果差，所以從總體來看，該采摘機器人對種植戶的吸引力不強[11]。雖然現(xiàn)有的基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法能夠達到較高的識別水平，但該方法在我國桃子采摘機械中應用很少，缺乏現(xiàn)實情況的檢驗，并且該方法只對一種水蜜桃的品種進行了數(shù)學建模，沒有對我國的大部分桃子品種進行研究，因此該方法并不夠成熟。

4.4 性價比低

我國現(xiàn)有的桃子采摘機械功能單一，只能實現(xiàn)采摘作業(yè)，但生產者如果想要獲得較高的產量的話還需要做好桃樹管理工作，這包括打頂、剪枝、抹芽和噴藥等[11]，而我國現(xiàn)有的桃子采摘機械并不能完成多種作業(yè)。而且桃子的采摘期較短，一般為8~9 天，機械的有效工作時間短，折舊成本高，因此機械的性價比不能滿足客戶的期望，上述問題都抑制了我國桃農購買桃子采摘機械的積極性，阻礙了我國桃子采摘機械的發(fā)展。此外，我國現(xiàn)有的桃子采摘機械可靠性不夠，機械的質量沒有經(jīng)過多重復雜環(huán)境的實驗，果實損壞率不能保證，且售后服務沒有保障，這也會降低消費者的購買積極性，使桃子采摘機械難以得到大規(guī)模推廣和應用。

5 一種桃子采摘機械方案

針對上述問題，本文提出了一種適于我國丘陵山區(qū)黃桃栽植模式的自走式采摘裝備的技術方案，其主要組成機構如下。

1）黃桃液壓采摘平臺，其設有作業(yè)站立桶、平行四桿機構、旋轉支座總成、旋轉升降液壓缸等。在液壓的作用下，作業(yè)站立桶能夠緊貼樹冠實現(xiàn)無死角的采摘作業(yè)，且在作業(yè)站立桶上設有柔性弧形軌道和控制平臺，實現(xiàn)果實的輸送和獨立操控功能。在柔性弧形軌道下方設有自動計量平臺和清選風機，使果實直接落入計量平臺上的容器中，并通過自動計量裝置實時檢測果實的總重量。當集裝箱內的果實達到預定的數(shù)值后，裝備會通過報警裝置發(fā)出提醒，因此能夠減少果實的裝筐次數(shù)并降低果實的碰撞概率，保證果實的采摘質量。

2）采摘平臺由旋轉支座總成安裝在由電力驅動的小型自動四輪車上，且旋轉支座總成與兩個液壓缸相連接，并由柔性弧形軌道上安裝的監(jiān)控系統(tǒng)達到避障的目的。

3）為提高桃子采摘的工作效率，該裝備可以設置兩個作業(yè)平臺分別安裝在裝備的兩側，并且兩個作業(yè)平臺之間能夠實現(xiàn)獨立的控制操作，實現(xiàn)工作過程中的互不影響。

4）該采摘裝備能夠靈活地進行改造，針對不同的地形可以將裝備的行走方式進行相適應的改變。對于地形較為平坦的平原桃園，采用效率高、靈活性大的輪胎式行駛系統(tǒng)；而對于地形更為崎嶇的丘陵山區(qū)，可以將裝備的行駛系統(tǒng)設計為半履帶式的，不僅能夠通過履帶提高裝備的穩(wěn)定性，提高裝備的爬行能力，而且還能通過輪胎提高裝備在交通道路的行駛速度。

該裝備的采摘桶不僅能夠緊貼樹冠進行升降運動，還可以進行旋轉運動，極適合桃樹的球狀修剪方式；采摘的果實經(jīng)過自動除雜后進入車載的容器內，達到既定的重量后可以自動報警，降低了采摘人員的勞動強度和果實的損傷率；驅動系統(tǒng)采用電動機和橡膠車輪，減小裝備的體積，并由自動監(jiān)控系統(tǒng)提供避障功能，實現(xiàn)了在丘陵山區(qū)的自動靈活行駛。

6 總結

目前我國有關桃子采摘機械的研究較少，且因為我國家庭聯(lián)產承包責任制和地形的影響，我國的桃園種植呈分散狀，大中型機械難以進行統(tǒng)一作業(yè)。本文概述了平邑桃園的桃子生產現(xiàn)狀，對我國現(xiàn)有的桃子采摘機械的基本情況及存在的問題進行了分析，提出了一種自走式多功能桃子采摘裝備。該裝備具有體積小、靈活度高、功能多、價格便宜等優(yōu)點，能夠得到較大范圍的推廣和應用。