冬棗果實特性及機械化采摘現狀研究*

徐慧群，李陽，張建軍

(青島理工大學機械與汽車工程學院，山東青島，266520)

0 引言

冬棗(winter jujube)為鼠李科棗屬冬棗(Ziziphusjujuba cv.Dongzao)植物的果實，是我國特有的品種[1]。7000多年前，我國就有地區開始栽種棗樹；2000年前的漢朝，秦嶺淮河以北開始形成種植區[2-4]，并逐漸傳入如韓國、印度和中東等[5]周邊國家。據中國棗研究中心調查結果表示[4]，現階段棗種植面積達到3 000 khm2，產量達9 000 kt，棗產量占世界的98%左右，棗樹種植面積占世界棗屬果樹的80%以上[6]。鮮食類冬棗一般種植在山東、河北、陜西等地[7]，近年來我國南方的浙江、四川等地陸續引種并獲得成功。冬棗采收中存在限制較多，如種植模式、冬棗品質等因素使得機械化采收難度大增。

冬棗采收作業具有采收次數多、時間短、用工量大、勞動強度高、機械化程度低、受天氣影響程度大等特點。冬棗采摘依靠人工作業，雖然目前存在輔助冬棗采摘設備，但在種植地區并未實現應用推廣。冬棗采收機械化有利于節省棗農的采收時間和成本投入，降低因天氣造成的損失，因此未來機械化采收冬棗是必然趨勢。本文首先介紹國內外的采摘試驗，包括果樹的振動頻率、冬棗脫落規律、果實的物理特性等因素，然后對比分析國內現有的棗采收設備研究，從工作原理、作業特點、存在缺陷等方面進行分析，最后提出冬棗機械化采收的存在問題及未來展望，為冬棗采摘機械的研發提供參考。

1 國內外采摘研究

1.1 國外采摘研究

林果機械采摘技術最早起源于國外，從20世紀40年代諸多學者就展開了采收技術的研究。Adrian等[8]率先提出振動收獲的基礎理論，將滑塊曲柄機構和反向旋轉的不平衡質量組件進行對比試驗，表明在一定的振幅下兩種振動機構均可實現果實收獲。Lenker等[9]以柑桔樹為試驗樣本，測定了在3.3～8.3 Hz頻率下，樹枝直徑為8.89～18.29 cm 的枝條的振動特性，表明樹枝位移、表觀剛度、相位角與激振力的大小和頻率有關。Whitney等[10]通過激振裝置對柑橘樹干施加不同頻率，發現樹干直徑越大，振幅越小，果實采收率越低。Horvath等[11-12]通過建立梅樹模型，劃分根部—土壤部分、樹干-樹枝部分、樹冠部分三個系統，指出樹干處的振動點離地面越近，土壤吸收的振動越大，此時的模型不能視為單純的懸臂梁進行等效分析。Castro-García等[13]以對樹干施加振動激勵的方式測定了橄欖樹的阻尼比、固有頻率，并表明一些樹枝與樹干的搖擺相對獨立，這被稱為結構阻尼。

進入21世紀，許多學者運用有限元建立簡化的樹果模型，分析其動力學特性，再通過試驗對比驗證。如Savary等[14]使用SolidWorks對柑橘樹建模，并使用Ansys進行仿真，對比在仿真和試驗情況下的加速度，二者結果吻合。Tinoco等[15]基于咖啡樹建立果實—果柄系統模型，并通過有限元分析得出不同成熟期果實的前20階固有頻率及振型，并指出一定范圍內，與自然頻率相關的模態可能促進果實與果柄的分離。

綜上所述，振動收獲林果是可行的，果實的脫落不僅與頻率、振幅相關，且不同品種的果實脫落時所需的頻率范圍也不同。此外，在設計收獲機械時，還需要考慮振動點的選擇以及果樹的結構阻尼，樹干或樹枝的振動傳遞至果實，使果實模擬自然頻率產生加速度，是可以實現果實與果柄的分離。

1.2 國內采摘研究

冬棗采摘設備大多是根據經驗選擇的參數進行設計，如振幅、頻率。然后通過田間試驗來檢驗設備的合理性以及所能達到的采收效果，如采凈率、損傷率、采收效率等指標。近年來，針對棗類果實采收的研究較多，其中有關冬棗的研究多是振動收獲機理。部分企業或研究機構設計了有關棗的機械收獲標準，如國內某公司發布的紅棗收獲機企業標準Q/CPXDN017—2015可以作為借鑒。

1.2.1 果實脫落參數

針對果實脫落參數的研究主要有兩種方法：一種是利用加速度傳感器或拉力計實測，如李忠杰[16]采集新疆冬棗為樣本，測定冬棗果柄處分離力。彭俊等[17]采集大荔冬棗為樣本，利用數顯式推拉力計SH-10測定了冬棗的果實與果柄(果—柄)的分離力，和樹枝與果柄(枝—柄)的分離力，測試結果如表1所示。

表1 冬棗果實物理參數Tab. 1 Physical parameters of jujube

另一種是高速攝影計算法，傅隆生等[18]用高速相機記錄了冬棗果實在15 Hz、20 Hz、25 Hz頻率下的運動軌跡，分析出果實的速度和加速度隨著振動頻率的增大而增大；脆熟期果實的平均分離力略小于白熟期果實。

1.2.2 果實跌落與壓縮特性

收獲損傷一直是制約林果業機械收獲的瓶頸之一，收獲損傷包括：果實下落過程中是否會與樹枝發生碰撞產生損傷、果實進入收集裝置時的損傷、果實間相互撞擊損傷、果實運送中發生的損傷。有學者對果實的壓縮特性和跌落特性參數進行了研究，有利于設計中減少棗果在收獲、分選及裝箱過程中的損傷。

彭俊等[19-20]采用萬能實驗儀HY0580測定不同成熟度下的冬棗物理特性，指出跌落高度、接觸材料與果實成熟度存在顯著關系，參數如表2所示。白熟期果實最大應力普遍高與脆熟期果實；同一接觸材料下白熟期果實的安全跌落高度普遍高于脆熟期果實；同一成熟度下，接觸材料的彈性模量越小，冬棗的安全跌落高度越高。

表2 冬棗不同成熟度下最大應力與彈性模量參數Tab. 2 Parameters of maximum stress and elastic modulus of Jujube at different maturity MPa

1.2.3 振動頻率范圍

李忠杰[16]通過有限元建模與仿真分析，得出冬棗樹的固有頻率為12 Hz、17 Hz、19 Hz，此時的棗樹能產生較大的振動加速度；隨著振動頻率的增加，速度和加速度也隨之增大，15 Hz頻率下采凈率最高，且頻率越大，果實脫落時間越少，但頻率達到20 Hz后，增加頻率對果實脫落時間無顯著影響。彭俊等[17]采用頻譜分析方法，得出冬棗果樹前三階固有頻率的頻率范圍為5～25 Hz；當樹枝共振頻率為12.5～17.5 Hz之間時，脆熟果實脫落率最大。

值得關注的是，李忠杰發現棗樹的各個枝干間存在一定的獨立性，對樹干施加激振并不能引起所有枝干的振動，且枝干上不同位置的冬棗所產生的響應速度也不同。而王長勤[21]在試驗后指出，對冬棗樹施加激振的夾持會對樹干產生一定的影響，雖無明顯破損，但激振頻率越大，夾持處痕跡越明顯，夾痕如圖1虛線所示。

(a) 10 Hz

(b) 15 Hz

(c) 18 Hz

(d) 20 Hz

綜上所述，通過對國內冬棗果實脫落研究分析與整理，得出冬棗脫落時所需要的振動頻率、振幅、加速度以及冬棗的物理特性參數等關鍵信息，為實現機械化采摘不同成熟度的冬棗提供數據支撐。另一方面，李忠杰的試驗結論與Castro-García相互印證，說明了樹干與枝干之間的確存在一定的獨立性，這表明在設計冬棗采摘機械時，夾持機構的合理性和振動點的選取是關鍵。此外，在收獲過程中冬棗極易受損，這也大大增加了冬棗機械收獲的難度，如何無損收集脫落的冬棗是設計冬棗采摘機械的一大難題。

2 國內外收獲機械研究現狀

目前，人工敲打樹枝和收集掉落的紅棗，仍然是一些地區如伊朗、新疆的傳統收獲方法，而沾化、大荔等冬棗種植地區全部由人工采摘，區別在于冬棗比紅棗更易受損，所以紅棗的收獲方法所用于冬棗時可以作為借鑒但不可完全照搬。此外，采摘平臺的出現，雖然免去了人工采摘時上下梯子的過程，保證了采收作業的安全性與便利性，但并未從根本上解決人工用量大的問題。山東理工大學所設計的冬棗輔助采摘平臺如圖2所示。

圖2 冬棗輔助采摘車

雖然國外采收機械研究較早，但中國棗類種植區占世界棗類的98%，所以國外少有棗類收獲機械的研究。在現有采摘設備的研究中，振動式是應用最廣泛的采摘方式。其原理是振動機構作用于樹干或樹枝，產生的振動傳至果實，當果實所受的力大于果實與樹枝的結合力時，果實會在結合力最小處發生脫落，達到振動采摘效果[22]。若按動力源、作用方式及主要結構可以分為氣力式、樹干振動式、樹枝疏刷式、剪切式和采摘機器人。

2.1 氣力式

氣力式振動收獲機是出現最早的林果收獲機之一，主要有氣吹式和氣吸式兩種。二者均是通過風機產生的氣流使得果實掉落，不同的是氣吹式是將氣流吹出，棗樹的枝干與果實在氣流的作用下產生加速度，繼而實現果實掉落，而氣吸式則是將封閉的腔體結構產生負壓，進而將棗吸入完成采摘。

2013年，郭文松等[23]研發一種高速高壓脈沖氣吹式紅棗收獲機，如圖3所示。工作前先通過液壓裝置調節設備高度，使設備整體能夠跨在紅棗樹上方；工作時，高速風機與出風口處的搖擺機構相配合能夠產生高速脈沖氣流，在氣流的作用下使紅棗掉落。設備的工作過程中與樹無接觸，果樹無機械損傷是其優點。但是其跨在紅棗樹上的作業方式使得該設備體積龐大，同時意味著種植的棗樹不能過密、過高。其次氣流的運動是不可控因素，會存在棗飛出范圍落到地上的情況。

圖3 一種高速高壓脈沖氣吹式紅棗收獲機

2.2 樹干振動式

樹干振動式是應用最早的收獲方式之一。其原理是振動裝置對樹干施加振動，果樹受迫產生的慣性力是果實從果樹枝上分離的主要動力。該收獲方式多用于樹距較大的傳統種植區。

2007—2009年，新疆農墾科學院機械裝備研究所[24-25]為新疆紅棗研制了4YS-24紅棗收獲機。該裝置由一臺牽引拖拉機、機架、振動裝置和液壓控制系統組成，如圖4所示。該設備通過液壓系統控制卡鉗靠近并夾持樹干，液壓馬達驅動偏心振動機構產生振動，棗樹樹干的振動傳遞至果實實現掉落。經試驗，該收獲機每小時收獲76棵樹，采凈率達到90%以上，爛果率低于0.2%。4YS-24型紅棗收獲機主要用于收獲種植模式為4 m×3 m，樹干直徑8～22 cm的傳統紅棗種植園，這就意味著該設備并不適合矮化密植的種植園，其結構形式也決定了其龐大的體積，在棗樹之間移動存在一定困難。因此，對于矮化密植的種植園，一種體積更小、功能更強大的新設備。科學院表示：在正確操作的前提下，對果樹沒有任何損傷，經觀測，果樹第二年的掛果率沒有影響。

2016年，Torregrosa等[26]為解決路邊觀景柑橘樹果實掉落問題，設計了樹干振動式的采摘器，工作原理與4YS-24相似，將采摘器與柑橘樹干形成剛性連接，液壓馬達驅動偏心輪產生振動，實現柑橘振落。2016年該設備在測試的13棵柑橘樹中分離了80%的果實；2018年該設備進行了改進，對相同的13棵樹進行測試，分離了81%±9%的果實；2019年分離了85% ±10%。得益于活動手指上裝有6 cm厚的橡膠墊，所以沒有樹干斷裂或死亡情況，個別出現了樹皮開裂的情況。測試的13棵柑橘樹已經收獲三年(2017年、2018年、2019年)，沒有發現任何問題。

(a) 4YS-24紅棗收獲機主視圖

(b) 4YS-24紅棗收獲機振搖裝置

2.3 樹枝梳刷式

樹枝梳刷式的原理與樹干振動式類似，但作用位置不同。樹枝梳刷式是通過刷狀激振裝置對樹枝的作用，模擬人工敲打樹枝，將果實振落或刷落。

2014年，郭志東[27]發明了一種氣吸梳刷式冬棗采摘清選收獲機。該設備上的風機將冬棗的果柄由下垂狀態變為水平狀態，操作員將采摘梳靠近冬棗，在液壓馬達的帶動下冬棗被采摘梳的摘下，經輸送袋落入收集箱。該設備雖然能明顯提升效率，有效處理位于設備兩側的枝干上的冬棗，但對于樹頂處、樹干處的冬棗存在行動不便的問題；由于采摘梳與果實之間存在接觸，存在冬棗及枝條會受到損傷的風險。

2012年，范修文等[28]針對傳統紅棗種植設計了一種棒桿式紅棗采摘機，該設備由拖拉機為載具提供動力，帶動工作桿水平旋轉敲打紅棗樹樹枝，實現紅棗振落收獲。由于設計的裝置對稱分布，能夠實現兩行棗樹的一側收獲，且內部裝有調整裝置，以適應不同樹高。試驗指出工作桿的轉速至少為54 r/min時能實現較高的采凈率。如果轉速過高，果實的掉落更加分散，對后續收集造成困難。

2014年，何榮[29]設計了自走式矮化密植紅棗收獲機，如圖5所示。該設備針對南疆紅棗矮化密植的種植特點，機架采用龍門式結構，工作時先調整設備高度，扶植器將棗樹枝喂入激振裝置，使設備跨在果樹上，內部的激振裝置通過往復運動作用于樹枝，紅棗在樹枝傳遞的激振力作用下實現脫落，外圍裝有鋼絲網以防外濺，紅棗經集果輸送裝置，傳送到集果箱。由于矮化棗樹樹冠限制不超過1.0 m，撥桿長設定530 mm，直徑15 mm，一次行進工作即可完整收獲一行棗樹。經仿真分析與試驗比對，二者結果擬合較好，最終采凈率為93.8%，損傷率為2.8%。以國內某公司發布的紅棗收獲機企業標準Q/CPXDN017—2015為依據，指出當偏心塊轉速600～900 r/min時，作業能夠實現收凈率>95%，損失率<5%的要求。

圖5 自走式矮化密植紅棗收獲機

2.4 剪切式

剪切式冬棗采摘器是模仿人工采摘時將果柄剪斷的情形而設計的。目前的沾化、大荔地區的冬棗種植主要是分散栽培、分戶管理的種植方式，其特點是種植規模小，棗樹種植密集矮化。再加上冬棗收獲工作的復雜性，與現有采摘機械的智能化水平達不到農業生產要求等原因，所以大型機械采摘設備在此形式下難以適用。因此，為實現高效、通用、簡易、低成本的采摘技術，半自動輔助采摘設備成為了目前采摘器的一個研究方向[30]。

2014年，孫金華[31]設計了一款便攜式冬棗采摘機。采摘機主要由采摘工具和運輸板車組成，采摘工具根據果實的高低選擇長短，電機帶動高枝剪刀剪斷果柄，果實脫落進入網兜，網兜里的果實由板車運輸，設備的動力由電瓶提供。2015年，段文婷等[32]設計了一種電動機械式采摘器。該采摘設備集切割、收集于一體，電機上安裝的刀片能輕易切斷果柄，水果掉落在果籃中，完成一次采摘過程。郭曉鵬等[33]設計了一種鋸齒狀冬棗采摘裝置，其刀頭由兩片鋸齒狀刀片組成，電機帶動其中一個刀片做往復運動，能夠將任何落入刀齒間的果柄切斷。尹魁林等[34]設計了一種冬棗采摘裝置，刀頭對準冬棗，開關控制采摘刀頭的開合剪斷果柄，冬棗落入采摘桿上的緩沖袋，經輸送管進入分選槽。

這類剪切式半自動機械采摘設備雖然體積小巧、靈活度高、操作簡單、成本低，能夠在一定程度上提高采摘效率，處理如樹頂處、枝干間等位置的冬棗有一定的優勢。但是缺點也很明顯：需要人工對準冬棗、切割裝置外露、每次只能對一個目標作業，尤其是在處理距離較遠的目標時效率會大大降低，外露的切割裝置也存在損傷冬棗的隱患。

2.5 采摘機器人

采摘機器人主要由定位機構、末端執行機構、傳感器系統、視覺識別系統和行走裝置等系統組成。末端執行器是位于采摘機械臂最前面，用于目標摘取的關鍵裝置。目前世界上研制的自動采摘機器人的末端執行器裝置有多種多樣，主要包括圓柱筒類、吸盤類、抓取類等，主要的分離方式包括：扭斷分離、拉斷分離、剪斷分離等。

1983年第一臺采摘機器人[35]在美國誕生，經過近40年的發展，以日本為代表的發達國家，包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼試驗成功了多種采摘機器人[36]，如蘋果、柑桔[37]、番茄[38]和草莓等果實采摘的具有人工智能的機器人。高垚垚[39]針對靈武長棗研制了采摘機器人，該機器人不僅能夠識別定位出靈武長棗，還可以檢測靈武長棗的成熟度。其采摘裝置為抓取類拉斷分離式末端執行器，由10個夾取單元組成，每個夾取單元有兩個手指，手指內側裝有軟質橡膠，以減少夾取損傷。

采摘機器人是近幾十年新興的研究方向，它的出現能極大程度上的實現自動化收獲，尤其是需要繁重的人工收獲作業，采摘機器人能夠大幅減少人力投入。采摘機器人實現自動化機器采摘的重點和難點在于末端執行器的設計，作業環境與對象的不可控性、隨機性，使得末端執行器必須具有明顯的特殊性的要求。因此，要實現冬棗采摘機器人的自動化采摘，還有很多因素需要考慮。

3 存在問題與展望

冬棗采收機械化還處于起步階段，采摘與收集時的品質保證是實現其機械化采收發展的瓶頸之一。目前國內存在許多有關冬棗的研究與收獲機械專利，但應用到實際生產中卻寥寥無幾。現有機械足以實現冬棗的采摘，難點在于適應當地種植模式的情況下保證冬棗品質。冬棗間相互碰撞是否會產生損傷、冬棗掉落間是否會與樹枝產生碰撞損傷、冬棗收集時是否會產生損傷、冬棗采收期間如何將損傷降低到最小等因素在設計時都需要進行考慮。隨著冬棗產量的不斷增加、人工不足和采收成本提高，有必要尋找實用的方法來加快采收。冬棗物理特性及其振落參數的測定能夠為冬棗采摘機械的設計起到關鍵的指導作用，尤其是振動采收，作為機械化采收的主流研究方向，有望實現未來冬棗的機械化、分層化、智能化采摘。

3.1 存在問題

3.1.1 振動式冬棗采摘機械

氣力式、樹干振動式、樹枝疏刷式在采摘方面有著不錯的效果，但其龐大的體積只能用于傳統寬距種植的棗園，并不適用沾化、大荔等地的密植棗園。此外該類設備還缺少收集裝置，用于冬棗采摘時勢必會導致大量冬棗產生機械損傷，如何將掉落的冬棗無損收集成為該類設備研究的一大難點。

3.1.2 剪切式冬棗采摘設備

該類采摘器體積小巧、結構簡單、成本低，在棗樹間作業有較強的通用性和操作性，能在一定程度上降低勞動強度。但其缺點也很明顯：操作輔助桿精準采集遠處冬棗的難度較大；切割裝置外露，存在觸傷冬棗的風險；每次只能對單個冬棗進行作業，整體效率的提高有限。

3.1.3 采摘機器人

目前采摘機器人雖然能夠實現無人采摘，但其從識別、定位開始，到采摘、安放，完成一次工作循環時間需要5～10 s。另外，機器人自動采摘存在的問題還有：一是末端執行器的結構樣式決定了采摘方式，在一定程度上影響了采摘的效率與損傷率，如管狀氣吸式的吸力大小或抓取式的加持力的設置；二是在自然環境的影響下可能會出現果實的識別定位出現偏差，致使采摘的過程中誤傷其他果實[40-41]；三是在自然環境下，成熟的冬棗紅綠相間，但未成熟的冬棗成青綠色與樹葉顏色相似，再加上樹枝、樹葉的遮擋、擺動影響，成熟冬棗的辨識精度會大大降低，執行機構也會受到限制。

3.2 未來展望

近年來智能農業逐漸成為研究熱點，農業總產值中的智能化機械所占比重不斷提升，水果產業作為農業中帶動經濟發展的重要產業，生產技術必然要不斷地發展才能適應農業的現代化轉型。一種理想的冬棗生產系統應該是采用機械高品質高效率的幫助人類完成收獲，而不是有大量的勞動力完成收獲工作。

1) 在通過性方面，設備體積的大小決定了其不同情況下的通過性能，在矮化密植的冬棗種植區，用于傳統種植的收獲機械需要大幅減小體積，保證在矮化密植的棗園里有較強的通過性能。

2) 在提高采收效率與智能方面，考慮到各地區冬棗種植情況的不同、修剪技術的差異，在保證冬棗采摘設備進行收獲生產的基礎上，配合后期修剪進行樹型調整，方便冬棗采摘機的作業；另一方面，優化機械操作參數減少工序，提高采摘機智能化程度，附加諸如自走機構、稱重計數或自動大小分級等人性化的輔助功能，方便操作之余解放更多勞動力，實現冬棗采收效率的提高。

3) 在冬棗采摘機械設計方面，堅持自主研發國產采摘機械與消化吸收國外先進技術相結合。如冬棗的脫離類型多是旋傾型，可以借鑒生長結構和脫離類型相似橄欖、開心果等果實的收獲機械及國內外相關研究。