菠蘿田間收獲裝備現(xiàn)狀及其短板技術分析*

劉維孟 ，李沐桐

（廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630）

菠蘿（Ananas comosus）作為一種重要的熱帶水果，其在全球范圍內的種植面積不斷擴大，市場需求也日益增長[1-3]。菠蘿的田間收獲是整個種植過程中至關重要的環(huán)節(jié)，直接影響到菠蘿的產量和品質。傳統(tǒng)的菠蘿田間收獲主要依賴人工勞動，然而隨著農業(yè)技術的不斷發(fā)展和進步，機械化收獲裝備逐漸應用于菠蘿種植實踐中。本文旨在全面分析菠蘿田間收獲裝備的現(xiàn)狀，并深入探討這些裝備存在的技術短板。通過對菠蘿田間收獲裝備的綜合分析與評估，為菠蘿種植者、農業(yè)科技研發(fā)人員以及相關產業(yè)的決策者提供有價值的參考，以促進菠蘿產業(yè)的發(fā)展和升級。

1 菠蘿田間收獲技術現(xiàn)狀

1.1 人工收獲方法

1.1.1 掰斷式采摘

人工摘取是常見的菠蘿田間收獲方式之一，它包括從莖稈上掰斷或輕輕摘取并扭轉果實，使果實與植株分離。人工摘取相比于切割方式能夠減少果實損傷，保持果實的完整性和高品質。然而，人工摘取方法卻也存在著勞動力成本高、效率低以及對勞動力技能的要求較高等局限性。為了提高收獲效率，減少勞動力成本，菠蘿種植者和農業(yè)科技研發(fā)人員正在探索機械化收獲裝備的應用。

1.1.2 刀割式分離

人工刀割法是一種常見的菠蘿收獲方法，主要是手工使用刀具將菠蘿果實從植株上割下。這種方法的優(yōu)點是簡單易行，不需要大量的設備投資。然而，人工刀割法也存在一些缺點。首先，由于人工操作的限制，收獲效率較低，無法滿足大規(guī)模種植的需求。其次，容易造成果實的損傷，降低菠蘿的品質和商業(yè)價值。最后，人工刀割法需要訓練有素的工人，增加了勞動力成本和人力資源需求[4-5]。

1.2 機械化收獲方法

傳統(tǒng)的收獲裝備多以喂入割臺、拉莖輥為核心部件，主要利用刀具、夾具或其他裝置將成熟的作物從植株上分離。收獲部件的工作原理通常基于機械運動和傳動系統(tǒng)，通過控制切割或摘取過程的力度和速度來實現(xiàn)收獲。雖然目前全世界尚未有成熟的、適用于菠蘿的專用收獲裝備，但農業(yè)科技領域的研究人員和工程師們正在積極探索機械化收獲菠蘿的解決方案。

目前，國外多數(shù)菠蘿采收裝備以人工輔助輸運為主，主要為可收展式大型輸送裝備，如美國Dole 公司配套的田間臂式收獲平臺，主要用于在人工采摘后輔助采后的果實通過傳送帶輸運至運輸車內，進一步提高收運效率；日本ATEX 公司研制的高床引擎搬運車，針對菠蘿收獲轉運環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了履帶軌距和平臺高度可調節(jié)的功能。大型田間運輸分流裝備和日本高床引擎搬運車分別如圖1、圖2 所示。總之，國外對于菠蘿收獲裝備的研制較少，由于菠蘿集中在亞熱帶地區(qū)種植，主要以哥斯達黎加、巴西、菲律賓、泰國、印度尼西亞、尼日利亞居多，我國種植面積在世界排名第八，多集中在廣東、海南、云南、福建、臺灣省，墨西哥、哥倫比亞等國家也有一定的種植規(guī)模，但對于收獲裝備而言，目前均無可參考的前沿技術，更多要依靠我國擔任菠蘿收獲裝備和技術發(fā)展的引領者。

圖1 大型田間運輸分流裝備

圖2 日本高床引擎搬運車

國內菠蘿/鳳梨的主要種植區(qū)域集中在廣東湛江，目前仍以人工采摘為主，多通過折斷、切割方式完成采收動作，再搬運至指定裝卸點轉運，近年來，一些高校和科研院所已開展了一些關鍵技術和收獲裝置的研究與試驗，如華南農業(yè)大學的劉天湖等[6-7]研制了多柔性指滾筒菠蘿采收機構，如圖3 所示，模擬人工采收方式形成折斷力矩使水果與植株分離，但其強制喂入的方式易造成莖稈和果實底部的芽苗損傷，還不能實現(xiàn)成果轉化。廣東省現(xiàn)代農業(yè)裝備研究所為滿足田間采后轉運作業(yè)，研制了7YLZG 履帶自走式高床作業(yè)機[8]，其具備履帶變軌和平臺地隙可調功能，已批量化投入市場應用，為滿足菠蘿采收裝備的行走運輸需求奠定了重要裝備載體基礎，如圖4 所示。在此基礎上，李沐桐針對菠蘿果-柄分離機理研制了一種氣動剛柔組合式的菠蘿抓取末端裝置，配合協(xié)作手臂可實現(xiàn)仿人工“掰斷式”采摘作業(yè)，如圖5 所示；同時，設計了“一種用于仿田間菠蘿生長姿態(tài)的植株固定試驗臺架”和“菠蘿果實斷裂扭矩試驗裝置”相組合的試驗平臺，并通過果-莖斷裂試驗研究了果實斷裂扭矩變化規(guī)律，獲得了最佳斷裂方式和條件，解決了田間菠蘿種植周期長、試驗開展困難且緩慢的問題，創(chuàng)制了室內全天候采收試驗平臺，如圖6 所示。仲愷工業(yè)工程學院的張日紅等[9-10]研制了一種菠蘿自動采摘機，如圖7 所示，采用自適應導向菠蘿采摘器和壟線自主跟蹤導航相結合的技術方案，但其主要依賴于對行控制的準確性，而且作業(yè)效率低、易傷芽苗，還不具備熟化落地的條件。中國熱帶農業(yè)科學院的鄧干然研制了人工輔助式半自動機械化采收平臺，如圖8 所示，在一定程度上降低了勞動強度，提高了采摘效率。綜上所述，目前對于菠蘿的采收關鍵技術已經具備了一定的研究與試驗基礎，主要以一些高校的理論模型、組合收獲裝置為代表，但還未形成可落地的成熟裝備，還需要集中力量突破技術瓶頸，形成可轉化的實用成果。

圖3 多柔性指滾筒菠蘿采收機構

圖4 7YLZG履帶自走式高床作業(yè)機

圖5 氣動剛柔組合式的菠蘿抓取末端裝置

圖6 菠蘿果-莖斷裂試驗平臺

圖7 菠蘿自動采摘機

圖8 輔助式半自動機械化采收平臺

2 短板技術分析

菠蘿田間收獲裝備在實際應用中存在一些短板技術，這些技術限制了其效率和適用性。本節(jié)將詳細討論菠蘿田間收獲裝備的短板技術，并從效率和適用性、損傷率、成本和維護困難性等方面進行分析。

2.1 行走底盤適應性差

菠蘿種植通常在多種地形條件下進行，包括平地、丘陵和山區(qū)。在緩坡丘陵地帶，地形起伏較大，地面可能不平整，存在斜坡、凹凸等不規(guī)則地形，這對行走底盤的穩(wěn)定性和機動性提出了挑戰(zhàn)。一些裝備可能在斜坡上行走時出現(xiàn)不穩(wěn)定或行走困難的情況，無法保持良好的平衡，影響了裝備的操作和收獲效率。一些機械化收獲裝備的行走底盤設計可能無法適應緩坡丘陵地帶的復雜地形。此外，緩坡丘陵地帶的地面可能具有較高的摩擦力，對行走底盤的牽引和推動能力提出了要求，一些裝備的行走底盤設計可能無法提供足夠的牽引力，導致其在復雜地形中移動困難或滑動[11]。

因此，為了提高菠蘿田間收獲裝備在緩坡丘陵地帶的適應性，需要改進行走底盤的設計，這可能包括增加底盤的穩(wěn)定性和機動性，提高牽引力和推動能力，以應對復雜地形的挑戰(zhàn)。同時，進行地形調查和預先規(guī)劃也是重要的，以確保裝備能夠在特定地形條件下進行高效的收獲操作。通過技術創(chuàng)新和裝備改進，可以逐步解決行走底盤在緩坡丘陵地帶的適應性問題，提升菠蘿田間收獲裝備的整體性能和可靠性。

2.2 效率和適用性低

菠蘿果實在尺寸和形狀上存在較大的差異，這對收獲裝備的適用性提出了挑戰(zhàn)。一些收獲裝備可能難以適應各種尺寸和形狀的菠蘿果實，導致收獲效率的降低和操作困難。此外，相對于人工收獲，當前的機械化收獲裝備在收獲速度上仍然存在短板。這主要是由于機械化裝備的操作和移動速度相對較慢，無法快速處理大量的菠蘿植株。

2.3 損傷率較高

由于菠蘿果實的外皮較硬，若操作不當或機械裝備設計不合理，容易導致當前的收獲裝備在收獲過程中對果實造成較高的損傷率。這些損傷可能包括果皮劃痕、果肉壓碎或破損等，從而降低菠蘿的品質和商業(yè)價值[12]。

2.4 成本和維護困難性高

機械化收獲裝備的購買和安裝需要較高的投資成本。對于小規(guī)模種植者而言，這可能成為一項經濟負擔，限制了此類裝備的普及和應用。收獲裝備在使用過程中可能需要定期維護和維修，然而，由于技術復雜性和維護部件的可獲得性等問題，裝備的維護和維修可能具有一定的困難性，增加了運營成本和時間成本。

現(xiàn)階段，對于果蔬作物類的經濟作物，國內收獲機械有著良好的技術基礎和實踐經驗，此外，根據(jù)菠蘿的生長特點及相關物理特性，設計出的喂入式割臺裝置，是目前提高收獲效率的重點，在作業(yè)形式上將逐步引入半喂入、全喂入式收獲裝備。隨著技術體系的改進與完善，相關附屬產物（地上莖、莖葉等）可以被分選集中，作為可再生資源逐漸投入多方面的綜合利用環(huán)節(jié)中。總而言之，菠蘿的大面積田間采收裝備研發(fā)應以點（單株試驗）—線（多行作業(yè)）—面（高速作業(yè)）的趨勢進行，逐步提高割臺收獲可靠性，向寬幅、高效、高適應性、精細化的趨勢發(fā)展。

3 現(xiàn)存問題與未來展望

3.1 提高采摘收獲裝備可靠性

當前的菠蘿收獲方式與采摘手段主要是人工田間采摘，對于國內的菠蘿收獲裝備的研究現(xiàn)狀而言，其主要是沿著基于機器視覺識別平臺逐步研發(fā)采摘機械手臂的路線發(fā)展，近年來大多科研人員及學者的研究與分析都主要致力于該方向。但對于目前技術體系尚未成熟的單株仿生采摘機構的基礎研究，屬于未來的精準農業(yè)范疇，對于市場經濟的促進與發(fā)展，并不能在短時間內解決具體效率問題；此外，考慮到田間實際作業(yè)環(huán)境的復雜性與多變性，機器視覺、圖像處理等識別技術多受氣候、時間等因素影響，而隨著未來無線數(shù)據(jù)網絡傳輸技術的飛速發(fā)展，多種傳感技術將擁有巨大的適用潛力，例如熱紅外傳感、激光測距、雷達超聲波定位技術等，其極有可能是高速精準采收效率瓶頸的重要突破點。

3.2 擴大田間運輸裝備覆蓋面

近年來，國內菠蘿田間采收運輸設施已有了初步的改進，由傳統(tǒng)人工為主的采集裝車作業(yè)逐漸過渡到了運輸車的引進與使用。國外發(fā)達國家雖然使用了大型運輸工具，卻也并非為菠蘿采摘、運輸?shù)膶Ｓ脵C械。整體而言，國內外在運輸設施的投入成本上進行了有效的縮減，但在目前田間小區(qū)域分散采集方式的效率和規(guī)模上仍有待提高。

依據(jù)菠蘿收獲期生長形式的特點，運輸車需逐步改進，解決通過性差、穩(wěn)定性低的問題，對于不同生長環(huán)境的地理因素（如坡地、丘陵、濕地、沙土等多種地形特點），研制多功能型、高適應性的運輸車。此外，建議在大型菠蘿種植基地建立集中型、規(guī)模化的機械運輸管理設施，旨在降低人力投入的同時，提高綜合管理水平。

4 結論

綜上所述，目前全球尚未有針對菠蘿的專用收獲裝備，機械化收獲仍面臨一些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的人工摘取和切割方法效率低且勞動密集，當前的機械化裝備在適應性、損傷率和成本等方面也存在一些技術短板。盡管如此，農業(yè)科技的不斷進步和創(chuàng)新為人們不斷帶來希望，針對這些短板技術的改進和優(yōu)化將推動菠蘿收獲裝備邁向更高效、更智能、更可持續(xù)的方向，加強與農業(yè)生產實際需求的結合，以實現(xiàn)菠蘿產業(yè)的持續(xù)增長和繁榮。