蘋果機(jī)械化采收發(fā)展歷程、模式及其技術(shù)現(xiàn)狀

摘要：經(jīng)過近千年的進(jìn)化發(fā)展，蘋果伴隨著品種及樹形的改良，經(jīng)歷從自然熟落到人工采摘，從輔助工具、輔助收獲平臺(tái)、振動(dòng)撿拾到智能機(jī)器人采收的發(fā)展歷程及相應(yīng)的不同的機(jī)械化作業(yè)模式。介紹蘋果機(jī)械化采收的發(fā)展歷程及技術(shù)現(xiàn)狀、不同收獲模式下所使用的機(jī)具設(shè)備以及不同收獲模式所應(yīng)用的場(chǎng)景與條件，為我國(guó)蘋果主產(chǎn)區(qū)因地制宜地選擇適合當(dāng)?shù)靥O果收獲作業(yè)模式提供借鑒。如人工或機(jī)器人采摘適用于蘋果鮮售市場(chǎng)，非選擇性振動(dòng)撿拾收獲方式適用于蘋果的二次加工領(lǐng)域；而為提高機(jī)器人的作業(yè)效率，需要對(duì)蘋果樹的樹形進(jìn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化改良，需要考慮農(nóng)機(jī)與栽培農(nóng)藝的結(jié)合。

關(guān)鍵詞：蘋果；機(jī)械化采摘；采摘模式；采摘機(jī)器人

中圖分類號(hào)：S-1： S225.93： S233.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Development process， mode and technology status of apple mechanized harvesting

Abstract：

Over the last thousand years of evolution and development， with the improvement of varieties and tree shape， apple production has evolved in the development process from natural ripening to manual picking， from auxiliary tools， auxiliary harvesting platforms， vibration picking to intelligent robot harvesting and corresponding different mechanized operation modes. This paper introduces the development history and technical status of apple mechanized harvesting， the machines and equipment used in different harvesting modes， as well as the application scenarios and conditions of different harvesting modes， which provides reference for the selection of local apple harvesting modes according to local conditions in Chinas main apple production areas. For example， manual or robot picking of apple is suitable for the fresh market use of apple and non-selective vibration picking and mass harvesting machines such as a limb shaker， trunk shaker， rotating beater bars， and pick-up-machine are only applicable for processing apples， such as apple juice， jams， or apple pies. In order to improve the working efficiency of the robot， it is necessary to simplify and improve the structure of the apple tree， and consider the combination of agricultural machinery and cultivation agronomy.

Keywords：

apple; mechanized harvesting; harvesting modes; harvesting robot

0 引言

蘋果起源于歐洲中部、東南部、中亞細(xì)亞乃至我國(guó)新疆一帶。中國(guó)蘋果，古稱柰（最早見于西漢司馬相如《上林賦》），從有文字記載起，至少有2200多年的栽培歷史［12］。

目前，世界生產(chǎn)蘋果的國(guó)家有80多個(gè)。中國(guó)是世界上蘋果產(chǎn)量第一大國(guó)，主要產(chǎn)地有遼寧、山東、陜西、新疆、河南等地。美國(guó)是世界上蘋果第二大產(chǎn)量國(guó)，有32個(gè)州種植蘋果，品種超過100種，種植面積約130khm2，平均每年產(chǎn)量約6530kt，產(chǎn)值50億美元，產(chǎn)量1/3出口，每年出口到墨西哥和加拿大產(chǎn)值為4.5億美元。蘋果是美國(guó)消耗量第一的水果，鮮售占67%，33%加工為果汁和蘋果食品。

因此，蘋果根據(jù)收獲后用途不同，是鮮售還是加工成果汁、果醬、醬油調(diào)味原料、蘋果片、蘋果派等，以及當(dāng)?shù)氐姆N植規(guī)模、地形情況、經(jīng)濟(jì)條件等，蘋果收獲有不同的方式與模式，本文對(duì)此進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，論述其從人工收獲到目前機(jī)器人收獲的發(fā)展歷程。

1 人工+梯子采摘方式

蘋果最原始的收獲是果子自然熟落，然后是人工采摘，發(fā)展到借助棍子、梯子、籃子等輔助工具以提高收獲效率。

蘋果人工采摘可以最大限度地降低采收過程中對(duì)蘋果的損傷，但存在勞動(dòng)強(qiáng)度大，體力消耗大，重復(fù)性爬上爬下、采摘、搬運(yùn)等繁重工作，以及作業(yè)過程中意外出現(xiàn)的跌倒、碰傷等情況。到現(xiàn)代，規(guī)模化蘋果種植人工采收通常存在季節(jié)性用工量問題，用工成本也會(huì)隨當(dāng)?shù)貐^(qū)的發(fā)展不斷增加。

蘋果的人工采摘用時(shí)與蘋果樹型、產(chǎn)量以及果園情況有關(guān)。Verbiest等［3］通過一個(gè)3輪生產(chǎn)周期的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每公頃產(chǎn)量約為50t的高紡錘形樹型的Jonagold果樹品種，在其一個(gè)周期的生產(chǎn)過程中，總用工平均每公頃需要466h，其中采摘占總用時(shí)的67%，其余依次為修剪16%，疏花疏果7%，噴淋植保4%，其它工作占6%，因此采摘和修剪是用時(shí)占比最多的工作，而且需要在較短的時(shí)間段內(nèi)集中完成。

為了提高效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，解決人工采收中所存在的問題，逐漸出現(xiàn)了不同的收獲方式及其相適應(yīng)的機(jī)器設(shè)備，包括人工+輔助臺(tái)車、振動(dòng)撿拾收獲以及機(jī)器人收獲方式。

2 人工+輔助臺(tái)車采摘方式

傳統(tǒng)的人工+輔助臺(tái)車的采摘方式［56］：工人在采摘車上可方便地達(dá)到采摘蘋果的高度，隨車沿蘋果樹行前行過程中，將蘋果采摘到胸前掛著的袋（筐）中，采滿后，轉(zhuǎn)放到（倒入）臺(tái)車上放置的收集箱中。顯然，在規(guī)模化的果園中，移動(dòng)臺(tái)車的使用，大大降低了人工搬挪梯子、爬上爬下的采摘時(shí)間，提高了采摘效率。利用該運(yùn)輸臺(tái)車，還可以完成果樹的修剪、疏枝和整枝等作業(yè)。

為了進(jìn)一步提高采摘效率，改進(jìn)后的采摘輔助系統(tǒng)在原有的采摘臺(tái)車上增加了一個(gè)“蘋果氣吸系統(tǒng)”。該氣吸系統(tǒng)安裝有4個(gè)氣吸輸送軟管，軟管端部的蘋果收集袋綁縛在工人身上，工人采摘的蘋果被一個(gè)個(gè)地放入帶有密封蓋的收集袋中，通過氣吸軟管和一個(gè)旋轉(zhuǎn)的蘋果分配器，使蘋果均勻地鋪放收集到收集箱中。改進(jìn)后的帶有氣吸輔助系統(tǒng)裝備的采摘效率是傳統(tǒng)的無氣吸系統(tǒng)的2倍，4人一組收滿一收集箱只需15min，較原來用時(shí)減少一半。主要的原因是去掉了人工將采滿的小袋中蘋果轉(zhuǎn)放到大的收集箱中的過程，節(jié)約了時(shí)間。此外，改進(jìn)后的系統(tǒng)減輕了采摘者在采摘過程中的負(fù)重，胸前掛負(fù)的收集袋不再隨著蘋果采摘數(shù)量的增加而不斷增加重量。新系統(tǒng)需要解決的問題是減少噪聲，進(jìn)一步改善分配器在收集箱中鋪放蘋果的性能。

圖1所示為跟隨式水果收獲臺(tái)車［34］具有不同高度的蘋果收集輸送帶（鏈），工人很方便地站在地上和平臺(tái)踏板上作業(yè)，將不同高度的蘋果采摘后直接放入輸送帶中。4條（或多條）輸送帶收集到的蘋果，匯集到后續(xù)的輸送抬升鏈上，將蘋果連續(xù)不斷地輸送到后置的收集箱中或后掛的卡車箱中，收集滿后，收集箱或卡車通過公路運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。更多類型的輔助臺(tái)車可參見文獻(xiàn)［5］。輔助臺(tái)車的收獲方式顯然可以提高效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低人工收獲過程中可能出現(xiàn)的事故損傷，例如攀登梯子采摘時(shí)，梯子傾倒造成的人員事故。

使用可移動(dòng)的輔助運(yùn)輸平臺(tái)和收集箱的工作方式與傳統(tǒng)的使用梯子和人工搬運(yùn)收集箱的方式相比較，采摘收獲每公頃蘋果用時(shí)從312h可減少到216h，減少約30%用時(shí)［4］；工作效率則可以提高19%～67%［3， 6］。

3 振動(dòng)+撿拾收獲方式

采用振動(dòng)收獲的方式可以極大地提高收獲效率，但是在收獲過程中容易造成蘋果跌落、碰撞損傷，因此主要用于二次加工市場(chǎng)的蘋果收獲。振動(dòng)收獲的作業(yè)模式主要有兩種，一種是振動(dòng)、撿拾分段（兩段）作業(yè)模式；另一種是振動(dòng)收集一體式（shake-and-catch systems）作業(yè)模式。

半自動(dòng)化的人工手持式振動(dòng)采收設(shè)備及收集裝置［78］通過前端的V型鉤鉤住蘋果枝條，在往復(fù)振動(dòng)力作用下將蘋果振落下來，落入收集裝置中。振動(dòng)頻率通過調(diào)節(jié)輸入電壓在0～50Hz之間變化，振幅為3.2cm。手持式振動(dòng)采收設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作靈活方便，但在大規(guī)模收獲生產(chǎn)中還是存在很多問題，有待完善解決，包括半自動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)收集收獲系統(tǒng)［5， 9］。

全自動(dòng)懸掛式蘋果振動(dòng)收獲機(jī)如圖2所示，依靠前端的夾持機(jī)構(gòu)夾持住果樹樹干，通過往復(fù)振動(dòng)將果實(shí)振落于地面。后續(xù)的撿拾可采用圖3所示的機(jī)具進(jìn)行撿拾收集。撿拾機(jī)的前部左右各斜置一個(gè)蘋果收攏部件，其中連續(xù)旋轉(zhuǎn)的葉片可以將散落的蘋果撥動(dòng)歸攏集中成條帶狀，中間的撿拾臺(tái)將蘋果撿拾起來，通過輸送帶輸送到后置的收集箱內(nèi)。收集箱旁可站立一人，從事一些輔助性工作，將雜物、已壞的蘋果挑揀出去，將堆積的蘋果堆推平，使蘋果均勻布滿整個(gè)收集箱。

類似的產(chǎn)品還有自走式拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)的蘋果收集機(jī)，如圖4所示，通過柔性毛刷式旋轉(zhuǎn)盤和鏟狀擋板配合，將散落在地面上的蘋果歸攏到收集臺(tái)前撿拾收集起來，并在后續(xù)輸送過程中經(jīng)過初步清選后運(yùn)送到拖拉機(jī)后部懸掛的卡車中。拖拉機(jī)前部安裝有風(fēng)機(jī)吹嘴系統(tǒng)，通過吹嘴可以將地面蘋果中混雜的落葉等雜物在蘋果被撿拾收集前吹走，以減輕后續(xù)清選的負(fù)擔(dān)。

一次性完成振動(dòng)與收集作業(yè)的機(jī)具［10］如圖5所示，最早用于收獲甜櫻桃［11］，經(jīng)過改進(jìn)后，用來振動(dòng)采收蘋果。該機(jī)具由2個(gè)獨(dú)立的可駕駛行走的收獲臺(tái)組成，2個(gè)收獲臺(tái)要配合使用，用于樹型是“Y”型生長(zhǎng)的蘋果樹。收獲臺(tái)與地面成一定角度傾斜布置（45°，30°），以適應(yīng)“Y”型生長(zhǎng)的果樹枝條。收獲臺(tái)上的振動(dòng)器通過人工操作控制夾持住果樹枝條后，開啟振動(dòng)使蘋果振落到收獲臺(tái)上，帶凹槽的輸送帶沿收獲臺(tái)的傾斜面運(yùn)動(dòng)，將凹槽中的蘋果提升到收獲臺(tái)頂端后落入另外一條水平輸送帶上，此輸送帶長(zhǎng)度略長(zhǎng)于收獲臺(tái)的寬度，順著收獲臺(tái)寬度方向旋轉(zhuǎn)（與收獲臺(tái)凹槽輸送帶運(yùn)動(dòng)方向正交），將所有蘋果輸送到收集箱中。試驗(yàn)結(jié)果表明，蘋果振落率為95%以上，損傷率隨蘋果品種的不同而變化，最低6.8%，最高27.2%。

其他振動(dòng)收集系統(tǒng)的收集平臺(tái)還有扇形漏斗狀、可伸縮的平面形結(jié)構(gòu)等，如圖6所示，在此不再累述。

總體來講，振動(dòng)撿拾收獲方式由于在收獲過程中蘋果之間、蘋果與果枝間以及蘋果與收集器表面的接觸、觸碰、碰撞等損傷，造成后期貯藏易腐爛，貨架期短，不能滿足蘋果鮮售市場(chǎng)的要求。由此產(chǎn)生了選擇性收獲的蘋果采摘機(jī)器人技術(shù)。

4 機(jī)器人采摘+果樹樹形的改良

從20世紀(jì)80年代，機(jī)器人技術(shù)得到了快速發(fā)展。但是經(jīng)過幾十年的努力，水果收獲機(jī)器人系統(tǒng)依然不能滿足商業(yè)化的市場(chǎng)需求，除了本身技術(shù)的不足外，例如機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)果實(shí)的魯棒性差、機(jī)械臂收獲周期長(zhǎng)、采摘效率低等問題，更主要的原因是果園的非結(jié)構(gòu)性環(huán)境，果樹樹形的復(fù)雜性、個(gè)體差異大，水果果實(shí)形狀大小的不一致性，果實(shí)生長(zhǎng)分布的不均勻、簇?fù)砩L(zhǎng)，果實(shí)被遮擋，嬌嫩易受損等特性，制約了果樹采摘機(jī)器人的實(shí)用性。因此，有科學(xué)家進(jìn)行了果樹樹形的改良，尤其是蘋果樹，以期望新樹形不僅僅提高果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量，而是在形狀、大小、成熟方面的一致性，易采摘性方面，更利于機(jī)器人機(jī)械化采摘，利于采摘收獲效率的提高。與蘋果樹樹形這一農(nóng)藝參數(shù)相對(duì)應(yīng)，則出現(xiàn)了針對(duì)傳統(tǒng)樹形和改良后樹形的蘋果采摘機(jī)器人收獲系統(tǒng)。

4.1 傳統(tǒng)冠狀樹形采摘機(jī)器人

對(duì)于傳統(tǒng)的蘋果樹形，國(guó)內(nèi)江蘇大學(xué)研制出如圖7所示的5自由度機(jī)械臂的蘋果收獲機(jī)器人及其末端采摘手［12］。5自由度的機(jī)械作業(yè)臂包括操作臂整體的豎直升降（0～0.8m）、腰關(guān)節(jié)的水平旋轉(zhuǎn)（-180°～180°），大小臂的俯仰運(yùn)動(dòng)（-80°～80°）和手的伸縮運(yùn)動(dòng)（0～0.8m）。無調(diào)節(jié)末端機(jī)械手姿態(tài)的腕部旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。所設(shè)計(jì)的末端采摘機(jī)械手為手掌型的兩片狀（勺狀）夾指，其上裝有碰撞傳感器，位置傳感器、壓力傳感器以及一個(gè)高像素的彩色CCD攝像機(jī)。采摘后的蘋果放入手部下面懸掛的軟管收集到收集箱中。

4.2 果樹樹形改良后的新型采摘機(jī)器人

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)學(xué)者開始研究不同蘋果果樹樹形對(duì)蘋果機(jī)械化收獲過程中損傷和對(duì)收獲效率的影響。Diener等［13］則提出了蘋果樹搭架栽培方式，表明這種方式有利于機(jī)械化收獲蘋果，可提高收獲效率，降低對(duì)蘋果和蘋果樹的損傷。Tennes等［14］認(rèn)為在蘋果機(jī)械化振動(dòng)收獲過程中，下落的蘋果與傳統(tǒng)冠狀樹形（spindle-bush）多枝杈枝條的碰撞接觸是造成蘋果損傷的主要原因，從而提出了Y， T和double-T樹形結(jié)構(gòu)。此外，大規(guī)模種植的成排成行蘋果園，由于其傳統(tǒng)冠狀樹形造成蘋果在三維空間中的無規(guī)律生長(zhǎng)分布，也為機(jī)械化采摘帶來了極大的困難。

為了追求更高的收獲效率，降低采收成本以及在收獲過程中對(duì)蘋果的損傷，蘋果果樹的樹形改良為如圖8所示的“Y”、“V”和1字型（Ⅰ型）垂直墻樹形［8， 1517］。

果樹枝條不再像冠狀樹形那樣向四周肆意生長(zhǎng)，而是沿著搭架線橫向生長(zhǎng)，最后果樹樹形從三維冠狀樹形降為準(zhǔn)二維的垂直平面墻樹形（planar canopy），顯而易見更適合機(jī)器及機(jī)器人采摘，即使是人工采摘也是帶來極大便利，降低采摘難度，顯著提高采收效率，減低生產(chǎn)成本。針對(duì)V形樹形，華盛頓州立大學(xué)研究了一個(gè)7自由度、末端為3指夾持手的蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)［18］。該收獲系統(tǒng)整體收獲成功率為84%，平均6s采摘一個(gè)蘋果。機(jī)器視覺系統(tǒng)精準(zhǔn)定位一個(gè)蘋果的所需時(shí)間為1.5s。

華盛頓州立大學(xué)還研制了一個(gè)5自由度、末端為氣吸驅(qū)動(dòng)的柔性3指夾持手的蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)，如圖9所示，分別為系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、3指夾持手的三維結(jié)構(gòu)以及實(shí)際作業(yè)過程中對(duì)蘋果的夾持采摘［19］。該機(jī)器人系統(tǒng)中機(jī)械臂的5個(gè)自由度，分別為水平面X、Y方向上的平移以及其他3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，成功率為67%，每個(gè)蘋果從采摘下來到放入收集箱中平均用時(shí)7.3s。

澳大利亞莫那什大學(xué)研究出如圖10所示的蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)［20］，采用工業(yè)機(jī)械臂UR5（6自由度機(jī)械臂），末端連接軟性夾指式采摘器，共有2臺(tái)Intel RealSense RGB-D照相機(jī)，分別安裝在基座和末端采摘器上。通過系統(tǒng)Apple 3D Network（A3N）軟件模型，可以實(shí)現(xiàn)蘋果的識(shí)別定位、預(yù)估出每個(gè)蘋果抓取時(shí)姿態(tài)、規(guī)劃出機(jī)械手抓取蘋果時(shí)正確的路徑與角度，完成果實(shí)的精準(zhǔn)、安全采摘。系統(tǒng)在田間試驗(yàn)收獲成功率為70%～85%。

我國(guó)西北農(nóng)林科技大學(xué)集成開發(fā)了一個(gè)蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)垂直樹墻結(jié)構(gòu)的蘋果樹進(jìn)行了視覺識(shí)別定位與不同采摘模式的研究［21］，如圖11所示。該機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械臂采用xArm 5 Lite （5段式關(guān)節(jié)），末端手為帶有鰭紋的三指采摘手，視覺系統(tǒng)采用ZED雙目視覺傳感器。結(jié)果表明，仿人工采摘（anthropomorphic）和“水平拉彎”（“horizontal pull with bending”）采摘?jiǎng)幼鞣謩e用時(shí)3.13s和1.14s，整個(gè)采摘過程（一個(gè)采摘周期）用時(shí)分別約為17.17s和12.53s，采摘成功率分別為80.17%和82.93%。

不同于上述的多自由度機(jī)械臂機(jī)器人系統(tǒng)，美國(guó)密歇根州立大學(xué)研究出只有3個(gè)自由度的蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)［22］如圖12所示。該系統(tǒng)末端采摘器為一中空的鋁管，長(zhǎng)0.71m，直徑0.04m，同時(shí)作為真空負(fù)壓氣吸通道，其頭部安裝有一個(gè)硅樹脂材料制作的軟吸嘴。此采摘臂的移動(dòng)，分別為水平運(yùn)動(dòng)，俯仰和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。田間試驗(yàn)表明，識(shí)別定位出一張圖像中所有果實(shí)用時(shí)0.3s，采摘臂接近蘋果和返回原位分別用時(shí)2.5s和2s，中間摘取過程用時(shí)約4s，因此一個(gè)蘋果采摘周期約8.8s。

西北農(nóng)林科技大學(xué)［23］則研制了一個(gè)4自由度機(jī)械臂的蘋果采摘機(jī)器人系統(tǒng)，如圖13所示。除了在底座上的水平運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、俯仰，增加了一個(gè)采摘臂的直線伸縮運(yùn)動(dòng)，一個(gè)3層波紋管的氣吸嘴作為末端采摘執(zhí)行器。視覺傳感器為雙目照相機(jī)（ZED 2，Stereolabs Inc.）。試驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)—拔拉模式下的采摘成功率在模擬環(huán)境下是78%，在田間果園是47.37%，采摘周期約4s。

西北工業(yè)大學(xué)［24］研制了一個(gè)類人的蘋果收獲機(jī)器人，安裝在頭部的雙目照相機(jī)可以隨頭部俯仰、左右旋轉(zhuǎn)，但相關(guān)研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室仿真模擬環(huán)境下。

目前蘋果采摘機(jī)器人商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)也較成功。其中美國(guó)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人［2526］利用計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)和吸氣吸嘴式末端執(zhí)行器識(shí)別確定出要采摘的蘋果并將其采摘下來，采摘下來的蘋果通過相連的內(nèi)部貼敷襯墊的管道進(jìn)入到收集箱中。其商品化的產(chǎn)品通過在自走式機(jī)身上安裝多個(gè)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)采摘效率的提高。但也依然存在一些問題，例如，由于樹冠管理水平上的差異以及枝杈遮擋住果實(shí)的多少，機(jī)器可采摘到的果實(shí)在50%～90%之間，而圖像處理技術(shù)本身也需要進(jìn)一步提高；此外，氣吸式系統(tǒng)抓取蘋果在通過硬枝杈的時(shí)候比人工采摘時(shí)有更多的刺穿損傷；收集箱裝滿后，自動(dòng)換箱的問題也需要進(jìn)一步解決。

該蘋果采摘機(jī)器人在應(yīng)用中嘗試了一種新的商業(yè)運(yùn)作模式，即種植者不必購買此機(jī)器，而是通過簽訂合同，由公司提供設(shè)備與人員服務(wù)。這對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人這類硬軟件均需要高技術(shù)水平的產(chǎn)品，即使是在產(chǎn)品商品化后，考慮到使用者的能力、作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題、解決問題的能力等，在生產(chǎn)實(shí)踐中由專業(yè)公司、專業(yè)技術(shù)人員提供服務(wù)也是十分必要的。

以色利開發(fā)的蘋果機(jī)器手式采摘機(jī)［25］，其采摘機(jī)械手為頂端分叉的三指夾持手。整機(jī)共有12個(gè)機(jī)械手，機(jī)身兩側(cè)各安裝6個(gè)，負(fù)責(zé)不同高度不同采摘區(qū)域內(nèi)蘋果的采摘，工作效率是人工平均采摘效率的10倍。該機(jī)配備有先進(jìn)的軟件功能，可快速且精確地完成視覺圖像處理，依靠先進(jìn)的算法實(shí)現(xiàn)要采摘的水果與受損、有病害、未成熟的水果的識(shí)別與分類分級(jí)，控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)選擇性采收。采摘下來的蘋果通過分輸送機(jī)構(gòu)、總輸送機(jī)構(gòu)匯集到收集箱中。

目前也有采用多架小型無人機(jī)采摘蘋果的嘗試與研究。以色列開發(fā)了一款人工智能驅(qū)動(dòng)的無人機(jī)，該機(jī)配備有1m長(zhǎng)的機(jī)械爪，可以采摘水果，包括蘋果，也能完成果園中的修剪任務(wù)。其作業(yè)模式是將多臺(tái)采摘無人機(jī)放置在不同的作業(yè)區(qū)域，無人機(jī)將該區(qū)域的蘋果采摘下來后，自動(dòng)放入相應(yīng)的收集箱中。

從目前技術(shù)來看，期望讓機(jī)器人完全代替人工作業(yè)，或者完成100%工作是不現(xiàn)實(shí)的，而且從機(jī)器人開發(fā)、技術(shù)投入、應(yīng)用成本以及最終獲得更大的生產(chǎn)效益角度來講，讓機(jī)器人完成容易完成的80%～90%的采收作業(yè)［2728］，人工完成剩余的10%～15%是更經(jīng)濟(jì)合理的策略。對(duì)于規(guī)模化生產(chǎn)，綜合考慮效益問題，避免更多成本投入，最難以完成的剩余的5%也許就放棄了，歸為收獲損失。例如，美國(guó)加州在機(jī)械化振動(dòng)收獲巴達(dá)木果實(shí)的時(shí)候，每顆樹的果實(shí)收獲的時(shí)間平均為5s左右，之后未振落下來的果實(shí)不再收獲。

本文主要介紹了蘋果采收環(huán)節(jié)的機(jī)械收獲技術(shù)、模式及其設(shè)備，有關(guān)蘋果全程生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)技術(shù)與機(jī)械化設(shè)備情況可參見文獻(xiàn)［3］。

5 結(jié)語

1） 蘋果收獲具有人工、機(jī)械輔助工具、輔助平臺(tái)、振動(dòng)撿拾、振動(dòng)收集一體、機(jī)器人等不同采摘模式和不同的組合作業(yè)模式，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐匦巍⒎N植情況、經(jīng)濟(jì)條件、市場(chǎng)需求、技術(shù)人才等因素，因地制宜地來選擇。

2） 鮮果銷售通常采用人工或機(jī)器人采摘的方式，二次加工用市場(chǎng)通常采用機(jī)械化振動(dòng)收集收獲方式。

3） 蘋果機(jī)器人采摘也需要果樹栽培農(nóng)藝的配合，經(jīng)過改良的準(zhǔn)二維平面型果樹樹形比傳統(tǒng)的三維冠狀樹形更利于機(jī)器人以及人工采摘，有利于提高收獲效率，降低生產(chǎn)成本。

4） 機(jī)器人和無人機(jī)采摘是蘋果機(jī)械化作業(yè)最新的技術(shù)動(dòng)向，也代表著未來的發(fā)展趨勢(shì)。而未來農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)品的實(shí)踐應(yīng)用推廣，采用專業(yè)公司提供商業(yè)化服務(wù)可能是更好的一種商業(yè)運(yùn)行模型，而不是向傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備那樣，由農(nóng)戶（種植經(jīng)營(yíng)者）自行購買設(shè)備、自行操作完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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