山地柑橘采摘作业平台的传送装箱系统研究综述

范 勇，王海宝，秦雪静，徐光强

（重庆三峡学院机械工程学院，重庆 404000）

我国既是水果生产大国，同时也是水果消耗大国，柑橘是生活中非常常见的一种水果，尤其在重庆四川云南一带极为盛产，提高柑桔采摘效率和降低采摘成本是当前实现机械化采摘的关键问题。随着我国水果种植面积不断扩大，农业产业结构不断的进行调整，水果产业已成为我国农业领域的新亮点，水果产区经济发展的新支柱［1-3］。另外，柑橘的采摘成本比较高、季节性很强、劳动强度比较大、劳动成本高，另外丘陵地区的坡度比较大，且种植密度不合理，一般采摘机械难以得到普遍应用。

为了降低果农的生产成本和劳动强度，进一步提高果农的经济效益，研究安全、高效率和经济实用的山地丘陵多功能机械对我国的农业产业链的调整具有非常长远的重大意义。

丘陵地区地势复杂、山多坡陡、道路条件差，人工采摘作业耗费很大。如不及时采收成熟的果实，将很大程度影响其品质。目前柑橘的采摘形式仍然主要是人工采摘，对于大面积的规模化种植果园来说，只有采用机械化才能提高采摘效率，有效地降低果农的生产成本，并保障果实品质。

目前，限制水果产业发展的主要瓶颈仍然是水果采摘作业。实际应用于水果采摘的主要有三种机械设备：一种是通过撞击、振动等方法实现果实与果树分离的采摘机械，第二种是半自动化的采摘作业平台，第三种是利用采摘机器人进行采摘[4-6]。机器人采摘是未来收获果实的必然趋势，也是果园采收机械的最终形态[9]。虽然机器人采摘具有较高的自动化水平和技术水平，但由于其技术复杂、成本高、效率低，很难在短时间内得到广泛应用，无法解决当下的实际问题。短时间内，基于采摘机器人经济性和技术性多个方面问题，人工半自动化的果园采摘作业平台将成为果园收获环节实现自动化的主力。

半自动化果园采摘作业平台使用人机协同工作的模式，对柑橘进行人工定位和采摘，由机械装备完成繁重的、单调的传送装箱工作，设计并制造能满足农艺要求的、效率高、功能多样、适应性强的半自动化果园采摘作业平台，是当前柑橘采摘的迫切需求，也是柑橘采摘机械研究的前进方向。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

20 世纪60 年代中期，果园升降作业平台在美国研制成功，由机械液压力进行驱动，驱使工作台上下进行移动，农民采摘苹果的速度得到了极大地提高。美国研发的气吸式苹果收获装备，首先，站在升降台上的采摘工作人员将苹果摘下，利用气压实现苹果的传送，导管口的负压吸入人工摘下的苹果，并驱使苹果运动，当苹果运动到果箱位置时，正压排出苹果，保证每个苹果进行高精度和高速度传送，传送导管末端的旋转圆盘使苹果在果箱底面均匀地分布。

目前，国外的公司和科研机构已经研发出了许多自动化水平、作业效率、集成度都比较高的水果采摘设备，如意大利苹果收获机、南美洲哥伦比亚研制的Model CF-105 型苹果收获机和德国大型果园采摘机，它们均是由站在空间位置可自由调整的采摘作业平台上的人员进行果实的采摘，然后传送系统将采摘下的果实进行传送、装箱，极大地提高了采摘效率。操作员只需要定位和采摘果实，显著减小了劳动强度。虽然这些机械设备具有很高的应用价值和技术优势，但是由于其可靠性和成本方面的问题，在外国应用的范围非常有限。

综上所述，随着近几十年的迅速发展，国外水果采摘机械的研究成果主要集中于采摘机器人、大型果园采摘平台和振动式收获机械，预计很快就可实现果实采摘全程自动化作业。国外研究的果园采摘作业平台的传送装箱系统主要采用气吸式和传送带式，并且多为大中型联合作业机械，虽然会配套很高动力，但价格昂贵。

1.2 国内研究现状

20 世纪70 年代，我国开始研究果园采摘机械，前期主要研究无动力的通用机械设备，例如：手持电动采摘臂、气囊式采果器和基于手扶拖拉机的振动式山楂收获机等。80 年代，科研机构开始研究切割式采摘机械，手动、气动或电动的果园采摘机械逐渐得到应用。同期还出现了吹气式采摘机和振摇式的采摘器，分别为气动和电动，前者利用风力，后者利用振动使果实脱落。到上世纪90 年代，由于果园种植产业的迅速发展，出现了各种各样的简易采摘机械，其后升降平台和剪枝机等设备也相继面世。1992 年，浙江金华农机所研制了安装在拖拉机上的采摘水果升降机。它是较为典型的液压升降平台。2007 年，新疆机械研究院研制了具有较高的集成度的多功能果园作业机，能够完成果园修建、维护和果实采摘等多项任务，具有较高的功能性和实用性。

我国机器人采摘研究起步较晚，但近几年各高校及科研单位投入颇多。例如浙江大学、中国农业大学、南京农业大学、东北林业大学、沈阳农业大学和江苏大学等在采摘机器人方面都进行了一次大量的研究。参考国外相关先进技术，进一步自主创新，并且已经取得了一定的成果，但总体仍然处于试验研究初级阶段，实际应用于果园生产仍然需要解决很多问题。虽然，国内水果采摘作业平台产品种类很多，但是同质化、单一化、小型化情况严重，难以大幅度提高作业效率，实际应用规模受到限制。采摘机器人的研究道路还很远，许多关键技术问题未得到解决，目前研发和应用内容无法满足实际生产要求，短期内难以解决果园收获的问题。

另外，山地丘陵地区坡地众多、道路崎岖并且耕作地块面积小等特殊的地理环境，导致适用于丘陵地区的农业机械较少，目前研究的大中型果园采摘机械不能满足该地区农业自动化需求。

3 展 望

本文介绍了山地柑橘采摘作业平台的传送装箱系统潜在的需求、国内外研究进展、目前所面临的问题及对策。目前，水果采摘机器人的研究仍然处于初级阶段，需不断完善其工作性能。传送装箱系统工作过程中必然会对柑橘造成机械损伤，研究这方面的内容可为柑橘的商品化采摘提供保证，提高采摘设备的实用性。

当前设计的果园采摘作业平台主要是帮助人工实现升降作业，仅减轻了一定程度的劳动强度，但采摘效率并没有得到有效提高。中小型半自动化的采摘作业平台能够提高丘陵地区柑橘的采摘效率，同时能保证采摘的柑橘品质，控制柑橘传送和装箱过程的损伤率。

我国已进入农业4.0 时代，国家对智慧农业相关技术和装备研发的支持力度也在不断加大，未来果园采摘作业平台在智慧农业发展中将有巨大的应用空间，迫切需要研究一种基于山地丘陵柑橘采摘作业平台的传送装箱系统，主要研究适用于丘陵地区的自走式中小型采摘作业平台的传送装箱系统，保证高效完成柑橘的传送和装箱工序，控制柑橘传送装箱过程中的滚动碰撞损伤和跌落高度，提高柑桔采摘的智能化和自动化水平。