果园采摘平台研究现状及发展趋势

河北农业大学机电工程学院 杨云磊 张秀花 于洋 王洪森 黄征

前言

我国在果园面积、产量上均处于稳步提升的趋势[1]，数据显示，2022 年我国果园面积为13021.31 千公顷，比上年增长了1.8%；2022 年水果产量31296.21 万吨，比上年增长了4.4%[2]。随着农业现代化进程推进，果园种植向规模化和现代化发展，为果园机械化发展创造了有利条件。目前，果园采摘主要依赖人工，而采摘占据整个生产过程劳动的33%至55%[3]。传统人工采摘爬梯登高作业，不仅劳动强度大、效率低、安全隐患大，而且很容易错过采摘的最佳时期，影响果品质量和经济效益。人口老龄化和低生育率问题加剧，使得果园机械化采摘亟待解决[4]，改进或研发一款适合我国果园的辅助采摘平台具有重要意义。本文分析了国内外采摘平台研究现状，为我国采摘平台研发提供参考。

1 采摘机械的发展与分类

1.1 采摘机械的发展

国外一些国家对于果园采摘机械的研究起步较早，欧美等西方国家从20 世纪60 年代就开始进行相关研究和探索[5]。起初，研究主要专注于传统的高空作业平台，随后才开始逐步涌现出单工位、多工位和采摘收获专用平台等多种类型的功能性型作业平台[6]。相比之下，中国的果园采摘机械进入大众视野始于20 世纪90 年代[7]。中国在这一领域积极探索，致力于研发适合国内现代化果园的机械作业平台，并取得了显著成效。近年来，随着农机农艺融合发展的宽行密植栽培模式的新型现代化果园蓬勃发展，为果园采摘机械的推广应用提供了更加宽敞和便利的作业条件。

1.2 采摘机械的分类

采摘机械按采摘果实的方式分为三种类型：第一种是利用振动树体的方法使果实与果树分离的采摘机械；第二种是半自动化的升降采摘作业平台；第三种是利用视觉识别和机械臂的智能化采摘[8]。振动式采摘的果实可以用于食品加工、饮料制作、果汁生产等方面，但不适用鲜食水果采摘。智能果园采摘机器人目前仅在发达国家的设施农业中有一些使用，由于技术条件要求高、使用成本昂贵以及工作效率较低等许多因素的限制，其应用并不太广泛。因此，半自动升降作业平台是果园采摘应用最为普遍的技术选择。

按机械行走方式分为三种类型：一种是利用拖拉机后悬挂的方式来提升平台高度；第二种是利用拖拉机作为动力牵引平台进行行走；第三种是利用一种独立的动力底盘来实现独立行走。悬挂式和牵引式采摘平台结构简单，但是需要单独配备驾驶员进行操作，而且在采摘果实过程中没有收集装筐的功能，且转弯不灵活。自走式采摘平台配备单独行走动力，独立底盘转向比较灵活。

2 国内外采摘平台研究现状

2.1 国外研究现状

在60 年代的中叶，美国将液压升降技术应用在了果园作业平台当中，液压技术的应用，极大提高了果园升降平台的可靠性以及采摘效率[9]，促进了平台技术的发展。随后，在60 年代的后期，部分欧美发达国家开始对采摘平台进行功能化研究，通过引入功能性机械装备实现平台集成化工作模式。到了70 年代，新研发的作业平台可以实现配套使用多种作业设备，例如气动式剪枝机和油锯等。到20 世纪90 年代初期，日本开始对适用于山地丘陵地区的坡地果园装备开展研发，并成功研制出了枢轴式摆动悬挂自走式采摘车[10]。

国外在果园收获方式和机械装备方面进行了长期的研究和探索，取得了显著成效。他们在果园采摘方面进行了开拓性的研究，不断改进和创新采摘方式和机械装备类型，以提高果园采摘的效率和质量。2012 年Paul Wafler 在纽约州立大学设计并研制了休伦采收平台[11]，如图1 所示，这台机器的核心部件是其容量巨大的采收装置，每次可同时更换五个果实箱组，有效提高了采摘效率。然而，这种采收平台适用于行间距较大的大型果园。中国果园的种植方式不适合使用大型果园采摘作业平台，因为果园种植相对较密集。2018 年Marcos D.Ferreira 设计并研发了一种轮式自走式收获作业平台[12]，如图2 所示，该平台能够协助多名工人在不同高度采摘果实，并自动完成果实的收集和装箱。这一平台的设计极大地提高了采摘效率和精度，同时减少了人力成本，为果园生产带来了极大的便利。

图1 休伦采收平台

图2 自走式收获作业平台

2021 年美国加州大学研发出联合机器人收割平台[13]，如图3 所示。该设备将传统的收获平台转化为协同机器人平台。以机器视觉系统为基础，结合设计的抓取终端执行器，使苹果平均摘取成功率达到84%。当平台向前移动时，利用视觉系统来检测水果的分配情况，使用带有检测的仪器拾取袋来测量每个工人的采摘速度，并控制液压升降机的高度，这些平台可以让工人上下移动。基于控制算法改变采摘工位高度同时根据工人采摘速度相配合，使采摘效率最大化，试验表明在自动控制高度变化下的采摘速度为327.6kg/h，相比手动控制提高了9.5%，但是经济成本较高，不适合市场推广。

图3 联合机器人收割平台

Munckhof 设计的Pluk-O-Trak 苹果收获机如图4所示，结合了一个平台和一系列的传送带，可以将采摘下的苹果输送到果箱里面。不同的输送带长度，可以适应不同的果树高度。相较于传统的果园收获平台，Pluk-O-Trak 苹果收获机减少了采摘工人弯腰放苹果这一动作，大大减轻采摘工人的疲劳程度。

图4 Pluk-O-Trak 苹果收获机

综合来看，国外发达地区的研究机构以及制造商大多偏向于高集成度、高自动化水平、高作业效率的作业平台来进行果园的收获及其他作业，例如德国生产的大型果园采摘机、美国生产的气吸式果园采摘设备、荷兰生产的升降作业平台等。这些装备均具有较高的科技含量以及智能化程度，但由于购机成本、使用、维护成本，以及后期配件维修等问题，在农业经济效益较低的我国应用范围十分有限。

2.2 国内研究现状

目前，相比于其他作物，我国果园生产的机械化水平仍然较低，以河北省为例，全省林果业综合机械化水平仅为31%[14]，尤其是在采摘环节，大多以人工为主，不能满足现代化果园的生产需要。一方面，我国果园种植多在山区丘陵地带，复杂的地形使得大型果园装备难以得到应用；另一方面，我国农机行业对于果园等特色经济作物装备领域长期的不够重视，导致目前果园装备科技含量低、品质不可靠，农机农艺融合程度低，不好用、不适用[15]。

2.2.1 单工位采摘平台研究现状

2007 年，新疆机械研究院股份有限公司研制出了我国第一台自走式果园作业平台—牧神LG-1 型多功能果园作业机[16]，如图5 所示，填补了国内作业平台的空白，该作业平台以履带式行走底盘为主，通过搭载剪叉式升降机构完成果树修剪、采摘等功能，升降机构可上升到1.5m。其工作原理是将汽油发动机的动力分为两部分，一部分用于行走；另一部分驱动空气压缩机工作，为气缸提供动力。这一作业平台的推出，标志着我国的作业平台进入了多功能作业机械时代。

图5 牧神L-1 多功能果园作业平台

2011 年，山东华兴机械股份有限公司研制开发了STQ-3000 型多功能升降工作平台[17]，如图6 所示。采用四轮驱动承载底盘，配备液压升降作业平台，工作台尺寸1.3 m×1.0 m，起升高度3.5 m，结构质量460 kg。但该机工作台作业面积小，工作位置单一，不适合多人连续采摘作业，效率低下且操作不方便。

图6 STQ-3000 型升降工作平台

2012 年，河北农业大学孙振杰等研制了一种液压驱动式多功能果园升降平台[18]，如图7 所示。该机行走和平台的升降均由液压系统提供动力，单人可完成作业需求操作，最大升降高度为1.325m，平台起升质量320kg，最大爬坡角度为14.97°。该机作业平台尺寸较小、举升高度有限，不能实现多人连续性采摘和较高位置的采摘作业，对不同树形适应性较差。

图7 液压驱动式多功能果园升降平台

2016 年，华南农业大学张花哲等设计研发了电动履带式多功能举升平台[19]，如图8 所示。根据果园果树的高度和行距的要求，通过对比各举升机构，结合需求采用剪叉式液压升降机构。果园举升平台包含了履带式行走机构、剪叉式升降机构以及工作台等部件，配套动力为2.2kw，起升高度为1.5m，最大举升质量为300kg，其体积较小，工作重心低。这款设备使用蓄电池作为动力源，可供剪枝等其他装配提供动力，但举升平台的调平机构尚未设计研究，且不能进行独立高度升降，同时在整机空间布局上还需要进一步优化设计。

图8 电动履带式多功能举升平台

2.2.2 多功能采摘平台研究现状

2017 年，王亚龙团队研制出了一款牵引式的果园作业平台[20]，如图9 所示。该款作业平台需要利用大马力拖拉机来提供牵引以及升降动力，并且该机型针对国内的矮砧密植新兴果园的种植模式，可以提供双侧6个、三档高度的作业工位来实现果品的采摘、装箱以及输送。该平台作业时，载人工位固定不动，多个作业人员位于多个不同位置、不同高度的工位进行采摘，车身较长、转弯半径较大，而且作业不灵活，当行距过宽时则可能出现采摘不到的问题。

图9 牵引式果园采摘作业平台

2019 年，山东农业大学的李强团队设计研发了一款自走的履带式果园作业平台[21]，如图10 所示。该平台为双侧、可调节多工位，并且可同时完成水果的柔性分级输送作业。平台采用了履带式自走底盘设计，通过性好，人工采摘的果实可实现全自动的输送以及装箱，平台配备的柔性输送装置采用了单个间隔放置，柔性汇集输送部件采用的是多个间隔的放置方式，有效降低了机械对果品造成的损伤，实测果品机械损伤在5%以内。平台所采用的升降机构结构合理，升降高度相对误差控制在6%以内；平台的作业工位单独可调，最高可达3.6 米，最宽达3.5 米。除采摘之外，平台还配有气泵装置搭配气动剪实现多工位果园枝条修剪工作，配备的气动剪最大剪断直径达到了16mm，实现一机多用。

图10 履带自走式作业平台

3 果园采摘平台发展中的问题

通过对国内外采摘平台现状的研究，发现果园采摘机械化还有如下问题。

3.1 果园栽培模式多样化，制约采摘机械发展

现阶段新老果园并存，现代化果园采摘平台无法进入传统果园作业；现代化果园种植地形差异性大，且栽培模式多样，导致采摘平台难以做到“一机多用”的情况。

3.2 果园采摘农艺融合度低，阻碍采摘机械发展

目前市场上果园采摘平台存在许多问题：工作台单一工位，升降高度一致，对于不同高度果实需要频繁进行上升或下降，以适应果树高度；工作台侧展一致，不能进行单独侧展，对于不同树形果树适应性较差等问题。

3.3 果园智能技术研究欠缺，限制采摘机械发展

果园采摘机械化最终会朝着智能化、信息化发展，科研成果正处于研发阶段；视觉识别和机械臂采摘的创新性科研成果，没有进行商业化融合。

4 果园采摘平台发展趋势

果园采摘环节涉及采摘、输送、装筐、运输一系列问题，实现采——输——装——运一体化将会逐步实现。随着现代化果园进展的不断推进，果园采摘朝着智慧化、科技化发展。

4.1 加快标准化果园建设，提高果园作业条件

加快传统老龄化果园向现代化果园改进进展，创新栽培模式，加快果园标准化建设，为现代化果园采摘机械作业提供条件。

4.2 加强树机、人机融合，优化采摘方式

充分调查研究现阶段从事果园生产人员尺寸。运用人机工程学技术，使人——机——树三要素相融合，减低工作人员工作强度。

4.3 融合现代化智能技术，加快科研成果转化

结合现阶段机械手技术、末端执行器技术、视觉识别技术和北斗卫星导航技术发展优势，提升果园采摘智能化水平；加强科研院校与企业创新合作，加快科研成果转化，降低生产成本，做到经济实用的智慧化采摘平台。