李春曉 ， 朱 欣 ， 蔡善儒

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東 淄博 255000）

平邑是我國(guó)知名產(chǎn)桃區(qū)，尤其是“武臺(tái)黃桃”經(jīng)常作為名貴水果銷(xiāo)往我國(guó)各地和海外各國(guó)[1]。平邑的桃子產(chǎn)量大、品種多，現(xiàn)有20 多個(gè)桃子品種，年產(chǎn)量可達(dá)15.8 萬(wàn)噸。而且平邑地理環(huán)境多丘陵山區(qū)且土地干旱，尤其適于種植桃子，擁有我國(guó)僅有的3 個(gè)黃桃生產(chǎn)基地之一，具有作為我國(guó)桃子種植示范區(qū)的資格，因此平邑桃園非常適合作為探究我國(guó)桃子采摘機(jī)械現(xiàn)有問(wèn)題及優(yōu)化路徑的研究基地[2]。

1 平邑桃園桃子采摘現(xiàn)狀

平邑桃園主要分布于丘陵山區(qū)地帶，其地形復(fù)雜且道路崎嶇不平，同時(shí)不同的桃園桃樹(shù)栽植間距不一樣，而我國(guó)現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)械不具有足夠的平穩(wěn)性和靈活性，爬行能力和避障能力也不能達(dá)到要求。因此，現(xiàn)有桃子采摘機(jī)械不能應(yīng)用于多為丘陵山區(qū)地形的平邑桃園，也無(wú)法靈活應(yīng)對(duì)不同桃園桃樹(shù)栽植間距不同的問(wèn)題。所以目前平邑桃農(nóng)只能采取人工采摘的方法，通過(guò)攀爬梯蹬或桃樹(shù)的樹(shù)干進(jìn)行高處的采摘作業(yè)，或者可以通過(guò)農(nóng)民自制的桿式網(wǎng)兜采摘器實(shí)現(xiàn)高處的采摘工作，但是該自制的桿式網(wǎng)兜采摘器工作效率低，易耽誤農(nóng)時(shí)，且難以保證采摘質(zhì)量，會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。

2 平邑桃園的栽植技術(shù)

平邑桃園栽植的樹(shù)苗之間保持4.5 m~5.0 m 的行距，而且同一行的植株之間保持4.5 m 左右的距離，桃樹(shù)的主干保持在高3 m~4 m。桃樹(shù)修剪時(shí)每一棵桃樹(shù)的主干上都均勻分布有三個(gè)主枝，而每一主枝上又留有兩個(gè)側(cè)枝，且與主枝距離60 cm 的位置開(kāi)始留有第一個(gè)側(cè)枝，合理修剪剩余用于結(jié)果的枝條，同時(shí)保證桃樹(shù)的樹(shù)冠一般呈球狀，這也符合我國(guó)絕大部分桃園的現(xiàn)狀[1-4]。

為防止養(yǎng)分分散量過(guò)大，無(wú)法形成大果，影響果實(shí)口感，還需要對(duì)桃樹(shù)進(jìn)行人工疏果。疏果時(shí)對(duì)于果實(shí)密集度過(guò)大的枝條，要適當(dāng)?shù)靥蕹恍﹤€(gè)頭小的果實(shí)，使最終一般長(zhǎng)的枝條上留有4 個(gè)果實(shí)，中等枝條留有2~3 個(gè)果實(shí)，較短的枝條留有1 個(gè)果實(shí)。而桃樹(shù)的枝葉生長(zhǎng)茂密，果實(shí)會(huì)藏在樹(shù)葉里，桃樹(shù)之間也會(huì)因枝葉的生長(zhǎng)而緊密相連，留有的行走空間極小，因此采摘桃子時(shí)的難度較大[5]。

3 我國(guó)桃子采摘機(jī)械現(xiàn)狀

3.1 全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)

由山東農(nóng)業(yè)大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)是針對(duì)丘陵山區(qū)桃園設(shè)計(jì)的一種桃子采摘設(shè)備。該裝置由3 大系統(tǒng)組成，分別為電力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和智能識(shí)別系統(tǒng)。該蜜桃采摘機(jī)不僅有針對(duì)丘陵山區(qū)的崎嶇地形而研發(fā)的避障功能，而且還利用熱成像儀和其他一些識(shí)別裝置自主識(shí)別成熟的桃子，實(shí)現(xiàn)桃子的自動(dòng)采摘。該采摘機(jī)由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，并在機(jī)械臂處單獨(dú)配有3 臺(tái)電機(jī)，所有的電機(jī)之間協(xié)調(diào)工作，保證了裝置的高靈活性。為保證該裝置能夠安全行駛于丘陵山區(qū)的復(fù)雜地形中，其動(dòng)力系統(tǒng)還使用了防爆的蜂窩輪胎。該采摘機(jī)通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞給機(jī)械臂，然后與機(jī)械臂通過(guò)舵機(jī)連接的采摘手可以實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)和采摘運(yùn)動(dòng)，最終將采摘的果實(shí)輸送到位于底盤(pán)處的集裝箱，集裝箱下面設(shè)有重量傳感裝置使采摘機(jī)及時(shí)發(fā)出警報(bào)提醒更換，降低果實(shí)的壓壞率[6]。

3.2 五自由度蜜桃采摘機(jī)器人

現(xiàn)有研究的五自由度蜜桃采摘機(jī)器人主要是對(duì)采摘臂和采摘手進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，其主要由底座、兩臂、鉸接的連接機(jī)構(gòu)和最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。該機(jī)械臂在底座處安裝有一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，而且底座內(nèi)部還設(shè)有減速機(jī)構(gòu)和齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的動(dòng)力傳遞給大機(jī)械臂并使大機(jī)械臂繞底座做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而大機(jī)械臂內(nèi)部也設(shè)有一臺(tái)電機(jī)，用于傳遞動(dòng)力于小機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)小機(jī)械臂繞大機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)。兩臂的俯仰運(yùn)動(dòng)通過(guò)鉸接機(jī)構(gòu)的內(nèi)置電機(jī)提供動(dòng)力并繞鉸接機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)。該采摘機(jī)械臂通過(guò)結(jié)合各種采摘機(jī)械手的特點(diǎn)，使用電機(jī)作為動(dòng)力源，以PLC 為控制系統(tǒng)，通過(guò)皮帶傳遞動(dòng)力于可伸縮的刀片上，并在其殼體的外部設(shè)有一個(gè)可容納3~10 顆果實(shí)的槽，槽內(nèi)設(shè)有一傾斜角度，防止果實(shí)停滯于槽口[7]。

3.3 基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法

目前，我國(guó)所研發(fā)的桃子采摘機(jī)械只能通過(guò)桃子的顏色和大小判斷桃子成熟度，或者是通過(guò)采摘人員進(jìn)行人工鑒別，而由江南大學(xué)的一支團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的一種基于近紅外光譜的采摘方法能夠通過(guò)對(duì)桃子的內(nèi)部成分進(jìn)行檢測(cè)，然后與已有的信息進(jìn)行對(duì)比來(lái)判斷桃子的成熟度。該方法不僅準(zhǔn)確度高，而且還能夠解放勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)真正的自動(dòng)化采摘。近紅外光譜技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)多種成分進(jìn)行檢測(cè)，所以檢測(cè)速度快，并且不需要對(duì)桃子進(jìn)行破壞性的前期處理，不僅能夠降低成本，而且不會(huì)造成廢棄桃子污染環(huán)境的問(wèn)題，因此紅外光譜檢測(cè)技術(shù)被稱(chēng)為“綠色檢測(cè)技術(shù)”。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)當(dāng)?shù)啬炒笈飪?nèi)的水蜜桃進(jìn)行不同時(shí)期的采摘檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，分別針對(duì)不同生長(zhǎng)時(shí)期的果實(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)多種高等數(shù)學(xué)理論計(jì)算建立了水蜜桃采摘適宜度的鑒別模型，通過(guò)多次驗(yàn)證得到該方法能夠使桃子矯正集和鑒別正確率達(dá)到95.13%和93.75%的水平，因此具有較大的發(fā)展空間[8]。

4 現(xiàn)有桃子采摘機(jī)械應(yīng)用于平邑桃園存在的問(wèn)題

4.1 不適于丘陵山區(qū)桃園栽植模式與地理狀況

平邑桃園多建于丘陵山區(qū)，地形崎嶇不平，容易導(dǎo)致采摘機(jī)械重心不穩(wěn)而翻倒的問(wèn)題，而且桃樹(shù)之間的距離保持在2 m~3 m，桃樹(shù)的樹(shù)冠一般會(huì)修剪為球形，造成樹(shù)與樹(shù)之間的行距縮小，大中型機(jī)械難以通行。桃園為了防止果實(shí)被偷，一般會(huì)用鐵網(wǎng)將果園包圍，只在偏角處留有一個(gè)不易被發(fā)現(xiàn)的小門(mén)，而現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，配有多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，導(dǎo)致裝置體積過(guò)大，無(wú)法在果園內(nèi)通行和正常作業(yè)。比如現(xiàn)有的全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)具有自動(dòng)避障功能，但是該采摘機(jī)的底盤(pán)共配有11 臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，采摘機(jī)的體積過(guò)大無(wú)法進(jìn)入果園。還有現(xiàn)有的五自由度蜜桃采摘機(jī)器人也需要多臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，并且該機(jī)器人所設(shè)有的槽不能存儲(chǔ)足夠多的果實(shí)，作業(yè)人員需要不斷進(jìn)行果實(shí)的移送，這將導(dǎo)致果實(shí)的磕碰問(wèn)題嚴(yán)重。

4.2 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠性差

平邑桃園的種植戶(hù)大多以家庭為單位，大型桃園數(shù)量很少。此外平邑縣無(wú)大型企業(yè)，工業(yè)發(fā)展水平低，主要以林木業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、食品加工等小型個(gè)體工商戶(hù)為經(jīng)濟(jì)支柱，難有桃子代理采摘公司或機(jī)構(gòu)，所以采摘機(jī)的價(jià)格不能太高，而這就要求采摘機(jī)械的制造成本不能太高。但是目前我國(guó)研發(fā)的桃子采摘機(jī)械臂需要很高的制造成本。而且機(jī)械臂中安有很多傳感器和智能設(shè)備[9]，需要計(jì)算機(jī)分析計(jì)算才可以完成自動(dòng)功能，因此制造成本大大提高。尤其是基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法，該技術(shù)需要花費(fèi)大量的資金購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的設(shè)備，這對(duì)我國(guó)目前桃園種植戶(hù)的經(jīng)濟(jì)能力來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求，所以該技術(shù)難以推廣。

4.3 無(wú)法準(zhǔn)確判斷果實(shí)的成熟度

桃子的成熟度無(wú)法單純通過(guò)顏色和大小進(jìn)行判斷，尤其是平邑的黃桃和青桃，顏色在生長(zhǎng)期間幾乎沒(méi)有變化，且存在果實(shí)以較小果形發(fā)育成熟的情況，所以現(xiàn)有的全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)采用傳感器通過(guò)桃子的顏色來(lái)判斷桃子是否成熟的方法并不可靠[10]。而半自動(dòng)化五自由度采摘機(jī)器人通過(guò)人工判斷果實(shí)成熟程度，采摘效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度改善效果差，所以從總體來(lái)看，該采摘機(jī)器人對(duì)種植戶(hù)的吸引力不強(qiáng)[11]。雖然現(xiàn)有的基于近紅外光譜的蜜桃采摘方法能夠達(dá)到較高的識(shí)別水平，但該方法在我國(guó)桃子采摘機(jī)械中應(yīng)用很少，缺乏現(xiàn)實(shí)情況的檢驗(yàn)，并且該方法只對(duì)一種水蜜桃的品種進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，沒(méi)有對(duì)我國(guó)的大部分桃子品種進(jìn)行研究，因此該方法并不夠成熟。

4.4 性?xún)r(jià)比低

我國(guó)現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)械功能單一，只能實(shí)現(xiàn)采摘作業(yè)，但生產(chǎn)者如果想要獲得較高的產(chǎn)量的話還需要做好桃樹(shù)管理工作，這包括打頂、剪枝、抹芽和噴藥等[11]，而我國(guó)現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)械并不能完成多種作業(yè)。而且桃子的采摘期較短，一般為8~9 天，機(jī)械的有效工作時(shí)間短，折舊成本高，因此機(jī)械的性?xún)r(jià)比不能滿足客戶(hù)的期望，上述問(wèn)題都抑制了我國(guó)桃農(nóng)購(gòu)買(mǎi)桃子采摘機(jī)械的積極性，阻礙了我國(guó)桃子采摘機(jī)械的發(fā)展。此外，我國(guó)現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)械可靠性不夠，機(jī)械的質(zhì)量沒(méi)有經(jīng)過(guò)多重復(fù)雜環(huán)境的實(shí)驗(yàn)，果實(shí)損壞率不能保證，且售后服務(wù)沒(méi)有保障，這也會(huì)降低消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)積極性，使桃子采摘機(jī)械難以得到大規(guī)模推廣和應(yīng)用。

5 一種桃子采摘機(jī)械方案

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種適于我國(guó)丘陵山區(qū)黃桃栽植模式的自走式采摘裝備的技術(shù)方案，其主要組成機(jī)構(gòu)如下。

1）黃桃液壓采摘平臺(tái)，其設(shè)有作業(yè)站立桶、平行四桿機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)支座總成、旋轉(zhuǎn)升降液壓缸等。在液壓的作用下，作業(yè)站立桶能夠緊貼樹(shù)冠實(shí)現(xiàn)無(wú)死角的采摘作業(yè)，且在作業(yè)站立桶上設(shè)有柔性弧形軌道和控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的輸送和獨(dú)立操控功能。在柔性弧形軌道下方設(shè)有自動(dòng)計(jì)量平臺(tái)和清選風(fēng)機(jī)，使果實(shí)直接落入計(jì)量平臺(tái)上的容器中，并通過(guò)自動(dòng)計(jì)量裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)果實(shí)的總重量。當(dāng)集裝箱內(nèi)的果實(shí)達(dá)到預(yù)定的數(shù)值后，裝備會(huì)通過(guò)報(bào)警裝置發(fā)出提醒，因此能夠減少果實(shí)的裝筐次數(shù)并降低果實(shí)的碰撞概率，保證果實(shí)的采摘質(zhì)量。

2）采摘平臺(tái)由旋轉(zhuǎn)支座總成安裝在由電力驅(qū)動(dòng)的小型自動(dòng)四輪車(chē)上，且旋轉(zhuǎn)支座總成與兩個(gè)液壓缸相連接，并由柔性弧形軌道上安裝的監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到避障的目的。

3）為提高桃子采摘的工作效率，該裝備可以設(shè)置兩個(gè)作業(yè)平臺(tái)分別安裝在裝備的兩側(cè)，并且兩個(gè)作業(yè)平臺(tái)之間能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立的控制操作，實(shí)現(xiàn)工作過(guò)程中的互不影響。

4）該采摘裝備能夠靈活地進(jìn)行改造，針對(duì)不同的地形可以將裝備的行走方式進(jìn)行相適應(yīng)的改變。對(duì)于地形較為平坦的平原桃園，采用效率高、靈活性大的輪胎式行駛系統(tǒng)；而對(duì)于地形更為崎嶇的丘陵山區(qū)，可以將裝備的行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)為半履帶式的，不僅能夠通過(guò)履帶提高裝備的穩(wěn)定性，提高裝備的爬行能力，而且還能通過(guò)輪胎提高裝備在交通道路的行駛速度。

該裝備的采摘桶不僅能夠緊貼樹(shù)冠進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)，還可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，極適合桃樹(shù)的球狀修剪方式；采摘的果實(shí)經(jīng)過(guò)自動(dòng)除雜后進(jìn)入車(chē)載的容器內(nèi)，達(dá)到既定的重量后可以自動(dòng)報(bào)警，降低了采摘人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和果實(shí)的損傷率；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)和橡膠車(chē)輪，減小裝備的體積，并由自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)提供避障功能，實(shí)現(xiàn)了在丘陵山區(qū)的自動(dòng)靈活行駛。

6 總結(jié)

目前我國(guó)有關(guān)桃子采摘機(jī)械的研究較少，且因?yàn)槲覈?guó)家庭聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制和地形的影響，我國(guó)的桃園種植呈分散狀，大中型機(jī)械難以進(jìn)行統(tǒng)一作業(yè)。本文概述了平邑桃園的桃子生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)我國(guó)現(xiàn)有的桃子采摘機(jī)械的基本情況及存在的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了一種自走式多功能桃子采摘裝備。該裝備具有體積小、靈活度高、功能多、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，能夠得到較大范圍的推廣和應(yīng)用。