核桃采收机械的研究进展.pdf

2023 年 10 月上南方论坛15South Forum核桃采收机械的研究进展*龚赟辉，刘义汉，孙宇杰，谷润润，李利芳，吴业北（新疆理工学院，新疆 阿克苏 843100）摘要：【目的】近几年核桃产量不断提高，为了解决核桃采收主要存在的人工采收费时费力、人工成本高、核桃收获机械化水平低等问题，推动核桃采收的全面发展。【方法】课题组分别论述了传统采收方式与当前机械采收方式的优势与不足，调查了国内外核桃采收机械的发展现状，结合现阶段核桃采收机械的研究现状，提出了核桃采收的发展趋势并展望了未来核桃机械化采收的研究重点。【结果与结论】1）在此后的研究过程中，可以从振动频率和振幅等诸多方面进行研究，使得采净率和效率提高，避免二次采摘，减少对核桃树的伤害；2）应研究果实催熟技术，保证所有树的果实成熟度相同，进而提高采净率；3）推行全国统一种植标志，在不减少产量的前提下，尽可能地给机械化装备留有活动空间，为机械化采摘模式提供条件，进而推动全国机械化采收的发展。关键词：农业机械；核桃；采收；研究进展中图分类号：S225.93 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-3872.2023.19.0040 引言我国是林果第一生产大国，林果种类丰富，其中，核桃种植分布较广。中国统计年鉴2022 显示，2019年核桃产量近468.92万t，2020年核桃产量近479.59万t，2021年核桃产量近540.35万t，20162021年中国核桃产量及增速如图1所示，其中，核桃第二生产大省新疆的核桃年产量近120万t1。364.52417.14382.07468.92479.59540.3514.44%-8.41%22.73%2.28%12.67%-10.00%-5.00%0.00%5.00%10.00%15.00%20.00%25.00%010020030040050060020162017201820192020202120162021年中国核桃产量及增速核桃产量/万t增速图120162021年中国核桃产量及增速近年来，核桃产业快速发展，新疆南疆地区作为新疆核桃的主要生产力，每年的核桃种植面积以30万亩的速度增长，核桃产业面积已达600万亩2。目前，我国核桃生产总值和核桃种植面积均位居世界第一，但是我国核桃产业的发展起步晚，机械化采收不成熟。新疆南疆土地辽阔，气候和自然条件独特，为核桃种植提供了广阔的土地资源和生态环境，但当地核桃捡拾基本依靠人力，捡拾核桃的人工成本占近50%的核桃生产过程成本，人工捡拾不仅成本高、周期长，如果捡拾不及时，会严重影响核桃的产量，因此，机械化采收核桃是核桃采收的发展趋势。1 核桃的采收现状1.1 传统的核桃采收方式传统的核桃采收一般采用人工的方式，如图2所示，但用竹竿等工具敲打果实所在的枝条，会损坏核桃树的枝芽和枝干，并且费时又费工。图2人工采摘1.2 当前的核桃采收方式目前核桃采收主要依赖人工完成，主要的采收方式有自然落果法、人工采摘、机械式采收等，人工与机械相结合的方式只在部分地区被采用。吕燕翔3研究的核桃自然落果法需核桃自然脱基金项目：新疆维吾尔自治区高校基本科研业务费科研项目（XJEDU2022P134）；阿克苏地区科技兴阿项目（2023KJXA01）；新疆理工学院校级自然科学基金项目（ZY202203）；新疆理工学院校级教改项目（PT-2022037）；新疆维吾尔自治区大学生创新创业训练计划项目（S202313558022）作者简介：龚赟辉（2001），男，四川德阳人，本科，研究方向为计算机应用技术。通信作者：谷润润（1987），男，山西大同人，硕士研究生，实验师，研究方向为机械设计与制造。南方论坛162023 年 10 月上South Forum落，然后顺着事先安装好的网兜滚动到山脚的收集桶中，省去了上山捡拾的步骤，减少了人工劳动成本，降低了安全事故的发生率，很好地保障了山核桃的质量。但该方法只适用在山区和丘陵，且种植环境需成阶梯式，平原不适合这种方式。目前最常见的采摘方法依然是人工采摘，低处的核桃靠人工可直接摘取，较高的果实可使用工具采摘，但会增加人员摔伤的风险，并且会有部分果实掉落在地上，核桃虽然能够在外壳和果皮的保护下完好无损，但需要人工捡拾，从而增加了人工成本。随着中国城市化的发展，外出务工的人数增多，务农人数减少，务农人员老龄化严重，人工采收会出现人工不足、人工成本增加的情况，因而在大面积产业化的核桃种植园中采用人工采摘方式是不可取的，可以应用机械采收核桃。我国目前使用多种机械采摘核桃，包括振动式、平台式、拍打式、旋转切割式等。振动式核桃采摘装置是利用夹持机构夹住树干，通过振动机构对树干进行摇晃振动，使得树枝与果实在最弱处断裂，落在地上再进行捡拾，具体如图3所示。图3机械采摘采摘平台式的核桃采摘机可实现采摘、修剪、喷药、运输等作业，工作时升降臂展开，升降支架带动车厢升高，人站在平台上进行工作。拍打式核桃采摘机是拟人使用木棍或竹竿拍打的一种装置，这是人工采摘的延伸，拍打动作由机器完成，降低了人工采摘强度，加快了采摘速度。旋转切割式采摘机械是将装置伸长到合适高度并锁死，然后启动切割电机，再由刀片将果实切下完成采收4。1.3 核桃机械化采收装置的国外研究现状针对核桃机械化采收装置存在的问题，目前国内外学者已经做了许多相关的研究。国外针对林果类机械化的理论研究开展比较早，也较成熟，普遍认为通过机械方式给树施加外力，能使得果实与树枝断裂，实现采摘。其中，振动式采收是国内外使用最广泛的一种，主要通过机器振摇树干使得核桃掉落，工作原理是利用来回旋转运动的振动方式使树干产生振动，树受外力振动后会以一定频率和振幅振动，果实也会加速振动，当受到的力大于与树枝的结合力时，果实脱落，实现果实与树枝分离5。在机械振动采摘中，激振频率对采收率的影响很显著6，这种采摘技术在美国、英国、德国等国家的应用较为普遍，主要适用于核桃、银杏等林果的采摘。意大利生产了SR-1摇树机，当夹持器夹住树干时，振动装置会以一定的频率振动，使得果实脱落，并掉入下方收集器中，其可用于坚果果实的采摘7。Orchard公司设计的冲击波式采摘机主要使用液压钳夹住果树的树干，产生振动促使果实脱落，以方便进行采摘8。Lang9研究了多种果树在振动采收时的动力学模型，并建立了偏心块式和曲柄滑块式振动采收机的能量方程，得出调节振动频率、振幅、采收机质量等因素来优化采收机的设计，找到了最合适的振动点，从而产生位移运动，以获得最高的果实分离率。Chen等10通过对核桃外表进行研究，对裂纹、发霉、黑胚粒识别方法的准确率分别达到了98.5%、96.7%和95.6%。通过对核桃外表的研究准确判断出适宜进行机械采收的时间，进而提高采净率。美国Energid公司研究的柑橘采摘机，采用视觉导引与蛙舌式末端执行器结合的方式进行采摘，采摘成功率高达98%11。Vidson开发了具有8个自由度的机器人拣选系统，采用水果采集双机器人协同工作的概念，平均采摘周期缩短了50%以上，但增加了果实的损伤率12。1.4 核桃机械化采收装置的国内研究现状国内外学者对树冠振动式采收方式进行了大量研究，充分证明了树冠振动式的采收装置在林果采收方面的可行性。但目前国内外学者对树冠振动式采收装置的研究主要集中在非干果上，在新疆核桃采收方面的研究较少。核桃机械化采收的研究方向主要集中在通过调节振动频率、振幅等实现采收，存在采收的自动化程度低、易损伤核桃树干及树枝、采收效率低、采收不干净等问题。国内机械化采摘起步晚，2011年姚文斌设计出了一种便携式振动山核桃采摘装置，由汽油机为振动2023 年 10 月上南方论坛17South Forum机提供动力，振动机工作使得果实与树枝脱离13。曹东安14设计了一款拍打式山核桃采摘机，其工作原理是将作为自由段的敲击头升到适当位置，液压缸敲击棒的头端进行来回运动从而敲击带有果的枝条，该装置模拟人工的敲打动作，结构紧凑，使用和携带方便。仰时威15设计了一款便携式山核桃采摘装置，采摘杆顶端连接电机，电机控制旋转刀片，刀片固定在支撑架上，电机启动时，刀片运动使得核桃与枝条分离，还配备了集果装置，被剪落的核桃会经过滑道进入收集装置。采用采摘装置采集核桃，不仅避免了人工攀爬采摘的风险，并且提高了采摘的效率。王利16设计了一种核桃采摘装置，通过地面的控制箱可控制两杆的长度和方向，杆末端的采摘器采用剪切刀的结构，能够实现高处核桃的采摘。张永成等17设计了一种适用于新鲜果园的核桃采摘收集装置，包括收集斗、箱体、驱动轮、振动采摘装置、吸入式收集装置、分拣装置和储料箱，通过机械振动的方式给树施加外力，能使得果实与树枝断裂，实现采摘；果实落下，再通过吸入式收集装置收集核桃，并将杂物从中分离出，从而实现采摘收集一体化。郭江等18设计了一款基于无人机的山核桃采摘收集装置，根据识别定位系统控制采摘无人机飞行到指定位置，固定装置为两个伸出的自动可伸缩夹爪，用于夹取两个树枝固定机身。采摘装置通过伺服电机实现玻璃纤维杆的偏心变速旋转击打，进一步实现对山核桃树枝的变力、变位置、变角度击打，确保山核桃被击落，击打过程中采摘无人机停止工作。收集无人机与收集网连接，击落的山核桃会落入收集网内，实现采摘收集一体化。朱惠斌等19研究了一种新型山地核桃振动采摘机，采摘机主要由夹持爪、振动部件、汽油机等组成，其工作原理为：将夹持爪卡在树枝上，旋转主杆使夹持爪抱紧树枝；振动部件中偏心轮开始旋转，产生合适的转速使连杆做往复直线运动，产生的力将果实晃落实现核桃的采摘。2 核桃机械化采收装置存在的主要问题近年来，我国核桃机械化采收装置在应用中还存在着诸多的技术和使用问题，例如：林果类振动采收机械的理论研究较少，振动式林果采摘方式需要采摘机与果树刚性连接，如果振动频率过低，采净率会降低；如果振动频率过高，会对果树造成损害，甚至会导致果树死亡。机械化采收装置的结构较为单一，无法实现一机多用，一台机器仅对核桃进行采摘；机械化采摘机不能实现采摘、收集、运输一体化，从而导致成本增加20。这些问题使得我国核桃作物的采收工作质量难以大幅提升，无法发挥先进科学技术的指引和改善作用，甚至会直接影响到我国未来农业生产力的提高。3 结论与展望我国核桃种植面积快速增长，人工采收已经不能满足当前核桃产业发展的需求。目前的采收技术可以减少社会资源的消耗，节省大量劳动力，降低核桃生产的成本，也可以降低核桃损伤率，做到及时采收，避免果实浪费，从而提高核桃产量。本文通过对果园核桃采收装置进行国内外研究综述，得出了以下结论：1）在此后的研究过程中，可以从振动频率和振幅等诸多方面进行研究，使得采净率和效率提高，避免二次采摘，减少对核桃树的伤害；2）研究果实催熟技术，保证所有树的果实成熟度相同，进而提高采净率；3）推行全国统一种植标志，在不减少产量的前提下，尽可能地给机械化装备留有活动空间，为机械化采摘模式提供条件，进而推动全国机械化采收的发展。参考文献：1 国家统计局.中国统计年鉴2022M.北京：中国统计出版社，2022.2 郭松，高凡，张锐，等.南疆核桃适时采收及其相关技术J.林业科技通讯，2022(3)：105-107.3 吕燕翔.临安山核桃自然落果法推广应用研究D.杭州：浙江农林大学，2019.4 祝前峰，陆荣鉴，刘彬，等.核桃采摘机械研究现状与发展趋势J.林业和草原机械，2021，2(1)：45-53.5 刘阳，王虹虹，刘英，等.林果机械采收与分选研究进展J.世界林业研究，2020，33(3)：20-25.6 蒲军，黄晓鹏，宗煜翔，等.小型林果采收机械研究现状J.林业机械与木工设备，2016，44(6)：9-11+17.7 刘金南.基于振动机理的采收机研究现状及发展趋势J.农业技术与装备，2018(3)：84-85.8 PU Y J,TOUDESHKI A,EHSANI R,et al.Design and evaluation of a two-section canopy shaker with variable frequency for mechanical harvesting of citrusJ.International Journal of Agricultural and （下转第28页）南方论坛282023 年 10 月上South Forum和气动磁性吸盘等组成。同时，整台设备内配备有智能视觉系统及安全系统，可实现上下料抓取动作全程可视化和操作安全可靠。示教器画面机器人控制柜机器人本体相机相机电缆（a）FANUC机器人内置视觉系统总电源机器人控制柜机器人控制器R-30iB工业机器人上下料爪手周边专用设备机器人视觉系统来料架I/O手动装配台I/O安全I/O有料检测（b）系统控制流程图图4工业机器人内置视觉系统示意图及系统控制流程图本文利用工业机器人的工作效率高、灵活度大、操作稳定性好以及可扩展性强等优势，通过连接法兰将工业机器人与爪手机构进行集成创新。研究结果表明：FANUC机器人配上自主设计上下料爪手机构的末端执行器，可以根据配电柜主框架尺寸大小调整气动磁性吸盘位置来快速抓取主框架，有效降低了人工装配时间成本，提高了生产质量和生产稳定性，满足了企业对不同规格尺寸配电柜主框架进行大规模装配的需求，为柜体框架装配提供了一种适用于不同规格尺寸框架的创新智能抓取机构。参考文献：1 周斌斌.以汽车门为例的喷漆机器人轨迹设计J.装备制造技术，2019(1)：127-128+158.2 罗威，李明富，赵文权，等.基于力-位图像学习的工业机器人柔顺装配方法研究J.机械工程学报，2022，58(21)：69-77.3 姚钢.工业机器人搬运作业的轨迹规划研究J.南方农机，2020，51(23)：27-30.4 王静.基于工业机器人的实木复合门单面喷漆生产线设计J.南方农机，2022，53(2)：177-180.5 王林，马世强.工业焊接机器人应用及智能发展趋势研究J.中国设备工程，2023(5)：33-35.6 马立军.多品种低压开关设备混线生产的自动化生产线设计J.科技风，2019(24)：172.7 王德佳.机械人在组装生产线中最佳配置的探讨J.机电产品开发与创新，2013，26(3)：65-66.8 任军辉，乔琳.基于UG机器人末端执行器的设计与运动仿真J.南方农机，2022，53(5)：22-24.9 孙庭伟.适配多尺寸缸筒的机器人手爪机构的设计J.机械制造，2022，60(4)：4-6+29.10 陈婉华.基于工业机器人的配电柜框架自动压装线设计J.机电技术，2023(1)：35-38.Biological Engineering,2018,11(5):77-78.9 LANG Z.A One Degree of Freedom Damped Fruit Tree ModelJ.Transactions of the Asabe,2008,51(3):823-829.10 CHEN F N,CHEN P L,FAN K,et al.Hyperspectral Reflectance Imaging for Detecting Typical Defects of Durum Kernel SurfaceJ.Intelligent Automation and Soft Computing,2018,24(2):351-357.11 ALOISIO C,MISHRA R K,CHANG C Y,et al.Next generation image guided citrus fruit pickerC/2012 IEEE International Conference on Technologies for Practical Robot Applications(TePRA),April 23-24,2012,Woburn,MA,USA.IEEE,2012:37-41.12 DAVIDSON J R,HOHIMER C J,MO C K,et al.Dual Robot Coordination for Apple HarvestingC/ASABE 2017 Annual International Meeting,July 16-19,2017,Spokane,Washington.ASABE,2017:1-9.13 罗自瑶，杨淑华，张秀花，等.核桃采摘机械的研究现状及发展趋势J.河北农机，2021(3)：12+14.14 曹东安.击打式山核桃采摘机：CN106402091BP.2017-11-07.15 仰时威.一种便捷的核桃采摘装置：CN108925233AP.2018-12-04.16 王利.一种核桃采摘装置：CN109863882AP.2019-06-11.17 张永成，马佳乐，唐玉荣，等.一种新鲜果园核桃的采摘收集装置：CN112753376AP.2021-05-07.18 郭江，宋传平，徐永波，等.一种基于无人机的山核桃采摘和收集装置及方法：CN110192471AP.2021-09-24.19 朱惠斌，张文锴，曹科高，等.云南山地核桃振动采摘机的设计与试验研究J.农机化研究，2023，45(2)：130-139.20 王真真，王丽红，付威，等.核桃机械化采收装置研究现状分析J.农机化研究，2015，37(9)：259-263+268.（上接第17页）