我国果园机械采摘与分级研究进展

吕怡秋，杨叶

（宁夏工商职业技术学院，宁夏 银川 750001）

果业经济是我国农业结构的重要组成部分，亦是社会经济发展的强劲动力，随着水果产业的不断发展，极大地满足了市场和消费者的巨大需求。现阶段，随着我国果园种植规模和面积日益扩大，对果园采摘工序提出了更高要求。我国部分水果种植区仍沿用传统的人工采摘模式，劳动强度大、生产效率低及易造成水果损坏等弊端严重制约着我国林果业经济的快速发展[1]。因此，果业采摘作业与机械化的有效融合，不仅能够显著提高采摘效率、节约生产成本，而且最大程度上降低了水果的损耗，提高了种植户的经济效益，对实现果园全机械化具有现实意义。

水果分级，即按照果实的形式大小、质量品质及颜色等特征分为不同等级，是水果采摘后商品化的重要生产环节[2]。在水果采摘、加工、包装、打蜡及分级等产后处理工序中，除分级外，其他环节相对容易解决，因此，水果分级技术对于果业经济可持续发展具有重要作用。

1 果园机械采摘研究现状

现阶段，我国果园采摘主要有人工采摘模式、机械辅助人工采摘模式及全机械化采摘模式三种方式，随着互联网信息化水平不断提高，机械化程度逐渐提高，经过长期的实践，我国林果业生产常用的机械分为摇臂式水果采摘机、撞击式水果采摘机、气动式水果采摘机、分割式水果采摘机及机器人采摘模式[3]。

摇臂式水果采摘机，主要有摇臂机械、夹持装置、连接装置及传输装置组成，其工作原理是利用机械摇臂对果树主要干枝进行摇动，将力矩传输至果实上，使得水果通过振动自然脱落；这种机械采摘方式适用于中小型水果，比如苹果、桃子、梨、红枣及樱桃等。

撞击式水果采摘机，主要有机械传动装置、连接装置及敲击部件组成，其主要原理是利用敲击部件对果树枝条上果实进行反复撞击，进而实现果实脱落。这种连续式撞击方式对果树造成了极大的伤害，一般不适用矮化密植建园模式，普及率相对较低。

气动式水果采摘机，主要通过气体流速装置产生强大的吸力和吹力，所以，气动式水果采摘机根据其工作原理一般分为吹气式和吸气式两种类型。对于吹气式水果采摘机来说，主要通过多个机械排气孔对果树枝条产生振动，结合气体流向不断发生变化，使得果实脱离枝条；吸气式水果采摘机主要利用强大的气体吸力，将果实采摘至机械储存仓内，通过过滤装置，将树叶、枝条等杂物有效排出。气动式水果采摘机在规模化种植基地较为适用且应用广泛，采摘效率较高，但机械功率高，极容易破坏树体。

分割式水果采摘机主要是利用切割装置将果实枝条和果柄快速切割，从而实现果实和树体分割，常用的切割装置有油动力、气动力及电动力三种类型。该采摘机械具有省力省时优势，对果树枝条的损坏率低，不仅在矮化密植果园适用，同时在高大树型中被广泛应用。

机器人采摘模式是新时代科学技术发展的时代产物，在国内其应用还处于试验阶段，仅局限于小范围采摘，投入生产还需进一步推广应用。

2 水果分级技术研究现状

2.1 基于水果大小分级研究现状

对于水果机械分级来说，主要是依据水果直径大小进行机械化分级，在我国市场上常见的分级机械有滚筒筛孔式分拣机和辊带式分拣机，虽然结构简易、生产效率高，但运行过程中机械摩擦会增大果伤概率，进而水果质量无法充分保障，尤其是形状不规则的水果，很容易造成分拣存在极大偏差。以滚筒筛孔式分拣机为例，常见的滚筒筛孔式分拣机一般由多个滚筒组成，每个滚筒直径为60～80cm之间，不同类型的水果其滚筒的筛孔直径各异，筛孔大选择直径大的水果、筛孔小选择直径小的水果，进而实现大小分级的目的。

计算机机器视觉技术是新时代互联网信息化的创新发展产物，其与水果分级有效结合，从根本上代替传统的人工及机械分级模式，极大促进了分拣效率，其次，机器视觉分级技术能够最大程度上避免人为因素干扰而导致分级产生偏差。对于机器视觉在水果大小分级方面的应用，我国相关学者进行了大量研究表明，利用计算机图像处理软件实时动态地连续采集3张以上的清晰图像就能够充分反映水果相关要素，结合面积投影法及计算机数据处理系统，精确地计算出不同类型水果的直径大小，进而高效地实现水果智能化分级。现阶段，机器视觉技术在我国水果应用还未普及，但也取得了现阶段成果，常见的机器视觉水果分级系统能够满足分级要求和市场需求，分级速度、精度和效率已遥遥领先纯机械化分拣模式。

2.2 基于水果其他指标研究现状

现阶段，水果机械分拣机主要是运用对水果大小进行分级，而对形状、颜色及内在品质等方面无法实现分级的目的，因此，传统的机械化分级模式已无法满足果业经济的快速发展。基于机器视觉技术在水果的颜色、形状、品质及表面缺陷等指标的广泛应用，结合分拣速度快、信息量大及精确度高等优势且能消除主观意识因素，同时对水果相关分级指标进行智能识别，实现无损分级，有效代替了传统的分级模式，因此，计算机机器视觉技术具有无可比拟的巨大优势，必将成为水果分级的未来发展方向。

3 果园机械采摘与分级所面临困境

3.1 水果机械采摘所面临困境

当前，随着科学水平不断提高，我国果园采摘机械得到了前所未有的发展机遇，市场涌现了许多创新产品，比如人工采摘剪、动力采摘器、通用式采摘机械等，总体上应用效果不明显，大部分采摘机械功能单一、效率低下及对果实极易造成损坏，虽相对于人工方式生产效率有所提高，在成本方面却未显著提高，无法根本上解决果业经济发展缓慢的现状。同时，由于种植区地域条件和果树品种具有差异，使得果实成熟期各不相同，进而对采摘机械提出了更高要求，因此，在实际生产过程中难以实现果业机械自动化，通用性不强。其次，在我国山东、新疆及广西等地区已形成规模化种植基地，但绝大部分地区仍沿用传统劳动密集型种植方式，其果园较为分散、规模化程度低，农艺措施和农机之间无法有效衔接，无法真正建立现代化大型水果种植基地，同时，农户专业素质低也是影响果业采摘机械推广的主要阻力。

采摘机器人是当前比较新颖的高科技产品，但在实际生产过程中无法大面积推广示范，主要是表现在采摘过程中识别度不高、无法精确定位果实位置，截止目前仍未有高效的智能识别传感器能够自动识别水果位置，因此，在采摘机器人融入计算机图像处理系统、大数据分析系统等技术迫在眉睫。

3.2 水果机械分级所面临困境

机器视觉技术在水果分级的广泛应用，促进了果业经济快速发展，虽在水果指标检测方面取得了阶段性成果，但仍然面临诸多局限性，在未来果业发展战略中仍是研究的重点，尤其是如何高效地解决分级过程中损伤问题是研究的重中之重，下文主要是对水果机械化分级所存在问题进行分析，对机械自动化识别技术不再详细阐述。水果机械分级是国内普遍采取的分级方法，这种方法需人工进行辅助，操控人员需实时动态的进行机械操作，进而实现水果分级的目的。水果机械分级主要依据果实直径大小和重量进行分级，市场流通的分级机械结构原理基本类似，依托物理结构实现机械分级的目的，但在具体操作过程中，机械化分级很容易造成水果表面出现碰伤、擦伤等现象，且分级精度不高，大小果实很容易产业“串级”现象，因此，现阶段分级机械主要应用在表层较为坚硬的水果，比如柑桔、石榴等，而对于梨、柿子、苹果、火龙果等表层较软的水果应用效果不是很理想。

4 我国果园机械采摘与分级未来发展趋势

4.1 低成本、通用化、高效率

采摘机械和分级机械的未来发展趋势必须和农户的成本控制有机统一，在国家政策宏观调控下，在农户采购机械方面给予资金补贴，极大地实现机械的普及推广。同时，由于水果采摘和分级具有很强的实效性（季节性），因此，实现机械通用化提高机械化生产效率是当前研究重点，其能够适应不同水果品种及地域差异。其次，在果园种植的修剪、施肥、植保等关键生产环节，只需更换核心机械装置就能完成不同类型的农业工作，同时将机械采摘与分级环节高效联合，使得果业经济效益进一步提升。

4.2 自动化、智能化、信息化

切实加快采摘机械和分级机械的研发，使其向自动化程度高、智能化识别、信息化处理等方面发展，进一步提高生产效率，最大程度上将人们从高强度劳作方式中解放出来。对于水果采摘而言，智能机器人必将成为水果采摘的发展方向，结合自动化控制系统、视觉识别系统及信息化处理系统，真正实现自动化采摘。对于水果分级来说，人工分级和机械分级模式必将被时代的快速发展而淘汰，计算机视觉技术、采集图像技术、无损伤检测技术以及自动化控制技术的快速突起为果业分级提高了巨大的发展空间，由此可见，自动化、智能化及信息化的现代化技术应用，将为果业经济可持续发展提供强劲动力。