核桃采摘机械的研究现状及发展趋势

罗自瑶 杨淑华,2 张秀花 冯凡 弋景刚 郝建军 杨欣

1、河北农业大学机电工程学院 2、河北省（邢台）核桃产业技术研究院

引言

目前，我国核桃的种植面积居世界第一，截至2015年，我国核桃结果树面积66.7万公顷有2亿多株实生树品种。随着我国核桃产业的发展，核桃的需求在不断的增加，随之核桃的种植面积也在迅速增长。但核桃的采收基本由人工完成。人工采收消耗的时间长、效率低，如果不能及时采收还会对核桃的形状、壳面光滑度、壳厚、出仁率等品质造成一定影响[1]。人工采收严重制约了核桃产业的快速可持续发展，核桃产业发展必然要走机械化的道路[2]。因此，各国研制出了多种不同的采摘机械，对核桃进行采摘，收集处理，以增加核桃产业的效益。

1 核桃采收机械国外研究现状

国外发达国家在研究采摘机械方面起步较早。

1983年美国研制出了第一台采摘机器人，对柑橘、苹果、西瓜等水果进行采摘。但采摘机器人的采摘效率低、识别率低、成本较高，不能应用到大面积作业中。美国生产的振动式果园采收机[9]，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，树干带动枝条振动，果实被迫振动落地[7]。该机构适用于空间大、种植稀疏的环境。但核桃的果实与枝条连接力大，想要振落需要喷洒药剂，会对果实造成损伤。

振落后果实需进行人工收集。因此，在已有的振动机构中也设计增加了集果装置，集果装置为伞状，在振动前将树干环住包围，振落下的果实落入收纳的容器中，以此节省了人工捡拾的时间和成本。

2012年英国Genie公司生产了GR12、GR15和GR20等型号的电动轮式升降平台[3]。澳大利亚CRENDON公司生产了SQUIRREL型号的升降平台[4]。作业人员进入平台，利用升降杆将作业人员升到合适高度进行作业，达到了人工进行作业的功效。

同年，英国N.P.SEYMOUR公司生产的Windegger Picking Platforms[12]，利用轮式行走机构进行移动，平台伸高8.5米，采用液压底盘驱动，行星减速箱和枢轴传动，可以调节平台的倾斜程度，一站式进行控制。

意大利ORSI公司生产了四轮驱动自走式果园升降平台[11]，液压缸控制剪叉式升降机构带动作业平台完成升降工作，底盘两端都设置了果箱传送机构。根据实际情况进行操作，调整所需要的高度。该机构的体积小，操作方便简单，适用于山地丘陵的果园环境。但该机构进行作业时，需要升降平台才能完成果箱的搬运，连续采摘作业时操作不方便。

2 核桃采收机械国内研究现状

1992年浙江金华农机所研究了有拖拉机操作的用于果实采摘的升降机，高度上升可达7米。2007年，新疆机械研究院研制了LG-1型多功能果园作业机[10]，如图1所示，该机器可以对果园进行采摘、修剪、喷药等作业，也可作为运输、动力来工作。它工作时升降臂展开，升降支架带动车厢升高，人站在平台上进行作业，完成核桃采摘。但升降平台的高度有限，限制了采摘更高位置处的果实，因此也限降低了作业效率。

图1 新疆研制的LG-1型多功能果园作业机

2011年姚文斌等研制出了便携式振动山核桃采摘装置[4]，汽油机提供动力，采摘杆和采摘头作为采摘装置，采用振动机构，进行传动。进行作业时，振动机开始工作，对果实进行采摘，提高了采摘效率，降低了劳动强度。

2011年东北农业大学研制了林木球果采摘机器人[5]。采摘机构设计为液压驱动、单片机控制的机械手。作业时机器人距果树3～5m，机械手上升到一定高度，张开采摘爪，对准树枝，大小臂同时运动，夹住树干，然后按原路向后返回，将果实梳落下来。但使用这种方式进行采摘时，会梳落大量树叶，会对枝条造成损伤。

2011年，北京市农业机械试验鉴定推广站对小型多功能遥控动力平台研制成功[5，13]。该机械平台可对果树进行修剪、旋耕除草、果树打药和采摘。该机械有手动和无线遥控两种控制方式，便于操作和控制。作业人员站在作业平台上进行作业，达到半自动化作业。

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[11]，液压系统提供动力完成机构的行走和采摘，一个人就可以进行作业，操作简单。该平台的工作台尺寸为1310×1000，操作面积较小，上升的高度为3.5米，限制了对更高的果实的采摘。

2013年新疆石河子大学对国外的振动采收装置进行设计改进[9]。对夹持振动机构、传动系统、集果装置进行了改进。由拖拉机上的内燃机提供动力，动力传给液压泵，夹住后调整液压马达使夹紧装置夹紧树干，利用曲柄连杆机构的往复运动原理进行作业，驱动树干做低幅高频往复运动，将果实振落。

江苏大学研制了一种果树采摘机器人[14]。该机器人有移动底盘和机械手两部分，采摘果实的末端执行器固定在机械臂上，通过视觉传感器对果实进行定位，当操作器夹住果实后，一端的电动刀具对果实进行剪切。但该机构的采摘效率低，识别系统存在弊端，有时不能精准地捕捉果实信息。

3 国内外发展现状优缺点

现有的核桃采摘主要有振动式采摘机械、采摘平台和采摘机械手。振动式采摘机械工作较为常见，但由于核桃的果实与茎的连接牢固，在采用振动机械时需提前喷洒脱果剂，使果实催熟。采摘平台属于半自动化的采收机械，在进行采收时，需作业人员登上升降台进行人工采果，从而限制了采摘效率。采摘机器人可降低劳动强度，提高采摘效率，但采摘机器人的精准度要求高，研制成本就会随之增加，设备的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用，技术不成熟、适用性差、利用率不高和损伤率较高等问题较为突出。

4 核桃采摘机未来发展趋势

果园采收机械不断发展，应用越来越广泛。技术也逐渐趋于成熟，大大提高了采收的效率，提升了果实的品质。目前，国内外核桃采收机械大多采用振动装置进行振动采收提高了采摘效率、降低了劳动强度。但采摘机械目前只用于采摘，对于采摘后对果实的处理不能有效地结合，即便用了机械采摘，但收集的方式大多还是人工收集，从而增大了收集的劳动强度。集采摘、收集、分选及采后预处理于一体的联合采收，实现全机械化种植也可能是未来机械发展的趋势。