我国油茶果采摘装备研究进展与趋势*

伍德林，杨俊华，刘芸，赵恩龙，刘路，曹成茂

(安徽农业大学工学院，合肥市，230036)

0 引言

油茶(Camellia)是一种木本油料树种[1]，油茶果被世界粮农组织优选为健康食用油原料。其主要分布于中国南方丘陵地区，以湖南、江西和广西等地居多，其他地方亦有少量分布。截至2020年底，全国油茶种植面积达到4 533 khm2，高产油茶林933 khm2，茶油产量627 kt，预计2025年，我国油茶种植面积将达到6 000 khm2，茶油产量达2 000 kt，产值提升到4 000亿元。油茶果充分成熟时，茶油的品质处于最佳状态[2]，茶油具有极高的保健和营养价值，受到越来越多的消费者青睐[3]，油茶壳也是一种理想的制备活性炭的原材料[4]。

由于全国油料种植面积持续下滑，产量徘徊不前，国内食用植物油产需缺口不断扩大。充分利用丰富的山地资源，挖掘木本油料植物的生产潜力，大力发展油茶产业[5]是破解我国食用油供应紧张，保障国家油料安全的一个重要途径。为此，对我国油茶果采摘装备研究现状进行阐述，指出目前油茶果机械化采摘存在的科学问题和关键技术问题及其发展对策与趋势，旨在为我国油茶果机械化采摘装备进一步研究提供参考，促进我国油茶产业快速发展。

1 油茶果生物特性

油茶果的形状都是比较统一的球形，并且油茶果主要分布在树冠的表层，而树冠里层的油茶果较少。通过对湖南省部分油茶品种进行实测，6年的湘林63油茶树，株距2.5 m，行距3 m，平均株高1.78 m，平均冠幅1.63 m；11年的湘林82油茶树，株距3 m，行距2.6 m，平均株高3.3 m，平均冠幅3.5 m。由此可以看出：油茶树的高度为2～3 m左右，直径大约为2 m，油茶果主要分布在冠层0.3 m处，油茶树的株距大约为3 m(见图1)。

图1 油茶果分布范围

油茶的主要特性表现为两点:一是果实与枝条之间的生长力大，且纵向拉断力大于横向扭断力，油茶果的平均脱离力明显大于花苞的平均脱离力[6]，处于适采期的不同油茶果品种的果柄分离力约为7～17 N，各品种间的果柄分离力有明显差异；二是油茶是花果同期，油茶果进入采摘季时，花苞正含苞待放，如若花苞损伤较大，将直接影响来年油茶果的产量。油茶果的采摘收获一般在每年10月中旬左右，且收获期较短。成熟后的油茶果要及时采收，否则油茶果将会脱离果柄掉落在地面，如遇降水等气候问题，未能及时捡拾也将大幅降低油茶果的产量[7]。油茶果机械化采摘环节成为限制油茶产业发展的主要瓶颈，油茶果机械化采摘难度大已经成为业界共识。

2 油茶果机械化采摘装备研究

随着我国油茶产业开发和利用的不断扩大，研究适合我国国情的先进油茶果采摘装备具有重要的经济价值。专利文献也是一种重要的信息资源，可以反映出本行业的研究现状[8]。

近年，国外研究人员对林果采摘有一定的研究，Blanco等[9]采用振动机械对油橄榄进行采收研究，发现以不同振动频率进行分批采收的策略可以明显提高采收率；Zhou等[10]用高速相机拍摄了樱桃脱落过程的位移轨迹，分析了振动频率对果实脱落速度和损伤的影响。根据油茶的生物特性及目前油茶果机械化采摘环节中存在的主要问题，我国的科研人员也设计出了不同类型和不同采摘方式的油茶果采摘装备。其中，油茶果采摘形式主要有机械辅助采摘、机械化采摘、智能化采摘三大类，分为吸附式、剪切式、抓拉式、梳刷式、震动式等形式[11]。国内科研院所研制出的一系列油茶果采摘设备或装置，弥补了我国林果采收设备中油茶果采摘设备的空白[12]。但是，国内丘陵山区推广的林果类采收设备种类仍然较少，没有合适的机械装备进行油茶果采摘作业，严重制约着油茶产业的发展[11]。

当前，油茶的发展主要在湖南和江西一带，但当地劳动人民大多还是采用手工完成采摘，或者是通过辅助工具来完成采摘。因此，当地政府就加大研究油茶果的机械化采摘的力度，促使当地农林高校进行油茶果机械化采摘的研究工作，这些高校不断地进行着相关的科学研究与试验，并且取得了很大的收获与研究进展。

2.1 油茶果机械化采摘装置

李赞松[13]设计了一种振动式油茶果采摘试验台(见图2)。其工作原理是通过振动机构使果实振摇产生惯性力，对果柄施以拉、弯、扭作用。当惯性力大于果实与树枝的结合力时，果实在连接最弱处果枝分离，完成分离过程。为实现油茶果半机械化采摘。

图2 振动式油茶果采摘试验台

罗时挺等设计了一种齿梳拨刀式油茶果采摘装置(见图3)，利用采摘头固定住油茶果位置，然后控制拉线使拨刀加速运动，最终使油茶果脱落，并对该装置进行了试验研究。该设计是一种半机械化设备，其优点是人工操作便捷，一定程度上提高了采摘效率，但其缺点是不适合树枝较密集的油茶果采摘，对树枝、花苞的损伤也很严重[14]。

图3 齿梳拨刀式采摘装置

饶洪辉等[15]设计了一种电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器，上下胶辊相向旋转运动，胶辊在油茶果表面接触位置处压力的垂直分力达到最大值，当胶辊对果实产生的作用力大于其果柄结合力时，果实即可顺利脱落。由于油茶花苞直径远小于油茶果直径，因此花苞易从胶辊间隙漏过，从而减少采摘过程中对花苞的损伤。

油茶果采摘装置如表1，以下研究团队采用半机械化、机械化采摘方式进行油茶果的采摘，不同的采摘装置采摘原理不同。摇振式采摘试验台体积较大，结构复杂，采摘过程中以曲柄滑块机构作为振动源，再与油茶果碰撞使之掉落；齿梳式采摘装置以人工为辅助，通过齿梳与进入齿隙中的油茶果冲击作用，将油茶果拨落；电动胶辊采摘执行器机械化程度高，经过上下回转胶辊的撞击使油茶果掉落，较为先进。

表1 油茶果采摘装置

根据表2，可以看出不同的采摘装置对油茶果力的作用方式、工作参数以及各自的优缺点。这三种采摘装置都提高了油茶果的采摘效率，但对油茶果的花苞、枝叶都有损伤和漏采现象。后期，研究人员仍可以对这几种装置进行改进和优化，最终达到对油茶果机械化、高效率、低损伤采摘。

表2 油茶果采摘装置性能分析

2.2 油茶果机械化采摘机

高自成等[16]系统地研究油茶的生物特性及采摘原理，并设计出了第一代油茶果采摘辅助机械——齿梳式油茶果采摘机采摘执行机构，其设计为多自由度结构，并且采漏率低，该采摘机主要由采摘和收集等部分组成。这种油茶果采摘机大幅提高了采摘效率，但在收获过程中花苞受损不可避免，加之对油茶果树内部的油茶果采摘困难，加上现在中国油茶树的种植间距分析，这个采摘机的整体尺寸参数较大，在行间很难行驶和转弯，林间作业难度较大。

高自成等[17]在分析采摘执行机构的机构组成和工作原理的基础上，建立了采摘执行机构—油茶果采收动力学模型，得出了该系统稳态响应下的振幅表达式以及影响因素。通过油茶果采摘机(见图4)进行采摘试验得出：激振频率和夹持高度对树干振幅有影响，落果率和落花率随着采摘频率增加而增加，落果率随着加持高度增加而增加，落花率随着夹持高度增加而减小，这种采摘机有较高的采摘率和较低的花苞掉落，但是还对树体还是有一定的影响。

图4 悬挂振动式油茶果采摘机

饶洪辉等[18]设计了一种液压驱动式油茶果采摘机。与电动胶辊旋转式油茶果采摘执行器相比，液压驱动式油茶果采摘机旋转架转速提高了83.33%，采摘效率明显提高，其平均采摘效率为210个/min，还分析了影响油茶果采摘率的主要因素依次为上下组胶辊间距、旋转架转速、胶辊直径；影响花苞损伤率的主要因素依次为胶辊直径、胶辊间距、旋转架转速。伍德林等[19]设计了一款摇枝式油茶果采摘机(见图5)。

图5 摇枝式油茶果采摘机

通过适当的夹持和振动油茶枝的力度都不会对枝条造成损伤，设计了四因素三水平正交试验，对摇枝式油茶果采摘机进行了田间试验。通过正交试验结果分析，果柄直径、油茶果几何平均直径和成熟度对油茶果果柄分离的影响程度不同，成熟度是影响果柄分离力的主要因素，而油茶果几何平均直径和果柄直径对分离力影响较小；成熟度越高其果柄分离力越小，所需的采摘力越小，成熟度越低分离力越大，所需的采摘力越大。

以下四种油茶果采摘机均采用了履带式行走方式，并且采摘机体积较大，在种植较密的油茶果园的行间不易转弯和行走，林间作业空间小。不同的采摘机采用了不同的动力来源，包括柴油机、液压马达、液压缸、电机等方式。

这四种采摘机均大幅提高了油茶果的采摘效率，但普遍存在对花苞和枝叶的损伤等问题，具体如表3所示。

表3 油茶果采摘机总体参数及性能

根据表4，这四种油茶果采摘机的末端执行器和采摘方式均不相同，根据采摘参数分析，目前采摘效果最佳的是悬挂振动式采摘机。该采摘机根据不同的树形生长状况进行作业，能进行精准的能量匹配，实现只摘果不损花，还具有落果率高、落花率低的采摘效果；激振方式采摘时，末端执行器对树体的夹持部位有所损伤，优化后的夹持高度和振动频率对花苞的损伤很小、对油茶果的采摘效率和采净率有一定的保障。

表4 油茶果采摘机末端执行器

3 油茶果机械化采摘存在的问题

我国油茶果机械化采摘装备的研制为丘陵山地的油茶果采摘带来了极大的便利[7]，但由于油茶生长特性带来的科学问题和机械化采摘存在的关键技术问题等，导致我国油茶果机械化采摘装备一直未取得突破性的进展，未能普遍用于实际的油茶基地进行机械化采摘。机械化采摘过程中，花苞、枝叶等损伤问题也成了机械化采摘环节中亟待解决的问题[20-21]。

3.1 油茶存在的科学问题

1)油茶树生长特性：油茶树枝干交错，树冠处细枝紊乱繁多并且生长方向各异，不同生长年限和品种油茶树的树体性状差异大，部分油茶品种主枝和次生枝不分明，树冠分布错乱。同时，未经改良的油茶品种树体过高增大了油茶果的采摘难度。

2)油茶花果生长特点:花果同期，在采摘油茶果的过程中采摘装置难免碰到油茶花苞，导致油茶花苞掉落。因此，避开油茶花苞采摘油茶果较为困难。

3)油茶果采摘时机：油茶果成熟的季节性强、适采期较短，成熟后的油茶果未及时采摘将会掉落在地面，影响油茶果的产量[7]。

4)油茶力学特点：果实与枝条之间的结合力较大，且油茶果的平均脱离力大于花苞的平均脱离力[6]，机械采摘的时候对油茶的枝茎、花苞等损伤很大。油茶果与果柄的结合力会随着时间的推移逐渐减小，不同时期、不同成熟度的油茶果与果柄之间的结合力不相同。

5)油茶生长环境：油茶树大多生长在丘陵山地一带，喜热怕寒，突然的低温或晚霜会导致落花落果，从而降低了油茶果的产量。

6)油茶种植模式：油茶林分布较乱，不同地区的种植模式不尽相同，未达到规范化、矮密化种植，导致机械化采摘进行困难、采摘装备难以适用多样的栽培模式。

3.2 油茶果机械化采摘存在的关键技术问题

3.2.1 采摘装备差异大

小型便携式采摘装置和大型采摘机是当前研究设计的普遍趋势，但在关键技术上都存在不同问题。

1)小型便携式采摘装置的质量普遍较大，人工手持作业不能长时间进行；同时，加工制造过程中未能使用新材料，导致采摘时普遍不能实现柔性化采摘。因此满足不了当前油茶果高效、花苞低损伤采摘过程。

2)大型采摘机体积较大，稳定性较差，作业区域在丘陵山地，环境的复杂性非常高，不易在行间及丘陵山地行走和掉头，危险系数高。因此，在该作业环境下对采摘机的地盘要求较高，采摘机研发过程中选择轮式或者履带式行走装置是必须考虑的问题。

3.2.2 末端执行器作业性能较差

末端采摘执行器的结构设计取决于油茶的生物特性和理化特性，因此需要适应油茶的生长特征以及农艺的特点，需要有柔性和灵巧性[7]，从而降低损伤。(1)不同类型的末端执行器采摘后对花苞的损伤普遍较高。由于油茶花果同期，花苞的生长距离和油茶果较近，所以很多油茶果机械化采摘装备在采摘油茶果的过程中都对油茶花苞有所损伤。如果花苞在油茶果采摘的过程中掉落，则直接影响来年油茶果的产量，研制出花苞损伤小的末端执行器较困难。(2)振动式采摘末端执行器对油茶树采用强制性振动。对树干进行振摇或对果枝进行敲击，虽然提高了采摘效率，减轻了劳动强度，但夹持过程中，存在伤枝(破皮)、折断等，以及树体主干有轻微晃动，对树体产生机械式损伤，影响油茶树的生长年限和挂果情况。(3)梳刷式末端执行器结构较为复杂，在冠层内操作会出现缠绕现象，对枝、叶、花苞都有损伤，在作业过程中经常出现枝条缠绕，影响油茶果采摘的连续性，单次作业时间较长，采摘效率低。

3.2.3 新兴技术应用困难

新兴技术对油茶果机械化、自动化采摘有极大帮助，目前此类技术在油茶果机械化采摘研究领域应用困难。如传感与检测技术、自动控制技术、图像识别技术、机器人路径规划[22]等相关技术。要实现油茶果机械化、自动化采摘，研究应用上述新兴技术是油茶果机械化采摘的必要手段。

4 油茶果机械化采摘发展对策与趋势

针对上述油茶果机械化采摘过程中存在的问题，结合当前油茶果采摘领域的热点分析，提出了可行性的对策与建议，并且对今后油茶果机械化采摘的发展趋势做出了期望。

提取62篇油茶果机械化采摘相关论文中出现频次两次以上且有实质意义的21个关键词(见表5)，来分析该领域当前研究热点主题。根据表5，从21个关键词中可以看出，当前油茶果机械化采摘的热点是油茶果采摘机和采摘机器人[21]。采摘机的研制可以加快油茶果的发展，有利于油茶果规模化种植和采摘，同时可以提高采摘效率，降低劳动力。

表5 油茶果机械化采摘相关论文中高频出现的关键词

油茶果采摘机器人的研制可以实现油茶果的精准、高效采摘，可以有效提高采摘效率、扩大种植规模。采摘机械臂和图像识别及传感器[23]的研究发展是采摘机和采摘机器人的研制基础和关键技术，图像识别技术如果能达到要求[24]，将其使用在采摘机器人装备上，油茶果的机械化、自动化、智能化采摘将会很快实现[25]。

4.1 发展对策

根据以上油茶果机械化采摘存在的科学问题及关键技术问题，结合当前油茶果采摘领域研究的热点，要推动油茶产业优质、高效发展，必须对上述问题给予解决。

1)种植油茶时可以通过规范化种植以及修剪，保证油茶树枝条生长的一致性，油茶果在冠层空间分布位置的相似性，从而使得油茶果机械化采摘作业时的通用性[26]。

2)通过使用脱落酸、乙烯等化学试剂，使得适采期时油茶果-柄结合力尽可能减小。在采摘过程中对采摘装置施加合适的的作用力来匹配油茶果脱落的结合力，减小了作业过程中的能量损失，也提高了采摘效率。

3)为了不降低油茶果来年的产量，降低机械化采摘过程中花苞的损伤。可以通过精准识别油茶果进行采摘，有效地避免接触油茶花苞，使油茶花苞从采摘装置中漏采，从而降低油茶果花苞的损伤以及掉落。

4)通过分析与研究机械化采摘设备对花苞的机理，设计低损花苞的机械化采摘设备，同样达到降低油茶果花苞的损伤以及掉落的效果。

5)为了适应油茶树体复杂性状和油茶果分布的不确定性，适当兼顾花苞的损伤率，研究油茶树-采摘装置之间的互作机制及适应性，建立果实与装置之间的刚柔耦合模型，进而探索低损伤、高效率的油茶果采摘机制和作用机理。

目前，油茶产业发展环节中最迫切的任务就是研制油茶果机械化采摘装备，最终实现油茶果采摘机高效、优质、低耗、安全的采摘，达到油茶果高效率、低损伤的机械化采摘效果。

4.2 发展趋势

油茶果机械化采摘是油茶产业发展的重要环节，油茶果采摘装备的进展分析研究可以为今后油茶果采摘装备的研究提供一定参考和指导意义。对于以上油茶果机械化采摘过程中存在的相关问题及给出的对策与建议，再结合油茶树体生物特性及其各项参数以及油茶果机械化采摘现状，油茶产业将有以下发展趋势。

4.2.1 采摘装备与种植模式融合

油茶栽培密度与采摘装备融合发展，规划出适宜采摘装备在行间作业的种植规模，便于采摘装备对油茶果进行采摘收获，规模化的种植保障油茶果高效率、低损伤采摘。同时，建立采摘装备与油茶树体的刚柔耦合模型[27]，分析两者之间的相互作用机制以及果—柄脱离力大小，进而实现采摘过程中的能量匹配。

4.2.2 新型末端执行器的研制

增加柔性材料在末端执行器上的使用，对油茶果及花苞、枝叶等低损伤采摘发展，提高油茶花苞的漏采率和油茶果的落果率，确保下年油茶果产量。末端执行器采用多作用机制组合方式采摘，采摘过程中让油茶果受到不同方向上的作用力，使其更容易脱落。

4.2.3 采摘装备便携化

为了适应丘陵山地油茶果采摘装备行走及操作困难等问题，今后油茶果采摘装备将向体积小、操作方便快捷、稳定性高、工作连续性好发展。另外，今后可以在便携式采摘装备上增加收集功能，实现采收一体化，避免人工拾捡。油茶果采摘装备便携化也会大幅减轻劳动强度，同时提高采摘效率及机械化作业时的安全性。

4.2.4 采摘装备智能化

半机械化、机械化采摘转向智能化采摘发展。由于油茶果“花果同期”的特点，在采摘油茶果过程中难免会损伤花苞。所以油茶果精准采摘已成为当前油茶果智能化采摘的发展趋势，将图像识别技术等新兴技术应用于油茶果采摘装备上，推进油茶果精准采摘。综合分析，在农业机械科技工作者的共同探究下，我国的油茶产业将高速发展，油茶果的价值将最大化吸取并加以利用，油茶果机械化采摘装备与技术将会达到新的水平。

5 结论

随着油茶的价值被不断地发掘，油茶产业的发展也不断加速向前迈进。无论从油茶的种植还是油茶果采收、加工环节等来看，油茶产业都取得了巨大的发展。国内科研工作者研发了很多油茶果机械化采摘装备，填补了我国林果采收装备中油茶果采收装备的空白。这些研究成果已经很大程度上降低了劳动力及劳动成本，并且大大地提高了采摘效率，基本解决了油茶果高效采摘、损花少等关键技术难题，并且解决了我国油茶果采摘环节有机可用的问题。但是，当前研究阶段也仍存在油茶的科学问题以及机械化采摘的关键技术问题等，如油茶种植模式不规范、油茶枝条分布错乱、“花果同期”、采摘装备不能满足“高效低损”采摘等，这些都是制约油茶产业更好发展的因素，需要尽快地研究解决。对油茶进行规范化的种植和修剪以及研制出采摘效率高、花苞枝叶损伤小的新型采摘装备，同时增加对油茶果智能化、精准化采摘的研究，将极大地推进油茶果机械化采摘进程及油茶产业的快速发展。