振动式果蔬采摘机械的研究现状与发展趋势

逯泽鹏， 许 威

(哈尔滨商业大学轻工学院，黑龙江 哈尔滨 150000)

果蔬含有丰富的营养元素，是人类日常生活中必不可少的食品[1]。我国是世界第一大果蔬生产国，2019年我国蔬菜的种植面积达到3.13亿亩，年产量约为7.21亿t，果蔬产业在我国经济体系中占有举足轻重的地位[2-5]。果蔬生产具有较强的时效性，并直接影响果蔬产品的经济价值。目前，我国果蔬的采摘方式还是以效率低、成本高的人工采摘为主，采摘过程所消耗的资源占整个果蔬生产成本的35%～45%[6-7]。随着我国经济的持续快速发展，越来越多的农村劳动力外出打工，这导致农村地区青壮年劳动力人口急剧下降，进一步增加了人工采摘的成本，降低了采摘效率[8]。

为了解决人工采摘方式高成本、低效率的问题，研究员们对机械采摘进行了大量研究。目前，对机械采摘的研究主要有振动式采摘机械、剪切式采摘机械和采摘机器人等。振动式采摘机械是通过执行机构使果蔬植株产生一定频率和振幅的激振，从而使果实与果柄实现分离的采摘方式。该类型机械一次作业可采摘整颗植株上的全部果实，采摘效率高，对操作人员的体能与技术要求较低，国外的振动式采摘机械已在实际生产得到部分应用，而国内尚处于研发阶段[6]。剪切式采摘机械主要是通过执行机构利用剪切力使果实与果柄实现分离，该类型机械具有操作简单、便于携带等优点，但由于每次只能采摘一颗果实采摘效率较低，便携式剪切采摘机械对操作人员的体能要求较高[9]。采摘机器人是一种集果实定位、果实分离、果实收集等功能于一机的自动化采摘机械，但是受果蔬种植场地的复杂性，风、光线等自然因素的随机性，以及机器视觉、传感器等技术的限制，使得采摘机器人的研究困难重重，距真正取代人工采摘还有很大的距离[10-11]。

机械采摘是解决农村劳动力不足，降低果蔬生产成本，提高农民收入最直接、最有效的方法，振动式采摘机械是唯一已部分应用于实际生产中的采摘机械。因此，本文对振动式采摘机械的研究现状进行了全面阐述，对目前振动式采摘机械研发中存在的问题进行了深入分析，并对振动式采摘机械未来的发展方向进行了展望，为国内果蔬采摘机械的研究提供参考。

1 振动式采摘机械的研究现状

振动式采摘机械的采摘原理是利用激振装置对果蔬植株施加一定频率和振幅的激振，进而使果实做加速运动，当果实受到的力达到一定程度时，果实与果蔬植株在连接的最弱处分离脱落，从而实现果实的采收。按照激振方式的不同，振动式采摘机械可分为气力式振动采摘机械、撞击式振动采摘机械、振摇式振动采摘机械和梳刷式振动采摘机械。下面将分别对这四种振动式采摘机械的研究现状进行论述分析。

1.1 气力式振动采摘机械

气力式振动采摘机械一般利用大功率风机产生高速气流对树冠进行冲击，高速气流产生的力会使林果受迫运动，当果实受迫运动产生的力大于果实与果树之间的结合力时，果实就会脱落，从而完成果实的收获。

20世纪60年代，Jutrast[12]等最早进行气力式振动采摘机械的研究，但是由于当时技术条件不够先进、机械设备功率不够高导致气流产生的冲击力较小，果实脱落效果并不理想。1972年，Whitney[13]等对气力式振动采摘机械进行了试验研究，他们使用最大流速为43.8 m/s的风机，对柑橘树进行了10 s的持续冲击，试验表明，这种方式对成熟柑橘的采净率为85%～90%，但是气流冲击会对树体造成损伤，导致下一年度柑橘的产量下降了10%。Coppock和Donhaiser[14]提出了圆锥扫描式气流冲击振动采摘机，该机使用翼式轴流风机提供气流冲击力，气流路径为圆锥形，在进行采摘试验时使用化学试剂降低了果实与果树之间的结合力，试验表明，当果实与果树间的结合力为22.2 N或者更低时，采净率可高达97%。Whitney[15]、Sumner[16]、Brown[17]和Hutton[18]等均对气力式振动采摘机械进行了研究，研究结果都说明了气力式振动采摘机械的采摘效率主要受果实和果树之间结合力大小的影响，果实和果树之间结合力越小越能取得更好的采摘效果。Coppock设计的气力式振动采摘机如图1所示。

图1 Coppock设计的气力式振动采摘机

气力式振动采摘机械在采摘过程中采摘机械不与果蔬植株直接接触，不会对果蔬的表皮和主干造成物理损伤，但是采摘过程中高速气流对枝叶、青果等会产生不可避免的损伤，使得果蔬的次年产量有所下降；由于是通过高速气流使得果实产生振动，因此气力式振动采摘机大多采用高功率的大型风机，甚至2～3个大风机并排使用，工作成本较高。气力式振动采摘机并没有研发至实际应用阶段就被其他振动采摘机械所取代。

1.2 撞击式振动采摘机械

撞击式振动采摘机械是依靠撞击装置直接作用于树干，通过输入单次或多次的振动激励，使果树受撞击作用而产生瞬时加速度，从而使果实果树之间产生大于二者之间结合力的作用力，进而达到果实快速脱落的效果，撞击式振动采摘机如图2所示。撞击设备一般为机械弹簧或者电磁式激振设备，这种方法可以减小果树在连续振动过程中受到的损伤。

图2 撞击式振动采摘机

Norton[19]使用撞击式振动采摘机械对甜樱桃进行了采收实验，实验结果表明：撞击式振动采摘机械能够有效的实现果实的采摘，可以达到80%～90%的采净率。Pellerin[20]等使用撞击式振动采摘机械对苹果进行了采摘试验，采摘率达到90%以上。Pacheco[21]等设计了一款用于粗壮树木的撞击式采摘机械，该机利用机械弹簧产生的瞬时弹力最大可以产生1 151 J的能量。Peterson为了收获可鲜食的甜樱桃，设计了一款针对樱桃树特有树形的撞击式振动采摘机，该机区别于单一撞击式振动采摘机，采用了对称布置，在果树的两侧都安装了撞击装置，工作时的加速度高达3 000 m/s2，实验表明该采摘机对Y形果树的采摘效率可达1 590 kg/h[22]。

撞击式收获机具有较高的采净率，但是对果树的损伤较大，会造成下一年度果品产量的下降，一般适用于比较粗壮的果树。

1.3 振摇式振动采摘机械

振摇式振动采摘机械的主要工作部件是振动夹持机构，工作时通过调节夹持机构的位置，使夹持机构与果树刚性连接，通过驱动夹持机构中的偏心轮或者曲柄滑块结构带动果树产生振动，使果实受迫振动从而完成采摘作业。振摇式采摘机振动机构主要有偏心轮式和曲柄滑块机构式。

Whitney[23]等对偏心轮和曲柄滑块机构这两种振摇式采摘机械进行了比较，实验结果表明：偏心轮式采摘机的采净率为70%～75%，曲柄滑块式采摘机的采净率为50%～55%。振摇式采摘机的主要工作参数为振动频率、振动时间和振动幅度，这些参数都对果品收获的效率与质量有着特别重要的影响，采摘不同植株需要的最佳参数往往是不同的[24-26]。为了获得最佳的采摘参数，Erdogan[27]设计了一种应用于杏树的采摘机械，并在试验中使用了不同的工作参数组合，试验结果表明40 mm和15 Hz是杏收获的最佳振幅、振频组合。Castro-Garica等对石松果实的最佳振摇频率进行试验研究，试验结果表明，在振动频率为16.1～18.9 Hz时，成熟球果的采收效率可以达到85.7%，研究表明小于4 s的持续振动时间是合理的，此外试验还表明使用两次短时间的重复振动，可以在果树损伤程度不增加的基础上有效提高成熟球果的采收效率[28]，振摇式振动采摘机械如图3所示。

图3 振摇式振动采摘机械

在振动式采摘机械的研究进程中，一些研究人员还设计研发了参数可调节的振动式采摘机。杜小强[29]等设计了一种可调振幅单向拽振式振动采摘机并进行了山核桃田间采收试验，结果表明：当振摇曲柄转动频率连续变化范围在5～14 Hz，调幅曲柄转速在7 r/min时，该机可以实现山核桃的采收，平均采收率为63.9%。伍德林[30]等设计了一种摇枝式油茶果采摘机，该采摘机的采摘头的振幅为3.5 cm、4 cm、5 cm可调，该机的采净率可达95.2%，花苞受损率为17.2%。

为了提高采摘效率，杜小强[31]等使用三维激振载荷的方法，同时对果树施加径、轴两向的激振作用，设计了一种三维激振果品采收机并进行了田间收获试验，试验结果表明，偏心振动电机和三维激振采摘机对于施加在树木上的激振平均加速度变异系数分别为0.72和0.67，这一结果说明三维激振的方式可以使加速度更加均匀的分布，进而能够减少树枝激振的次数，从而提高采收率。Rosana Moreno[32]等利用乙烯利作为脱落剂对柑橘进行了喷洒之后进行采摘，采摘试验如图4所示，采摘效率可达70%～85%，乙烯利增加了果实脱落量。此外Colmenero-martinez[33]等还提出了通过红外传感器探测树干，降低操作者对采摘机的影响，设计了一种自动收获系统如图5所示，该系统对树干的抓取成功率为91%，减小了人为因素对采摘作业的不良影响。

图4 Rosana Moreno等试验现场

图5 Colmenero-martinez等设计的自动收获系统

振摇式振动采摘机械是目前研究最多的收获机械之一，振摇式振动采摘机械能够采摘核桃、橄榄、杏等多种不同类型的果实，适用范围较为广泛。

1.4 梳刷式振动采摘机械

梳刷式振动采摘机械如图6所示，可用于多种果品的收获作业中，如枸杞、蓝莓、葡萄等[34-41]。梳刷式收获机工作时一般是将振动器深入到植株中，采用不同的振动方式梳刷或者击打植株的枝条，从而使果实脱落。

图6 梳刷式振动采摘机

Peterson[42]等设计了一种用于采摘生长在“T”型“V”型“Y”型等不同形状棚架上的黑莓的梳刷式采摘机，采摘试验结果表明这种采摘机对于生长在三种形状棚架上的黑莓的采摘率分别为88%、92%和85%。Peterson[43]还设计了一种新型蓝莓采摘机V45，该机振动装置为双滚钉式倾角振动器，试验结果表明，这种设计可以更好地减少果实的落地损失，并且可以获得与人工采摘品质相近的果实。为了研究梳刷式振动采摘机械采摘效率的影响因素，获得合理的工作参数，从而提高采摘效率，许多学者都进行了试验研究。Savary[44]用梳刷式振动采摘机械进行了实验来研究树枝和水果上的力和加速度分布，实验表明树冠内果实的所受的力高于边缘果实所受的力。Rafaeld[45]等设计了一种梳刷式振动采摘机械如图7所示，并对橄榄树进行了田间采摘试验，试验结果表明：影响采摘效果的决定性因素是采摘机的振动频率和振幅，果实和果树的损伤程度会随着梳齿密度的增加而变大，该机可以达到77.3%的采净率，并且能够使超过65%的果实达到垂直脱落的效果，更加有利于果实的收集。

图7 Rafaeld等设计采摘机

梳刷式振动采摘机械的振动效果是通过振动杆传递给树枝的，主要依靠振动杆与树冠的接触传递能量，不同振动杆组成的振动机构对采摘效果以及对树和果实损伤的影响是不同的[46-52]。Pu[53]等对三种不同材料不同形状的摇杆的振动效果进行了研究，并进行了试验，三种不同材料不同形状的摇杆如图8所示，试验结果表明：PVC刚性摇杆抗弯曲强度最高；相同转速下刚性摇杆能比其他柔性摇杆产生更强的振动；弓形摇杆较刚性摇杆和柔性摇杆具有更好的广布性能、更低的树损。

图8 三种不同材料不同形状的摇杆

Liu[54]等利用柑橘树冠对不同类型振动机构的振动特性进行了研究，振动齿类型包括直尼龙、弯尼龙、直PVC和直钢弹齿，实验结果表明：弹齿材料影响树木的振动响应，钢弹齿对树枝的加速度峰值约为尼龙弹齿的2.0倍，弹齿弯曲刚度对所产生的加速度有积极的影响，尼龙直齿对树木的伤害远小于其他直齿，结果表明振动齿应具有较高的刚度，但其表面应柔软。

梳刷式振动采摘机能够有效的提高采收效率，但是因其直接与植株接触，会对植株特别是植株的冠层部分产生一定程度的破坏。摇杆的选择是减少树木损坏和提高采净率的一个重要方面，进一步研究振动杆对树木的损伤机理，以获得优化振动杆的参数，可以减小树木的损伤，获得更多的果实。

2 振动式采摘机械存在的问题及研究展望

从国内外现有研究成果可以看出，振动式采摘机械是目前收获效率最高、实现条件最容易的机械化采摘设备之一。振动式采摘机械能够显著的提高采摘效率、降低采摘成本，对提高果蔬产业的经济效益有着重要的意义。但是与此同时，振动式采摘机械也存在着一定的问题：在采摘过程中由于果实的晃动产生的相互碰撞和收集时果实与收集装置产生的物理接触会损害果实的品质，严重影响果实的经济价值；撞击式、振摇式和梳刷式振动采摘机械在工作时因与植株发生直接接触，不可避免的会使植株产生损伤，而气力式振动采摘机械虽然不与植株直接发生物理接触，但是大功率风机产生的高速气流会对植株的枝条和叶产生较大的冲击作用，严重时会造成枝条的折断，这些都可能导致减产，严重时甚至导致植株的死亡；综合国内外的研究成果来看，不同品种的果蔬需要的振动式采摘机械的最佳工作参数往往是不同的，但是目前研究的振动式采摘机械，往往只能针对单一品种的果蔬进行采摘作业，这严重地限制了振动式采摘机械的通用性，增大了采摘成本。因此振动式采摘机械的研究应该向着保证果实品质、降低植株损伤、提高采摘机的通用性等方向发展，现提出以下几点研究方向以供振动式采摘机械未来的研究作为参考：

(1)系统研究植株的振动特性和振动损伤机理，建立完善的植株振动特性数据库；研究植株形状对振动传递的影响，修剪出适于激振的传递、可以保护树体的树形；分析植株振动特性对采摘效率的影响，为研发节能高效的采摘设备提供一定的理论依据。

(2)分析振动式采摘机械采摘过程中造成植株和果实损伤的原因，优化振动采摘机械的结构，提高激振传递效率，减少植株振动损伤，保证果实的品质。

(3)研究开发可以用于不同植株的振动式采摘机械，提高振动式采摘机械的通用性与使用效率，降低振动采摘机械的使用成本。

(4)研发半自动化和全自动化的振动式采摘机械，提高振动式采摘机械的自动化程度，加快机械化采摘取代人工作业的进程。

3 结束语

本文对目前机械化采摘方式进行了比较，并对振动式采摘机械的国内外研现状进行了阐述。分析了振动式采摘机械存在的问题并提出了未来研究展望。综合国内外研究进展来看，振动式采摘机械是实现果蔬产业机械化采收的重要方式之一，具有极广阔的应用前景与研究价值。虽然发达国家在相关领域研究较早，但是目前的机械化采摘设备仍然存在一些需要解决的问题，不同类型的振动式采摘机械也都具有各自的局限性，距离真正的广泛应用还有一定的距离。因此，研究开发一种通用性高、能够保证果实质量、具有一定自动化程度、具有较高采摘效率和较小树木损伤的振动式采摘机械将会是今后的重要研究方向。我国在果蔬机械化采收领域起步较晚，与发达国家差距较大，应该在总结归纳国外研究成果的基础上，结合我国果蔬产业的生产规模、种植模式等特点进一步进行相关领域的研究，促进我国果蔬产业机械化采收技术的应用。