我国热带丘陵山区胶园采收机械和技术研究现状

王玲玲 黎土煜 陈娃容 邓祥丰 贾倩 郑勇

摘要 机械釆胶技术研发难度大，是一个世界性难题。我国热带丘陵山区胶园现有收获机械较少，尤其是全自动采收机械发展较为缓慢，现有的胶园收获机械主要以试验样机为主，样机成本高、适用性差，难以大面积推广应用。介绍了我国热带丘陵山区胶园采收机械技术研究现状，按照操作方式主要分为便携式、固定式、移动式3种。分析了胶园采收机械在研发创新与推广应用中存在的问题，提出了农业机械化、智能化装备研发与应用仍是今后发展趋势。建议加强胶园机械装备技术的创新研发，提升胶园生产管理智能化和精准化，助力产业全面升级。

关键词 胶园;机械化采收;研究现状;问题与建议

中图分类号 S 22  文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2022）12-0183-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.12.047

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Research Status of Rubber Tapping Machinery and Technology in Tropical Hills and Mountainous Areas of China

WANG Ling-ling1，2，LI Tu-yu1，2，CHEN Wa-rong1，2 et al

（1.Institute of Rubber， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan  571101;2.Mechanical Sub-center of National Important Tropical Crops Engineering Technology Research Center，Haikou，Hainan 571101）

Abstract The mechanized tapping technology is a worldwide difficult problem， so the technical research is difficult.The rubber estate has little equipment rubber tapping machinery in tropical hills and mountainous area of China.Especially the entirely automatic tapping machinery has been developed slowly.The rubber tapping machinery is mainly occupied by experiment prototype with high cost and weak applicability， which  is difficult to be popularized and applied in large area.This paper introduced the research status of rubber tapping machinery， including portable tapping， fixed tapping and moving tapping ranked in mode of operating.The existing problems in the popularization and application of rubber tapping machinery were analyzed.It was proposed that the development and application of mechanized and intelligent equipment were also the trend of future development.It was recommended that the research on innovation-tapping technology should be strengthened， which could promote rubber production and management intelligently and accurately，and promote rubber industrial upgrading.

Key words Rubber estate;Mechanized tapping;Research status;Problems and suggestions

橡膠树（Hevea brasiliensis（Willd.ex A.Juss.）Muell.Arg）是大戟科（Euphorbiaceae）橡胶树属（Hevea Aubl）植物，主要分布在亚洲、非洲、大洋洲、拉丁美洲40多个国家和地区。橡胶树兼具经济价值和生态价值，是胶农的主要经济收入来源。1876年，Wickham把橡胶树引入东南亚栽培，至今已有100多年的历史，目前世界最大产胶区在东南亚，种植面积1 066.67万hm2[1]。我国橡胶种植业从20世纪70年代开始，是世界上首个在北纬18°～24°大面积植胶成功的国家[2]，主要种植在热带丘陵山区，种植面积超过113.33万hm2，主要分布在海南、广东、云南等地。经过近50年的努力，我国天然橡胶产业为我国国民经济发展和现代国防建设作出了重大贡献。

橡胶树最佳产胶时间是在凌晨03：00—04：00。割胶仍沿用人力割胶方式，且技术要求高，割胶劳动强度大，人力割胶成本占生产成本的70%以上[3]，是天然橡胶行业长久以来的发展“痛点”。随着我国经济的发展，越来越多的农村青壮年劳动力和高素质人才流入城市就业，不愿意从事低收入、高强度的割胶工作，天然橡胶种植业面临人力成本和用工荒的双重压力，对胶园机械化采收需求迫切。目前国内外割胶仍大面积沿用传统的人力割胶工具和方式。受机械釆胶技术的限制，现有的胶园采收机械较少，尤其是全自动采收机械发展较慢，机械成本高且适用性不强，应用效果仍不理想，不能满足我国热带丘陵山区胶园发展需求，难以实现大规模机械化作业。笔者介绍了目前国内胶园采收机械技术的研究现状，分析了我国热带丘陵山区胶园采收机械技术存在的问题和发展趋势，旨在为研发全自动采收机械装备提供参考。78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

1 我国热带丘陵山区胶园采收机械和技术研究现状

机械割胶是辅助或代替人工割胶的重要方式之一，也是一个世界性难题。橡胶树树皮厚度约7 mm，从外到内依次为粗皮、沙皮外层、沙皮内层、黄皮和水囊皮，其中水囊皮的厚度小于1 mm[4]。割胶时要求避免损伤到水囊皮，割胶难度大，在机械设计上要求割胶精度达到毫米级。同时，橡胶树主要分布在热带丘陵山区，丘陵山区地形差异大，且丘陵山区农业机械化发展滞后，农机化技术服务水平低，对胶园采收机械的研发与应用提出了更高的要求。目前，国内已经开展了便携式采收装备、一树一机固定式采收机械、移动式采收机械（包括机器人）等多种采收机械技术的探索。

1.1 便携式采收机械与技术

与传统釆胶工具相比，便携式采收机械仍需要人力辅助操作，但大大降低了割胶难度，扩展了胶工来源。便携式采收机械主要包括传统胶刀式、旋切式和往复式。中国热带农业科学院牵头研发的4GXJ系列便携式电动割胶（往复式）装备达到国际领先水平。使用该装备割胶，劳动强度降低60%以上，割胶效率提高30%～40%，已在中国、马来西亚、泰国等13个橡胶种植国推广使用10 000 余台[3]。目前，该技术处于小面积推广应用阶段。

（1）传统胶刀式。王驭陌等[5]研發的智能割胶刀是利用发明问题解决理论（TRIZ）的冲突矩阵和创新原理，对传统割胶刀进行改进。它能够同时测量已割树皮的厚度和树皮总厚度，没有割胶经验的胶农使用该割胶刀割胶，产量增加20%～30%。该款智能割胶刀如图1所示。

（2）旋切式。黄理等[6]研发的旋切式割胶机主要由机头组件、割胶机本件、电池盒连接组件组成。该割胶机通过机器带动切刀旋转，实现对树皮的精准切割。该割胶机降低了采胶时割胶机本体的控制难度，实现了电池盒主体的快速更换，能够同时实现拉割或推割的割胶方式。该款旋切式割胶机如图2所示。

（3）往复式。曹建华等[7]研发的割胶刀主要由手柄、刀片、采胶耗皮深度调节装置、耗皮量调节装置等组成。该割胶刀能够实现采胶深度和厚度的有效确定，降低了人为主观因素对采胶深度和厚度的影响，降低了割胶难度。该款割胶刀如图3所示。

黄敞等[8]研发的电动割胶刀主要由刀片、驱动杆、轴承、偏心轴、电机和手柄组成。通过电机动力传动带动刀片切割橡胶树的树皮，实现扇形切割，不需要人工控制刀片单次的切割轨迹，减少对橡胶树皮水囊皮的伤害，提高割胶质量，降低对割胶产量的影响。该款电动割胶刀如图4所示。

1.2 一树一机固定式采收机械与技术

一树一机固定式采收机械不需要人力辅助割胶，将该装备捆绑在橡胶树的开割面上可自动完成割胶作业，可大幅度降低人力割胶成本，但机械割胶成本较高。海南海胶集团与青岛中创瀚维精工科技有限公司联合研发的一树一机固定式割胶机器人[9]开展了样机生产和技术测试演示，可实现灵活全自动割胶作业。2019年，海南海胶集团在海南红光公司配套了2.5代智能割胶机器，覆盖胶园20.0 hm2的面积，已安装7 000多台机器开展试点应用[10]。目前一树一机固定式采收机械仍处于小范围试点应用阶段，有望解决胶工短缺问题。

张喜瑞等[11]研发的异向曲柄自动夹紧定心割胶机主要由上夹紧装置、下夹紧装置、刀具轴向运动装置组成。该割胶机使用异向曲柄夹紧装置对橡胶树进行定心及夹紧，再通过对刀具夹持机构进行复合运动实现割胶。该款割胶机如图5所示。

邓怡国等[12]研发的具有双刀刃结构的割胶设备主要由外框架、垂直升降进给装置、螺旋割胶装置、太阳能板、收胶桶等组成。该割胶设备可以完全模仿人工割胶的动作，实现全自动化割胶，可以提高割胶效率和割胶质量。该款具有双刀刃结构的割胶设备如图6所示。

郑勇等[13]研发的电动割胶机主要由割胶刀、导轨、第一驱动装置和控制器等组成。该割胶机通过第一驱动装置驱动滑块沿着导轨运动，滑块带动割胶刀运动，实现自动割胶。该款电动割胶机如图7所示。

许振昆等[14]研发的割胶机主要由支撑钢管、螺旋导轨、电机、刀架等组成。该装备借助夹持机构固定在橡胶树上，利用切割轨迹控制机构使切割轨迹呈螺线形，借助丝杠螺母实现换行切割，利用切割深度调节机构调节适当的切割深度，能够替代人工割胶，实现无人自动割胶，最大程度解决了人工割胶劳动强度大、人工割胶不够精细的问题。该款割胶机如图8所示。

1.3 移动式采收机械与技术

随着现代信息技术的快速发展，我国农业进入数字化时代，农业机械往自动化、智能化方向发展，工业机器人技术被应用于热带丘陵山区的胶园采收。移动式采收机械主要包括空中移动式和地面行走式。

（1）空中移动式。曹建华等[15]研发的自动割胶设备主要由行走轨道、行走机构、关节旋转器、回转臂、回转传动机构、割胶刀片等组成。该割胶装备采用悬空轨道实现割胶装备的空中行走，进而实现一机多树的釆胶目的。该设备充分利用胶园中部空间，既不受胶园地形的影响，也不影响林下经济作物的种植。该款自动割胶设备如图9所示。

（2）地面行走式。张俊雄等[16]研发的割胶机器人主要由刀具、传感器、底座、机械臂、刀片等组成。该装备采用力反馈控制系统和方法，降低割胶轨迹误差，实现自动化割胶作业，提高割胶作业效率和割胶质量。该款割胶机器人如图10所示。

邱继红等[17]研发的智能割胶机器人主要由机械臂、GPS、底盘、激光雷达、储胶罐、扫描仪、电动割胶刀、胶水收集泵、吸胶管等组成。该装备采用二维码标识、云端系统等现代信息技术，由云端系统控制割胶机器人进行割胶作业，

可在胶园复杂地形中灵活行走，能实现一机多树割胶，提高割胶效率。该款智能割胶机器人如图11所示。

周航等[18]研制的割胶机器人样机主要由地面轨道、机械臂、视觉系统、传感器等组成。该设备适合复杂的胶园地形，利用RFID（radio frequency identification，射频标签）技术，集成应用了无源电子标签和阅读器，帮助准备定位目标橡胶树的割面，割胶作业精度达到亚毫米级，切割树皮时耗皮量误差、切割深度误差分别为0.28和0.49 mm。该装备能够利用铺设在胶园的轨道实现无人化一机多树割胶。该款割胶机器人样机如图12所示。78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

2 存在的问题

（1）我国热带丘陵山区农业机械化基础薄弱，胶园较少使用机械。我国热带丘陵山区农业主要以传统的耕种收模式为主，因为地形复杂，较少使用农业机械设备。尤其在胶园采收环节，胶农仍沿用传统的人力割胶方式，且形成了比较固定的割胶习惯和思维，主动接受新装备、新技术的难度较大。

（2）缺乏与热带丘陵山区相适应的胶园采收机械。我国天然橡胶生产面积虽不大，但釆胶机械研发难度较大，导致企业不愿意参与开展该方面的创新研究。目前，便携式割胶机械、一树一机全自动割胶机均处于样机试验与推广阶段，种类较少，机械性能仍需持续优化改进，且应用进展较为缓慢，从而导致热带丘陵山区相适应的胶园采收机械供给水平低下。

（3）割胶机械样机推广应用成本高，胶农购机意愿不强。在天然橡胶采收环节中，近年来干胶价格处于低位，人力割胶成本较高，导致胶园弃割、弃管现象严重，胶农收入锐减，橡胶收获环节对机械需求显得迫切。但是，目前研发的便携式割胶机械、一树一机全自动割胶机械样机的推广应用成本高，胶农愿意使用但购买意愿不强。

（4）农村劳动力老龄化且胶工短缺，缺乏有效的农业机械管理服务体系。我国热带丘陵山区青壮年更愿意进城务工，不愿意从事低收入、高难度的割胶工作。目前，从事胶园生产管理的人员老龄化严重，严重制约了胶园机械的发展。同时，胶农购买割胶机械后，会遇到操作难、机械故障维修难、售后服务难等问题。

（5）缺乏对割胶机械的创新研发和优化。相关割胶机械研发单位应根据热带丘陵山区胶园生产的实际需求，及时对研发的割胶机械进行优化与改进，减少机械故障率，提高使用安全性和稳定性，提高割胶机械在热带丘陵山区胶园的适用性。

3 技术发展趋势和建议

农业高效发展是我国农业发展的重要理念，目前我国也在积极探索和攻关农业传感器与高端芯片、农业大数据智能与知识模型、农业人工智能算法与云服务等关键技术。我国热带丘陵山区农业是我国农业的重要组成部分，农业机械化、智能化装备研发与应用仍是今后发展趋势。针对我国热带丘陵山区胶园采收机械技术发展，建议如下：

（1）现阶段仍需持续加强便携式釆胶机械和一树一机固定式釆胶机械的优化升级，提高机械装备的安全性与适用

性，促进便携式和固定式釆胶机械技术的搭配、农机农艺融合发展[19]。

（2）加强胶园采收机械的技术创新，研发与我国热带丘陵山区相适应的胶园采收机械装备，丰富产品类型，提高机械性能，降低技术难度，提高作业效率和质量。

（3）加强橡胶树树皮厚度智能探测与分析、割胶路径与轨迹智能规划、割胶环境监测等农业传感器和高端芯片的研发，及时准确获取机械化、智能化采收装备研发的基础农艺数据，为我国热带丘陵山区胶园高端智能化采收机械的研发提供数据支撑和技术支持。

（4）采用大数据、农业物联网、移动互联、人工智能等新一代信息技术，建立我国热带丘陵山区智慧胶园釆胶服务系统，提升胶园生产管理智能化和精准化，助力产业技术全面升级。

参考文献

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[9] 陈丽娜.绝了！海胶集团联合研发割胶“机器人”亮相 手机就能指导割胶[EB/OL].（2018-01-08）[2021-08-17].https：//hainan.ifeng.com/a/20180107/6284908_0.shtml.

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