林果机械化采收技术与装备研究进展

苑严伟，白圣贺，牛 康，周利明，赵 博， 伟利国，熊 师，刘立晶※

（1.中国农业大学工学院，北京 100083； 2.中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京 100083）

0 引 言

中国是世界最大林果起源地之一，幅员辽阔，地跨寒温热三带，林果种类丰富，品种繁多，种植广泛。据国家统计局公布的数据，2019年中国林果种植总面积超过1 227万hm，总产量达到2.7亿t。随着经济的快速发展和农业产业结构的不断优化，林果业逐步成为果农增收致富的主导产业和重要支柱产业，也是实现生态效益和经济效益并重的产业，具有较强的国际竞争力，发展前景广阔。

近年来，林果规模化种植发展较快，但作为典型的劳动密集型和季节依赖性较强的行业，目前林果生产大都以人工作业为主，效率低，人工成本占比越来越高，种植水平低，果农经济收入水平不高，也存在一定的产品质量安全隐患。“大而不强，多而不优”是当前国内林果业面临的窘境。随着农村季节性劳动力的短缺，劳动力成本急剧上升，而消费者对商品化水果的质量要求越来越高。因此，提升林果机械化水平迫在眉睫。

林果采收的劳动力投入占35%～45%。另外，采收部件与果实器官在工作过程中直接或间接接触，容易造成果实破损，是实现机械化作业最难的环节。林果机械化采收是林果全程生产最重要的过程，是确保成熟果实及时、无损、高效收获的关键，对后续的果实储藏、运输、加工以及销售产生直接影响。目前国外林果采收形式主要有气力振动式、撞击振动式、机械振动式等，其中以机械振动采收应用最为普遍。而国内果园大多采用密植化种植，作业空间较小，国外大型高效采收机具难以直接应用。为了有效提升林果机械化采收性能，现阶段研究林果采收机械结构优化、寻求最优工作参数组合、探索不同采收方式、作业参数对采收性能影响规律等方面，并且针对部分林果采收需求初步形成了机械化采收技术与装备体系。

大部分林果属于鲜食生产，即采收后直接进入超市或菜场，对成熟度、外观、品质、保质期都有严格要求。因此，高效率、低损伤的林果机械化采收技术是生产林果产业发展的重大现实需求，更是林果全程机械化和规模化的研究重点和难点。目前针对干果、鲜果、浆果的采收方式主要分为一次性联合摘果采收和振动采收后分段集果捡拾，由于成熟期不一致，其中一次性联合摘果采收一般需要借助化学催熟剂和脱落剂进行一次性联合采收作业；振动采收后分段集果捡拾是指经过振动使果实与植株分离，并根据林果特性选取适用的方式完成捡拾。本文针对中国林果种植分布情况和机械采收发展现状，主要对一次性联合摘果采收和振动采收后集果捡拾技术与装备的基本概况及存在问题进行阐述，结合国内外技术装备研究现状和机械化林果采收技术要求，以高效率、低损伤为目标，基于林果产业发展需求和应用场景，展望林果机械化采收技术的未来方向，以期为国内林果机械化采收技术的进一步发展和研究提供理论参考。

1 林果种植现状

中国是栽培果树起源中心之一，也是世界四大果品生产基地之一，主要水果的种植面积和生产产量如表1所示。根据中国生态条件适应程度林果划分为8类、根据生长习性分为4类（表2所示）。中国地形主要分为平原地区和丘陵山地，其中果园种植以丘陵山地为主，各省丘陵山地面积占全省面积比例如图1所示。由此，中国现有果园种植形式主要有小块阶梯种植、陡坡种植、传统种植、缓坡种植、高起垄式种植以及宽行密植等模式，其特点如表3所示。

表1 中国主要林果种植面积与生产产量 Table 1 Planting area and yield of main forest fruits in China

表2 以生长习性和生态条件适应程度分类的林果类别特征 Table 2 Characteristics of forest fruit categories classified by growth habit and degree of adaptation to ecological conditions

图1 中国主要果园种植省份丘陵山地面积占全省面积比例 Fig.1 Ratio of mountainous areas in main orchard planting provinces in China

表3 现有果园种植形式特点 Table 3 Characteristics of existing orchard planting forms

2 一次性联合摘果采收

一次性联合摘果采收根据采收部件的作业方式可分为气力振动式、机械振动式（即摇振式、撞击式）、采摘平台和采摘机器人，其中气力振动式主要通过气流作用方式实现果实采收；机械振动式有多种方法实现果实采收，比如振动、切割、梳刷等；采摘平台属于半自动化摘果台架，通过操控升降平台将作业人员送到一定位置进行果实采摘；采摘机器人通过机械臂摘取果实，再将果实与果梗分离。

2.1 气力振动式

气力振动式按照压力方向可分为气吸式和气吹式，通过风机压缩空气产生高压气流，通过导向器改变气流方向使枝条晃动，果实在重力与气流冲击的共同作用下掉落。20世纪60年代，Jutrast等最早提出应用气力振动式采收柑橘。为进一步研究其采收性能，Whinney等对柑橘采收机的果实分离效果进行探讨，研究表明作业速度、气流方向和速度对果实分离有较大影响，在化学剂的辅助作用下，果实分离率能够达到90%～95%。Coppock等为进一步提高采收效率，研制了一种锥式扫描风机，试验结果表明：当气流速度为67.0 m/s、振动频率为120次/min时，该机工作效率高达170棵/h。国内张韵通过试验研究了圆形和扁圆形吸口的结构尺寸与采摘效率的关系，慕厚春等研制了一种沙棘果采收机，试验表明，该机采收效率为人工的3～4倍，果实破损率低于10%。

综上，气力振动式采摘适用于柑橘、沙棘及黑加仑等，能够避免工作部件与果树直接接触，极大降低了果实损伤率，采净率超过90%。但该方式能耗较高、效率低且成本高，不宜规模化推广应用。因此，今后在研究气力振动式采收技术时，应尽量减少甚至不用化学剂辅助工作，通过改良果树的生长特性适应机械化作业；另外，需要进一步研究不同结构果树系统的动力学特性，分析果树空间结构与采收效率之间的关联，开发能耗低、成本低、效率高的产品。

2.2 摇振式

摇振式采收法按照果树振动产生的位置可分为：树枝振动、树干振动以及树冠振动，其工作原理是通过夹持机构夹紧果树树干或树枝，借助偏心轮或曲柄滑块装置使果树产生振动，完成果实分离，实现果树采收。树枝振动式通过人工调节夹持机构来适应不同树枝，如Erdoan等试验研究了沙棘和干杏的振动采收性能。树干振动式主要对果树树干产生激振力，迫使果树产生振动，实现果实分离。比如Hedden等采用线性和多方位振动模式对Hamlin和Valencia柑橘进行试验研究。结果表明：Hamlin柑橘采收效率从64%增加到90%，Valencia柑橘采收效率从74%增加到91%；为比较单侧振动和多方位振动的采收性能，Peterson利用摇振式采收机进行樱桃采收试验，单侧振动和多方位振动的果实采收效率分别达到85%和90%。树冠振动式通过梳齿机构使果树枝条产生振动实现分离果实。比如Peterson研制了一种树冠振动收获机，采收效率为80%～90%；Lee研制了一种基于树冠振动的红枣收获机，采收效率为95.8%。

1980年国内着手研究林果采收机器。由于振动频率、振动幅度和振动时间直接影响采收质量，沈瑞珍等研究了振幅、激振频率、振动时间与落果率的关系；张克孝等研究了梳刷和振动方式对黑加仑机械采收效果的影响。比如汤智辉等研制了4YS－24型红枣收获机，王长勤等研制了一种偏心式林果振动采收机，但仅适于采收树干直径较大的枣树，限制了其推广应用。

目前国内外主要采用摇振式采收，适用于橄榄、咖啡、核桃、开心果、巴旦杏以及咖啡豆等，虽然采收效果较好，但易造成果树物理损伤和果实外表机械破损，影响果实质量。在今后研究中应剖析机械收获过程中造成果实机械破损的原因，通过CFD-DEM耦合分析，研究果实采收机理和运动特性，明确果实-机械相互作用关系和规律，并采用缓冲隔离装置减轻碰撞，以进一步减少果实破损。

2.3 撞击式

撞击式采用机械或电磁形式，单次或多次产生瞬时高输入激励，致使果树产生振动使果实快速脱落，可有效避免果实破损，从而完成对果树的撞击采收过程。Norton等研究了撞击式和摇振式对甜樱桃采收效果的影响，结果表明：在较好条件下这两种方式的采收性能无太大差异。Pellerin等为了解不同树木形状对撞击式振动采收机作业效果的影响，对两株不同枝干形状的苹果树进行了测试。试验表明两种树形的果实采净率都可达到90%～95%，但开心型苹果树的果实损坏率偏高。Peterson等在树木两侧设计了一种撞击装置，该机每小时可采收1 480 kg樱桃果实。

撞击式采收的采净率较高，适用于橄榄、扁桃、核桃、樱桃等，但对果树个体造成的损伤较大，导致下一年果树结果率下降，适用干粗壮型、果实硬度较大的果树。后续需寻求机器最优工作参数，优化机械结构，尽可能降低果树破损，并提高采收效率。

2.4 果园采摘平台

果园采摘平台属于半自动化的工作平台，动力由拖拉机液压提供，根据底盘结构形式分为：履带式和轮式。轮式采摘平台适于相对平坦地形，具有运行速度快，控制简单等特点。欧美发达国家大多采用轮式行走机构，比如澳大利亚CRENDON公司生产的SQUIRREL型号的升降采摘平台；英国N.P.SEYMOUR公司生产的Windegger升降采摘平台。履带式采摘平台适合在崎岖的地面上行走，日本和韩国等中小国家大多采用履带式，稳定性能较好，越障能力较强，使用寿命长。

国内果园地形地貌复杂，大都分布在山区和丘陵地带，种植比较分散。2007年新疆农业机械设计研究院研制出了国内第一台多功能果园作业机，采用橡胶履带，适于行走在果园土壤松软和湿润环境，其升降高度达到1.5 m；2011年，北京市农机鉴定站成功开发了多功能遥控电源平台，通过手动与无线遥控结合方式对机器进行前进、转向和停车控制操作。

果园采摘平台适用于苹果、梨等果皮易受损、不宜贮存的鲜食果品收获。轮式采摘平台采用液压底盘，能够自适应地形变化，有效提高了作业效率。履带式采摘平台稳定性能较好，越障能力较强，使用寿命长，其性能均优于轮式采摘平台。由于国内果园多集中在丘陵山区，未来应以轻质化、仿变形行走、高离地间隙为研究目标，增强平台的通过性能，使其操纵方便、结构简单。如何在果园高空升降作业平台上安装喷雾、打药、采摘和修剪等装置，以实现高空作业平台的一机多用性也是未来研究方向。

2.5 采摘机器人

1980年第一台番茄采摘机器人问世以来，美国、英国、法国等国家相继开展了各种采摘机器人的研究，应用于鲜食水果，如苹果、柑橘、猕猴桃、荔枝、草莓、葡萄、芒果等。目前，采摘机器人的采摘方式主要分为抓取切断和仿生采摘，其工作原理和特点如表4所示。

表4 采摘原理和特点 Table 4 Principles and characteristics of picking

针对林果不同特性，根据抓取果实或果梗原理可分为：吸入式、夹持式和吸持式，其工作原理和特点如表5所示。

表5 不同果实抓取方式的采摘原理和特点 Table 5 Picking principles and characteristics of different fruit grasping methods

目前苹果、西红柿、柑桔、葡萄、甜瓜及甘蓝等采摘机器人的研究已取得一定成果。采摘果实时，机器人通过移动机构主动接近并准确定位目标，运用识别与定位系统获取果实数字化图像，基于图像处理算法识别和确定果实位置，机械手接收指令后，末端执行器开始进行果实采摘。该方式采果质量较好，但仍有许多难题需要解决，比如：果实遮挡、采收困难、效率低等。

由于林果具有发育和成熟度不一致的生长特性，结合市场需求，为采收品质一致（成熟度、尺寸、色泽、纹理、硬度等）的果实，选择性收获机器人技术被提出。选择性收获包括3个步骤：识别目标、定位采收目标、控制执行动作，涉及的关键性技术为目标识别与定位、多自由度机械臂控制和末端执行器。目标识别与定位技术有助于机器能够精准快速识别目标果实，并确定目标在空间的位置；多自由度机械臂控制控制执行器准确到达目标，完成果实采收。选择性收获机器人研究始于20世纪80年代，随着传感器感知精度、识别速度、新型采收结构及其控制方法的快速更新和不断完善，采收机构执行速度低、采收过程不可靠等技术难题得到解决，后续需要结合农艺创新加强末端执行器与机械臂优化、复杂场景下动态识别与快速决策、机器人系统协同控制与作业优化等。目前典型林果采摘机器人特点如表6所示。

表6 典型林果采摘机器人 Table 6 Typical forest fruits picking robots

3 振动采收后集果捡拾

振动采收后集果捡拾是通过振动使果实与植株分离，再根据林果特性选取适用方式完成捡拾工作。国外在1960年代相继研制出多种果园专用机械，林果振动采收后捡拾基本由人工向机械化转变。小型生产机器多为便携式或手持式，大型机器主要以常规拖拉机作为配套动力，采用悬挂式或牵引式，自走式机械相对缺乏。目前，按照捡拾动力不同，主要分为机械式和气力式。

3.1 机械式

机械式捡拾装置根据捡拾头的类型可分为柔性捡拾装置和刚性捡拾装置，柔性捡拾装置主要以毛刷和弹齿为主，与林果接触位置具有一定的缓冲，伤果率较小；刚性捡拾装置直接和林果接触，易对林果造成损伤，主要适用于坚果类捡拾。

柔性捡拾一般包括梳刷式、弹齿式及抖动式等，Howard等设计了一种坚果收获机，采用弹齿捡拾方式，通过拖拉机前悬挂驱动横向仿形绞龙完成集果作业，然后由集果绞龙下方横向旋转轴上的弹性钢齿捡拾果实，其平均集果率为97%，平均捡拾率为95%，平均损伤率为2%，但由于采用仿形绞龙的直径较大，仿形效果差，且无法捡拾果树下方的坚果，有效工作面积和适用范围较小。马利云等研制了一种耙齿式落地红枣拾捡收获机构，利用耙齿弹性势能，将红枣弹起并送入集枣箱。该装置结构简单，收获效果良好，拾捡效率是人工的5倍以上，但对耙齿弹性要求较高，寿命短，不利于长期使用。鲁兵等研制了一种新型落地红枣收获机，采用清扫+仿形铲枣的形式捡拾落地红枣，但仅限于相对平坦地面，功耗较大。

刚性捡拾一般包括滚筒式、拨杆夹取式、刮板输送链式及挑钩式等。Hedden等设计了一种滚筒喂入式捡拾机，采用滚筒刮板旋转的方式对果实进行捡拾，对柑橘果实捡净率可达到92%。Reza推出了一种新型柑橘捡拾机，采用圆头拨杆夹取形式完成果实捡拾作业过程。张亚欧等研制出一种矮化密植模式落地红枣收获机，采用拨杆的形式将落地红枣捡起，在惯性力和振动作用下完成落地红枣捡拾；Churchill等采用刮板输送链喂入的方式实现柑橘的捡拾过程。

3.2 气力式

气力式林果捡拾机械基于气体作用形式分为气吸式和气吹式。史高昆等设计了一种气吸式红枣收获机，风机产生的正压气流在三通管道分成两股气流，在吸枣管形成负压，在其作用下将地面红枣捡拾起来；党凯锋等研制出一种气吸式红枣捡拾收获机，采用负压捡拾落地红枣，风机将杂物箱内空气抽出形成负压，落地红枣在负压作用下被捡拾，但需人工扶持吸枣管，捡拾效率低。

表7是典型林果类振动采收后捡拾机械及其工作原理。机械式捡拾多采用刮板输送链、叶轮、拨杆等机构作为执行部件，通过铲起、挑起、拨送、夹取等动作捡拾林果，按照作业形式可分为滚筒式、拨杆夹取式、刮板输送链式及挑钩式等。该方式主要适用于行间距较大、地面较平整的大型果树的果实捡拾，属于直接接触，易出现果实机械损伤、漏捡等现象。气力式捡拾在风机的作用下将果实捡起，根据气力作用方向分为气吸式和气吹式，属于非硬性接触，主要应用于红枣、小浆果等林果捡拾，具有输送效率高、伤果率低等特点，但功率消耗较大，工作时尘土飞扬，工作条件比较恶劣。

表7 典型林果类振动采收后捡拾机械及其工作原理 Table 7 Picking machinery and its working principle after vibration harvesting of typical forest fruits

现有气力式捡拾装置基本需要人工协助，在果实分布零散情况下，人员劳动强度较大，但对果实损伤较小。未来随着机器视觉的发展，应促使捡拾装置与机器视觉相结合，实现果实自动识别，完成无人化捡拾作业。

4 林果机械化采收面临问题与发展建议

由于不同果实大小、质量和硬度的差异性与采摘作业的复杂性，目前绝大多数的林果采收作业机械化程度较低，面临着识别准确率低、工作时间长、夹取损伤大、制作成本高、通用性低等问题。林果机械化采收的技术重点是高效低损采摘，最终目标是实现林果自动化、智能化、无人化采收，结合目前林果机械化采收现状及已有技术，本文提出了如下问题与建议：

4.1 林果机械化采收面临的主要问题

1）重视程度不够，扶持力度不足。国内对林果业生产装备发展不够重视，林果业生产装备一直处在市场建设不完备、政府管理不到位的状态，很多大型林果业装备研发未列入发展计划。国家农机购置补贴资金等财政扶持政策对林果业机械的关注度和资金投入不够和较少。且各地农机主管部门对林果业生产装备的扶持和管理较为薄弱，重视程度不够，将林果产业作为副业对待。

2）工作环境复杂，宜机化程度低。立地条件差、地形条件差、种植制度复杂等是制约果园机械化发展的主要因素。中国地域辽阔，各地果园种植形式不同，种类众多，且多在丘陵山区，工作环境比较复杂，存在地形多变、道路崎岖、场地狭窄、山高坡陡、障碍多、环境信号差、信号覆盖率低等，致使大型机器装备无法进入果园作业区域。农机、农艺标准化、规范化、宜机化生产及产业化经营滞后，试验示范推广不足，缺乏高标准、宜机化的林果全程机械化示范基地。农机与农艺配合不够紧密，农机农艺融合发展的协同机制不健全。而且由于林果生产的季节性较强，专用机械使用期短，难以规范农机销售、作业和维修市场的服务标准，推广与应用困难。另外，目前林果采收仍然主要依靠人工作业，加之劳动力缺乏、劳动强度大以及工作效率低，人工成本逐年上升。

3）基础性研究落后，缺乏专业技术人才。国内林果采收机械虽然经过多年发展，但是基础性研究、机械-果实相互作用系统理论和共性技术较为缺乏，尤其是具有自主知识产权的技术，由此造成了国内林果机械化装备水平低下、果树果品的机械损伤严重，严重降低了果品质量及其经济价值。另外由于开发难度大、集成度不高、投入成本大，也抑制了其发展进程。除此之外，从事林果业装备的技术研发人员较少，人才队伍结构不完善，尤其是行业领军和优秀人才匮乏，无法进行攻关克难，难以满足林果产业的发展需要。

4.2 林果机械化采收发展建议

自动化、智能化时代的到来将快速推动林果生产装备的升级，使其朝着实用、智能、标准、绿色环保的趋势发展。为提升国内林果机械化采收技术水平和产业竞争力，今后应着力发展以下方面：

1）政府应大力支持和加大研发投入。根据林果产业发展需求出台扶持政策，从技术、资金等方面开展扶持工作，解决林果生产机械的供需矛盾。组织重点攻关，鼓励开展引进消化吸收再创新，充分利用重点建设项目和振兴重点产业结构形成的市场经济需求，加快推进林果机械化自主研发进度。实施林果装备购置补贴，提供更多的资金补贴，扩大购置补贴范围，提高林果装备购置比例。

建立林果装备技术创新专项补贴制度，对新工艺、新技术与新装备，国家应给予政策性财政资金补贴或奖励，以此加快科技成果转化与高新技术推广和应用；设立专项资金追踪国际先进技术，重点引进和推广国内外先进林果生产新工艺、新技术与新装备，加强机电一体化、人工智能等高新技术研究，不断提高林果技术装备水平。重点发展林果产业机器人龙头企业，支持企业与用户联合开展科研攻关，鼓励企业和个人进行科技创新。通过政府引导，依托龙头企业，利用品牌效应带动发展，扩大产业规模，并加强和国外一流企业合作，加快特色林果业产业体系化建设。

2）加强农机与农艺配合，推动宜机化改造。实现果园宜机化是实现林果产业机械化和现代化的重要环节。研究分析不同果树空间结构和动力学特性对采收效率的影响，有助于设计更高效节能的采收机械，并为培育适于机械化收获的果树提供理论依据。开展作业测评、组合选型和适用性改造等，通过多学科研究协作，解决果园专用装备缺失、通用装备适应性差及性价比不高的问题。全面分析当地的气候和地形等自然条件，基于因地制宜原则，制定科学的种植计划。加强农机、林业、农业等部门合作，合理分配各生产要素，制定完善的林果机械化生产方案，建立适合机械化生产的示范基地，加快先进成果和技术的转化。

加强农机农艺的集成化研究，并强化管理薄弱环节，有效推进农机农艺融合发展，形成完善的技术模式。重点完善农机、种子、植保等相互配合的工作机制，规范机械化作业流程，构建并完善林果生产机械化技术体系。增设农机农业融合推广服务，建立社会服务支撑体系，培育壮大农机专业户、农机合作社、农机作业公司等新型农机服务组织，并鼓励开展设备租赁服务，提高设备的使用率。

3）攻克共性关键技术，构建产学研技术人才培养体系。加强基础技术和共性技术创新科研工作，重组产业共性技术研发平台，重点分析机械化采收过程中造成林果机械损伤的原因，探究机械-林果相互作用机理、多工况条件下林果运动规律与本构特征，以减少林果的机械损伤，确保采收质量。构建林果机械化采收的经济效益模型，综合考虑果实损失率、燃油消耗和劳动力成本等，分析不同类型林果机械化采收的可行性，提高林果产业的经济效益。以采摘机器人为研究重点，突破复杂环境中的连续运动控制、准确感知和信息处理技术，加快向自动化、智能化、无人化方向发展。

保障人才成长环境，确保林果产业生产需求，带动林果产业发展。人才是科技的载体，要加快对现有科技人才的培养培育，积极引入专业素质的高人才参与果园生产与管理，强化领军人才、创新团队和干部培养，保证林果生产的科学性和合理性；优化技术资源，稳定人才队伍，加强科技创新队伍建设。相关院校、科研院所需大力培养林果产业机器人、人工智能等领域的本科生、硕士生和博士生，鼓励生产单位、龙头企业与研究单位、高等院校联合，发挥各自优势，打造前沿技术团队。以目标为导向构建科技发展需求，解决全局宏观性、前瞻性和关键性的装备技术难题，并加强种植人员的培训工作，丰富从业人员的专业知识，积累更多的经验，让种植人员成为全能型人才，形成完整的人才培养体系；重点开展林果业可持续发展的管理工作，有效监督和管理林果生产流程，提高管理水平，为林果业的可持续发展提供技术和人才支撑。

林果机械化采收是林果产业转变发展方式、节本增效、增强国际市场竞争力的重要途径之一，目前针对一次性联合摘果采收和振动采收后集果捡拾的研究，仅形成了部分林果机械化采收装备体系，采收机械化程度仍然很低，绝大多数的林果采收作业均需人工作业完成。但随着传感器感知精度、识别速度、新型采收结构及其控制方法的快速更新和不断完善，林果机械化采收技术将向智能化方向推进。林果机械化采收的最终目标是实现林果的自动化、智能化、无人化采收，提升林果采收机械化水平是林果产业发展的重要支撑，林果产业现代化建设必须依靠先进的林果装备。加强林果机械化采收技术基础研究，提高自主创新能力和技术储备是林果产业发展的保障。推进林果机械化采收模式下农机农艺农信深度融合，探索与各地区种植农艺相结合的林果机械化采收技术模式，形成科学合理的林果机械化采收技术体系，对促进林果产业的现代化具有重要意义。