丘陵山区桃子采摘机械研究现状与优化——以山东临沂平邑县桃子采摘为例

李春晓 ， 朱 欣 ， 蔡善儒

（山东理工大学农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000）

平邑是我国知名产桃区，尤其是“武台黄桃”经常作为名贵水果销往我国各地和海外各国[1]。平邑的桃子产量大、品种多，现有20 多个桃子品种，年产量可达15.8 万吨。而且平邑地理环境多丘陵山区且土地干旱，尤其适于种植桃子，拥有我国仅有的3 个黄桃生产基地之一，具有作为我国桃子种植示范区的资格，因此平邑桃园非常适合作为探究我国桃子采摘机械现有问题及优化路径的研究基地[2]。

1 平邑桃园桃子采摘现状

平邑桃园主要分布于丘陵山区地带，其地形复杂且道路崎岖不平，同时不同的桃园桃树栽植间距不一样，而我国现有的桃子采摘机械不具有足够的平稳性和灵活性，爬行能力和避障能力也不能达到要求。因此，现有桃子采摘机械不能应用于多为丘陵山区地形的平邑桃园，也无法灵活应对不同桃园桃树栽植间距不同的问题。所以目前平邑桃农只能采取人工采摘的方法，通过攀爬梯蹬或桃树的树干进行高处的采摘作业，或者可以通过农民自制的杆式网兜采摘器实现高处的采摘工作，但是该自制的杆式网兜采摘器工作效率低，易耽误农时，且难以保证采摘质量，会造成一定的经济损失。

2 平邑桃园的栽植技术

平邑桃园栽植的树苗之间保持4.5 m~5.0 m 的行距，而且同一行的植株之间保持4.5 m 左右的距离，桃树的主干保持在高3 m~4 m。桃树修剪时每一棵桃树的主干上都均匀分布有三个主枝，而每一主枝上又留有两个侧枝，且与主枝距离60 cm 的位置开始留有第一个侧枝，合理修剪剩余用于结果的枝条，同时保证桃树的树冠一般呈球状，这也符合我国绝大部分桃园的现状[1-4]。

为防止养分分散量过大，无法形成大果，影响果实口感，还需要对桃树进行人工疏果。疏果时对于果实密集度过大的枝条，要适当地剔除一些个头小的果实，使最终一般长的枝条上留有4 个果实，中等枝条留有2~3 个果实，较短的枝条留有1 个果实。而桃树的枝叶生长茂密，果实会藏在树叶里，桃树之间也会因枝叶的生长而紧密相连，留有的行走空间极小，因此采摘桃子时的难度较大[5]。

3 我国桃子采摘机械现状

3.1 全自动可避障蜜桃采摘机

由山东农业大学的一支研究团队所研发的全自动可避障蜜桃采摘机是针对丘陵山区桃园设计的一种桃子采摘设备。该装置由3 大系统组成，分别为电力系统、机械系统和智能识别系统。该蜜桃采摘机不仅有针对丘陵山区的崎岖地形而研发的避障功能，而且还利用热成像仪和其他一些识别装置自主识别成熟的桃子，实现桃子的自动采摘。该采摘机由电动机提供动力，并在机械臂处单独配有3 台电机，所有的电机之间协调工作，保证了装置的高灵活性。为保证该装置能够安全行驶于丘陵山区的复杂地形中，其动力系统还使用了防爆的蜂窝轮胎。该采摘机通过皮带将动力传递给机械臂，然后与机械臂通过舵机连接的采摘手可以实现平移、旋转和采摘运动，最终将采摘的果实输送到位于底盘处的集装箱，集装箱下面设有重量传感装置使采摘机及时发出警报提醒更换，降低果实的压坏率[6]。

3.2 五自由度蜜桃采摘机器人

现有研究的五自由度蜜桃采摘机器人主要是对采摘臂和采摘手进行结构优化，其主要由底座、两臂、铰接的连接机构和最终执行机构等组成。该机械臂在底座处安装有一台电动机，而且底座内部还设有减速机构和齿轮传动机构，将电机的动力传递给大机械臂并使大机械臂绕底座做旋转运动。而大机械臂内部也设有一台电机，用于传递动力于小机械臂，实现小机械臂绕大机械臂的旋转。两臂的俯仰运动通过铰接机构的内置电机提供动力并绕铰接机构旋转。该采摘机械臂通过结合各种采摘机械手的特点，使用电机作为动力源，以PLC 为控制系统，通过皮带传递动力于可伸缩的刀片上，并在其壳体的外部设有一个可容纳3~10 颗果实的槽，槽内设有一倾斜角度，防止果实停滞于槽口[7]。

3.3 基于近红外光谱的蜜桃采摘方法

目前，我国所研发的桃子采摘机械只能通过桃子的颜色和大小判断桃子成熟度，或者是通过采摘人员进行人工鉴别，而由江南大学的一支团队所研发的一种基于近红外光谱的采摘方法能够通过对桃子的内部成分进行检测，然后与已有的信息进行对比来判断桃子的成熟度。该方法不仅准确度高，而且还能够解放劳动力，实现真正的自动化采摘。近红外光谱技术能够同时对多种成分进行检测，所以检测速度快，并且不需要对桃子进行破坏性的前期处理，不仅能够降低成本，而且不会造成废弃桃子污染环境的问题，因此红外光谱检测技术被称为“绿色检测技术”。研究团队通过对当地某大棚内的水蜜桃进行不同时期的采摘检测实验，分别针对不同生长时期的果实进行实验并记录实验数据，并通过多种高等数学理论计算建立了水蜜桃采摘适宜度的鉴别模型，通过多次验证得到该方法能够使桃子矫正集和鉴别正确率达到95.13%和93.75%的水平，因此具有较大的发展空间[8]。

4 现有桃子采摘机械应用于平邑桃园存在的问题

4.1 不适于丘陵山区桃园栽植模式与地理状况

平邑桃园多建于丘陵山区，地形崎岖不平，容易导致采摘机械重心不稳而翻倒的问题，而且桃树之间的距离保持在2 m~3 m，桃树的树冠一般会修剪为球形，造成树与树之间的行距缩小，大中型机械难以通行。桃园为了防止果实被偷，一般会用铁网将果园包围，只在偏角处留有一个不易被发现的小门，而现有的桃子采摘机结构复杂，配有多个驱动电机，导致装置体积过大，无法在果园内通行和正常作业。比如现有的全自动可避障蜜桃采摘机具有自动避障功能，但是该采摘机的底盘共配有11 台电机提供动力，采摘机的体积过大无法进入果园。还有现有的五自由度蜜桃采摘机器人也需要多台电机提供动力，并且该机器人所设有的槽不能存储足够多的果实，作业人员需要不断进行果实的移送，这将导致果实的磕碰问题严重。

4.2 经济实惠性差

平邑桃园的种植户大多以家庭为单位，大型桃园数量很少。此外平邑县无大型企业，工业发展水平低，主要以林木业、养殖业、食品加工等小型个体工商户为经济支柱，难有桃子代理采摘公司或机构，所以采摘机的价格不能太高，而这就要求采摘机械的制造成本不能太高。但是目前我国研发的桃子采摘机械臂需要很高的制造成本。而且机械臂中安有很多传感器和智能设备[9]，需要计算机分析计算才可以完成自动功能，因此制造成本大大提高。尤其是基于近红外光谱的蜜桃采摘方法，该技术需要花费大量的资金购买相应的设备，这对我国目前桃园种植户的经济能力来说远远不能达到要求，所以该技术难以推广。

4.3 无法准确判断果实的成熟度

桃子的成熟度无法单纯通过颜色和大小进行判断，尤其是平邑的黄桃和青桃，颜色在生长期间几乎没有变化，且存在果实以较小果形发育成熟的情况，所以现有的全自动可避障蜜桃采摘机采用传感器通过桃子的颜色来判断桃子是否成熟的方法并不可靠[10]。而半自动化五自由度采摘机器人通过人工判断果实成熟程度，采摘效率低，劳动强度改善效果差，所以从总体来看，该采摘机器人对种植户的吸引力不强[11]。虽然现有的基于近红外光谱的蜜桃采摘方法能够达到较高的识别水平，但该方法在我国桃子采摘机械中应用很少，缺乏现实情况的检验，并且该方法只对一种水蜜桃的品种进行了数学建模，没有对我国的大部分桃子品种进行研究，因此该方法并不够成熟。

4.4 性价比低

我国现有的桃子采摘机械功能单一，只能实现采摘作业，但生产者如果想要获得较高的产量的话还需要做好桃树管理工作，这包括打顶、剪枝、抹芽和喷药等[11]，而我国现有的桃子采摘机械并不能完成多种作业。而且桃子的采摘期较短，一般为8~9 天，机械的有效工作时间短，折旧成本高，因此机械的性价比不能满足客户的期望，上述问题都抑制了我国桃农购买桃子采摘机械的积极性，阻碍了我国桃子采摘机械的发展。此外，我国现有的桃子采摘机械可靠性不够，机械的质量没有经过多重复杂环境的实验，果实损坏率不能保证，且售后服务没有保障，这也会降低消费者的购买积极性，使桃子采摘机械难以得到大规模推广和应用。

5 一种桃子采摘机械方案

针对上述问题，本文提出了一种适于我国丘陵山区黄桃栽植模式的自走式采摘装备的技术方案，其主要组成机构如下。

1）黄桃液压采摘平台，其设有作业站立桶、平行四杆机构、旋转支座总成、旋转升降液压缸等。在液压的作用下，作业站立桶能够紧贴树冠实现无死角的采摘作业，且在作业站立桶上设有柔性弧形轨道和控制平台，实现果实的输送和独立操控功能。在柔性弧形轨道下方设有自动计量平台和清选风机，使果实直接落入计量平台上的容器中，并通过自动计量装置实时检测果实的总重量。当集装箱内的果实达到预定的数值后，装备会通过报警装置发出提醒，因此能够减少果实的装筐次数并降低果实的碰撞概率，保证果实的采摘质量。

2）采摘平台由旋转支座总成安装在由电力驱动的小型自动四轮车上，且旋转支座总成与两个液压缸相连接，并由柔性弧形轨道上安装的监控系统达到避障的目的。

3）为提高桃子采摘的工作效率，该装备可以设置两个作业平台分别安装在装备的两侧，并且两个作业平台之间能够实现独立的控制操作，实现工作过程中的互不影响。

4）该采摘装备能够灵活地进行改造，针对不同的地形可以将装备的行走方式进行相适应的改变。对于地形较为平坦的平原桃园，采用效率高、灵活性大的轮胎式行驶系统；而对于地形更为崎岖的丘陵山区，可以将装备的行驶系统设计为半履带式的，不仅能够通过履带提高装备的稳定性，提高装备的爬行能力，而且还能通过轮胎提高装备在交通道路的行驶速度。

该装备的采摘桶不仅能够紧贴树冠进行升降运动，还可以进行旋转运动，极适合桃树的球状修剪方式；采摘的果实经过自动除杂后进入车载的容器内，达到既定的重量后可以自动报警，降低了采摘人员的劳动强度和果实的损伤率；驱动系统采用电动机和橡胶车轮，减小装备的体积，并由自动监控系统提供避障功能，实现了在丘陵山区的自动灵活行驶。

6 总结

目前我国有关桃子采摘机械的研究较少，且因为我国家庭联产承包责任制和地形的影响，我国的桃园种植呈分散状，大中型机械难以进行统一作业。本文概述了平邑桃园的桃子生产现状，对我国现有的桃子采摘机械的基本情况及存在的问题进行了分析，提出了一种自走式多功能桃子采摘装备。该装备具有体积小、灵活度高、功能多、价格便宜等优点，能够得到较大范围的推广和应用。