蓝莓采收技术研究现状与发展趋势研究_王树城2023.pdf

第 61 卷 第 11 期 Vol 61 No 11 2023 年 11 月 November 2023 农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL EQUIPMENT 2 Guang an District Agricultural Technology Center Guang an 638000 Sichuan China Abstract The scale of blueberry industry in China was expanding but the harvesting method was mainly manual and the operation efficiency was low which seriously restricted the high quality development of blueberry industry in China Therefore it was of great significance to study the mechanized automated and intelligent blueberry harvesting technology and equipment for the development of blueberry industry in China This paper analyzed the research status of blueberry harvesting equipment at home and abroad expounded the harvesting principle harvesting method and existing problems of different harvesting machines and looked forward to the future development trend of blueberry harvesting machine Blueberry harvester will gradually develop towards low cost high efficiency non destructive and intelligent direction to meet the development needs of blueberry industry in China Key words blueberry agricultural machinery harvesting blueberry industry 基金项目 山东省农业科学院农业科技创新工程 CXGC2023G04 收稿日期 2023 06 30 13第 61 卷第 11 期 2 国内外蓝莓采收技术研究现状 目前我国蓝莓采收主要以人工采收为主 蓝 莓收获技术与装备的研究整体处于起步阶段 6 7 其中在采收 集果 筛选等关键技术方面仍处于实 验室研究阶段 国外蓝莓采收技术发展较成熟 采 收机型的作业方式主要有机械振动式 气力式 半 机械化式及采摘机器人 其中机械振动式机型具有 迅速分离蓝莓果实与植株的优点 适用于大面积 规模化的果实采收 在全球范围的应用最为广泛 蓝莓采收机根据采摘植株树丛的高低可分为高丛蓝 莓采收机和矮丛蓝莓采收机 根据行走方式可分为 自走式蓝莓采收机 牵引式蓝莓采收机 分体式蓝 莓采收机和便携式蓝莓采收机 根据采收机底盘形 式可分为履带式蓝莓采收机和车轮式蓝莓采收机 2 1 机械振动式采收机 机械振动式蓝莓采收机的原理是利用振动装 置对植株产生接触作用 利用惯性力将树枝与蓝莓 果实分离 8 9 根据振动器的工作类型可分为惯性 振动式 拍打式和梳刷式采收机 2 1 1 惯性振动式采收机 惯性振动式蓝莓采收机利用机械振动使蓝莓 果实受惯性作用 10 11 克服果实和果柄间的结合力 实现果实脱落 国外技术比较成熟 已应用于蓝莓 采收 国内仍处于起步阶段 惯性振动式采收机根 据其振动方向可分为旋转振动式与往复振动式 如 图 1 所示 根据振动装置的布置方式可分为竖直式 与倾斜式 如图 2 所示 美国 BEI 公司的一款自走式蓝莓采收机 12 如 图3 a 所示 该机型的振动装置采用竖直布置 方式 通过旋转振动的方式进行采摘 采收时旋转 式采摘头穿过蓝莓果树 对其进行振动和摇动 实 现果实与果枝的分离 该机型已经广泛应用于国外 蓝莓采摘作业 美国 Littau 公司的 OR 1601 浆果 采收机如图3 b 所示 该机型的振动装置竖直 布置 振动拨指横跨浆果树丛 进行水平或竖直自 由旋转 实现振动收获 收获速度0 40 1 61 km h 美国 OXBO 公司研发的 OXBO 930 牵引式蓝莓采收 机如图 3 c 所示 其振动装置呈双排竖直分布 利用上下往复振动实现对蓝莓果实的采收 波兰 JAGODA 公司研发的 OSKAR 4WD Plus 自走式收获 机如图3 d 所示 其振动装置倾斜布置 液压 调节振动和倾斜角度 横向输送带与被采摘枝条间 距控制在 10 cm 以内 显著降低了蓝莓果实采收破 损率 a b 图 1 惯性振动式示意图 Fig 1 Inertial vibration diagram a 旋转振动式 b 往复振动式 a b 图 2 振动装置布置方式 Fig 2 Vibration device arrangement a 竖直式 b 倾斜式 c d 图 3 国外蓝莓采收机 Fig 3 Foreign blueberry harvester a BEI 公司自走式蓝莓采收机 b Littau 公司浆果 采收机 c OXBO 930 牵引式蓝莓采收机 d OSKAR 4WD Plus 自走式收获机 a b 王树城 等 蓝莓采收技术研究现状与发展趋势研究 14 农业装备与车辆工程 2023 年 宁波大学的陈嘉瑶等 13 研发了一款轴向振动 式蓝莓采摘机 其采摘装置竖直分布 上下往复实 现采摘 采摘装置的双摇杆机构能够产生横向偏移 避免卡死 但其往复运动为定冲程方式 缺乏自适 应性 北华大学的史亮等 14 研发了一款抖动式蓝 莓采收机 利用 ADAMS 进行运动学分析 建立采 收机构的刚柔耦合模型 探究偏心块转速和半径对 采收质量的影响 试验表明 转速为300 r min 偏心块半径为 28 mm 时 采收效果最好 综上所述 惯性振动式采收机的振动系统布 置方式各异 各有优缺点 振动系统竖直布置需要 的龙门距离与行距较小 但其振动装置与收集装置 距离大 易造成果实从树冠中部掉落不易收集且损 坏率较高 振动系统采用倾斜布置 振动装置与收 集装置距离较近 有利于降低果实损伤 树冠向两 侧倾斜后 果实不会落入树冠中部 有利于果实的 收集 但需要的龙门距离和行距较大且容易对果树 造成一定的损伤 目前惯性振动式蓝莓采收机是国外最先进 最成熟 应用最广的采收装备 采收机的振动拨指 能够做到自适应调节 避免单一定冲程的振动方式 对果实以及果树造成损伤 即工作过程中要确保振 动力能够使熟果脱落 又在碰到较为粗壮的树干时 较大的阻力时 拨指能够及时被动偏移或暂停至 下一波振动 从而化解较大的冲击和偏差 避免收 获过程中振落青果 减少对蓝莓果实及树枝的损害 目前国外研发的蓝莓采收机能够实现振动装置自适 应调节 但国内机型仍以定冲程振动方式为主 2 1 2 拍打式采收机 拍打式采收机的原理是利用拍打力作用于果 实或者树枝 实现果实脱落 15 果实脱落形式 一是拍打力大于果实与树枝的结合力时 直接作用 于果实实现脱落 二是拍打树枝 果实被迫运动 当其受到的激振力大于果实结合力时完成脱落 鲍玉冬等 16 研究了蓝莓果实接触碰撞特性 分析拍打式蓝莓采收机工作过程 测定果实损伤率 梅松等 17 研发了一种果实拍振复合采收装置 该 装置将曲柄摇杆和曲柄滑块机构组合 进行复合拍 振运动 耿雷等 18 研发了一款牵引式高丛蓝莓采 收机 如图 4 所示 该机具两侧指排竖直分布 交替拍打蓝莓树枝使果实落下 试验表明 该机具 的采摘效率是人工采摘的 12 67 倍 果实的平均破 损率 采净率 青果脱落率分别为 8 3 96 9 9 7 综上所述 拍打式蓝莓采收机属于果实 机 壁直接接触型装备 虽然构造相对简单 但采收果 实的损伤率较大 采净率较低 2 1 3 梳刷式采收机 梳刷式蓝莓采收机利用梳刷装置直接作用于 蓝莓植株的冠层 通过梳刷装置旋转 拨动等作用 将果实脱落 19 20 梳刷式蓝莓采收机更适用于矮丛 蓝莓植株的采收作业 东北农业大学的研究人员在蓝莓采收机方面 做了较多研究 郭艳玲等 21 设计了一款手推式矮 丛蓝莓采摘机 如图 5 所示 通过建立蓝莓植株力 学模型 分析蓝莓果实 果柄结合力与振动机理 为该装备的设计提供理论依据 试验结果表明 该 机采收量为12 kg h 果实损坏率与采净率分别为 10 86 研究团队后续对该机型做了进一步优 化 通过添加牵引装置 减轻了采收机的整体质量 该机型已开展推广应用 能够减轻工人的劳动强度 提高采收效率 降低生产成本 c 1 拖拉机 2 联轴器 3 齿轮泵 4 牵引装置 5 采摘机框架 6 指排 7 液压马达 8 水平传送带 9 倾斜传送带 10 果筐 11 牵引端 12 调整油缸 13 接果板 14 采摘系统传动机构 图 4 牵引式高丛蓝莓采收机结构原理图 Fig 4 Structural schematic diagram of traction highbush blueberry harvester a 侧视图 b 后视图 c 俯视图 a b 1 2 3 4 5 8 9 10 6 7 11 12 13 14 15第 61 卷第 11 期 王树城 等 蓝莓采收技术研究现状与发展趋势研究 2 2 气力式采收机 气力式蓝莓采收机主要分为气吹式和气吸式 塞尔维亚 BSK Air Technologies 公司在气力式蓝 莓采收机研究方面技术较为先进 该公司研发的 KOKAN 500s 脉冲气流浆果采收机 如图 6 所示 由拖拉机牵引工作 脉冲气流调整方便 不伤果 伤树 可采收特定成熟度浆果且破损率极低 一级 果率 IQF 达到 90 以上 Gallardo 等 22 对改良 式 OTR 蓝莓采收机的作业性能进行了评估 研究 表明 气力式振动器可以显著降低对果实的冲击 实现无损采摘 目前 气力式蓝莓采收机在国内已经开展初步 研究与应用 东北农业大学的赵永超等 23 通过建 模分析对比了不同管径下输送管的输送效率与浆果 破损率 试验得到输送管直径为40 mm时输送效 果最佳 对应工作流量范围为0 01 0 03 m 3 s 东 北农业大学的张韵 24 设计了 5 种不同口径的气吸 式小浆果收获机采收头 并对其进行优化试验 试 验得出直径为30 mm的气吸采收头相比另外4组 采摘效果更好 综上所述 气力式蓝莓采收技术是一种非接触 式采收方法 由于其工作时避免了与果实 树枝的 直接接触 因此极大地降低了果实损失率 但是气 力式采收在运行过程中需要大功率风机连续作业 采收过程运行成本高 功率损失大 采净率相对较 低 含杂率相对较高 噪音大 难以实现短期内大 批量作业 2 3 半机械化式采收机 半机械化式蓝莓采收机属于辅助性采摘工具 如移动采摘平台 手持式收获机等 Malladi等 25 研制了一款便携式 手持式蓝莓采收机 通过对兔 眼蓝莓和高丛蓝莓进行果实脱离试验 结果表明该 机具能在3 4 s内使大部分果实脱落 Fumiomi等 26 Takeda 等 27 Sargent 等 28 评估了一种半机械收获 系统 如图 7 所示 该系统是一个牵引式收获辅助 平台和水果捕获表面 安装有便携式 手持 气动 摇床 其收获效率比手工收获提高 10 20 倍 徐潺等 29 研发了一款山地手持式纯电动蓝莓采 摘机 如图8所示 该机具工作频率为3 10 Hz 振幅为 15 时效果最好 平均采收效率为 86 65 平均采收未熟果率为 9 83 平均采收未 采净果实率为 1 48 综上所述 与大型蓝莓采收机相比 半机械 化采收机的造价相对较低且操作简单 目前由于我 国蓝莓种植还未产业化 分布广泛 地形复杂 部 分地区并不适宜采用大型蓝莓采收机 而人工采收 1 采摘滚筒 2 蓝莓果树 3 倾斜输送带 4 收集筐 5 汽油机 6 采摘人员 7 采摘机车体 8 隔板 图 5 矮丛蓝莓采摘机工作原理图 Fig 5 Working principle diagram of dwarf blueberry picking machine 1 2 3 4 5 6 78 图 6 KOKAN 500s 脉冲气流浆果采收机 Fig 6 KOKAN 500s pulse airflow berry harvester 图 7 半机械收获系统 Fig 7 Semi mechanical harvesting system a b 图 8 山地手持式纯电动蓝莓采摘机 Fig 8 Mountain handheld pure electric blueberry picking machine a 装备示意图 b 采摘示意图 16 农业装备与车辆工程 2023 年 作业效率太低 因此半机械化采收方式更适合面积 小 地形复杂种植区的作业 2 4 采摘机器人 近几年 随着机器视觉技术在农业机械中的应 用越来越广泛 蓝莓采摘机器人得到快速发展 主 要解决果实识别定位及无损采摘等问题 Sun 等 30 基于激光雷达研发了一种用于田间测量蓝莓灌木高 度的机器人平台 如图9所示 利用LIDAR系统 自动采集蓝莓植株的点云数据 通过左右侧扫描 准确测量蓝莓灌木丛高度 改型机器人平台的研发 为蓝莓采摘机器人的后续研发提供了重要依据 韩非 31 提出了一种基于机器视觉的蓝莓检测 方法 可根据蓝莓形状 尺寸等参数进行分级 为蓝莓采摘机器人的精准化作业提供理论与技术基 础 王迪等 32 基于 ARM 微处理器构建了浆果采摘 机械手的运动控制系统 解决了浆果采摘机器手的 运动控制问题 为后续浆果采摘机器人的研发奠定 控制基础 综上所述 采收机器人能够实现对蓝莓果实 的精准采摘 但目前对蓝莓果实识别定位算法的研 究较多 对采摘机械手方面的研究较少 蓝莓种植 环境的复杂性较高 导致蓝莓采收机器人主要处于 实验室研究阶段 还未实现商业化使用 3 蓝莓采收技术与装备存在问题 现有蓝莓采收机能极大提高采收效率 降低 劳动强度 节约生产成本 同时也存在农艺与农机 不匹配 采收破损率高 未实现分级采收等问题 1 农艺与农机不匹配 我国蓝莓种植分布范围广 栽培品种多 但 目前主要种植区的模块化和规范化程度较低 国外 蓝莓采收装备无法直接应用于国内蓝莓采收 我国 蓝莓种植的不规范性增加了蓝莓采收机械设计的复 杂性 降低了采收装备的适用性与通用性 2 采收破损率高 现在普遍采用的惯性振动式采收方式在作业 过程中会出现果实 果实 果实 机械 果实 树枝之间的多次碰撞 造成相当比例的果实破损 严重影响了果实品质与收获质量 目前 气力式采 收方式能够降低果实破损率 但果实采净率较低 含杂率较高 采摘机器人的技术尚未成熟 无法实 现无损采摘 3 分级采收难度大 目前应用最成熟 最广泛的采收机具是惯性 振动式蓝莓采收机 由于蓝莓生长过程中不同植株 乃至同一植株的不同果实成熟度存在区别 采用机 械式采收容易将熟果与青果同时振落 4 结论与对策 随着我国城市化进程的快速推进 农村劳动 力缺失与人工成本占比过高将成为长期制约蓝莓产 业发展的瓶颈 同时蓝莓种植模式散乱 未形成模 块化 标准化种植 不规范的种植方式进一步制约 了我国蓝莓产业的发展 通过对国内外蓝莓采收技 术与装备的研究分析 蓝莓采收机械化 自动化 智能化是未来的主流发展趋势 近几年为突破蓝莓采收瓶颈 国内科研院所 企业等引入了部分国外先进采收装备 但国外采收 机具主要基于规范化的蓝莓种植方式 因此并不能 解决我国蓝莓采收面临的问题 需要研究符合国情 的蓝莓采收装备 弥补采收技术的不足与差距 实 现机械化 自动化 智能化蓝莓采收作业 本文基 于国内外蓝莓采收机的研究现状 提出如下建议 1 国家和决策部门应加大对蓝莓采收机械 的政策支持与经费投入 规范蓝莓种植模式的标准 化建设 促进农艺与农机融合 提高采收技术与装 备的适用性 2 研究蓝莓果实的力学特性 挤压 碰撞 摩擦等 优化机械化采收方式 降低果实破损率 重点突破惯性振动式采收机拨指运动轨迹的自适应 调节技术 提高果实采净率 降低破损率与含杂率 研究集成力感知技术的采摘机械手 提高蓝莓果实 识别定位的准确率 将采收机器人从实验室阶段推 广到田间应用 大幅提高蓝莓的采收效率 参考文献 1 鲍玉冬 杨杰 赵彦玲 等 基于轮壤接触力学行为的蓝莓采 收机行走驱动系统设计 J 农业工程学报 2020 36 07 43 52 2 张文江 佟伟 王阳 等 气调贮藏对灿烂蓝莓果实品质的影 图 9 田间测量蓝莓灌木高度的机器人平台 Fig 9 Robot platform for measuring blueberry shrub height in field 17第 61 卷第 11 期 王树城 等 蓝莓采收技术研究现状与发展趋势研究 响 J 中国果树 2022 03 66 69 3 耿雷 郭艳玲 王海滨 高丛蓝莓采摘机采摘系统设计与试验 J 农业机械学报 2016 47 03 67 74 81 4 郑永军 江世界 陈炳太 等 丘陵山区果园机械化技术与装 备研究进展 J 农业机械学报 2020 51 11 1 20 5 林欢 孙磊厚 王二化 我国林果振动采收机发展应用现状与 展望 J 江苏农业科学 2021 49 01 36 42 6 鲍玉冬 郭艳玲 郭帅 蓝莓采摘机械的现状及发展趋势 J 节能技术 2014 32 03 228 230 7 苑严伟 白圣贺 牛康 等 林果机械化采收技术与装备研究 进展 J 农业工程学报 2022 38 09 53 63 8 王海滨 郭艳玲 鲍玉冬 等 振动式蓝莓采摘的机理分析与 仿真 J 农业工程学报 2013 29 12 40 46 9 李斌 陆华忠 吕恩利 等 荔枝树枝能量传递特性与去梗式 振动采摘作业参数 J 农业工程学报 2018 34 08 18 25 10 陈度 杜小强 王书茂 等 振动式果品收获技术机理分析及 研究进展 J 农业工程学报 2011 27 8 195 200 11 ZHAO Y L YANG C BAO Y D et al Research status and development trend of the contact vibration small berry harvester C International Conference on Mechanical Design Springer Singapore 2017 969 984 12 王虹虹 倪晓宇 李维林 等 蓝莓机械采收技术研究现状及 发展趋势 J 林业机械与木工设备 2020 48 07 4 8 13 陈嘉瑶 王英 梁冬泰 等 小型化轴向振动式蓝莓采摘机设 计与试验 J 机械设计 2021 38 04 37 43 14 史亮 范久臣 乔晗 基于 ADAMS 的蓝莓采摘机构设计与仿 真 J 机械研究与应用 2015 28 04 158 160 15 寇欣 王东 周建波 等 国内林果采摘设备研究现状分析 J 林业机械与木工设备 2022 50 06 15 21 16 鲍玉冬 杨杰 赵彦玲 等 基于 EDEM 的机械采收蓝莓数值 模拟研究 J 哈尔滨理工大学学报 2020 25 03 88 93 17 梅松 蒋清海 肖宏儒 等 一种果实拍振复合采收技术装置 设计与试验 J 中国农机化学报 2020 41 10 1 8 18 耿雷 郭艳玲 王海滨 高丛蓝莓采摘机采摘系统设计与试验 J 农业机械学报 2016 47 03 67 74 81 19 逯泽鹏 许威 振动式果蔬采摘机械的研究现状与发展趋势 J 林业机械与木工设备 2022 50 03 30 36 20 陈军 赵健 陈云 等 振刷式枸杞采收机设计与试验优化 J 农业机械学报 2019 50 01 152 161 95 21 郭艳玲 鲍玉冬 何培庄 等 手推式矮丛蓝莓采摘机设计与 试验 J 农业工程学报 2012 28 07 40 45 22 GALLARDO R K STAFNE E T DEVETTER L W et al Blueberry producers attitudes toward harvest mechanization for fresh market J HortTechnology 2018 28 1 10 16 23 赵永超 孔德刚 霍俊伟 等 气吸式小浆果捡拾输送装置仿 真与试验 J 农业工程学报 2016 32 17 32 39 24 张韵 气吸式小浆果收获机采摘头参数优化与试验研究 D 东 北农业大学 2016 25 MALLADI A VASHISTH I NESMITH S Development and evaluation of a portable handheld mechanical shaker to study fruit detachment in blueberry J HortScience 2013 48 3 394 397 26 FUMIOMI T WEI YANG LI C et al Applying new technologies to transform blueberry harvesting J Agronomy 2017 7 2 27 TAKEDA F KREWER G ANDREWS E L et al Assessment of the V45 blueberry harvester on rabbiteye blueberry and southern highbush blueberry pruned to V shaped canopy J HortTechnology 2008 18 1 130 138 28 SARGENT S A TAKEDA F WILLIAMSON J G et al Harvest of southern highbush blueberry with a modified over the row mechanical harvester use of handheld shakers and soft catch surfaces J Agriculture 2019 10 1 1 15 29 徐潺 范艳 张成玉 等 适用于山地手持式电动蓝莓采摘机 的研制 J 农机化研究 2021 43 12 133 137 30 SUN S P LI C Y Height estimation for blueberry bushes using LiDAR based on a field robotic platform C 2016 ASABE Annual International Meeting American Society of Agricultural and Biological Engineers 2016 1 31 韩非 蓝莓机器视觉识别与标定技术研究 D 哈尔滨 东北林 业大学 2011 32 王迪 关晓平 郭艳玲 基于 ARM 的浆果采摘机械手运动控 制研究 J 林业机械与木工设备 2009 37 04 22 24 作者简介 王树城 1983 男 工程师 研究方向 园 艺作物装备 E mail wangcheng 1024 通信作者 卢绪振 1983 男 工程师 研究方向 园 艺作物装备 E mail luxuzhen