河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 靜茂凱 張秀花 楊淑華 王健 老福興

林果業(yè)是我國繼糧食和蔬菜之后的第三大產(chǎn)業(yè)，各類林果栽培和種植的總面積一直居于世界首位。林果業(yè)相較于其他產(chǎn)業(yè)可以提供較多的就業(yè)機(jī)會(huì)[1]。林果一般在其成熟后自動(dòng)掉落時(shí)營養(yǎng)價(jià)值最高[2]，而為了方便采收并保持其營養(yǎng)價(jià)值，林果采收一般采用機(jī)械或人工激振的方式使樹上即將成熟的果實(shí)集中落下，通過落地林果撿拾裝置撿拾并除雜分級(jí)[3]。而我國的林果撿拾作業(yè)以人工撿拾為主[4]，這一撿拾方式需要占用大量的勞動(dòng)力，為生產(chǎn)過程的35%～45%[5]。伴隨著我國的人力成本和林果種植面積的增長[6]，林果撿拾作業(yè)的機(jī)械化趨勢(shì)越來越明顯。

1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

1.1 氣力式撿拾裝置的研究現(xiàn)狀

史高昆等[8]設(shè)計(jì)了氣吸式紅棗撿拾收獲機(jī)，該設(shè)備主要由汽油機(jī)、離心風(fēng)機(jī)、收獲箱、吸管和三通管道組成，利用離心風(fēng)機(jī)抽出收集箱中的空氣，使其產(chǎn)生負(fù)壓吸取落地紅棗，吸入的紅棗在經(jīng)過三通管道后，受到的壓力由負(fù)壓變成正壓，葉子和雜質(zhì)等經(jīng)過篩網(wǎng)被吹入集雜袋中，紅棗被篩網(wǎng)截留并落入收集框中，該機(jī)采凈率為98.63%，含雜率為0.87%。不過該裝置無法解決雜質(zhì)在篩網(wǎng)中發(fā)生擁堵的問題。

黨凱峰等[9]設(shè)計(jì)研制了雙氣流分離結(jié)構(gòu)除雜裝置，當(dāng)紅棗進(jìn)入風(fēng)選箱后，與風(fēng)選箱連接的進(jìn)風(fēng)管受到風(fēng)機(jī)的作用進(jìn)風(fēng)，產(chǎn)生氣流對(duì)紅棗進(jìn)行風(fēng)選（圖1）。該機(jī)的生產(chǎn)率≥150kg/h，含雜率≤5%，撿凈率≥90%。

王洪昌等[10]在真空室中設(shè)計(jì)安裝了閉風(fēng)器，能夠使真空室中的紅棗從閉風(fēng)器中連續(xù)排出，同時(shí)能夠保證真空室內(nèi)的負(fù)壓狀態(tài)不被破壞。

張鳳奎等[11]在分離箱中設(shè)計(jì)了攔棗柵，用于攔截紅棗和清除雜質(zhì)，堵在攔棗柵的較大雜質(zhì)可以被碎雜清堵裝置粉碎排出。截留的紅棗通過閉風(fēng)器落入振動(dòng)篩，實(shí)現(xiàn)二次清選。

潘俊兵等[12]研制了一種氣吹式林果撿拾裝置，該裝置主要原理是將風(fēng)機(jī)吹出的高速氣流傳送到氣流噴嘴，氣流噴嘴吹動(dòng)地上的紅棗向后方移動(dòng)到撿拾輸送裝置，實(shí)現(xiàn)落地紅棗的撿拾工作。該裝置紅棗損傷率接近于0，撿拾率為85.7%。

1.2 機(jī)械式撿拾裝置的研究現(xiàn)狀

圖1 雙氣流分離結(jié)構(gòu)除雜裝置原理圖

圖2 電動(dòng)自走式落地紅棗清掃撿拾機(jī)

魯兵等[13]研制了一個(gè)電動(dòng)自走式落地紅棗清掃撿拾機(jī)，采用前端安裝對(duì)稱的V 字形清掃輥刷（圖2），將落地紅棗清掃成壟，成壟的紅棗在橫向清掃輥刷和仿形鏟裝置的作用下?lián)焓暗捷斔脱b置，隨后將紅棗拋送到柵條篩上，通過碰撞實(shí)現(xiàn)紅棗除雜。平均拾凈率為93.6%，損傷率為2.1%。

張亞歐等[14]設(shè)計(jì)的自走式矮化密植紅棗收獲機(jī)的配套撿拾裝置，使挑果桿做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)插入土中，將落地的紅棗撿拾到輸送裝置上。撿凈率為97.24%，損傷率為6.10%。但是該裝置需要挑果桿有足夠的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)合理性，能夠承受沖擊力。

李傳鋒等[15]研制了一臺(tái)滾輪式紅棗撿拾機(jī)，該裝置撿拾器由軟性橡膠棒組成，撿拾器通過旋轉(zhuǎn)將紅棗撿拾到傳送帶上，傳送帶上的小滾輪軟性齒旋轉(zhuǎn)撥散土塊，并利用風(fēng)機(jī)除雜，實(shí)現(xiàn)落地紅棗的撿拾除雜作業(yè)。

2 機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)采收上的應(yīng)用

機(jī)器視覺的概念起源于20 世紀(jì)60年代，并在90 年代開始了高速發(fā)展[16]。國內(nèi)在20 世紀(jì)80 年開始了機(jī)器視覺的相關(guān)研究，但是缺乏自主研發(fā)能力[17]。近年來，隨著機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展完善，國內(nèi)外對(duì)機(jī)器視覺在農(nóng)業(yè)上有了較為廣泛的應(yīng)用。

趙德安等[18]為視覺系統(tǒng)選用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)蘋果的檢測，使機(jī)械臂能夠識(shí)別并自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)蘋果。該機(jī)搭載輔助照明裝置，能夠在全天候的情況下達(dá)到94.14%的整體識(shí)別率。

陳軍等[19]研制了草莓采摘機(jī)，利用機(jī)器視覺系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了草莓的自動(dòng)無損收獲，經(jīng)過試驗(yàn)得出平均采摘速度為403.4顆/h，成功率為96.25%，無損率為 90%。符合草莓的收獲要求。

3 總結(jié)與展望

3.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀總結(jié)

目前已有的氣吸式撿拾裝置均需要人工手持吸管進(jìn)行撿拾作業(yè)，在落地林果位置相對(duì)零散的情況下，對(duì)工作人員的工作負(fù)擔(dān)較大，不過氣吸式撿拾裝置對(duì)林果的損傷較小。機(jī)械式的撿拾方式一般使用大型的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行工作，要求地形相對(duì)平緩，但是設(shè)備結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，故障率相對(duì)較高。當(dāng)前機(jī)器視覺與采收結(jié)合的研究主要在于水果和蔬菜的識(shí)別、采摘上，對(duì)于落地林果的撿拾研究較少。

3.2 發(fā)展趨勢(shì)與展望

（1）我國部分林果種植于山區(qū)丘陵地區(qū)，地形崎嶇且路況較差，因而需要一些適應(yīng)于山區(qū)丘陵地區(qū)的小型撿拾裝置，同時(shí)根據(jù)不同地形的特點(diǎn)有相應(yīng)的仿形效果。

（2）當(dāng)前的氣吸式林果撿拾裝置對(duì)落地林果比較分散的區(qū)域工作強(qiáng)度較大，因此氣吸式撿拾裝置需要集果器，將落地的林果收集成壟，方便撿拾。

（3）已有的氣吸式林果撿拾裝置依然需要人工手持吸氣管進(jìn)行撿拾作業(yè)，隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，應(yīng)使撿拾裝置與機(jī)器視覺相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)識(shí)別落地林果并進(jìn)行撿拾，實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)。