高文杰， 張鋒偉， 戴 飛， 宋學(xué)鋒， 張方圓， 李 璐

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

我國(guó)是世界水果生產(chǎn)第一大國(guó)，2019年果園種植面積達(dá)1.23×107hm2，林果產(chǎn)量達(dá)2.74×108t，食用水果及堅(jiān)果、甜瓜或柑桔類水果的果皮出口額高達(dá)5.5×106美元，預(yù)計(jì)2025年水果行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到2.746×104億元左右[1]。我國(guó)的果品貿(mào)易在世界果品市場(chǎng)上占有重要的位置，果品貿(mào)易的發(fā)展對(duì)果農(nóng)經(jīng)濟(jì)收益的提升有著重要影響。

根據(jù)聯(lián)合國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)顯示，2021年我國(guó)柑桔、蘋果、梨等種植面積和產(chǎn)量均排名世界第一。受種植模式和地理?xiàng)l件的影響，截至2021年我國(guó)林果的綜合機(jī)械率僅為25%，隨著老齡化日益嚴(yán)重、勞動(dòng)力短缺、機(jī)械化程度低等問題的日益突出，提高林果產(chǎn)業(yè)的綜合機(jī)械率顯得尤為重要。按照《鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃(2018—2022年)》中提出的2035年農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化基本實(shí)現(xiàn)的戰(zhàn)略目標(biāo)，我國(guó)必須在2035年實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)全程全面機(jī)械化[2]。美國(guó)、法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在標(biāo)準(zhǔn)化果園配套機(jī)械裝備的研發(fā)上，具有較為成熟的技術(shù)及生產(chǎn)線，意大利、日本則在丘陵林果機(jī)械上有一定優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用基礎(chǔ)。我國(guó)果園現(xiàn)階段處于傳統(tǒng)型向標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變初期，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝匹配程度低，且由于地形等因素的影響，適合丘陵山地果園工作的成熟機(jī)械鮮有報(bào)道，機(jī)械化程度低已成為制約果園經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素，急需適合丘陵山區(qū)果園作業(yè)的動(dòng)力機(jī)械、土壤耕整、果園管理、植保和采摘機(jī)械等技術(shù)與裝備，以解決人工作業(yè)效率低、成本高、強(qiáng)度大等問題。

1 工作平臺(tái)

作業(yè)平臺(tái)在采果、剪枝、植保等果園作業(yè)中應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)的人力作業(yè)需要依靠人工攀爬，采用扶梯或者構(gòu)建簡(jiǎn)易的平臺(tái)，這種方式需要頻繁的人為上下移動(dòng)和不停挪移，相較于作業(yè)平臺(tái)來(lái)說(shuō)效率低、安全性差，所以說(shuō)多功能果園平臺(tái)的發(fā)展對(duì)果園產(chǎn)業(yè)的影響至關(guān)重要。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)等歐美國(guó)家地勢(shì)平緩，平原面積占其國(guó)土面積的一半，果園的種植模式采用標(biāo)準(zhǔn)化種植，農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝結(jié)合緊密，對(duì)果園作業(yè)平臺(tái)的研發(fā)起步較早，其發(fā)展和應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)60年代。工業(yè)的快速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械在各鄰域的推廣普及使得果園平臺(tái)的發(fā)展研究也更加迅速，其種類和功能也更加多樣化。按照作業(yè)平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)類型的不同，可分為套缸式、剪叉式、曲臂式及鏈?zhǔn)絒3]，國(guó)外常見作業(yè)平臺(tái)如圖1所示。作業(yè)平臺(tái)常見升降機(jī)構(gòu)類型及特點(diǎn)見表1，果園作業(yè)平臺(tái)的快速發(fā)展為國(guó)外的果農(nóng)帶來(lái)了顯著收益。

圖1 國(guó)外常見作業(yè)平臺(tái)

表1 常見升降機(jī)構(gòu)類型及特點(diǎn)

除了美國(guó)和澳大利亞，日本對(duì)果園管理機(jī)械也有獨(dú)特的研究[4]。日本分布在丘陵山地的果園面積約占日本果園總種植面積的70%，與我國(guó)果園情況較為相似，升降平臺(tái)以小巧靈活為主，具有“調(diào)平+防翻”的功能。如野澤正雄[5]針對(duì)果園環(huán)境復(fù)雜性設(shè)計(jì)的自走式升降平臺(tái)，可在0°～15°的坡度下工作，適用于傳統(tǒng)果園。日本四國(guó)農(nóng)場(chǎng)研發(fā)的自走式采摘車采用履帶底盤作為行走裝置，筑水農(nóng)機(jī)公司研制的BP和BY系列小型果園運(yùn)輸管理機(jī)械均釆用履帶式行走機(jī)構(gòu)，在坡地作業(yè)環(huán)境中，接地比壓小，滾動(dòng)摩阻小，通過(guò)性能比輪式行走機(jī)構(gòu)好[6]。日本小型自走式作業(yè)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 日本小型自走式作業(yè)平臺(tái)

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

因地域不同，各地的果園種植模式差別較大，苗木分布雜亂，多數(shù)果園分布在丘陵，地況較為復(fù)雜。由于農(nóng)藝等問題，起初果園機(jī)械的發(fā)展較為緩慢，適合我國(guó)丘陵果園工作的成熟作業(yè)平臺(tái)鮮有報(bào)道。20世紀(jì)90年代隨著小種植戶的增加，果園升降平臺(tái)逐漸進(jìn)入果農(nóng)的視線，1992年浙江金華農(nóng)機(jī)所研發(fā)出的適用于果園采摘的升降機(jī)，最高升降高度可達(dá)7 m。2007年新疆機(jī)械研究院研制的LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)械[7]，LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)如圖3所示。隨著農(nóng)藝農(nóng)機(jī)的結(jié)合及果農(nóng)對(duì)果園機(jī)械的需求，果園升降平臺(tái)迎來(lái)了一個(gè)高速發(fā)展的階段。

圖3 LG-1 型多功能果園作業(yè)機(jī)

1.2.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)型分析

目前市場(chǎng)上的果園升降平臺(tái)品類較多，行走裝置多以履帶式和輪式為主，升降方式普遍為垂直升降。自LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)研發(fā)成功以來(lái)，國(guó)內(nèi)果園作業(yè)升降平臺(tái)典型成果及技術(shù)特點(diǎn)見表2。未來(lái)的研究將集中在多工位工作，調(diào)平和防翻、機(jī)電一體化、無(wú)人駕駛等方向。

表2 國(guó)內(nèi)果園作業(yè)升降平臺(tái)典型成果及技術(shù)特點(diǎn)

1.2.2 關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀

近些年來(lái)，水果的密集化種植，使人們對(duì)果園作業(yè)機(jī)械的效率和穩(wěn)定性有了更高的要求[12]，我國(guó)果園大部分分布在丘陵山地，地面起伏較大，果園升降平臺(tái)容易發(fā)生側(cè)翻，作業(yè)平臺(tái)的平穩(wěn)性直接影響著果農(nóng)的安全和工作舒適度，為了解決這類安全問題，目前對(duì)果園升降平臺(tái)的研究主要集中在“調(diào)平+防翻”[13]。

對(duì)于調(diào)平的研究，Guiju Fan[14]設(shè)計(jì)了一種靜液三角調(diào)平方式，液壓系統(tǒng)控制液壓缸的伸縮，從而使工作平臺(tái)上升下降或旋轉(zhuǎn)始終保持在水平位置，能適應(yīng)0°～11°的調(diào)平要求。王小龍[15]設(shè)計(jì)了一種可以手動(dòng)調(diào)節(jié)工作平臺(tái)角度的方法，采用“方向+角度”的調(diào)平裝置，可對(duì)工作平臺(tái)的橫軸方向和水平面之間的夾角進(jìn)行調(diào)節(jié)。王永振[16]在ADAMS和AMESim仿真基礎(chǔ)上研制的多功能遙控平臺(tái)，能利用自身平行四邊形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)的平穩(wěn)升降，通過(guò)位移傳感器的反饋，控制油缸伸縮量進(jìn)行一級(jí)調(diào)平，然后采用模糊PID控制算法對(duì)升降平臺(tái)進(jìn)行二次調(diào)平。楊徑[17]設(shè)計(jì)了一種基于液壓調(diào)平機(jī)，利用平面連桿機(jī)構(gòu)對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)的裝置，調(diào)平角度可高達(dá)20°。

防側(cè)翻是評(píng)價(jià)果園升降平臺(tái)安全性最重要的因素。目前側(cè)翻的評(píng)價(jià)指標(biāo)有以下幾種：橫向載荷轉(zhuǎn)移率(LTR)、側(cè)翻預(yù)估時(shí)間(TTR)、最大側(cè)傾穩(wěn)定角、側(cè)向加速度、RI函數(shù)?，F(xiàn)階段我國(guó)果園升降平臺(tái)“防翻”的研究主要集中在側(cè)翻預(yù)警和動(dòng)態(tài)自動(dòng)防翻。王鵬飛[18]基于單片機(jī)對(duì)平臺(tái)的高度以及底盤的傾角參數(shù)進(jìn)行采集處理，以(LTR)為穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，能夠?qū)崟r(shí)調(diào)整工作平臺(tái)的高度。張昊[19]以穩(wěn)定系數(shù)K=0.85為傾翻閾值，并用Matlab和ADAMS進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析出了果園作業(yè)平臺(tái)側(cè)翻的臨界值，當(dāng)坡度為30°啟動(dòng)加速度不超過(guò)3 m/s2時(shí)不發(fā)生側(cè)翻，最大臨界坡度為35°。

2 果園施肥機(jī)械

果園施肥是果園生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，對(duì)提高林果產(chǎn)量和防止病蟲害有著非常大的作用，高品質(zhì)的水果對(duì)施肥的要求更為嚴(yán)苛，不當(dāng)?shù)氖┓柿繒?huì)嚴(yán)重影響水果的品質(zhì)，如蘋果、梨等對(duì)儲(chǔ)藏時(shí)間要求較高的水果，在生長(zhǎng)階段施加適量的鈣肥可提高果實(shí)的硬度、儲(chǔ)藏時(shí)間及抗腐蝕能力，但鈣肥施加過(guò)多會(huì)又會(huì)造成產(chǎn)量的下降。果園的施肥管理技術(shù)已經(jīng)成為果樹生產(chǎn)中非常重要的作業(yè)過(guò)程，對(duì)提高林果質(zhì)量和增加果樹的產(chǎn)量起著決定性作用[20]。

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)四五十年代，歐美等國(guó)家就已經(jīng)開始研究果園施肥機(jī)械，大規(guī)模的標(biāo)準(zhǔn)化種植使得農(nóng)機(jī)農(nóng)藝結(jié)合緊密，果園施肥機(jī)械發(fā)展迅速，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種類型的施肥機(jī)械。歐美等國(guó)家的一系列相關(guān)政策也在一定程度上推進(jìn)了果園施肥機(jī)械的發(fā)展，如美國(guó)的《農(nóng)業(yè)法》、德國(guó)的《土地整理法》、日本的《農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》等[21]，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)較為成熟。目前國(guó)外果園施肥機(jī)具有技術(shù)先進(jìn)、功能完善、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，已經(jīng)達(dá)到較高的技術(shù)水平，并向大型化、智能化發(fā)展[22]。常見果園施肥機(jī)類型及技術(shù)特點(diǎn)見表3。

表3 果園施肥機(jī)類型及技術(shù)特點(diǎn)

美國(guó)Ditch Witch生產(chǎn)了多種果園開溝器，有徒步式小型開溝機(jī)(C系列)、緊湊式載人開溝機(jī)(HT系列)、重型開溝機(jī)(RT系列)等，其研發(fā)的開溝器具有溝深檢測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)溝深實(shí)施精準(zhǔn)控制。法國(guó)KUHN所研發(fā)的ProTwin系列撒肥機(jī)能夠拋灑多種肥料，適應(yīng)性強(qiáng)、肥箱容量大、但需大功率拖拉機(jī)進(jìn)行牽引工作，適用于大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化果園。在丘陵果園中，日本采用的C-15作業(yè)機(jī)，機(jī)型較小，所需功率較低，作業(yè)深度在1.2 m左右，能很好的將肥料送達(dá)果樹根系附近，適用于丘陵山地等地面起伏較大的果園。國(guó)外果園施肥機(jī)械如圖4所示。

圖4 國(guó)外果園施肥機(jī)械

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.2.1 果園施肥機(jī)械類型及關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)果園的施肥方式已經(jīng)逐漸由人工施肥轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械施肥，目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多類型的施肥機(jī)械。研究者們針對(duì)各類果樹對(duì)肥量需求的不同，及對(duì)作業(yè)效率的要求，將研究方向集中在施肥機(jī)械的精準(zhǔn)施肥和多功能化。近年來(lái)果園施肥典型機(jī)具及技術(shù)特點(diǎn)見表4。

表4 果園施肥典型機(jī)具及技術(shù)特點(diǎn)

2.2.2 關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

在多功能施肥機(jī)的研發(fā)上，沈從舉[28]研發(fā)的履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)解決了堅(jiān)硬土層快速打穴、定量取肥排肥、高壓氣爆深松施肥等關(guān)鍵技術(shù)難題[28]，履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)如圖5所示。韓冰[20]研發(fā)的果園挖穴施肥機(jī)，將鉆孔、施肥、覆土集為一體，對(duì)提高施肥效率和減輕勞動(dòng)力較為顯著。

圖5 履帶自走式果園氣爆深松施肥機(jī)

已有研究表明，為實(shí)現(xiàn)精量施肥，可采用測(cè)土施肥法[29-30]，即基于傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)果樹的相關(guān)特性和土壤肥力情況，通過(guò)反饋所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精量施肥。張磊[31]針對(duì)蘋果樹根系的分布，施肥需求，以葉片營(yíng)養(yǎng)診斷法為基礎(chǔ)，采用FCM-模糊聚類方法預(yù)估蘋果樹花朵數(shù)量、計(jì)算果樹產(chǎn)量，建立蘋果園精準(zhǔn)施肥模型，為后續(xù)的科學(xué)精準(zhǔn)施肥提供理論基礎(chǔ)。史麗娜[32]利用離散元仿真軟件EDEM對(duì)一種轉(zhuǎn)盤式施肥機(jī)構(gòu)的施肥量和轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)了一套深施機(jī)施肥控制系統(tǒng)，當(dāng)單位面積理論施肥量分別為7 500、9 750和11 250 kg/hm2時(shí)，實(shí)際施肥量分別為7 532.46、9 836.82和11 042.28 kg/hm2，施肥變異系數(shù)CV分別為1.1%、1.3%和1.9%，施肥一致性良好[32]。仝敏[33]同樣根據(jù)蘋果樹的生長(zhǎng)特性，設(shè)計(jì)了一種基于雙目視覺的精量施肥控制系統(tǒng)，在一定條件下，施肥精度可達(dá)93%以上。李欣倪[34]設(shè)計(jì)了一種基于Android系統(tǒng)的施肥無(wú)線控制系統(tǒng)，用手機(jī)App替代施肥控制器主機(jī)的功能進(jìn)行精準(zhǔn)施肥監(jiān)控，精量施肥的準(zhǔn)確率可達(dá)到94.65%，提高了肥料的利用率。

3 果園采摘收獲機(jī)械

水果采收作為果園生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強(qiáng)和勞動(dòng)密集的特點(diǎn)，所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的35%～45%[35-36]，采摘所需勞動(dòng)量大，不當(dāng)?shù)牟烧绞饺菀自斐晒獾膿p壞，影響林果的品質(zhì)，目前果園采摘方式主要包括人工采摘、機(jī)械采摘和智能采摘等[13]。

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)40年代，歐美等國(guó)家已經(jīng)開始研發(fā)采摘機(jī)械，美國(guó)學(xué)者Schertz與Brown于1968年最先提出用機(jī)器來(lái)代替人工進(jìn)行采摘的思想[37]。所研發(fā)的機(jī)械采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式等。70年代隨著計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先開始研發(fā)各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，1983年第一臺(tái)采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生[38]，第一臺(tái)采摘機(jī)器人如圖6所示。在隨后的20年，日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家相繼開始試驗(yàn)，研制了各種采摘機(jī)器人，在蘋果、葡萄、柑桔等水果方面有著廣泛的應(yīng)用。采摘機(jī)器人如圖7所示。Abhisesh Silwal設(shè)計(jì)了一種基于3D視覺系統(tǒng)七自由度的采摘機(jī)器人，識(shí)別效果與采摘優(yōu)先如圖8所示，該機(jī)器人平均定位時(shí)間1.5 s，平均采摘時(shí)間為6 s每個(gè)果實(shí)，采摘成功率為84%，極大的提高了采摘效率。

圖6 第一臺(tái)采摘機(jī)器人

圖7 采摘機(jī)器人

圖8 識(shí)別效果與采摘優(yōu)先

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)采摘方式主要還是以人工采摘為主，通過(guò)直接手采或者借助輔助工具采摘，輔助采摘工具如圖9所示。采摘冠層上面的水果有時(shí)需攀爬、借助扶梯和升降平臺(tái)，這類采摘方法已經(jīng)不適合現(xiàn)在果園的發(fā)展，研發(fā)機(jī)械式采摘機(jī)和采摘機(jī)器人是提高采摘效率和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的有效方法。

圖9 輔助采摘工具

3.2.1 機(jī)械采摘

20世紀(jì)70年代我國(guó)就已經(jīng)開始研發(fā)果園采摘機(jī)械，振動(dòng)式采摘是目前最普遍的機(jī)械采摘方式，利用振動(dòng)機(jī)構(gòu)將振動(dòng)頻率傳遞給樹干，從而帶動(dòng)枝條上的果實(shí)晃動(dòng)，當(dāng)果實(shí)的慣性力大于果枝與果實(shí)的結(jié)合力，果實(shí)脫落從而完成收獲。這類收獲方法提高了果實(shí)收獲的速度，但也容易造成果肉損傷，影響品質(zhì)。

王順溈[39]模仿雨傘的張開收納，設(shè)計(jì)了一種集振動(dòng)式水果采摘與收集一體的機(jī)械臂，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作。王東[40]在常見振動(dòng)式收獲機(jī)工作原理的基礎(chǔ)上，建立了紡錘形、自然開心形、直立平面形3種整形果樹模型，利用有限元方法分析出不同振動(dòng)頻率對(duì)整形果樹振動(dòng)響應(yīng)特性的影響，為整形果樹振動(dòng)式收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。付函[41]設(shè)計(jì)了一種基于單自由度阻尼局部對(duì)靶振動(dòng)激振器，根據(jù)激振器的運(yùn)動(dòng)，開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，所收獲的蘋果質(zhì)量有89.5%～96.3%達(dá)到了美國(guó)市場(chǎng)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。王長(zhǎng)勤[42]針對(duì)矮化密植果園設(shè)計(jì)了一種偏心式林果振動(dòng)采收機(jī)，對(duì)偏心塊建立動(dòng)力學(xué)模型，分析驗(yàn)證最佳激振頻率，當(dāng)激振頻率位于19～20 Hz，其平均采凈率達(dá)到89.5%～92.6%，為實(shí)際生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)。

3.2.2 智能采摘

智能采摘是當(dāng)前最主要的研發(fā)方向。采摘機(jī)器人主要分為四個(gè)部分：視覺識(shí)別和定位系統(tǒng)、機(jī)械臂系統(tǒng)、末端執(zhí)行控制系統(tǒng)以及移動(dòng)平臺(tái)[43]。對(duì)采摘機(jī)器人的研究主要集中在識(shí)別定位、路徑規(guī)劃、末端執(zhí)行器等方面。果園采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)與研究成果見表5。

表5 果園采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究成果

在識(shí)別定位上，徐雪峰[45]基于智能采摘試驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)，依靠視覺反饋定位采摘物的位置，建立機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型，為實(shí)際研發(fā)提供理論依據(jù)。羅陸鋒[46]針對(duì)自然環(huán)境下的葡萄，提出一種基于改進(jìn)聚類圖像分割和點(diǎn)線最小距離約束的采摘點(diǎn)定位新方法[46]，定位準(zhǔn)確率達(dá)88.33%，平均定位時(shí)間為0.346 7 s。郗厚印[47]利用OTSU分割算法和形態(tài)學(xué)處理對(duì)重疊番茄圖像進(jìn)行分析，效果顯著，為解決重疊水果識(shí)別定位提供理論依據(jù)。

在路徑規(guī)劃上，馬冀桐[48]對(duì)雙向快速擴(kuò)展隨機(jī)樹算法(RRT-connect)進(jìn)行改進(jìn)，基于RRT-connect算法將RRT-connect與IGPRRT-connect進(jìn)行編程，通過(guò)仿真計(jì)算出對(duì)避障規(guī)劃路徑的時(shí)間為1.263 s左右，成功率為91%。鄭嫦娥[49]基于DDPG分步遷移策略對(duì)采摘機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃，提高了路徑規(guī)劃能力。黃軼文[50]基于蟻群算法對(duì)六自由度的機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并用MatLab進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其路徑優(yōu)化能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定。

在末端執(zhí)行器上，蔣昊俁[51]利用D-H法對(duì)五自由度機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，為后續(xù)采摘手的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。陳子文[52]針對(duì)類球型果實(shí)，設(shè)計(jì)了一款基于氣動(dòng)無(wú)損夾持控制執(zhí)行器，并用ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，采摘成功率可達(dá)96.03%，對(duì)果實(shí)的損傷率為1.58%。苗玉彬[53]在末端執(zhí)行器上設(shè)立柔順機(jī)構(gòu)，采用序列二次規(guī)劃法優(yōu)化計(jì)算梁的形狀函數(shù)，使柔順梁對(duì)蘋果的恒定夾持力維持在7.9 N左右[53]，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，其平均夾持力為8.03 N，抓取完好率為95%。

現(xiàn)階段果園智能機(jī)器人多處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，實(shí)際果園情況較為復(fù)雜，光照、噪音、地勢(shì)情況都是影響果園智能采摘效果的因素，對(duì)果實(shí)的準(zhǔn)確識(shí)別和三維定位，以及采摘機(jī)器人機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的研發(fā)等技術(shù)還不夠成熟，智能化采摘技術(shù)與實(shí)際推廣應(yīng)用還有很大的差距。

4 果園除草機(jī)械

雜草是果園中普遍存在的有害植物，不僅有較強(qiáng)的營(yíng)養(yǎng)和水分吸收能力，還可為害蟲提供生存場(chǎng)所，導(dǎo)致果樹產(chǎn)生病蟲害[54]。我國(guó)傳統(tǒng)果園較多，果樹株距較大，陽(yáng)光充足，容易滋生雜草且種類較多，果園除草是水果生產(chǎn)中十分重要的環(huán)節(jié)，及時(shí)有效地清除雜草可以促進(jìn)果樹生長(zhǎng)、提高水果品質(zhì)[55]。

4.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)果園機(jī)械除草作業(yè)的研究始于20世紀(jì)50年代[56]，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展其技術(shù)已經(jīng)較為成熟，出現(xiàn)了許多類型的除草機(jī)械。美國(guó)貝爾生產(chǎn)的型號(hào)為13AP90KS309的果園割草機(jī)效率高，適用于標(biāo)準(zhǔn)化果園。丹麥Me-lander[57]設(shè)計(jì)的對(duì)刷式除草機(jī)通過(guò)采用豎直高速旋轉(zhuǎn)的刷子來(lái)達(dá)到清除雜草的目的。波蘭的JAGODA JPS所研發(fā)的一款自走式除草機(jī)(ZOFIA)，通過(guò)人工操縱割草機(jī)構(gòu)與果樹之間的位置，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障。丹麥的Noremark基于GPS導(dǎo)航系統(tǒng)所研發(fā)的割草機(jī)，能夠同時(shí)控制機(jī)具和割刀進(jìn)行橫向與縱向位移，從而在珠間除草時(shí)實(shí)現(xiàn)避障。隨著傳感器的高速發(fā)展，美國(guó)的Slaughter等人基于測(cè)距傳感器所設(shè)計(jì)的除草機(jī)器人，能夠很好的識(shí)別雜草和障礙物，智能化程度高。國(guó)外割草機(jī)如圖10所示。

圖10 國(guó)外割草機(jī)

4.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的除草方式有兩種：一種是人工除草，勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低、容易造成土壤肥力的流失，另一種是化學(xué)除草，主要指使用除草劑進(jìn)行雜草防除的方式，除草劑使用方便，可使雜草迅速得到控制[58]，但易造成環(huán)境污染，在除草的同時(shí)又對(duì)林果的產(chǎn)量造成影響。20世紀(jì)40年代，大規(guī)模田間除草機(jī)具的出現(xiàn)，促進(jìn)了各種除草機(jī)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，現(xiàn)在除草機(jī)可分為機(jī)械式除草機(jī)和智能除草機(jī)。

4.2.1 機(jī)械除草

目前，我國(guó)果園機(jī)械除草作業(yè)普遍采用微耕機(jī)或果園通用除草機(jī)，存在僅能除去行間雜草、對(duì)果樹株距間造成漏除現(xiàn)象，除草作業(yè)效果大大降低，針對(duì)這個(gè)問題，所設(shè)計(jì)的果園株間除草機(jī)可以很好的清除果樹根部周圍的雜草，同時(shí)對(duì)株間和行間進(jìn)行雜草清除，除草干凈、工作效率高。

避障裝置是設(shè)計(jì)株間除草機(jī)的主要難題，果園株間除草避障裝置分為接觸式避障和非接觸式避障。接觸式避障主要包括繞立軸旋轉(zhuǎn)式、四連桿機(jī)構(gòu)偏擺式及滑套橫移式[59]。李建新[60]研發(fā)的果園株間除草機(jī)采用拖拉機(jī)牽引，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度為2～5 km/h時(shí)，在滿足入土深度的情況下，避障率為100%。果園株間除草機(jī)如圖11所示。于健東[61]針對(duì)園內(nèi)蘋果樹分布特征所研發(fā)的蘋果中耕除草機(jī)在滿足避讓果樹的條件下，漏除率僅為4.1%，完全滿足作業(yè)要求。杜文圣[62]針對(duì)葡萄藤的生長(zhǎng)特性，用ADAMS建立除草裝置模型，ANSYS分析運(yùn)動(dòng)軌跡，當(dāng)行走速度一定時(shí)避障效果良好。于暢暢等[63]設(shè)計(jì)的自動(dòng)避障除草機(jī)能夠進(jìn)行雙邊除草，效率更高，平均除草作業(yè)率可達(dá)90.02%。近幾年所研發(fā)的典型株間除草機(jī)及關(guān)鍵技術(shù)見表6。

圖11 果園株間除草機(jī)1.機(jī)架；2.折疊裝置；3.株間自動(dòng)避障除草裝置；4.雙翼除草鏟；5.三點(diǎn)懸掛；6.自激振鏟柄

表6 典型株間除草機(jī)及關(guān)鍵技術(shù)

4.2.2 智能除草

智能除草相較于傳統(tǒng)機(jī)械除草不僅能將株間雜草除掉，而且還不會(huì)損傷植株，具有精準(zhǔn)性和高效性[68]。劉亞超[69]基于圖像識(shí)別與除草系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一款智能株間除草機(jī)，并用SolidWorks對(duì)除草系統(tǒng)建模，ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)除草路徑進(jìn)行優(yōu)化，其株間路徑覆蓋率為100%，除草率為90%。胡煉基于智能相機(jī)獲取雜草圖像，采用橫擺式除草機(jī)構(gòu)，能準(zhǔn)確的避讓作物，控制割刀進(jìn)行株間除草，智能除草機(jī)如圖12所示。周恩權(quán)[70]設(shè)計(jì)了一款八爪式除草執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并用ADAMS進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其割刀有效軌跡能滿足大于220 mm的任意株距的株間除草。謝逢博等針對(duì)果園機(jī)器人路徑規(guī)劃的問題，提出了一種基于橫向偏差修正算法的路徑控制方法，相較于傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方式，漏割率降低了2.3%，重復(fù)率降低了1.7%，有效的提高了除草效率。

圖12 智能除草機(jī)

5 果園機(jī)械化發(fā)展建議

5.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效化的關(guān)鍵，農(nóng)林技術(shù)為農(nóng)機(jī)化的發(fā)展提供推動(dòng)力，反過(guò)來(lái)農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)又促進(jìn)農(nóng)林技術(shù)的改革創(chuàng)新，兩者相輔相成，相互促進(jìn)。我國(guó)在發(fā)展果園機(jī)械的同時(shí)既要加強(qiáng)對(duì)老果園的改造，也要在新建的標(biāo)準(zhǔn)化果園中注意機(jī)械與設(shè)施的應(yīng)用，為機(jī)械作業(yè)留下空間，適合于機(jī)械化生產(chǎn)，果樹的培育方式也要同機(jī)械化作業(yè)相結(jié)合。實(shí)踐證明推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合是果園機(jī)械化發(fā)展的內(nèi)在要求和必然選擇。

5.2 “園、樹、機(jī)、人、化”多方協(xié)調(diào)

果園裝備等技術(shù)大多掌握在高校，首先要將這些技術(shù)綜合利用并推廣起來(lái)，在擁有理論基礎(chǔ)上同相關(guān)企業(yè)共同開展研發(fā)果園機(jī)械，同時(shí)做好“園、樹、機(jī)、人、化”的協(xié)調(diào)，即改造老果園的同時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)化果園、培育種植標(biāo)準(zhǔn)化果樹、提高果園機(jī)械的適用性與可靠性、對(duì)果農(nóng)進(jìn)行農(nóng)機(jī)知識(shí)培訓(xùn)與機(jī)械裝備現(xiàn)場(chǎng)演示、建立社會(huì)服務(wù)體系與規(guī)范農(nóng)機(jī)銷售市場(chǎng)，循序漸進(jìn)，多方協(xié)調(diào)共同解決果園機(jī)械化發(fā)展難題。

5.3 針對(duì)性研究及推廣

我國(guó)的農(nóng)業(yè)裝備研究多集中于糧食作物，對(duì)果園配套機(jī)具的研發(fā)投入較少，關(guān)注度低，導(dǎo)致了果園機(jī)械化的發(fā)展較為緩慢，因此各級(jí)政府、高校與相關(guān)企業(yè)增加對(duì)果園機(jī)械的科研投入，針對(duì)性研發(fā)適應(yīng)國(guó)內(nèi)果園狀況的果園機(jī)械，在提高果園機(jī)械關(guān)鍵部件質(zhì)量的同時(shí)，增加機(jī)械的通用性，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少購(gòu)機(jī)投入，都對(duì)提高果園機(jī)械化發(fā)展具有重要意義。在推廣方面要建立基礎(chǔ)服務(wù)站點(diǎn)，加強(qiáng)果農(nóng)的技術(shù)培訓(xùn)，農(nóng)機(jī)推廣站要積極宣傳果園機(jī)械，加大農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼力度，提供便民惠民的服務(wù)體系。

6 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)果園種植規(guī)模的擴(kuò)大，種植種類的增加，傳統(tǒng)的作業(yè)方式已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代果園的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)果園全程機(jī)械化是其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本研究針對(duì)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外果園作業(yè)機(jī)械的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比分析，包括作業(yè)平臺(tái)、施肥機(jī)械、采摘收獲機(jī)械、除草機(jī)械等果園機(jī)械化設(shè)備，得出制約果園機(jī)械化發(fā)展的因素，并對(duì)果園機(jī)械的研發(fā)提出發(fā)展建議：(1)推進(jìn)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合；(2)“園、樹、機(jī)、人、化”多方協(xié)調(diào)；(3)針對(duì)性研究及推廣。