我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势_李海亮.pdf

6 6 中国农机化学报2 0 2 4年 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 4 1 2 0 1 1 李海亮 孙海天 王宏轩 等 我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势 J 中国农机化学报 2 0 2 4 4 5 1 2 6 6 7 2 L i H a i l i a n g S u n H a i t i a n W a n g H o n g x u a n e t a l R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f p i n e a p p l e h a r v e s t i n g m a c h i n e r y i n C h i n a J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 4 4 5 1 2 6 6 7 2 我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势 李海亮1 2 孙海天1 王宏轩1 薛忠1 胡军3 孙伟生1 1 中国热带农业科学院南亚热带作物研究所 农业农村部热带果树生物学重点实验室 海南省热带园艺 采后处理与保鲜重点实验室 广东湛江 5 2 4 0 9 1 2 河南农业大学机电工程学院 郑州市 4 5 0 0 0 2 3 黑龙江八一农垦大学工程学院 黑龙江大庆 1 6 3 3 1 9 摘要 实现菠萝的机械化采摘对于提升我国菠萝国际市场竞争力具有重要意义 针对我国菠萝采收机械的发展现状 从 采收方式 工作原理 机械化程度等角度对现有采收装备进行梳理 将菠萝机械化采收技术与装备划分为人工采摘辅助设 备 半机械化采摘设备 机械化采摘设备和自动化采摘设备 从人工辅助到智能采摘 技术提升显著但各有优劣 辅助设备 便捷但省力有限 半机械化效率不高 机械化高效但果实易发生损伤 智能采摘减损但效率有待提升 在此基础上 归纳 我国菠萝采收机械存在农机农艺融合不够 智能化识别和定位不准确 采摘损伤率高和采摘机结构不完善等问题 并提出 农机农艺协同发展规范标准化种植模式 加强基础性研究因地制宜优化采收方案和多学科领域交叉融合实现采摘自动化 与智能化的发展建议 以期为菠萝采摘机械的后续研究和发展提供参考 关键词 菠萝 采收机 末端执行器 视觉识别 中图分类号 S 2 2 5 9 9 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 4 1 2 0 0 6 6 0 7 收稿日期 2 0 2 3年4月2 5日 修回日期 2 0 2 3年6月1 9日 基金项目 中国热带农业科学院基本科研业务费专项 1 6 3 0 0 6 2 0 2 4 0 3 1 中国热带农业科学院国家热带农业科学技术中心科技创新团队 C A T A S C X T D 2 0 2 4 0 9 2 0 2 2年省级乡村振兴战略专项资金种业振兴项目 2 0 2 2 N P Y 0 0 0 3 1 十四五 广东省农业科技创新十大主攻方向 揭榜挂帅 项目 2 0 2 2 S D Z G 0 3 0 6 海南省重点研发项目 Z D Y F 2 0 2 3 X D N Y 0 5 8 中国热带农业科学院中央公益性科研院所基本业务费专项 2 0 2 2年科技 揭榜挂帅 项目 1 6 3 0 0 6 2 0 2 2 0 0 5 第一作者 李海亮 男 1 9 8 7年生 黑龙江齐齐哈尔人 博士 副研究员 研究方向为果蔬采收装备 E m a i l l i h a i l i a n g 1 2 6 c o m 通讯作者 孙伟生 男 1 9 7 9年生 陕西泾阳人 硕士 副研究员 研究方向为菠萝高效种植 E m a i l g c x y l h l 1 6 3 c o m ResearchstatusanddevelopmenttrendofpineappleharvestingmachineryinChina LiHailiang1 2 SunHaitian1 WangHongxuan1 XueZhong1 HuJun3 SunWeisheng1 1 SouthSubtropicalCropResearchInstitute ChineseAcademyofTropicalAgriculturalSciences KeyLaboratoryof TropicalFruitBiology MinistryofAgriculture 2 CollegeofMechanicalandElectricalEngineering HenanAgriculturalUniversity Zhengzhou 4 5 0 0 0 2 China 3 CollegeofEngineering HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity Daqing 1 6 3 3 1 9 China Abstract M e c h a n i z e d h a r v e s t i n g t e c h n o l o g y i s a n i m p o r t a n t b o t t l e n e c k t h a t r e s t r i c t s t h e d e v e l o p m e n t o f p i n e a p p l e i n d u s t r y a n d a c h i e v i n g m e c h a n i z e d h a r v e s t i n g o f p i n e a p p l e i s o n e o f t h e i m p o r t a n t w a y s t o t r a n s f o r m t h e d e v e l o p m e n t m o d e o f f o r e s t f r u i t i n d u s t r y s a v e c o s t a n d i n c r e a s e e f f i c i e n c y a n d e n h a n c e t h e c o m p e t i t i v e n e s s o f i n t e r n a t i o n a l m a r k e t a s w e l l a s t h e r e s e a r c h f o c u s a n d d i f f i c u l t y o f t h e w h o l e m e c h a n i z a t i o n a n d s c a l e o f p i n e a p p l e p r o d u c t i o n I n t h i s p a p e r t h e d e v e l o p m e n t s t a t u s o f p i n e a p p l e h a r v e s t i n g m a c h i n e r y i n C h i n a i s a d d r e s s e d a n d t h e e x i s t i n g h a r v e s t i n g e q u i p m e n t i s s o r t e d o u t f r o m t h e p e r s p e c t i v e s o f h a r v e s t i n g m o d e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d m e c h a n i z a t i o n d e g r e e a n d t h e p i n e a p p l e m e c h a n i z e d h a r v e s t i n g t e c h n o l o g y a n d e q u i p m e n t a r e c l a s s i f i e d i n t o m a n u a l p i c k i n g a u x i l i a r y e q u i p m e n t s e m i m e c h a n i z e d p i c k i n g e q u i p m e n t m e c h a n i z e d p i c k i n g e q u i p m e n t a n d i n t e l l i g e n t p i c k i n g e q u i p m e n t a n d t h e i r r e s e a r c h s t a t u s a n d t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e e l a b o r a t e d a n d a n a l y z e d M a n u a l p i c k i n g a u x i l i a r y e q u i p m e n t i s s i m p l e i n s t r u c t u r e e a s y t o b e o p e r a t e d a n d a d a p t a b l e b u t s t i l l r e q u i r e s a l a r g e a m o u n t o f m a n p o w e r 第4 5卷 第1 2期 2 0 2 4年1 2月 中国农机化学报 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 5 N o 1 2 D e c 2 0 2 4 第1 2期李海亮等 我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势6 7 a n d i s n o t s i g n i f i c a n t i n t e r m s o f l a b o r s a v i n g s S e m i m e c h a n i z e d p i c k i n g e q u i p m e n t r e q u i r e s m a n u a l p o s i t i o n i n g a n d c a n o n l y h a r v e s t o n e f r u i t a t a t i m e m a k i n g h a r v e s t i n g e v e n l e s s e f f i c i e n t t h a n m a n u a l h a r v e s t i n g M e c h a n i z e d p i c k i n g e q u i p m e n t e n a b l e s b a t c h h a r v e s t i n g o f f r u i t s i g n i f i c a n t l y i m p r o v i n g h a r v e s t i n g e f f i c i e n c y a n d r e d u c i n g l a b o r r e q u i r e m e n t s H o w e v e r i t i s n o t p o s s i b l e t o h a r v e s t s e p a r a t e l y a c c o r d i n g t o r i p e n e s s a n d t h e r e a r e c a s e s o f f r u i t l e a k a g e a n d d a m a g e I n t e l l i g e n t p i n e a p p l e p i c k i n g e q u i p m e n t c a n r e a l i z e a u t o m a t i c p i n e a p p l e p i c k i n g a n d l e s s d a m a g e t o t h e f r u i t w h i c h g r e a t l y l i b e r a t e s t h e l a b o r f o r c e H o w e v e r t h e f r u i t p i c k i n g e f f i c i e n c y i s l o w d u e t o t h e l i m i t a t i o n o f f r u i t i d e n t i f i c a t i o n r a t e a n d p i c k i n g m e t h o d O n t h i s b a s i s t h e p r o b l e m s o f p i n e a p p l e h a r v e s t i n g m a c h i n e r y i n C h i n a a r e s u m m a r i z e d a n d t h e d e v e l o p m e n t s u g g e s t i o n s o f i n t e l l i g e n c e h i g h e f f i c i e n c y a n d r e l i a b i l i t y a r e p u t f o r w a r d s o a s t o p r o v i d e r e f e r e n c e f o r t h e s u b s e q u e n t r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f p i n e a p p l e h a r v e s t i n g m a c h i n e r y Keywords p i n e a p p l e g a t h e r i n g e q u i p m e n t e n d e f f e c t o r v i s u a l r e c o g n i t i o n 0 引言 菠萝为凤梨科凤梨属陆生草本植物 是中国最具 特色和优势的热带水果品种之一 由于其营养丰富 汁甜味美的特点深受人们喜爱 目前是世界上仅次于 香蕉和芒果的第三种热带水果 中国作为菠萝十大主 产国之一 主要集中在广东 海南 广西 福建 云南 台 湾等省区种植 随着农业经济产业结构的调整优化 我国菠萝的种植面积与产量也在逐年增加 菠萝采收具有季节性强 劳动密集 劳动强度大等 特点 采收作业约占整个生产过程劳动成本的4 0 1 然而 受菠萝植株独特的生长结构和生长环境影响 目 前主要依靠人工完成菠萝的采收 随着我国农村青壮 劳动力转移 人口老龄化逐年加剧 人工劳动成本逐年 增高 限制了菠萝产业的进一步发展 为了解决劳动力 耗费大 生产成本高 工作效率低等问题 实现菠萝采收 机械化迫在眉睫 为此 部分研究学者已经开展了相关 科研工作 研发了一系列菠萝采收装备 本文梳理近年来对菠萝采收装备的相关研究 阐 述采收机械的研发现状与性能特点 并结合我国实际 情况提出机械发展过程中存在的问题 最后对我国菠 萝采收机械的研发重点进行展望 1 菠萝采摘机械的发展现状 目前 菠萝采摘设备按照机械化程度可分为人工 采摘辅助设备 半机械化采摘设备 机械化采摘设备和 智能化采摘设备 按照果实采摘方法的不同 可分为切 断式采摘 2 折断式采摘 3 和扭断式采摘 4 本文按照 机械化 智能化程度的不同进行分类阐述 1 1 人工采摘辅助设备 菠萝成熟时果皮坚硬且带有芒刺 叶缘密布锋利 锐齿 人工采摘很容易造成手部伤损 与此同时 菠萝 果实离地高度0 5 1 0 m 采摘过程中需要农户频繁 的弯腰 劳动繁重 采摘人员佩戴采摘辅助设备后可 以以机械装置为媒介完成菠萝的采摘工作 避免与菠 萝果实直接接触以减少人身损伤 并且采摘辅助机构 可以扩大有效采收区间 降低弯腰频率和幅度 从而减 轻劳动强度 针对菠萝的结构特征和生长特点 罗雄辉等 5 基于 双滑块机构和四杆机构设计了一款由夹紧结构和剪切 结构组成的菠萝采摘器 菠萝采摘器结构简单 操作便 捷 单人即可完成采摘工作 采摘试验结果表明 菠萝 果实夹持成功率在9 8 以上 切断成功率在9 5 以上 平均采摘时间为6 s 采摘过程中菠萝果实和植株保存完 好 马兴灶等 6 基于菠萝的生物学特征和生长特点 提 出先抓取果实后掰断果柄的菠萝采摘机械手方案 采用 理论分析方法对抓紧力 拉杆拉力和掰断果柄的推力进 行了估算 并进一步利用U G建立三维模型 以此为基 础制作了样机 该机械手依靠左右手柄控制采摘机构 完成抓取与翻转工作 采摘成功率大于8 0 平均采摘 时间最短为1 3 5 s 惠佳等 7 利用3 D打印技术制作一 种可伸缩的菠萝采摘机械装置 并将机械手臂通过一系 列轴承和支撑杆件安装在三轮车上 不但降低了菠萝采 摘劳动强度 而且可提高果实运输能力 成熟的菠萝位于莲座状叶丛中心 果实周围包裹的 坚硬且密实的菠萝叶片阻碍了机械手从侧面开展采摘 作业 针对这一问题部分学者提出了从果实正上方采摘 的方案 朱义灯等 8 设计的简易机械式菠萝采摘装置 从菠萝上方夹紧果实 通过握力把手操控剪切装置切断 菠萝茎基连接处 提起采摘装置的同时果实随之取出 以此完成菠萝的采摘工作 刘晓飞等 9 设计了一种基 于曲柄滑块 偏置直动滑杆和多连杆传动式机构的复合 连杆式菠萝采摘装置 对关键的手持传力机构进行运 动分析和动力学仿真 优化了结构设计参数 实现了以 较小作用力完成切割的效果 实物样机应用测试结果 表明 装置采摘平均作业用时3 4 s 平均操作力为 2 9 1 7 N 相比人工平均减少1 2 s 采收效率提高2 6 为了进一步减轻劳动强度 部分人工采摘辅助设 备在纯机械式采摘机构的基础上增加了助力机构和控 制系统等 杜泽亮等 1 0 基于仿生学和菠萝可手工折 6 8 中国农机化学报2 0 2 4年 断果柄采收原理设计了一种半自动机械手装置 该装 置中的单片机可以接收传感器反馈的信号进而控制电 机和旋转采摘机构依次完成菠萝的抓合和掰取动作 并且 该设计采用背架及肘托辅助装置 使机器重量均 匀分布 高度调节便捷 降低了菠萝采摘机械手的操控 难度和劳动强度 人工采摘辅助设备采用手持或背负设备的方式来 调整果实采摘高度和角度 通过直接或间接方式控制 采摘机构以剪切或弯折等方式完成果柄分离 进而实 现菠萝采摘 整体来说此类设备具有结构简单 小巧 轻便 易于操作 适用性强等优点 降低了采收人员被 菠萝叶片 果实伤害的风险 果实损伤少 质量高 然 而 采摘辅助设备仍然要依靠人力来完成果实的定位 和摘取动作 并且采摘设备本身对于人来说也是一种 负载 因此在节省劳动力方面的效果并不显著 1 2 半机械化采摘设备 菠萝采收包括采摘和转运两个环节 菠萝的半机 械化采摘包括人工采摘后借助采收平台收集 运输果 品和人工操控菠萝采摘设备实现菠萝机械化采摘两种 形式 这种机械与人工相结合的半机械化采摘方式能 够有效提高工作效率 降低工作强度 半机械化采收 装备主要包括采收平台和半自动采摘机 针对中国菠萝生产区的情况 郑爽等 1 1 研发了一 款菠萝采收车 采收车采用高地隙履带动力底盘 能 在菠萝田间行驶而不触碰菠萝果实 工作时 采收车 在前方缓慢行驶 紧随的采收工人将成熟的菠萝摘下 后放置于车厢后方的输送果实的装置上 经输送带运 输至装载车厢 完成装箱工作 7 Y L Z G 6 0 0型履带 自走式高床作业机底盘采用窄形履带行走机构 轨距 间隙和平台高低可调整 对不同品种 不同高矮的菠萝 种植园具有很好的适应性 配合人工辅助采摘可有效 提高工作效率 减少人工运输成本 将手动采摘菠萝转化为人工控制采摘菠萝也是一 种实现菠萝机械化采摘的方式 刘玉杰 1 2 Z h a n g 1 3 等 为了实现菠萝的机械化采摘 分别提出了菠萝半自动采 摘机的设计方案 操作人员可驾驶采摘机在田间行驶 并通过控制机械手单元实现菠萝的空间定位和采摘 傅旻等 1 4 采用机电一体化技术 设计了一种半自动拧取 式菠萝采摘收获机 并对剪切式升降机构和采摘机械 爪等关键工作部件进行了参数设计 仿真分析与强度校 核 优化了设计方案 通过粗定位 精确定位 果实夹 紧 拧取果实和收集果实等操作完成菠萝的采收作业 半机械化采摘设备的应用在提高菠萝采收效率和 降低工作强度方面效果显著 传统人工采收菠萝需要 人力以背负或挑担子的形式将果实从田间运送至开阔 地 以便装车转运 这一过程所需要的劳动量占菠萝采 收过程的7 0 左右 菠萝的高产 密植 采收期短和高 温天气都增加了人工采收的难度 应用采收平台可实 现将田间采摘的菠萝直接集中转运 工人不再承担繁 重的运送工作 然而 采收平台仍然过度依赖人工作 业 解放劳动力 改善工作环境等问题没有得到根本解 决 半自动采摘机需要人工进行定位 并且单次只能 采收一枚果实 采收效率甚至低于人工采收 1 3 机械化采摘设备 机械化采摘设备只需确定菠萝果实的位置区间而 无需精确定位 便于采摘机构的连续喂入实现菠萝的 批量采摘 采收效率得以明显提升 王新海等 1 5 为了保证菠萝采摘成功率提出一种 互补采摘方法 即对于果实与茎秆连接强度低的菠萝 采用折断方式采收 对于链接强度高的菠萝采用切断 方式采收 试验结果表明 由于无法精准定位切割位 置 刀片会对菠萝果实造成损伤 此类问题在周巧 鸥 1 6 刘子杰 1 7 等研制的菠萝采摘机中也有出现 针 对这一问题 部分菠萝采收机设计了刀具升降机 构 1 8 虽然解决了刀具定位问题 但刀具调整工作增 加了菠萝采收时长 降低了采收效率 邓祥丰 1 9 将四个末端执行器组合成可自转的采 摘装置 结合高地隙底盘 控制系统和收集部件等 提 出一款高地隙自走式菠萝采摘机的设计方案 采摘机 通过采摘爪的水平旋转扫略和夹爪夹持产生的复合运 动完成菠萝采摘动作 由于该设备采摘机构高度固定 限制了机械爪的有效采摘区间 因此果实间的高差对 采摘成功率有较大的影响 赵华成等 2 0 根据手工折断果柄采收原理和仿生学 理论 提出了菠萝自动采摘收集车的设计方案 机器前 进时利用采收机构圆周方向均布的采摘刀片通过旋转 采摘方式切割菠萝果实茎基处 并通过输送机构送入收 集存储箱内 完成菠萝的采摘 旋转式采摘机构可以通 过升降机构调节离地高度 并且刀片在地面垂直方向上 具有较大的采收空间 能够适应不同高度菠萝的采摘需 求 但菠萝的采摘方向是自下而上 采摘刀片会对菠萝 茎基处的裔芽和叶片造成损伤 刘通 2 1 张俊昌 2 2 等研 制的菠萝采摘机也存在同样的问题 针对切割器定位难 容易损伤植株等问题 刘天湖 等 2 3 研制了多柔性指滚筒菠萝采收机 该设备通过两 组相对旋转柔性指作用在菠萝表面形成的折断力矩完 成菠萝的采摘工作 试验结果表明 当菠萝处于收获 可能性区域内时 收获率为7 8 损伤率为8 单个 果实平均采收时间约为1 s 李海亮等 2 4 采用仿生学方法 模仿人手工摘取菠 第1 2期李海亮等 我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势6 9 萝的过程 研制一款4 B Q 2 A型梳齿式菠萝联合采收 机 工作中拖拉机提供牵引动力 地轮提供工作动力 采摘时固定梳齿起到扶持菠萝的作用 转动梳齿击打 菠萝茎秆 以此在果实花萼处产生折断力矩摘取果实 而后菠萝随拾果梳齿提升至输果系统中 经由传送带 送至高地隙集果运输平台 由于该设备纵向采摘有效 区间大 因此对果实之间的高差容错率高 采摘率可达 到8 5 4 左右 工作效率为0 1 3 h m 2 h 菠萝机械化采收设备实现了果实的批量采收 个别 设备还实现了集采摘 捡拾 收集和运输一体化的全程 机械化作业 显著提高采收效率 降低所需劳动力 但 是由于菠萝间的生长进程不同 菠萝的成熟度存在个体 差异 而机械化采收设备无法判别果实是否满足采收条 件 只能统一采收 导致部分果实没有达到采摘标准 从 而影响果实品质 另外 机械化采摘装备无法实现果实 精准定位 存在漏摘和果实 托芽损伤等情况 1 4 智能化采摘设备 智能化采摘设备通过移动机构主动接近并初步定位 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精确位置 机械手接收指令 后 末端执行器开始进行果实采摘 2 5 自1 9 8 3年第一台 番茄采摘机器人问世以来 采摘机器人的开发和研制得到 了快速发展 并广泛应用于苹果 草莓 葡萄 黄瓜等果蔬 但针对菠萝智能化采摘设备的研究相对较少 姜涛等 2 6 设计菠萝自动采摘收集机 该机可遥控 车身行走 通过传感器检测菠萝位置 利用三自由度机 械臂带动采摘切割机构完成菠萝采摘 并在传输机和搬 运机械手的配合下完成果实收集 该机可在人员远程 操控的状态下完成菠萝的采摘与收获 采收率可达到 1 9 5株 h 次年 在前期研究基础上 研发行架式自动菠 萝采摘收获机 2 7 该机通过摄像头确定菠萝所在位置 通过两组机械臂配合采摘机构完成果实采摘 工作效率提 升至1 6 3 6株 h 卫泓宇等 2 8 研发一种自动菠萝采收机 该设备通过识别定位系统采集图像 以此获取菠萝果实的 坐标 通过上位机控制履带总成和采收装置 以拧断方式 完成对菠萝果实的采摘 智能化采摘设备通常由末端执行器 智能人工识别 系统 驱动行进装置和编程控制系统等主要部件组成 智能化采摘设备作业过程中 首先要通过视觉系统进行 果实的识别和定位 视觉系统性能的优劣决定了果实识 别和定位的精度 直接影响采摘的效果和效率 2 9 双目视觉是利用左右图像收集所需信息 并通过三 角测量原理获得目标点三维坐标信息的方法 因其定位 准确而得到广泛应用 3 0 吴沛晟等 3 1 研制的智能菠萝 采收机基于该技术获得果实的坐标 控制机械手完成对 果实的采摘 采摘平均时间为3 6 3 s 株 何东健等 3 2 以2个蓝色妖姬T 3 2 0 0摄像头构成双目视觉识别系统 以此实现果实的识别与定位 经由控制系统控制行驶机 构 升降平台和刀片高度 完成精准采摘 并通过传送机 构和收集装置完成储运 针对杂草遮挡 重叠场景 光照 不均 色差不明显等场景下识别率低的问题 张星等 3 3 通 过双目深度相机的三角定位原理采集果实图像 通过改进 的Y O L O v 3深度学习模型获取果实二维坐标 基于相机 的S D K开发包获取深度信息 以此得到空间定位坐标 实 现田间复杂环境下菠萝果实的定位 试验训练环境下准 确率达到了9 5 5 达到1 7 6 4帧 s的检测速度 李斌等 3 4 3 6 针对菠萝图像识别进行了多年的系统 性研究工作 2 0 1 0年 针对田间复杂环境中的青色菠 萝 采用图像处理技术 数学形态学方法 识别菠萝果眼 获取中心点信息 引入层次聚类分类方法 对多个中心 点进行聚类分析 实现了田间复杂环境下的有效识别 经过运算 迎光条件下形心识别正确率达到8 5 2 0 1 2年 搭建了针对菠萝的双目视觉标定平台 并且 采用张正友算法对视觉传感器进行了标定试验 确定了 标定算法 果实深度测量试验结果表明 误差可控制在 2 3 c m范围内 精度较高 然而 C M O S传感器的防抖 动性较差 图像采集受光线影响较大 2 0 1 3年 开发了 通过识别菠萝冠芽确定果实位置的图像处理算法 从 树冠的顶视图中采集R G B图像并转化为H S I颜色模 型 然后提取树冠特征建立分类算法 该方法在晴空日 的果实识别率可达到9 4 能够为机器人提供果实位置 和移动导航路径两方面的重要信息 末端执行器是直接接触菠萝果实的部件 决定着 能否成功抓取菠萝顺利完成采摘动作 W a n g等 3 7 基 于快门机构原理设计了一种菠萝采摘机构 直流电机 驱动外齿轮旋转进而带动中央六角形滑块封闭收缩 直至夹紧固定菠萝 通过机构在运动过程中旋转可以 实现不同尺寸的菠萝夹紧和拧紧 W a n g等 3 8 研制了 一种由抓取机构 驱动机构和旋转机构组成的菠萝采 摘机械手 并基于单片机搭建了控制系统 控制系统 根据采摘流程控制驱动机构 抓取机构在驱动下夹紧 菠萝并完成纵向旋转 实现菠萝的掰取动作 室内试 验时测得单株收获时间为2 1 2 4 s X i a等 3 9 在考虑 了菠萝性状和受力特点的基础上 设计了滑杆双支点 结构的V形指杆夹紧钳式采摘执行器 当指杆夹角为 3 5 支点中心距为1 1 0 m m V形槽为1 2 0 时 可满足 夹紧误差要求 智能化菠萝采摘设备能够实现菠萝的自动化采摘 并且对果实的损伤较小 极大地解放了劳动力 但是受限 于果实识别速率和采摘方式 果实采摘效率偏低 另外 由 7 0 中国农机化学报2 0 2 4年 于采收环境复杂 果实识别的精准度有待进一步提高 因 此 目前智能化菠萝采摘设备还只停留在实验室阶段 多 为概念机或试验样机 无法真正投入使用 2 菠萝机械化采收存在的问题 随着对菠萝等亚热带经济特色作物生产装备发展 的逐渐重视 菠萝机械采收技术与机理不断完善 菠萝 采收机械的研发取得了一定突破 但是仍然存在一些 制约着我国菠萝机械化采收发展的问题 2 1 农机农艺融合不够 农机是优化农业生产模式的手段 农艺是农机研 发的基础和先决条件 二者关系紧密相辅相成 只有彼 此有效结合才能发挥农业机械和种植技术的潜力 菠 萝种植地块零散 品种繁多 种植模式多样化 目前有 单行 品字形双行 陇上三行和陇上四行等种植模式 行距 株距差异较大 种植密度也无统一标准 主要集 中在4 5 0 0 0 7 5 0 0 0株 h m 2范围内 导致采收机械轮 距与种植行距不匹配 底盘高度与作物生长高度不匹 配 采摘机构与果实相对位置不匹配等问题的出现 致 使机械通用性差 2 2 智能化识别和定位不准确 果实快速 准确的识别和定位是保证果实采摘效率 和成功率的关键 现有智能化采摘设备在实验室条件 下果实的识别和定位效果较好 但是在试验田环境下受 限于许多外部因素 主要包括果实自身色差 采摘环境 光线强弱变化 枝叶或果实彼此遮挡 植株采摘过程中 发生倒伏和摇晃等 这些现象通常同时出现 导致存在 果实识别实时性差 定位精度低和错误采摘等问题 2 3 采摘损伤率高 目前针对菠萝果实抗破损情况 本构特征信息和 破损机理等的研究不够深入 研制的采摘机械手主要 从采摘应力 抓取效果等角度出发 针对菠萝损伤情况 的研究较少 部分菠萝外表虽未产生明显破损 但是 内部发生了结构性损伤 货架期缩短 影响果实储运和 销售 采摘机构通过产生的剪切应力或扭矩完成菠萝 的采摘 易造成果实和裔芽的损伤 影响果实品质和下 一季菠萝的生长 2 4 采摘机结构有待进一步优化 菠萝种植密度高 植株枝叶生长茂密 成熟期的菠 萝田间几乎完全被作物枝叶所覆盖 为了便于在行间 的机耕路行驶 需要使用窄胎面的轮胎或履带 难以保 证提供充足的抓地力 为了避免与菠萝果实发生碰撞 采收机底盘需要与地面有一定的距离 随着采摘收货 菠萝的逐渐增多 采收机整体的重心也在逐渐上移 在 遇到坡地或崎岖路面的情况下 则易产生车辆侧翻 因此 如何优化设计采收机底盘结构 在保证设备通过 性能的同时 保持整机行驶的稳定性 是继完成菠萝采 摘机构设计后另一个亟需解决的问题 3 发展建议 3 1 农机农艺协同发展 规范标准化种植模式 在充分考虑菠萝生产综合经济效益的前提下 从 有利于机械化生产管理的角度考虑 合理制定种植行 距 株距 垄宽等技术要求 实现菠萝种植模式的标准 化 如崔振德等 4 0 针对巴厘 台农品系的菠萝制订了 带状种植 和 宽窄行种植 栽培模式 为实现菠萝的 标准化种植提供了参考 为进一步实现机械化生产提 供了前提条件 同时 要开展菠萝种植园的果园宜机 化建设 果园规划时应考虑到农机使用要求 为农机田 间作业创造有利条件 3 2 加强基础性研究 因地制宜优化采收方案 探究机械与果实相互作用机理 多工况条件下果实 运动规律与本构特征 兼顾采摘对象的生理特征 机械 特征和理化特征 以此指导采收机械的研发 减少菠萝 的机械损伤 确保采收质量 同时 按照果实的品系和 用途确定果实的采摘形式 如常用作加工罐头 果汁的 罐头果 因其具有贮藏时间短 允许少量破损等特点 可 以采用采收效率高的机械化采摘方式进行采收 以保证 加工厂商对供果量的要求 对于果实品相要求高 储运 时间相对较长的鲜食果 则应采用能够精准识别单果采 摘的半机械化采摘或智能化采摘的方式采收 3 3 多学科领域交叉融合 实现采摘自动化与智能化 在机械 控制 传感器等领域进行技术创新和研发 提高采收机的自动化水平 利用自助导航技术和自动 控制技术 通过优化处理决策系统 实现菠萝采摘机械 田间路径规划与导航自主行走 确定果实位置坐标 利 用传感器技术和视觉识别技术 实现目标果实的识别与 检测 控制机械手完成菠萝抓取与采摘作业 从而实现 菠萝果实的适时采摘 增强菠萝采摘机械自动化与智能化 水平 采用高精度的视觉系统和图像处理技术 利用多特 征信息融合策略提高果实的识别与定位精度 增强系统的 鲁棒性与实时性 应用人工智能 大数据 物联网等信息 技术 建立更加智能化的采摘模型和评估体系 4 结语 随着我国菠萝产业规模的不断扩大 完全依赖人 工的采收方式已经不能适应产业的发展 实现菠萝的 机械化与智能化采收是菠萝产业发展的必然趋势 本 文综合介绍我国菠萝采收机械的类型 研究进展 当前 所面临的问题以及发展建议 目前菠萝采收机主要以 第1 2期李海亮等 我国菠萝采收装备研究现状及发展趋势7 1 机械式为主 虽然能够有效提高工作效率 降低劳动强 度 但是无法实现果实的分级采摘和无损采收 随着 农业4 0时代的到来 智慧农业技术及装备的研发必 将成为今后工作的重点 研发高性能 高效率 高可靠 高适应性的菠萝采收机 实现菠萝的自动化 智能化 无人化采收将是一个重要的目标 参 考 文 献 1 邓祥丰 鄢强 陈代玉 等 菠萝采摘机械的研究现状与发 展趋势 J 林业机械与木工设备 2 0 1 9 4 7 9 4 8 D e n g X i a n g f e n g Y a n Q i a n g C h e n D a i y u e t a l R e s e a r c h s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f p i n e a p p l e p i c k i n g m a c h i n e J F o r e s t r y M a c h i n e r y W o o d w o r k i n g E q u i p m e n t 2 0 1 9 4 7 9 4 8 2 鲁燕 王占凤 尹耀君 等 基于5 G网络技术的远程控制 菠萝自动采摘机 J 农业技术与装备 2 0 2 2 1 4 7 4 9 L u Y a n W a n g Z h a n f e n g Y i n Y a o j u n e t a l R e m o t e c o n t r o l p i n e a p p l e a u t o m a t i c p i c k e r b a s e d o n 5 G n e t w o r k t e c h n o l o g y J A g r i c u l t u r a l T e c h n o l o g y E q u i p