落地林果捡拾装置的发展现状及展望

河北农业大学机电工程学院 静茂凯 张秀花 杨淑华 王健 老福兴

林果业是我国继粮食和蔬菜之后的第三大产业，各类林果栽培和种植的总面积一直居于世界首位。林果业相较于其他产业可以提供较多的就业机会[1]。林果一般在其成熟后自动掉落时营养价值最高[2]，而为了方便采收并保持其营养价值，林果采收一般采用机械或人工激振的方式使树上即将成熟的果实集中落下，通过落地林果捡拾装置捡拾并除杂分级[3]。而我国的林果捡拾作业以人工捡拾为主[4]，这一捡拾方式需要占用大量的劳动力，为生产过程的35%～45%[5]。伴随着我国的人力成本和林果种植面积的增长[6]，林果捡拾作业的机械化趋势越来越明显。

1 国内研究现状

1.1 气力式捡拾装置的研究现状

史高昆等[8]设计了气吸式红枣捡拾收获机，该设备主要由汽油机、离心风机、收获箱、吸管和三通管道组成，利用离心风机抽出收集箱中的空气，使其产生负压吸取落地红枣，吸入的红枣在经过三通管道后，受到的压力由负压变成正压，叶子和杂质等经过筛网被吹入集杂袋中，红枣被筛网截留并落入收集框中，该机采净率为98.63%，含杂率为0.87%。不过该装置无法解决杂质在筛网中发生拥堵的问题。

党凯峰等[9]设计研制了双气流分离结构除杂装置，当红枣进入风选箱后，与风选箱连接的进风管受到风机的作用进风，产生气流对红枣进行风选（图1）。该机的生产率≥150kg/h，含杂率≤5%，捡净率≥90%。

王洪昌等[10]在真空室中设计安装了闭风器，能够使真空室中的红枣从闭风器中连续排出，同时能够保证真空室内的负压状态不被破坏。

张凤奎等[11]在分离箱中设计了拦枣栅，用于拦截红枣和清除杂质，堵在拦枣栅的较大杂质可以被碎杂清堵装置粉碎排出。截留的红枣通过闭风器落入振动筛，实现二次清选。

潘俊兵等[12]研制了一种气吹式林果捡拾装置，该装置主要原理是将风机吹出的高速气流传送到气流喷嘴，气流喷嘴吹动地上的红枣向后方移动到捡拾输送装置，实现落地红枣的捡拾工作。该装置红枣损伤率接近于0，捡拾率为85.7%。

1.2 机械式捡拾装置的研究现状

图1 双气流分离结构除杂装置原理图

图2 电动自走式落地红枣清扫捡拾机

鲁兵等[13]研制了一个电动自走式落地红枣清扫捡拾机，采用前端安装对称的V 字形清扫辊刷（图2），将落地红枣清扫成垄，成垄的红枣在横向清扫辊刷和仿形铲装置的作用下捡拾到输送装置，随后将红枣抛送到栅条筛上，通过碰撞实现红枣除杂。平均拾净率为93.6%，损伤率为2.1%。

张亚欧等[14]设计的自走式矮化密植红枣收获机的配套捡拾装置，使挑果杆做旋转运动插入土中，将落地的红枣捡拾到输送装置上。捡净率为97.24%，损伤率为6.10%。但是该装置需要挑果杆有足够的强度和结构合理性，能够承受冲击力。

李传锋等[15]研制了一台滚轮式红枣捡拾机，该装置捡拾器由软性橡胶棒组成，捡拾器通过旋转将红枣捡拾到传送带上，传送带上的小滚轮软性齿旋转拨散土块，并利用风机除杂，实现落地红枣的捡拾除杂作业。

2 机器视觉在农业采收上的应用

机器视觉的概念起源于20 世纪60年代，并在90 年代开始了高速发展[16]。国内在20 世纪80 年开始了机器视觉的相关研究，但是缺乏自主研发能力[17]。近年来，随着机器视觉系统的发展完善，国内外对机器视觉在农业上有了较为广泛的应用。

赵德安等[18]为视觉系统选用深度卷积神经网络实现苹果的检测，使机械臂能够识别并自动对准苹果。该机搭载辅助照明装置，能够在全天候的情况下达到94.14%的整体识别率。

陈军等[19]研制了草莓采摘机，利用机器视觉系统，实现了草莓的自动无损收获，经过试验得出平均采摘速度为403.4颗/h，成功率为96.25%，无损率为 90%。符合草莓的收获要求。

3 总结与展望

3.1 国内发展现状总结

目前已有的气吸式捡拾装置均需要人工手持吸管进行捡拾作业，在落地林果位置相对零散的情况下，对工作人员的工作负担较大，不过气吸式捡拾装置对林果的损伤较小。机械式的捡拾方式一般使用大型的机械设备进行工作，要求地形相对平缓，但是设备结构较为复杂，故障率相对较高。当前机器视觉与采收结合的研究主要在于水果和蔬菜的识别、采摘上，对于落地林果的捡拾研究较少。

3.2 发展趋势与展望

（1）我国部分林果种植于山区丘陵地区，地形崎岖且路况较差，因而需要一些适应于山区丘陵地区的小型捡拾装置，同时根据不同地形的特点有相应的仿形效果。

（2）当前的气吸式林果捡拾装置对落地林果比较分散的区域工作强度较大，因此气吸式捡拾装置需要集果器，将落地的林果收集成垄，方便捡拾。

（3）已有的气吸式林果捡拾装置依然需要人工手持吸气管进行捡拾作业，随着机器视觉的发展，应使捡拾装置与机器视觉相结合，实现机器自动识别落地林果并进行捡拾，实现无人化作业。