花椒采摘机研究现状及发展趋势

蔡芳兰

（兰州博文科技学院，兰州 730101）

我国花椒种植的主产区在甘肃、陕西、四川、河南、河北、山西和山东等省，据2016年资料统计，甘肃花椒种植面积突破27万hm2，种植面积居全国首位。在甘肃花椒种植地区，花椒是大部分农户的主要经济来源，且花椒采摘以手工掐摘为主，掐摘工作效率低，花椒生有皮刺，掐摘速度慢，难度大，用工多，人工采摘方式已成为限制花椒产业快速发展的一个阻碍因素。尤其是近几年花椒采摘工价不断攀升，2020年高达6元/斤，采摘费用占花椒产值近1/3，致使花椒产业“丰产不丰收”，广大椒农的种植成本不断提高，利益得不到保障，严重限制了花椒产业的健康发展。我国花椒采摘技术研究起步较晚、科研力量分散，在多数地区的研究还不够深入。

甘肃省是我国花椒种植大省，也是花椒消费大省，花椒种植的迅速发展对花椒产业机械化、智能化和一体化的发展提出更高的要求。随着农村城市化建设的推进，农村绝大部分壮年劳动力逐渐转向社会其他领域，椒农主要劳动力以中老年人为主，劳动力严重缺乏，并且花椒采摘具有极强时效性，成熟期采摘不及时会导致果穗自动脱落，由此造成椒农不必要的经济损失，因此花椒采摘机械化、智能化的实现显得尤为重要，并具有较大的经济效益和潜在的市场前景。

1 花椒采摘机的研究现状分析

1.1 国外研究现状

国外主要以韩国和日本对花椒的研究较多，但其研究主要倾向于花椒食用和药用价值[1]，并且已培育出了较多品种优良的大果穗、大果粒和无刺的新品种，在椒树品质与花椒成分鉴别上处于领先水平，而在花椒采摘机械上研究成果较少。韩国研究的机械振动法，使用大型机械手臂夹住树枝根部，进行摇振，通过摇晃共振将椒穗从花椒树枝上振落收集；另外还有负压虹吸法，采用负压吸管对准果穗，借用大型动力机械产生的强负压吸力将果穗吸入收集箱中，但大型机械采摘需具备有利的采摘条件，对果园果地条件及种植道路和电源等都有较高的要求，同时采摘后果穗的质量得不到保障及对果树造成不同程度的损伤，故只能借鉴。

花椒种植虽然存在着较大的地域差异，但花椒栽培技术及花椒采摘机械的研究设计和我国的差别不大，设计出的花椒采摘机械类型也是大同小异，研究方向也趋于一致。

1.2 国内研究现状

国内研究从20世纪80年代开始，随着我国花椒栽培产业的快速发展，很多花椒栽培人员与研究者设计制造了几种花椒采摘工具，代替了纯手工采摘。1994年山西农业大学学报发表了《顶生小果实采集机的设计》，论述了山西农业大学叶全民教授有关花椒采摘头的设计；2003年陕西省韩城市某花椒研究所最先设计了一款花椒采摘机，在韩城生产、推广并使用，对花椒采摘方式由人工采摘转向机械采摘有较大的推进；2007年在陕西省韩城市研究出一款新型手持式锯齿形手动花椒采摘器，成为当时椒农应用最广泛、使用率最高的花椒采摘器。此外，还有较多研究工作者对花椒采摘机械进行了更深层次的思考和研究，如：陕西省的研究者设计了手套式花椒采摘器；长臂剪刀式花椒采摘器出自刘筠先生的设计；电动花椒采摘机出自浙江省的陈龙德先生设计；M环齿花椒采摘机由林州市的杨德文先生[2]研究等。近几年来，随着花椒产业省力化、机械化、智能化理念的深入，花椒采摘机的研发设计进入了快车道。2009年研究者设计了全自动花椒采摘机，利用机械原理、机械设计等学科知识对花椒采摘机头、调节装置、收集装置及基础装置进行了设计，并符合花椒采摘农艺设计的要求；王峰[3]研究设计了负压吸收式花椒采摘机，该设计与国外采摘机设计相似，采用机器产生的负压，将花椒吸入采摘头，并由旋转式采摘头把花椒与树枝分离之后，由高速气流吸入收集箱；后续的4HJ－8型便携式花椒采摘机是苏光远研究设计的；双盘平板式电磁花椒采摘器由郑天云研究设计。甘肃农业大学万芳新教授[4]研究设计出了一款利用拨椒轮高速旋转时产生的梳刷作用和拨椒轮与弧形凹板间相对运动所产生的搓擦作用来收获花椒的机械式花椒采摘机；张文斌[5]设计了采用梳齿和刀壳啮合的方式来剪断花椒果穗的梳齿式花椒采摘机，该机采用自带收集装置较大程度提高了采摘效率；花椒采摘机械种类越来越多，性能也有所提升，但花椒种植户对采摘机的使用率不高，主要是花椒采摘机在采摘过程中都不同程度地存在生产效率低、人工干预高、含杂率高、果穗及树枝损失率大、断枝伤芽等问题。

我国研究设计的花椒采摘机械种类不少，但能持续研究设计采摘机的科研者寥寥无几，要想采摘机设计研究有新突破，除了掌握先进的科技技术，还应该持之以恒地进行设计研究，在原有设计机型基础上，进一步进行技术创新，才能设计出适合采摘花椒的理想采摘机。

1.3 花椒采摘机研究存在的不足

目前我国研究的花椒采摘机种类较少，且以手持式的居多，因现有花椒采摘机对果穗及树干损伤严重，使用率低，故大多数椒农使用较多的是花椒采摘工具，而不是采摘机械，市面上设计的采摘机类型不多，现列举几种花椒采摘机类型并做简要分析，如图1所示。

图1 花椒采摘机及采摘工具

手持式花椒采摘机在采摘过程中因采摘头锯齿较多，人工操作时稳定性差，采摘过程中很容易出现操作失误，对果穗及树干的损伤较大，导致花椒果粒的油腺破损，花椒色泽发黑，食用麻度口感较差，虽然提升了采摘效率，但又降低了采摘后花椒的质量，会大大降低花椒的出售价格，减少了椒农的收入，故此类采摘机的使用率较低。

椒农大部分采用花椒采摘工具进行采摘，这种采摘工具较手持式采摘机稳定性好，操作简单，采摘时对果穗和树枝的损伤小，也在一定程度上降低了椒农的劳作强度，但采摘效率低，依然不能解决本质问题，长期采用重复性动作劳作，致使大部分椒农患上手部关节疾病。

花椒采摘无人机是目前设计出最先进的采摘机，无人机采摘人工干预过多，耗电量大，工作中因无人机机翼工作，花椒树干晃动较大，采摘过程中的对准性较差，不能准确地对花椒果穗进行定位，采摘效率不高，且无人机采摘机的成本高[6]。

综合来看，花椒采摘机研究设计的种类较多，但使用率不高，应利用高速发展的科学技术，提升花椒采摘机研究设计的高度，向智能化设计领域靠近，结合我国农业发展的科技创新理念，满足花椒产业省力化、机械化及智能化栽培的要求。

2 花椒采摘机研究的发展趋势

随着科技的高速发展，智能化机械的研究及使用已经涉及各个领域，故花椒采摘机的设计也会趋于向智能化的方向发展。

2.1 花椒采摘机的智能化设计

花椒采摘机的研究应趋于智能化、一体化的实现，即采摘机轻量化、便携带、便操作及可靠性等方面的性能提升及降低对果品和枝叶的损伤方面的研究，提高椒农对采摘机的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面，随着农村城镇化建设的推进，椒农年龄基本以中老年人居多，智能化采摘机的创新设计能有效减缓农村劳动力缺乏与采摘用工需求之间的矛盾，符合我国花椒产业朝着省力化、机械化及智能化栽培的发展要求。

农业智能化是我国农村社会经济和农业现代化发展的重要标志，随着我国新农村建设步伐的逐步推进，科学技术水平快速发展，我国农业机械化、智能化的发展也十分迅速。智能化采摘机主要利用机械原理、机械设计、机电一体化、微机原理及机器人技术等知识的结合进行设计，并符合教育、科技创新的理念，夯实了科技创新的理论基础，为区域农业机械化、智能化提供理论支撑。

2.2 花椒采摘机的一体化设计

采摘机智能化、一体化的设计成本相比普通的采摘机的成本更高，故将多种机械的使用功能结合在一台机械上，降低采摘机成本，降低椒农的投入成本，提升椒农智能化采摘机的使用率，例如：采摘机既可实现采摘功能，果穗和树叶的分拣功能，还可实现树干裁剪功能等。

现有花椒采摘机存在的普遍不足就是没有实现智能化和一体化，智能化、一体化的设计主要是针对采摘过程中感触到果穗时自动采摘，经过无果穗枝干时可自动停止作业，实现自动转化，节省电能，尽可能降低使用采摘机械操作过程中的安全隐患；借助高速图像识别模块，识别准确率高、速度快；花椒采摘机械一体化的设计功能要全面，不能仅局限在采摘花椒果穗上使用，还应在裁剪树枝、疏松花苞、疏松果穗等方面应用，实现一机多用，减少椒农购机的重复投入。

4 结束语

我国花椒采摘机研究设计的起步较晚，且花椒种植地域性强，花椒采摘机的研究设计者较少，大多数研究设计者都是设计完一款，再没有继续更新换代，导致花椒采摘的研究设计工作停滞不前，花椒采摘机的设计应该随着我国科技的高速发展持续推进，研究设计出花椒采摘机的第一代、第二代、直至第n代，朝着智能化设计的方向发展，创新花椒采摘机研究设计，进一步促进我国农业智能化发展。