冬枣果实特性及机械化采摘现状研究*

徐慧群，李阳，张建军

(青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛，266520)

0 引言

冬枣(winter jujube)为鼠李科枣属冬枣(Ziziphusjujuba cv.Dongzao)植物的果实，是我国特有的品种[1]。7000多年前，我国就有地区开始栽种枣树；2000年前的汉朝，秦岭淮河以北开始形成种植区[2-4]，并逐渐传入如韩国、印度和中东等[5]周边国家。据中国枣研究中心调查结果表示[4]，现阶段枣种植面积达到3 000 khm2，产量达9 000 kt，枣产量占世界的98%左右，枣树种植面积占世界枣属果树的80%以上[6]。鲜食类冬枣一般种植在山东、河北、陕西等地[7]，近年来我国南方的浙江、四川等地陆续引种并获得成功。冬枣采收中存在限制较多，如种植模式、冬枣品质等因素使得机械化采收难度大增。

冬枣采收作业具有采收次数多、时间短、用工量大、劳动强度高、机械化程度低、受天气影响程度大等特点。冬枣采摘依靠人工作业，虽然目前存在辅助冬枣采摘设备，但在种植地区并未实现应用推广。冬枣采收机械化有利于节省枣农的采收时间和成本投入，降低因天气造成的损失，因此未来机械化采收冬枣是必然趋势。本文首先介绍国内外的采摘试验，包括果树的振动频率、冬枣脱落规律、果实的物理特性等因素，然后对比分析国内现有的枣采收设备研究，从工作原理、作业特点、存在缺陷等方面进行分析，最后提出冬枣机械化采收的存在问题及未来展望，为冬枣采摘机械的研发提供参考。

1 国内外采摘研究

1.1 国外采摘研究

林果机械采摘技术最早起源于国外，从20世纪40年代诸多学者就展开了采收技术的研究。Adrian等[8]率先提出振动收获的基础理论，将滑块曲柄机构和反向旋转的不平衡质量组件进行对比试验，表明在一定的振幅下两种振动机构均可实现果实收获。Lenker等[9]以柑桔树为试验样本，测定了在3.3～8.3 Hz频率下，树枝直径为8.89～18.29 cm 的枝条的振动特性，表明树枝位移、表观刚度、相位角与激振力的大小和频率有关。Whitney等[10]通过激振装置对柑橘树干施加不同频率，发现树干直径越大，振幅越小，果实采收率越低。Horvath等[11-12]通过建立梅树模型，划分根部—土壤部分、树干-树枝部分、树冠部分三个系统，指出树干处的振动点离地面越近，土壤吸收的振动越大，此时的模型不能视为单纯的悬臂梁进行等效分析。Castro-García等[13]以对树干施加振动激励的方式测定了橄榄树的阻尼比、固有频率，并表明一些树枝与树干的摇摆相对独立，这被称为结构阻尼。

进入21世纪，许多学者运用有限元建立简化的树果模型，分析其动力学特性，再通过试验对比验证。如Savary等[14]使用SolidWorks对柑橘树建模，并使用Ansys进行仿真，对比在仿真和试验情况下的加速度，二者结果吻合。Tinoco等[15]基于咖啡树建立果实—果柄系统模型，并通过有限元分析得出不同成熟期果实的前20阶固有频率及振型，并指出一定范围内，与自然频率相关的模态可能促进果实与果柄的分离。

综上所述，振动收获林果是可行的，果实的脱落不仅与频率、振幅相关，且不同品种的果实脱落时所需的频率范围也不同。此外，在设计收获机械时，还需要考虑振动点的选择以及果树的结构阻尼，树干或树枝的振动传递至果实，使果实模拟自然频率产生加速度，是可以实现果实与果柄的分离。

1.2 国内采摘研究

冬枣采摘设备大多是根据经验选择的参数进行设计，如振幅、频率。然后通过田间试验来检验设备的合理性以及所能达到的采收效果，如采净率、损伤率、采收效率等指标。近年来，针对枣类果实采收的研究较多，其中有关冬枣的研究多是振动收获机理。部分企业或研究机构设计了有关枣的机械收获标准，如国内某公司发布的红枣收获机企业标准Q/CPXDN017—2015可以作为借鉴。

1.2.1 果实脱落参数

针对果实脱落参数的研究主要有两种方法：一种是利用加速度传感器或拉力计实测，如李忠杰[16]采集新疆冬枣为样本，测定冬枣果柄处分离力。彭俊等[17]采集大荔冬枣为样本，利用数显式推拉力计SH-10测定了冬枣的果实与果柄(果—柄)的分离力，和树枝与果柄(枝—柄)的分离力，测试结果如表1所示。

表1 冬枣果实物理参数Tab. 1 Physical parameters of jujube

另一种是高速摄影计算法，傅隆生等[18]用高速相机记录了冬枣果实在15 Hz、20 Hz、25 Hz频率下的运动轨迹，分析出果实的速度和加速度随着振动频率的增大而增大；脆熟期果实的平均分离力略小于白熟期果实。

1.2.2 果实跌落与压缩特性

收获损伤一直是制约林果业机械收获的瓶颈之一，收获损伤包括：果实下落过程中是否会与树枝发生碰撞产生损伤、果实进入收集装置时的损伤、果实间相互撞击损伤、果实运送中发生的损伤。有学者对果实的压缩特性和跌落特性参数进行了研究，有利于设计中减少枣果在收获、分选及装箱过程中的损伤。

彭俊等[19-20]采用万能实验仪HY0580测定不同成熟度下的冬枣物理特性，指出跌落高度、接触材料与果实成熟度存在显著关系，参数如表2所示。白熟期果实最大应力普遍高与脆熟期果实；同一接触材料下白熟期果实的安全跌落高度普遍高于脆熟期果实；同一成熟度下，接触材料的弹性模量越小，冬枣的安全跌落高度越高。

表2 冬枣不同成熟度下最大应力与弹性模量参数Tab. 2 Parameters of maximum stress and elastic modulus of Jujube at different maturity MPa

1.2.3 振动频率范围

李忠杰[16]通过有限元建模与仿真分析，得出冬枣树的固有频率为12 Hz、17 Hz、19 Hz，此时的枣树能产生较大的振动加速度；随着振动频率的增加，速度和加速度也随之增大，15 Hz频率下采净率最高，且频率越大，果实脱落时间越少，但频率达到20 Hz后，增加频率对果实脱落时间无显著影响。彭俊等[17]采用频谱分析方法，得出冬枣果树前三阶固有频率的频率范围为5～25 Hz；当树枝共振频率为12.5～17.5 Hz之间时，脆熟果实脱落率最大。

值得关注的是，李忠杰发现枣树的各个枝干间存在一定的独立性，对树干施加激振并不能引起所有枝干的振动，且枝干上不同位置的冬枣所产生的响应速度也不同。而王长勤[21]在试验后指出，对冬枣树施加激振的夹持会对树干产生一定的影响，虽无明显破损，但激振频率越大，夹持处痕迹越明显，夹痕如图1虚线所示。

(a) 10 Hz

(b) 15 Hz

(c) 18 Hz

(d) 20 Hz

综上所述，通过对国内冬枣果实脱落研究分析与整理，得出冬枣脱落时所需要的振动频率、振幅、加速度以及冬枣的物理特性参数等关键信息，为实现机械化采摘不同成熟度的冬枣提供数据支撑。另一方面，李忠杰的试验结论与Castro-García相互印证，说明了树干与枝干之间的确存在一定的独立性，这表明在设计冬枣采摘机械时，夹持机构的合理性和振动点的选取是关键。此外，在收获过程中冬枣极易受损，这也大大增加了冬枣机械收获的难度，如何无损收集脱落的冬枣是设计冬枣采摘机械的一大难题。

2 国内外收获机械研究现状

目前，人工敲打树枝和收集掉落的红枣，仍然是一些地区如伊朗、新疆的传统收获方法，而沾化、大荔等冬枣种植地区全部由人工采摘，区别在于冬枣比红枣更易受损，所以红枣的收获方法所用于冬枣时可以作为借鉴但不可完全照搬。此外，采摘平台的出现，虽然免去了人工采摘时上下梯子的过程，保证了采收作业的安全性与便利性，但并未从根本上解决人工用量大的问题。山东理工大学所设计的冬枣辅助采摘平台如图2所示。

图2 冬枣辅助采摘车

虽然国外采收机械研究较早，但中国枣类种植区占世界枣类的98%，所以国外少有枣类收获机械的研究。在现有采摘设备的研究中，振动式是应用最广泛的采摘方式。其原理是振动机构作用于树干或树枝，产生的振动传至果实，当果实所受的力大于果实与树枝的结合力时，果实会在结合力最小处发生脱落，达到振动采摘效果[22]。若按动力源、作用方式及主要结构可以分为气力式、树干振动式、树枝疏刷式、剪切式和采摘机器人。

2.1 气力式

气力式振动收获机是出现最早的林果收获机之一，主要有气吹式和气吸式两种。二者均是通过风机产生的气流使得果实掉落，不同的是气吹式是将气流吹出，枣树的枝干与果实在气流的作用下产生加速度，继而实现果实掉落，而气吸式则是将封闭的腔体结构产生负压，进而将枣吸入完成采摘。

2013年，郭文松等[23]研发一种高速高压脉冲气吹式红枣收获机，如图3所示。工作前先通过液压装置调节设备高度，使设备整体能够跨在红枣树上方；工作时，高速风机与出风口处的摇摆机构相配合能够产生高速脉冲气流，在气流的作用下使红枣掉落。设备的工作过程中与树无接触，果树无机械损伤是其优点。但是其跨在红枣树上的作业方式使得该设备体积庞大，同时意味着种植的枣树不能过密、过高。其次气流的运动是不可控因素，会存在枣飞出范围落到地上的情况。

图3 一种高速高压脉冲气吹式红枣收获机

2.2 树干振动式

树干振动式是应用最早的收获方式之一。其原理是振动装置对树干施加振动，果树受迫产生的惯性力是果实从果树枝上分离的主要动力。该收获方式多用于树距较大的传统种植区。

2007—2009年，新疆农垦科学院机械装备研究所[24-25]为新疆红枣研制了4YS-24红枣收获机。该装置由一台牵引拖拉机、机架、振动装置和液压控制系统组成，如图4所示。该设备通过液压系统控制卡钳靠近并夹持树干，液压马达驱动偏心振动机构产生振动，枣树树干的振动传递至果实实现掉落。经试验，该收获机每小时收获76棵树，采净率达到90%以上，烂果率低于0.2%。4YS-24型红枣收获机主要用于收获种植模式为4 m×3 m，树干直径8～22 cm的传统红枣种植园，这就意味着该设备并不适合矮化密植的种植园，其结构形式也决定了其庞大的体积，在枣树之间移动存在一定困难。因此，对于矮化密植的种植园，一种体积更小、功能更强大的新设备。科学院表示：在正确操作的前提下，对果树没有任何损伤，经观测，果树第二年的挂果率没有影响。

2016年，Torregrosa等[26]为解决路边观景柑橘树果实掉落问题，设计了树干振动式的采摘器，工作原理与4YS-24相似，将采摘器与柑橘树干形成刚性连接，液压马达驱动偏心轮产生振动，实现柑橘振落。2016年该设备在测试的13棵柑橘树中分离了80%的果实；2018年该设备进行了改进，对相同的13棵树进行测试，分离了81%±9%的果实；2019年分离了85% ±10%。得益于活动手指上装有6 cm厚的橡胶垫，所以没有树干断裂或死亡情况，个别出现了树皮开裂的情况。测试的13棵柑橘树已经收获三年(2017年、2018年、2019年)，没有发现任何问题。

(a) 4YS-24红枣收获机主视图

(b) 4YS-24红枣收获机振摇装置

2.3 树枝梳刷式

树枝梳刷式的原理与树干振动式类似，但作用位置不同。树枝梳刷式是通过刷状激振装置对树枝的作用，模拟人工敲打树枝，将果实振落或刷落。

2014年，郭志东[27]发明了一种气吸梳刷式冬枣采摘清选收获机。该设备上的风机将冬枣的果柄由下垂状态变为水平状态，操作员将采摘梳靠近冬枣，在液压马达的带动下冬枣被采摘梳的摘下，经输送袋落入收集箱。该设备虽然能明显提升效率，有效处理位于设备两侧的枝干上的冬枣，但对于树顶处、树干处的冬枣存在行动不便的问题；由于采摘梳与果实之间存在接触，存在冬枣及枝条会受到损伤的风险。

2012年，范修文等[28]针对传统红枣种植设计了一种棒杆式红枣采摘机，该设备由拖拉机为载具提供动力，带动工作杆水平旋转敲打红枣树树枝，实现红枣振落收获。由于设计的装置对称分布，能够实现两行枣树的一侧收获，且内部装有调整装置，以适应不同树高。试验指出工作杆的转速至少为54 r/min时能实现较高的采净率。如果转速过高，果实的掉落更加分散，对后续收集造成困难。

2014年，何荣[29]设计了自走式矮化密植红枣收获机，如图5所示。该设备针对南疆红枣矮化密植的种植特点，机架采用龙门式结构，工作时先调整设备高度，扶植器将枣树枝喂入激振装置，使设备跨在果树上，内部的激振装置通过往复运动作用于树枝，红枣在树枝传递的激振力作用下实现脱落，外围装有钢丝网以防外溅，红枣经集果输送装置，传送到集果箱。由于矮化枣树树冠限制不超过1.0 m，拨杆长设定530 mm，直径15 mm，一次行进工作即可完整收获一行枣树。经仿真分析与试验比对，二者结果拟合较好，最终采净率为93.8%，损伤率为2.8%。以国内某公司发布的红枣收获机企业标准Q/CPXDN017—2015为依据，指出当偏心块转速600～900 r/min时，作业能够实现收净率>95%，损失率<5%的要求。

图5 自走式矮化密植红枣收获机

2.4 剪切式

剪切式冬枣采摘器是模仿人工采摘时将果柄剪断的情形而设计的。目前的沾化、大荔地区的冬枣种植主要是分散栽培、分户管理的种植方式，其特点是种植规模小，枣树种植密集矮化。再加上冬枣收获工作的复杂性，与现有采摘机械的智能化水平达不到农业生产要求等原因，所以大型机械采摘设备在此形式下难以适用。因此，为实现高效、通用、简易、低成本的采摘技术，半自动辅助采摘设备成为了目前采摘器的一个研究方向[30]。

2014年，孙金华[31]设计了一款便携式冬枣采摘机。采摘机主要由采摘工具和运输板车组成，采摘工具根据果实的高低选择长短，电机带动高枝剪刀剪断果柄，果实脱落进入网兜，网兜里的果实由板车运输，设备的动力由电瓶提供。2015年，段文婷等[32]设计了一种电动机械式采摘器。该采摘设备集切割、收集于一体，电机上安装的刀片能轻易切断果柄，水果掉落在果篮中，完成一次采摘过程。郭晓鹏等[33]设计了一种锯齿状冬枣采摘装置，其刀头由两片锯齿状刀片组成，电机带动其中一个刀片做往复运动，能够将任何落入刀齿间的果柄切断。尹魁林等[34]设计了一种冬枣采摘装置，刀头对准冬枣，开关控制采摘刀头的开合剪断果柄，冬枣落入采摘杆上的缓冲袋，经输送管进入分选槽。

这类剪切式半自动机械采摘设备虽然体积小巧、灵活度高、操作简单、成本低，能够在一定程度上提高采摘效率，处理如树顶处、枝干间等位置的冬枣有一定的优势。但是缺点也很明显：需要人工对准冬枣、切割装置外露、每次只能对一个目标作业，尤其是在处理距离较远的目标时效率会大大降低，外露的切割装置也存在损伤冬枣的隐患。

2.5 采摘机器人

采摘机器人主要由定位机构、末端执行机构、传感器系统、视觉识别系统和行走装置等系统组成。末端执行器是位于采摘机械臂最前面，用于目标摘取的关键装置。目前世界上研制的自动采摘机器人的末端执行器装置有多种多样，主要包括圆柱筒类、吸盘类、抓取类等，主要的分离方式包括：扭断分离、拉断分离、剪断分离等。

1983年第一台采摘机器人[35]在美国诞生，经过近40年的发展，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人[36]，如苹果、柑桔[37]、番茄[38]和草莓等果实采摘的具有人工智能的机器人。高垚垚[39]针对灵武长枣研制了采摘机器人，该机器人不仅能够识别定位出灵武长枣，还可以检测灵武长枣的成熟度。其采摘装置为抓取类拉断分离式末端执行器，由10个夹取单元组成，每个夹取单元有两个手指，手指内侧装有软质橡胶，以减少夹取损伤。

采摘机器人是近几十年新兴的研究方向，它的出现能极大程度上的实现自动化收获，尤其是需要繁重的人工收获作业，采摘机器人能够大幅减少人力投入。采摘机器人实现自动化机器采摘的重点和难点在于末端执行器的设计，作业环境与对象的不可控性、随机性，使得末端执行器必须具有明显的特殊性的要求。因此，要实现冬枣采摘机器人的自动化采摘，还有很多因素需要考虑。

3 存在问题与展望

冬枣采收机械化还处于起步阶段，采摘与收集时的品质保证是实现其机械化采收发展的瓶颈之一。目前国内存在许多有关冬枣的研究与收获机械专利，但应用到实际生产中却寥寥无几。现有机械足以实现冬枣的采摘，难点在于适应当地种植模式的情况下保证冬枣品质。冬枣间相互碰撞是否会产生损伤、冬枣掉落间是否会与树枝产生碰撞损伤、冬枣收集时是否会产生损伤、冬枣采收期间如何将损伤降低到最小等因素在设计时都需要进行考虑。随着冬枣产量的不断增加、人工不足和采收成本提高，有必要寻找实用的方法来加快采收。冬枣物理特性及其振落参数的测定能够为冬枣采摘机械的设计起到关键的指导作用，尤其是振动采收，作为机械化采收的主流研究方向，有望实现未来冬枣的机械化、分层化、智能化采摘。

3.1 存在问题

3.1.1 振动式冬枣采摘机械

气力式、树干振动式、树枝疏刷式在采摘方面有着不错的效果，但其庞大的体积只能用于传统宽距种植的枣园，并不适用沾化、大荔等地的密植枣园。此外该类设备还缺少收集装置，用于冬枣采摘时势必会导致大量冬枣产生机械损伤，如何将掉落的冬枣无损收集成为该类设备研究的一大难点。

3.1.2 剪切式冬枣采摘设备

该类采摘器体积小巧、结构简单、成本低，在枣树间作业有较强的通用性和操作性，能在一定程度上降低劳动强度。但其缺点也很明显：操作辅助杆精准采集远处冬枣的难度较大；切割装置外露，存在触伤冬枣的风险；每次只能对单个冬枣进行作业，整体效率的提高有限。

3.1.3 采摘机器人

目前采摘机器人虽然能够实现无人采摘，但其从识别、定位开始，到采摘、安放，完成一次工作循环时间需要5～10 s。另外，机器人自动采摘存在的问题还有：一是末端执行器的结构样式决定了采摘方式，在一定程度上影响了采摘的效率与损伤率，如管状气吸式的吸力大小或抓取式的加持力的设置；二是在自然环境的影响下可能会出现果实的识别定位出现偏差，致使采摘的过程中误伤其他果实[40-41]；三是在自然环境下，成熟的冬枣红绿相间，但未成熟的冬枣成青绿色与树叶颜色相似，再加上树枝、树叶的遮挡、摆动影响，成熟冬枣的辨识精度会大大降低，执行机构也会受到限制。

3.2 未来展望

近年来智能农业逐渐成为研究热点，农业总产值中的智能化机械所占比重不断提升，水果产业作为农业中带动经济发展的重要产业，生产技术必然要不断地发展才能适应农业的现代化转型。一种理想的冬枣生产系统应该是采用机械高品质高效率的帮助人类完成收获，而不是有大量的劳动力完成收获工作。

1) 在通过性方面，设备体积的大小决定了其不同情况下的通过性能，在矮化密植的冬枣种植区，用于传统种植的收获机械需要大幅减小体积，保证在矮化密植的枣园里有较强的通过性能。

2) 在提高采收效率与智能方面，考虑到各地区冬枣种植情况的不同、修剪技术的差异，在保证冬枣采摘设备进行收获生产的基础上，配合后期修剪进行树型调整，方便冬枣采摘机的作业；另一方面，优化机械操作参数减少工序，提高采摘机智能化程度，附加诸如自走机构、称重计数或自动大小分级等人性化的辅助功能，方便操作之余解放更多劳动力，实现冬枣采收效率的提高。

3) 在冬枣采摘机械设计方面，坚持自主研发国产采摘机械与消化吸收国外先进技术相结合。如冬枣的脱离类型多是旋倾型，可以借鉴生长结构和脱离类型相似橄榄、开心果等果实的收获机械及国内外相关研究。