枸杞机械化采收技术现状与发展趋势预测

梅 松，石志刚，宋志禹，万 如，李 远

（1.农业农村部南京农业机械化研究所，江苏南京 210014；2.宁夏农林科学院，宁夏银川 750002；3.南京理工大学机械工程学院，江苏南京 210094）

关键字：机械化采收；农机农艺融合；人机交互；智能化

0 引言

枸杞属无限花序植物，分段成熟小浆果，其开花与结果同时进行。枸杞主要分布在宁夏、内蒙古、甘肃和新疆等地，全国的种植面积20万hm2左右。枸杞枝条纤细多刺，果实成熟的速度较快，体积较小，成熟枸杞质地柔软，富有弹性果皮脆弱易损伤，经过晾晒干制后受到损伤的果实表面颜色发黑，经济价值下降幅度高达90%。当前我国枸杞采收环节主要依靠人工，效率低，成本高。据现场调研，旺季果实产量高达1 500 kg/667m2，采摘期需要大量采果工人。人工采摘的成本可以达到每斤1.5元，紧急采摘每人每天最多可以采摘50 kg。枸杞的成熟期是夏季。工人劳动强度较大，工作时间较长。每日最长工作时间高达13 h。枸杞进入采摘季节后，采摘频率为5~7天一次。如果不及时采收，枸杞果实会因外界环境导致自然脱落、开裂腐烂、发霉腐烂，会造成严重的经济损失。传统的采摘方式不能满足社会高需求的发展要求，极大地限制了枸杞产业的发展。为了推动枸杞产业升级发展，机械化采收枸杞装备的研究迫在眉睫。

1 枸杞机械化采收技术现状

目前，枸杞的机械化采收主要有四种方式，分别是：振动式、梳刷式、剪切式和气力式。其中，振动式枸杞采摘机的工作原理主要是：利用枸杞植株青果、成熟果、花、叶子的结合力分布范围不同及枸杞“无限花序，花果同期”的生长特点，利用采摘机给枸杞植株提供一个或多个振动激励，当枸杞成熟果在发生受迫振动且惯性力大于结合力时，枸杞成熟果从植株上脱落，从而完成仅对成熟果实的采摘，对其他枝条组成影响较小，是当前最理想的枸杞采摘方式。

梳刷式枸杞采摘机的工作原理是：利用由特殊材料制成的梳理部分对枸杞枝条及果实进行梳理，利用成熟枸杞形状与枝条其他组成部分形状特征差异，设计最佳梳齿间隙关键部件，完成仅对成熟果的采摘，但是，因为部件作业位姿不同，容易因接触而造成花及成熟果的损伤。

剪切式枸杞采摘机的工作原理是利用采果头将枸杞成熟果从枝条上剪切下来，从而完成对枸杞的采摘，其存在的问题是剪切需要人工分别成熟果，采摘效率低。

气力式枸杞采摘机主要是利用气压差形成的气流经过气管时产生作用于枸杞成熟果的力对枸杞进行采摘，其主要问题在于对成熟枸杞的识别需要人工来完成，采摘效率低[1]。

鉴于上述枸杞采摘方式，国内枸杞收获机主要分为两大类。一类为手持式枸杞采收装置，该类装置可配合人工作业，可将作业效率提高至3倍以上且降低人工劳动强度；另一类为自走式枸杞连续采收技术装备，该类机械作业效率是人工20倍以上，可有效解决枸杞产业发展难题。

1.1 手持式枸杞机械采收

2010年，周兵[2]等设计了一种手持式枸杞收获机，利用柔性胶管环将枸杞果实分离，较早的走上了国内枸杞产业机械化的步伐。

2011年曹有龙[3]设计了一种手持式枸杞采摘器，其基本原理是利用偏心机构使枝条振动，使枸杞果实瞬间发生几次方向变化，如果果实与茎干之间的惯性力大于结合力，果实就会脱落、收获，但因材料未优化，易伤枝，有待优化，弥补不足。基于上述原理，张文强[4]等设计了一种振摇枸杞采收机，夹持枝条往复运动至脱果，试验表明采净率93.52%，损伤率为2.54%，满足对枸杞采收的质量要求，是人工的5.5倍。除此之外，西北农林科技大学陈军等还研制了四爪变频定幅往复旋转枸杞采摘机，完成成熟枸杞高质量采摘，采摘效果较好。

2014年，青海林丰农牧机械制造有限公司[5]研制了一种梳刷式枸杞收获机通过旋转梳齿，将果实收集夹在收集区，使枸杞果在梳齿的作用力下与果梗分离。现有的梳刷采收方式容易损伤枸杞的果实和枝条，且造成未成熟的果实和花朵误采。张文强[6]等提出一种在沟槽凸轮的引导下，压板迫使骨架侧向张开，进而调节梳刷指间距的设计方案，采净率为90%，损伤率为8.41%，满足枸杞收获要求。

2015年青海省海西州农牧机械制造有限公司研制的枸杞鲜果采摘机[7]研制成功并在市场上推广开来，该机可根据枸杞成熟度调节旋刀转速，这种手持采摘机不仅降低了枸杞的破损率，提高了采摘率，节省了劳动力，而且对下一茬的枸杞生长基本没有影响。

综上所述，当前宁夏农科院，中国农业大学，西北农林科技大学等单位研制的手持式枸杞振动采收机均能达到枸杞高质量采摘目标，通过当前优化和改进，逐步推向市场。

1.2 自走式枸杞机械采收

关于中大型枸杞采收技术研究，主要依托振动方式开展相关装备研发，新疆维吾尔自治区精河县农机技术推广中心的刘文海等[8]介绍了一种大型振摇式枸杞收获机，其采用低频高幅振动原理，配套功率30马力，摇振条约90根/m2，其对夏果的采净率约90%，误采严重，枸杞损伤较小，但振摇式枸杞采收机不能实现连续采收工作，在一定程度上限制了其效率的提高。

中国科学院合肥物质科学研究院彭要、张正勇[9]等设计了一种精准夹持振动式枸杞采摘机，研究确定同等条件多点夹持采摘率优于单点，最终，研制间歇式阵列化多点夹持振动单元的枸杞采收机，采净率较好，损伤率和误采率仍有提升空间，采收效率不高。

农业农村部南京农业机械化研究所张最[10]等研究了枸杞振动采摘机理，并建立强迫振动采摘力学模型，运用MATLAB工具对振动式枸杞采摘机工作参数进行了优化和仿真试验，试制了包含各种采收原理的实验装置、实验平台和自走式枸杞采收机的样机。核心振动单元设计过重，导致无法达到要求脱果要求激励。随后，梅松[11]等以解决自走式连续采收难题为目标，以往复振动单元为核心技术，通过缩小振动部件尺寸和实施轻量化处理，确定最小振动单元，并就双侧篱架型挂果枝条栽培农艺，开展双侧阵列化振动单元集成与精准控制技术研究，研制4GQF-2200型枸杞收获机，解决枸杞高效高采净率和低损伤采收需求，仍存在误采缺点。

2 枸杞机械化采收装备发展趋势预测

当前，成熟的便携式枸杞采摘装置相关产品有效改善了人工作业强度，部分产品得到了推广应用，由于其过度依赖人进行作业，仍不能从根本改善枸杞产业发展难题。而大型枸杞采收装备是未来主力，本文将对其发展趋势作如下预测。

2.1 农机农艺融合助力专用采收装备推广

枸杞的整个机械化过程必须从整体考虑，从枸杞品种、株行间距、栽培方式、作业方式等整体考虑。根据枸杞机械化收获等关键环节的机械化作业要求，选择合适的品种，发展适合机械化作业的枸杞农艺，需研究园地模式、行距布置、树木栽培、整形修剪等农艺配套措施，建立机械化枸杞作物生产技术体系，提供机械化技术模型和优化方法，实现农机与农艺一体化。另一方面，通过配套枸杞机械在已建立农艺条件进行试验示范推广，从采收质量、枸杞产量、作业效率、机械维护和培训成本等方面进行综合优化，农机农艺融合，推进相关机械推广应用。

2.2 基于生物技术的新型采收技术预测

目前国内宁夏、青海已有专家提出利用生物技术改变枸杞生长特性，降低枸杞机械化采收难度。一方面，可通过生物药剂改变枸杞无限花序连续花果生长特性，使得挂果枝条枸杞一次性从值根到末梢挂满成熟枸杞。基于上述技术，从农艺上设定枝条采摘平面，根据基准面，研发多维冠层双侧剪切收获机，使得挂果枝条全部被剪切并收获，通过后期干燥处理和分选，筛选出干果。

另一方面，通过生物药剂，使得枸杞成熟加速，降低成熟果柄或果蒂结合力，利用当前树莓采收机，低频低振幅振动机理，在不损伤枝条，远低于叶、花、青果脱离加速度的条件下，轻松完成成熟枸杞高质量采收。

2.3 人机交互采摘趋势

人机交互式采摘是指人机共存式的采摘方式，这种采摘方式可以有效的改善便携式采摘长期作业对人手臂负荷过大的问题、以及大型自走式收获机误采和漏果等问题。实际上，人机交互式采摘方式是介于人工采摘与全自动采摘之间的一种中和方式，是目前采摘环境以及采摘机技术发展现状的产物，是迈向大型枸杞智能化采收装备的过渡阶段。通过人工顶替精准定位功能，有效解决当前大型枸杞采收存在对青果、叶子和花朵的误采问题，实现枸杞机械化采收且不影响枸杞产量的目标。

人机交互式枸杞采收装备主要依托动力平台，人工手持便携式采摘器负责枸杞精准采摘，人工代替机器视觉识别定位与精准控制功能，动力平台负责载人行驶和接果归集。另外，为人工设计自调控位置座椅，辅助人工移动至目标采摘区并进行舒适作业，达到枸杞精准高质量采收目标。专用平台研究可分为行间行走辅助采收平台和跨行行走采收平台。

2.4 智能化采摘

枸杞采摘机器是一种涉及机械、电子、计算机科学等多种学科智能化的自动采摘装置，要想使采摘机器具备有选择性、自动地采摘枸杞的功能，首要解决的问题是要对目标物体进行准确的分割识别和精准的空间定位，而机器视觉正是解决这一问题的关键技术，该技术较为成熟。就其为枸杞采摘应用模式主要分为如下两方面。

2.4.1 基于平面图像识别与辅助阵列采摘单元决策智能采摘。就双侧阵列化振动采摘单元，将侧面采摘面进行网格划分，只需将待采区图像进行识别，对各网格内红果占所在网格面积进行提取并计算，与多元条件枸杞采摘环境进行匹配，完成不同阈值对比，高于阈值，则通电作业，否则，不予作业，依托此技术，实现特定农艺条件下的枸杞智能化采收。

2.4.2 基于多臂机器手的智能化采摘。通过多目视觉技术，完成多层挂果枝条枸杞挂果情况分析，挑取待采挂果枝条为对象，识别并获取枝条作业位置，利用机械臂夹持枝条或者机械臂辅助采摘器对作业位置进行采摘处理，实现机器模仿人工采摘。该技术难点在于多层次不规则挂果枝条红果与枝条精准识别与空间位置定位，以及如何抵抗外部非结构环境干扰。

3 结语

枸杞的机械化收获技术虽然在手持便携式上有了一定的成果，但是，随着枸杞市场的逐渐扩大，以及目前劳动成本的逐年提高，枸杞产业的机械化进程需往农机农艺深度融合和全面智能化方向发展。本文结合当前研发自走式枸杞收获机不足，建议农机农艺深度融合，不断优化，推向市场；对生物技术改变枸杞生物特性进行假设，提出了配套机械化采收技术装备研发方向；结合便携式振动采摘器和大型机械智能化精准高效定位技术缺陷，依托平台，采用人机交互采收方式，突破大型枸杞采收机难题，可实现半人半机枸杞高效采收；最后，就计算机视觉技术应用，从图像识别与阵列化采摘单元决策简易智能化采收和仿人工智能采收两方面做技术预测。