枸杞机械化采收相关理论与装备研究进展_刘玉闯.pdf

doi 10 11707 j 1001 7488 LYKX20240448 枸杞机械化采收相关理论与装备研究进展 刘玉闯1 刘嘉辉1 2 赵 健1 2 3 赵 东1 2 张宏业1 苏小康1 冯裕科1 程 延1 李梓仪1 1 北京林业大学工学院 北京100083 2 林业装备与自动化国家林业和草原局重点实验室 北京 100083 3 林木资源高效生产全国重点实验室 北京 100083 摘 要 随着枸杞种植规模不断扩大以及劳动成本逐渐增加 实现枸杞采收机械化和智能化已成为提升枸杞生产 效率的重要手段 同时也是推进枸杞产业高质量发展的有效途径 本研究基于文献分析法 对国内外近10年来枸 杞采收相关理论与装备研究进展进行梳理和综述 通过分析现有研究在理论和实际应用中的优缺点 进一步探讨 其未来研究方向和发展趋势 目前 关于枸杞采收方面的研究以国内相关农林院校为主 并多以宁夏地区枸杞品 种为研究对象 采收装备分为便携式和自走式 其工作方式包括振动式 梳刷式 气力式和剪切式 振动式的采摘 效率相对理想 为进一步实现枸杞高效低损的采收目标 提出未来枸杞采收相关技术的研究方向 1 结合枸杞生 物力学特性差异 加强基础理论研究 揭示采收过程中各部位之间的耦合互作机理 避免机械作业过程中对果实 造成损伤 2 研发适合枸杞采收装备作业的农艺新技术 将农机与农艺深度融合 提高整体采摘效率 3 开展复 杂田间环境中对枸杞果实不规则运动状态下的快速识别与定位算法研究 基于图谱融合技术对枸杞果实的成熟 度进行识别和检测 4 开发基于自动导航技术和智能避障系统的大型枸杞采收装备 关键词 枸杞采收 理论研究 机械化 智能化 装备研制 中图分类号 S154 5 Q958 15 文献标识码 A 文章编号 1001 7488 2025 05 0222 11 Research Progress of Theory and Equipment Related to Mechanized Harvesting of Lycium barbarum Liu Yuchuang1 Liu Jiahui1 2 Zhao Jian1 2 3 Zhao Dong1 2 Zhang Hongye1 Su Xiaokang1 Feng Yuke1 Cheng Yan1 Li Ziyi1 1 School of Technology Beijing Forestry University Beijing 100083 2 Key Laboratory of National Forestry and Grassland Administration on Forestry Equipment and Automation Beijing 100083 3 State Key Laboratory of Efficient Production of Forest Resources Beijing 100083 Abstract With the gradual expansion of the scale of Lycium barbarum cultivation as well as labor costs continue to increase the realization of mechanization and intelligent harvesting of Lycium barbarum has become an important means to enhance the efficiency of Lycium barbarum production but also to promote the quality of the Lycium barbarum industry an effective way to develop Based on the literature analysis method this study combs and reviews the research progress of theory and equipment related to Lycium barbarum harvesting at home and abroad in the past 10 years and further explores the future research direction and development trend of the existing research by analyzing the strengths and weaknesses of the existing research in theory and practical application At present the research on harvesting of Lycium barbarum is dominated by relevant domestic agricultural and forestry colleges and universities and mostly take Ningxia region Lycium barbarum varieties as the object of research the harvesting equipment is divided into portable and self propelled and its working mode includes vibration type comb and brush type pneumatic type and shear type and the vibration type of harvesting efficiency is relatively ideal In order to further realize the goal of efficient and low loss harvesting of Lycium barbarum the future research direction of Lycium barbarum harvesting related technology is proposed 1 Combined with the differences in biomechanical properties of Lycium barbarum strengthen the basic theoretical research reveal the coupling and interactions mechanism between various parts in the harvesting process and avoid the damage to the fruits in the process of mechanical operation 2 Research and development of new agronomic techniques suitable for 收稿日期 2024 07 16 修回日期 2024 10 15 基金项目 青海省重点研发与转化项目 2022 HK 116 青海省重点研发与转化计划 赛马制 项目 2024 NK 141S 2 中央高校基本科 研业务费专项资金 2024 XY G003 赵东为通信作者 E mail zhaodong68 本文为 新时代林业机械化作业装备与绿色低碳发展 专题征文 第61卷 第5期林 业 科 学 Vol 61 No 5 2025年 5 月SCIENTIA SILVAE SINICAE May 2025 the operation of Lycium barbarum harvesting equipment the deep integration of agricultural machinery and agronomy to improve the overall harvesting efficiency 3 Carry out the research of rapid identification and localization algorithm in complex field environment for Lycium barbarum fruit in irregular movement state and identify and detect the maturity of Lycium barbarum fruit based on graph fusion technology 4 Development of large scale Lycium barbarum harvesting equipment based on automatic navigation technology and intelligent obstacle avoidance system Key words Lycium barbarum harvesting theoretical studies mechanization intellectualize equipment development 枸杞 Lycium barbarum 是一种药食同源植物 在 我国中药中应用广泛 具有降血脂 降血压 降血糖 抗氧化 抗衰老 抗肿瘤 养肝明目 美容养颜和提 高免疫力等功效 枸杞中含有的维生素 蛋白质 矿 物质 活性多糖 多酚 类胡萝卜素和氨基酸等营养 成分也十分丰富 是开发具有营养价值和保健功能 的食品重要原料之一 马嘉伟 2017 程敬春等 2012 李彦晶等 2024 目前 全球枸杞种植面积约11 73 万hm2 其中我国是世界枸杞生产第一大国 常年枸 杞种植面积在10万hm2左右 产量达40万t 出口额 高达1 1亿美元 农小蜂智库 2023 马亚平 2023 国外受经济体系以及作物生长环境等影响 枸杞种 植面积相对较少 仅日本 韩国 德国 美国等国家 进行小面积栽培和生产 日常需求主要以进口为主 孙文丽等 2020 随着我国枸杞产业不断发展以及生产规模逐渐 扩大 其市场需求和出口贸易也日趋增长和活跃 曹林等 2015 徐常青等 2014 故而 枸杞采摘工 作的高效开展显得尤为重要 根据田间实际调研 每年枸杞成熟旺季 在青海 宁夏 甘肃 新疆和内 蒙古等主产区的枸杞采摘工作还是主要以人工为主 需要雇佣大量采摘工人 其采摘薪资为每千克 2 2 3 0元 每人每天可采摘50 70 kg 每天工作时间 达10 h以上 人工成本偏高 劳动强度较大 间接提 高了地方整体经济成本 阻碍新鲜枸杞快速流入市 场的速度 任珩等 2019 梅松等 2021 针对该问题 国内外学者进行了一系列枸杞机械化采收方面的相 关理论与装备研究 并开展了相关试验和应用 总 体而言 枸杞机械化采收装备可分为便携式和自走 式 陈云 2022 其工作方式包括振动式 梳刷式 气力式和剪切式 赵健 2022 且已有相关理论与实 践证明 振动式是当前枸杞采收相对理想 有效的方 式 靳文停等 2023 苑严伟等 2022 崔王斌等 2023 赵月等 2023 李芝茹等 2023 同时 枸杞机械化采 收也面临一些关键技术瓶颈问题 一方面 枸杞属无 限花序植物 存在 花果同期 现象 在机械化采收 熟果时 如何避免对青果和花的误采 达到 摘熟留 青 的目的还需进一步研究 另一方面 当前枸杞的 标准化 规范化种植模式还尚未推广开来 如何将农 机与农艺进行深度融合 为大型采摘机械提供采收 作业条件 也是下一步需重点解决的关键问题之一 本研究对国内外近10年来枸杞采收相关理论与 装备研究进展进行梳理和综述 并针对当前枸杞采 收面临的关键技术瓶颈问题和未来发展方向提出相 关见解 以期为我国枸杞产业的进一步稳定 持久发 展提供新思路 也为其他浆果类林果采收工作提供 新方法 1 枸杞采收相关研究成果 基于CNKI和Web of Science 检索国内外2014 2024年关于枸杞采收装备的相关研究成果并进行统 计 由图1可知 发明和实用新型专利共512件 中 文期刊相关论文65篇 英文期刊相关论文5篇 相关 学位论文16篇 其中博士学位论文2篇 硕士学位 论文14篇 且均出自西北农林科技大学 宁夏大学 宁夏农林科学院 北京林业大学 中国农业大学 石 河子大学 新疆农业大学 甘肃农业大学等国内农 林高校及科研院所 图1 枸杞采收相关研究成果统计 Fig 1 Statistics on research results related to wolfberry harvesting 对国内外相关文献检索分析发现 当前枸杞采 收的研究对象多以国内宁夏地区的枸杞品种为主 第5期刘玉闯等 枸杞机械化采收相关理论与装备研究进展223 国外对其研究相对较少 纵观近10年来国内外枸杞 采收装备相关专利 申请高峰期主要在2019年 高 达89件 中文期刊相关论文近10年来每年平均有6 篇左右发表 仅在2018年高达14篇 英文期刊相关 论文自2020年开始先后有发表 但数量较少 博士学 位论文和硕士学位论文主要集中在2022和2023年 且均出自西北农林科技大学和宁夏大学 综上所述 当前学界针对枸杞采收方面的研究 主要以国内相关农林院校为主 且宁夏农林科学院 宁夏大学与西北农林科技大学对其研究起步较早 成果相对偏多 2 枸杞采收相关理论研究 枸杞采收机械化和智能化是保证有效节省农时 提高采摘效率的关键 当前 国内外虽已研制出多 种枸杞机械化采收装备 但多存在末端执行器部位 与枸杞果实和枝条直接或间接接触 受外部激励作 用后对果实表皮造成一定程度损伤从而降低果实整 体质量的问题 因此 对枸杞采收过程中的基础理 论进行深入研究 并以此为根本指导采收装备的优 化升级尤为重要 2 1 枸杞生物力学特性相关研究 开展枸杞生物力学特性相关研究可为采收装备 的设计和研发提供一定数据基础 国内外已有不少 学者对此开展了相关工作 李乐凯 2020 和Ma等 2020 对宁夏地区宁杞1号 5号 7号和9号4个主 要种植品种的青果 熟果果梗 成熟果果蒂 花以及 叶等各器官之间的结合力和外观尺寸分布特性开展 相关数据采集 分析工作 进一步通过正交试验和多 元统计方法确定结合力的影响因素 并构建枸杞果 实的宏观和细观力学特性评价指标和评价体系 不 仅为振动式枸杞采收装备的研制提供了数据基础 也为枸杞成熟果实的进一步生物力学特性研究奠定 了一定理论基础 但其只对宁杞7号的宏观和细观 力学特性进行了研究 其他3个品种未开展相关工作 且果柄与枝条之间的不同夹角是否会对结合力产生 影响 以及在昼夜温差较大情况下是否会对果实的 宏观力学特性产生影响 均需更进一步详细研究 Chen等 2021 针对宁夏地区宁杞7号建立无重 力条件下的枸杞枝条三维模型 图2a 并基于有限 元技术对枸杞挂果枝条的弯曲形态进行测量 为枸 杞植株三维模型的快速构建提供了方法 但不同枸 杞品种叶片和果实在接触力和气流等多种影响因素 作用下的动态响应和模型特点还需进一步探究 Zhao等 2021 通过实地测量后构建宁杞7号植 株三维模型 图2b 在开展模态分析基础上确定共 振频率为2 Hz 并使用加速度传感器和重力锤进行 植株模态试验验证 结果表明在共振频率下 果实能 够有效脱落 赵健 2022 采用NIR HIS技术获得枸杞熟果水 分的光谱数据并进行预处理 基于PLS算法构建枸 杞熟果水分预测模型 将实际测量的枸杞熟果水分 与模型水分预测结果进行对比 完成了对枸杞熟果 水分的无损检测 图2c 综上可知 当前针对枸杞生物力学特性的研究 对象多聚焦在宁夏地区枸杞品种 对于不同地域 不 同气候以及不同品种 如青海 甘肃 新疆等地的枸 杞品种 其生物力学特性是否相同还需进一步细化 探究 从而为研发适合不同地区 不同品种的枸杞采 图2 枸杞生物力学特性代表性研究 Chen et al 2021 Zhao et al 2021 赵健 2022 Fig 2 Representative studies on the biomechanical properties of wolfberry a 基于有限元的枸杞植株三维模型构建Three dimensional modeling of wolfberry plants based on finite elements b 枸杞植株模态分析Modal analysis of goji plants c 枸杞熟果水分无损检测Non destructive testing of moisture in ripe berries of wolfberry 224林 业 科 学61 卷 收装备奠定基础 2 2 枸杞机械化振动采收理论研究进展 当前 针对各类林果的机械化振动采收理论研 究已取得相关进展 但专门对枸杞这一特殊浆果类 林果的机械化振动采收理论研究相对较少 其代表 性研究如图3所示 图3 枸杞机械化振动采收理论代表性研究 何苗等 2017 王亚磊等 2018 刘英等 2023 Fig 3 Theoretical representative study on mechanized vibratory harvesting of wolfberry a 基于高速摄像技术的枸杞枝条能量传递研究Research on energy transfer in wolfberry branches based on high speed camera technology b 基于高速摄像技 术的枸杞果实脱落研究Research on wolfberry fruit abscission based on high speed camera technology c 自走式枸杞采摘机机理研究Research on the mechanism of self propelled wolfberry picking machine 为探寻振动激励作用下采摘枸杞的最优参数组 合及果 蒂分离条件 何苗等 2017 以新疆地区精杞 1号为对象开展振动采收机理研究 搭建振动试验台 对挂果枝条的果 蒂进行分离试验 并应用高速摄像 技术拍摄枸杞挂果枝条之间的振动传递情况 图3a 通过田间试验验证确定最佳振动频率与加速度响应 为枸杞的机械化采收提供了一定参考 王亚磊等 2018 基于高速摄像技术对振动采收 条件下枸杞果实与树干脱落时的瞬时变化规律展开 研究 图3b 发现果实脱落过程中存在直线运动 摆 动以及扭转运动 且当最大瞬时速度达2 97 m s 1时 枸杞与枝条分离 李萍 2021 以宁杞7号和5号果实为研究对象 搭建试验台模拟枸杞鲜果在不同跌落高度和承接材 料下的碰撞 初步建立枸杞鲜果之间防止碰撞损伤 的回归模型 并定性评估和预测果实损坏情况 其还 对不同直径和不同振动频率下挂果枝条的受迫振动 情况和传递规律进行分析 为枸杞采摘机设计奠定 了一定理论基础 枸杞鲜果跌落后的损伤 实质是 其微观组织细胞遭到破坏 当前研究只对宏观力学 特性进行分析 其微观损伤机理方面的研究应在下 一步工作中继续开展 为实现枸杞机械采摘的高效 低损 融合振动和 梳刷效果 刘英等 2023 研究设计一种自走式枸杞 采摘机 图3c 通过采摘过程中的受力分析和挂果 枝条模态的仿真分析确定最佳振动频率 为枸杞采 摘机振动结构的优化提供了参考 但其仅开展了理 论仿真分析 并未进一步进行田间试验验证 综上可知 当前枸杞机械化振动采收理论多围 绕最佳振动频率 振动幅度和果实运动规律等方面 展开 相关理论与仿真虽为枸杞机械化采收装备的 研发提供一定基础参数 但分析时多将枸杞和枝条 看作刚性体 与实际情况相比存在一定误差 枸杞 挂果枝条的物理性质为各向异性 且趋于柔性体 在 后续研究工作中 当其受到外部振动激励时 可考虑 将枝条 果实 花和叶之间看作一个多自由度振动 耦合系统 通过对振动模型的构建与求解 为枸杞机 械化采收装备的优化升级提供更为准确的依据 2 3 枸杞智能化采收理论研究进展 枸杞机械化采收装备发展的同时 也有部分学 者对枸杞自动化和智能化采摘装备进行了相关研究 其代表性研究如图4所示 严亚飞 2019 对智能枸杞采摘机器人枝条识别 与定位关键技术展开研究 其根据RGB Lab颜色空 间特性 选取最佳颜色空间对自然环境下的枸杞枝 条进行识别 通过K means聚类分割法对枝条进行处 理和识别 并针对枸杞果实和树叶的遮挡问题提出 利用枸杞果实位置信息辅助定位方案 样机如图4a 所示 可满足枸杞采摘的进度要求 但该装备在面 对未修剪枝条的枸杞树时无法完成有效采摘 后期 需与园艺技术结合才能发挥最大采摘效果 且该装 备中双目相机的避障信息相对不完善 枝条抓取时 无法规划有效路径 会造成抓取失败 李金彦 2020 采用CCD双目相机采集枸杞图像 对图像进行分析 计算 转换颜色空间后 利用最大 类间方差法进行图像分割和果实识别 应用最小二 第5期刘玉闯等 枸杞机械化采收相关理论与装备研究进展225 乘法求出果实空间坐标 经试验验证 该方法可将 成熟枸杞果实从树枝 树叶以及土壤等复杂背景元 素中分离出来 提高了对成熟枸杞的识别精度 但 在杂乱无序的田间作业环境下 该方法对被遮挡住 的成熟枸杞识别和定位还存在一定挑战性 赵丹阳 2020 基于双目视觉技术对枸杞的识别 和定位方法进行研究 图4b 通过颜色特征识别枸 杞果实 得出基于BP神经网络的识别算法识别率高 达98 9 利用深度学习改进Faster R CNN算法适应 果实特征提取 检测结果准确率为86 3 通过双目 视觉技术计算枸杞的空间三维坐标 完成定位 但 该研究所处作业环境为井条有序的枸杞枝条 并不 适应复杂的田间作业环境 要想实现对枸杞果实的 自动化采摘 还需考虑应如何与农艺紧密结合 李慧等 2022 在综合对比国内各类枸杞采摘机 优缺点的基础上 设计一种以OpenMV为核心控制 器的全自动枸杞采摘机器人 该机器人通过颜色识 别定位色块坐标 采用PID算法控制电机的运动方 向 使用I2C总线通信控制机械臂运行完成对枸杞的 采摘工作 初步试验表明 该机器人可基本实现对 枸杞的自动采摘 但若实现连续 精准的枸杞自动化 采摘目标还需深入研究 还有一种基于林业自动化的枸杞采摘装备 赵健等 2022a 其由箱体 推杆电机 辅助杆 弹 簧以及滑板组成 整机结构紧凑 可实现对枸杞的自 动采摘 并能将采摘后枸杞中掺杂的杂质分离 节省 了人工劳动力 综上可知 当前枸杞自动化和智能化采摘正处 于初步发展阶段 虽已有部分研究和应用取得显著 进展 但仍存在诸多挑战 在融合人工智能技术进行 枸杞识别和定位的前提下 应多与枸杞农艺技术相 结合 实现枸杞规范化种植 避免因无序枸杞枝条遮 挡造成的自动化采摘困难 在采摘装备研发方面 可 考虑更加柔性化的材料 以减少其对果实和树体的 损伤 可进一步优化深度学习算法和图像识别技术 提高对枸杞成熟度的判断精度 减少误采和漏采情 况 开发基于人工智能的智能决策系统 根据实时数 据和历史数据 自动生成采摘计划和策略 提升采摘 效率和质量 3 枸杞采收装备相关研究 3 1 便携式枸杞采收装备 当前已有的便携式枸杞采收装备主要包括振动 式 梳刷式 气力式和剪切式4种 其代表性装备如 图5所示 3 1 1 振动式 振动式枸杞采收装备的基本工作原 理为 振动机构产生激励并作用于枸杞树干或枝条 振动能量促使枸杞果实作多次瞬时变向运动 当果 实所受惯性力大于其与果柄之间的结合力时 果实 与果柄分离 实现脱落 图5a 枸杞在国外的分布 和种植面积较小 相应地 针对枸杞采收机的设计与 研究也较少 目前仅有一种依据韩国枸杞生物力学 特性设计的振动采收装备 其采收效率是人工采摘 的4 2倍 然而因不同国家枸杞力学特性存在差异 该装备不适用于我国枸杞机械化采收作业 Lee et al 2003 国内振动式枸杞采收装备样式较多 譬如 一种模拟手枸杞采摘机 其采摘头约300 g 内部有2 个旋转体 旋转体通过直流电机传动作相对运动 实 现模拟人手采摘枸杞的动作 经试验验证 该采摘机 的采摘速度是人工的7 8倍 每小时可采摘成熟果 图4 枸杞智能化采收理论代表性研究 严亚飞 2019 赵丹阳 2020 Fig 4 A representative study on the theory of intelligent harvesting of wolfberry a 智能枸杞采摘机器人Intelligent wolfberry picking robot b 基于双目视觉技术的枸杞采摘机器人Wolfberry picking robot based on binocular vision technology 226林 业 科 学61 卷 实15 20 kg 周兵等 2010 一种采用曲柄振摇驱动 机构的全自动枸杞采摘机 主要由传动机构 纵向及 横向输送机构 振摇机构 收集箱等部分构成 并设 有均匀布满振动条的可升降采摘架 采摘机工作时 采摘架插入枸杞植株内 振摇机构带动采摘架对枸 杞枝条进行振动 进而完成枸杞果实的采摘 该装备 可有效降低果实损伤率 提高整体采摘效率 刘文海 等 2016 一种带有磁力驱动装置的枸杞采摘机 采 用电磁力驱动技术 可实现整机的振摆叉水平往复 振动 其振动频率可调 且噪音较小 郭清辉 2014 一种采用偏心轮机构的振摇式全自动枸杞采摘机 主要由振动组件 采集组件和支架组件构成 整机的 移动受行走液压控制模块控制 偏心轮的转动由驱 动马达带动 进而带动安装在振动架上的振动条作 往复高频运动 振动枸杞枝条 将枸杞果实振落下来 但该采摘机不能连续收获 作业效率有待提升 李进 玉等 2016 一种手持振动式枸杞采摘机 由曲柄摇 杆机构带动拍打指不间断拍打枸杞枝条 使枝条产 生一定幅度的振动 借助惯性力将枸杞采摘下来 采 收过程中枸杞枝条振动方向与采摘人员手臂方向相 同 能够有效减轻振动对人体的冲击 该采摘机整机 结构简单 操作方便 可有效提高采摘效率 张俊雄 等 2020 一种手持振刷式枸杞采摘装备 由手柄 振动机构 梳刷机构和收集机构组成 整机通过曲柄 连杆机构和齿轮传动方式带动工作 集采摘和收集 功能于一体 可避免采摘后还需人工二次捡拾的作 业环节 有效提高采摘效率 赵东等 2024 3 1 2 梳刷式 梳刷式枸杞采收装备的基本工作原 理为 利用成熟果实与未成熟果实的果柄力差异较 大的特点 使梳齿梳刷力介于二者之间 通过梳刷工 作头与树枝的逆向运动 由梳齿将成熟果实摘下 图5b 国内梳刷式枸杞采收装备样式较多 譬如 一种自走气吸梳齿式枸杞采摘收获机 利用梳齿采 摘器的转动 将枸杞从枝条上梳刷下来 该装备属小 型自走式枸杞收获机 需要人工手持采摘器进行枸 杞采摘 作业效率低 未能实现枸杞采摘全程机械化 郭志东等 2016 一种梳刷振动式枸杞采收装备 通过仿真分析与试验验证得出 相比于其他单一的 采收机构 该装备可达到较高的采收效率以及较低 的青果脱落率和成熟果破损率 徐丽明等 2018 张 文强等 2018 为实现枸杞机械化采收 提高枸杞采 摘采净率 降低损伤率 提出一种在沟槽凸轮引导下 压板迫使骨架侧向张开 进而调节梳刷指间距的梳 刷式枸杞采收装备 并以宁杞1号为研究对象设计多 参数变量的正交试验 采净率达90 损伤率为 8 41 可以满足枸杞采收的基本工作要求 一种气 吸梳刷式枸杞采摘机 接通电源后 该装备末端执行 器将树枝夹入两逆向旋转的梳刷工作头之间 电瓶 提供的动力经传动至梳刷式采摘末端执行器并经遥 控后在枝条上移动 引风机抽吸风将果柄由下垂状 变为水平状 当枝条通过两逆向转动梳刷工作头时 工作头与其产生相对运动 由梳齿将果实摘下 成熟 果实从果柄摘落并进入软管 随着梳刷采摘器位置 不停移动 果实连续不断地从枝条梳摘 掉入筛选收 集装备中的果实经过简单过滤 可将少量的树叶等 杂质分离 李树森等 2020 一种梳刷式枸杞采摘机 通过理论分析与试验验证 其采净率为96 84 损伤 率为8 76 满足枸杞采收要求 禹孜恒等 2024 图5 代表性便携式枸杞采收装备 张文强等 2018 赵健 2022 Fig 5 Representative portable wolfberry harvesting equipment a 振动式Vibrating b 梳刷式Brushing c 气力式Pneumatic d 剪切式Shearing 第5期刘玉闯等 枸杞机械化采收相关理论与装备研究进展227 3 1 3 气力式 气力式枸杞采收装备可分为气吸式 和气吹式 气吸式枸杞采收装备的基本工作原理为 通过气吸式结构 在电动抽风机作用下使吸管中产 生负压 将果实吸入 图5c 有一种背负式枸杞采 摘机 利用气吸式管道和转辊结构将枸杞果实与果 枝分离 可减少对树叶的损伤 但该装备的作业效率 低 劳动强度大且对气流的作业压力难以控制 气压 太大会造成果实表皮损伤 气压太小则果实难以摘 下 徐丽明 2009 还有一种气吸式枸杞采摘机 采 用非接触的气吸原理设计 由空气放大器产生负压 将果实吸入 同时利用高压气体将果实周围叶子排 开 提高采净率 张换高等 2015 气吹式枸杞采收 装备的基本工作原理为 在风机作用下 产生高速气 流吹向树冠 使枸杞枝条产生振动 从而实现果实与 果柄的分离 有一种利用高速气流采摘枸杞的装备 其通过液压气体源产生高速气流使枸杞果实快速摆 动后从枝条上掉落 该装备采用非接触式方式采收 枸杞 相较其他采收方式对枸杞树枝的伤害较小 但 其能耗较大 气流难以控制速度 使用成本也较高 周宏平等 2016 还有一种基于脉冲气流非接触式 的枸杞采摘新方法 该采摘机跨行正对枸杞植株 将 待采枝条吹拂至气源出口前方的流场区域 当枸杞 受到气流曳力 果柄拉力 重力和惯性力的作用且 外力大于枸杞 果蒂结合力时 枸杞果实与植株实现 分离 陈云 2022 3 1 4 剪切式 剪切式枸杞采收装备利用采摘刀以 一定速度运行 将枸杞果柄切断完成对果实的采摘 图5d 当前针对剪切式枸杞采收装备的研究和实 际应用较少 一种滚刀式枸杞可选择采摘机 将成 熟果实的果柄由分禾鸭嘴送入滚刀和反向滚刀之间 由其相互作用切断果柄 完成采摘过程 对果实的破 损率小于5 赵伟康等 2011 一种新型枸杞采摘器 其采用偏心轮带动摆杆和连杆工作 通过采摘头抓 住枝条 由采摘刀对果实进行收集 但该装备的采摘 刀难以掌控剪切位置 对果实和枝条容易造成误伤 且采净率相对较低 曾小虎 2013 一种剪切式枸杞 采摘机 其利用分禾器内的三岔口结构筛选熟果 刀 片与分禾器在竖直方向上保持一定安全距离 保证 枸杞果柄的长度要求 从而完成对熟果的切割采摘 整机便携小巧 提高了枸杞的采摘和运输效率 张文 强等 2019 一种适用于枸杞标准化种植的剪切式 收获机 其可使枸杞枝条变为水平状 果实受重力作 用下垂直向下 割刀将果实从柄处剪断 该装备可提 高枸杞采收效率 且不与枸杞接触 减少了伤果率 肖宏儒等 2023 3 2 自走式中大型采收装备 当前 国内外对中大型枸杞采收装备主要以振 动方式为基础展开相关研究 其代表性采收装备如 图6所示 一种大型振摇式枸杞收获机 图6a 基于低频 高幅振动原理 通过摇振条在枸杞枝条间的多点均 匀摇振使枸杞果实落下 其采净率在90 以上 损伤 率小于5 采摘效率可达100 kg h 1 刘文海 2014 张最等 2015 在分析枸杞振动采摘原理的基础 上建立振动采摘力学模型 分析求解得到枸杞挂果 枝条受迫振动时各节点处枸杞和花朵所受惯性力的 通解 运用MATLAB对振动式枸杞采摘机工作参数 进行优化和仿真试验 得出最佳工作参数组合 对自 走式枸杞采收样机 图6b 进行试制并针对宁杞1号 枸杞品种开展相关田间试验 验证仿真结果的准确 性 得出成熟果实的采摘效率达815颗 min 1 采净率 达86 7 图6 代表性自走式中大型枸杞采收装备 刘文海 2014 张最等 2015 彭要等 2018 Fig 6 Representative self propelled medium and large scale wolfberry harvesting equipment 彭要等 2018 为弥补振动式枸杞采摘机频率不 可调和对枸杞枝条损伤大等缺点 设计一种精准夹 持振动式枸杞采摘机 图6c 建立相应采摘力学模 型并进行仿真分析 经田间试验表明 在振动频率为 17 Hz 振幅为30 mm时 最佳采摘率达94 49 含杂 率为2 09 果实损伤率为2 75 梅松等 2019 为解决枸杞自走式采收装备连续 采收过程中遇到的难题 以往复振动单元为核心技 228林 业 科 学61 卷 术 将农机与农艺深度结合 结合跨行自走式动力平 台 研制出基于往复振动式的枸杞低损采收装备 该 装备对枸杞成熟果的采净率达89 5 96 4 作业效 率较高 一台样机可抵30个枸杞采摘工人 一种竖向切割的枸杞采收机 其由车体 遥控器 和过滤框构成 整机通过夹板与切割刀进行配合 有 效解决了现有枸杞枝条摆动时切割刀对枸杞根部产 生误伤的问题 赵健等 2023 一种枸杞采摘收集筛 分装备及其使用方法 由车体 遥控手柄和过滤框构 成 通过此装备中的夹板和连接板相互配合作业 可 有效解决采摘刀片因在电机带动下无法识别枸杞位 置而造成对枸杞划破 造成资源浪费的问题 赵健等 2022b 综上可知 当前便携式和自走式枸杞采收装备 的研发一定程度上均取得系列成果 并有效提高了 枸杞采收效率 减轻了劳动力 特别是振动式采摘装 备 多采用曲柄连杆机构带动整机进行作业 相较于 其他几种采收方式 工作效率较高 但与传统人工采 摘方式相比 机械采摘对枸杞熟果造成的破损率 含 杂率等实际现状还不能完全避免和解决 这将是在 今后研究工作中继续完善和解决的关键问题 4 结论与展望 枸杞产业的快速发展 对地方经济以及农林采 收装备的开发均起到较好促进作用 当前国内外许 多学者为枸杞机械化采收相关理论和装备研究打下 了较好的前期基础 在提高枸杞采收效率 降低劳动 力 节约成本等方面做出了积极贡献 枸杞属无限 花序浆果类果实 且成熟果实表皮薄弱 枸杞成品质 量好坏与其采摘过程的破损程度密切相关 因此 在枸杞产业未来发展过程中 本研究认为 在枸杞机 械化采收方面亟需突破的关键技术和瓶颈问题在于 能否最终实现 摘熟留青 高效低损 从而为未来 枸杞采收的自动化 智能化奠定更加坚实的理论基 础 结合当前枸杞采收方面的已有技术研究 本研 究提出以下建议与展望 1 结合枸杞生物力学特性差异 加强基础理论 研究 揭示采收过程中各部位之间的耦合互作机理 避免机械作业过程中对果实造成损伤 枸杞挂果枝 条以及成熟果实的力学特性均属于各向异性 在复 杂采摘作业环境中 还需进一步深入研究外部激励 与挂果枝条之间的本构关系以及果实运动轨迹的规 律 逐步探索在多自由度振动下枸杞挂果枝条的柔 性体建模 使其在理论模型上更加趋于实际模型 为 后期 摘熟留青 高效低损 采收装备的研发及应 用提供更加最准确 可靠 强有力的科学指导 2 研发适合枸杞采收装备作业的农艺新技术 将农机与农艺深度融合 提高整体采摘效率 分析 不同地区 不同品种枸杞植株的生长规律 得出枸杞 采收装备在作业空间过程中的关键影响因素 指导 其在农艺方面的改进方向 从根本上改变枸杞植株 整体生长状态 使其更加趋于规范化 标准化 为后 期枸杞采收装备的精准设计和研发提供坚实理论 基础 3 开展复杂田间环境中对枸杞果实不规则运动 状态下的快速识别与定位算