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1、果园采摘机械的研究我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国，2008年我国水果总产量已 超过6000万吨，约占全球产量的14%。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。 采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的3350%，目前我国的水果采摘绝大部分 还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳 动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使 用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效 益，因此提高采摘作业机械化程度有重要的意义。随着农业从业者人数的减少及老龄化趋势
2、不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大经济效益和广阔的市场前景。1国外果园采摘机械现状1.1机械式采摘果园的机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。振摇式是利用外力使树体或 树枝发生振动或振摇，使果实产生加速度，在连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击 部件直接冲撞果枝或敲打牵引果枝的棚架振落果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果 树分离的方式，又分为机械切割式和动力切割式。国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40 年代初，以美国、法国、英国为首的西方国家早开展此方面的研究。40年代中期美国开始 研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃和杏等水果，到50年代中期，利用振摇果树方式收获 水果的采
3、摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。至60 年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机、使用 动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工 作效率普遍较低，采摘的损伤率还较高，也不适用于采收易损伤、要求完好率高的鲜食用水 果和贮藏用水果。60年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采 摘效率大大提高。1.2机器人米摘目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。70年代末期，随着计算机和自动控制技 术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。自1983年第一台采摘机器人在美国诞
4、 生以来，历经了20多年的研究和试验，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，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果 实采摘的具有人工智能的机器人。采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和 行走装置等四大系统组成。末端执行器类似于人的手指，其设计采用仿生学，即末端执行器 结构取决于采摘对象的生物特性、理化特性，手指的数量和形状与果实的外形特征密切相关。 行走装置有3种形式：车轮式、履带式、人形结构，其中车轮式应用最广泛。车轮式行走 机构转弯半径小，转向灵活，但轮式结构对于松软地面和坡陡地面适应性差，会影响机器手 的运动精度。而履带式行
5、走机构恰恰相反，对地面适应性强，缺点是转弯半径过大，转向不 灵活，目前日本有葡萄、甘蓝采摘机器人使用履带式行走机构。采用智能导航技术的无人驾 驶自主式小车是智能采摘机器人行走装置的发展趋势。视觉识别系统主要解决果实的识别和 定位问题。果实的识别和定位问题是采摘机器人的难点，同时又是重点，它关系到机器人的 采摘工作效率问题。2国内果园采摘机械现状目前我国果园采摘机械发展中存在的主要问题有：长期以来果树生产存在着采摘、修枝、 植保、施肥等四大难题，虽然近些年我国采摘机械得到迅速发展，在机械产品方面有采摘器、 动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等，但总的来说，国内果园作业机械，大多功能单 一，只能
6、做果园土壤管理和果园植保作业，不能解决果园生产以上四大难题。果园作业 要实现全程机械化，必定各个作业环节上果农都得购置机械，这样势必增加果农购置机具的 费用，增加生产成本，降低经济效益，影响果农种植积极性。而多功能作业机械能实现一机 多用，既减少购机投入，又方便果农使用。各种水果之间的差异、种植区域的地理条件的不 同，果实品种的变换，会对采摘机械提出不同的要求。目前我国采摘机械的通用性不佳，也 是制约采摘机械发展的因素。果园生产方式落后，农机农艺之间不协调。国外较早就注意抓 农艺和农机相结合的工作、果树栽培的管理方式，以便于实现机械化操作，例如果树的矮化 密植、篱壁形整枝等。新的栽培模式和整枝
7、方式，不仅能提高光能利用率和便于机械化操作， 而且使之可以采用跨行机械，国外在大型果园环境控制中，已发展到了采用“精确定量”的 控制理念，即由计算机分析果园的经济效益，拟定最佳方案，以降低成本，减少劳力，增加 收入。相比之下，我国主要是分散栽培，分户管理，真正集中成片统一管理的大型现代 化果园很少。这种小农经济式的种植方式，由于生产规模小和农民技术素质偏低等原因，使 果园的生产管理停留在传统经验式的基础上，规范、科学的生产管理方法难以实施，果园机 械化程度普遍偏低。这些年农业劳动力大量向社会其他产业转移，导致农机技术人员缺乏， 而且随着人口的老龄化，使得果业生产成本不断提高，降低了果农的种植积
8、极性。3、果园采摘机械的发展趋势提高资源利用率和农业生产率、降低劳动强度、提高经济效益是现代农业的趋势。机器人采 摘由于技术和成本的原因，在今后较长时间内无法投入实际应用，在这种背景下，机械式采 摘将占据主流，其发展具有以下几个特点：1、多功能化即该机械不仅具有采摘果实的功能，还兼具其他作业功能，如中耕、施肥、剪枝、植保等， 多功能作业机械能实现一机多用，减少购机投入，同时又方便使用。2、采摘与山地果园运输结合起来南方丘陵山地果园坡陡，上山的肥料、农药和下山的果品等全靠人力运输，劳动强度大，效 率低，成本高。有些山地虽能开辟机动车道，但成本高，浪费土地并易造成水土流失。因此 研究省力、低成本的
9、山地运输机械成为当务之急。3、操作简便、可靠性高机器的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，这就要求结构设计合理可靠，使用方法 简单，维修维护方便。4、通用性好在各种不同的条件下，如不同地形平地、山地，不同的作业地表沙质土、泥泞地带，不同的 作业对象水果、坚果，不同的品种柑桔、苹果、梨、柚等情形下，该机械适用于大部分甚至 绝大部分情形。5、自动化和智能化随着现代科学技术的进步和广泛应用，新技术必将进入到农业机械领域，机械化、自动化、 智能化水平将进一步提高。如日本研制的自走式采摘车，在20。以上的陡坡地使用电视摄像 机和无线电遥控组合控制方式，实现无人驾驶操作。几种红枣收获机械的研究：（一）
10、悬挂式红枣收获机的结构设计1、总体设计方案矮化密植红枣收获机的设计需要充分发挥机械的特性，最大限度的利用机械结构对红枣 进行采摘并且保证收获的红枣质量和采净率。机械化收获是整个生产环节里的重要部分。所 以红枣采摘机的技术的研究是刻不容缓。根据网上信息的搜索，结合实际情况本机械的基本要求是：减少对果实的打击；提高采 集装置承接的效率；传动装置要配套和采摘机械相互协调。总装图如下：1.敲击器2.把手3.减速器4.汽油机5.导轨6.滑块7.机架8.支架图2-1总装图工作过程：本设计的源动力为小型汽油机，工作时，汽油机将动力传输至减速机，然后， 减速机输出轴与万向节相连的软轴连接，软轴转动以后带动下方
11、的敲击器转动敲打树枝，以 实现红枣的采摘过程。由于装置中装有万向节，操作者可以依靠把手由操作者控制方向。同 时，系一绳索于滑块下端，由人力牵引绳索，牵引下滑块沿导轨前进，因此整个机体即沿导 轨前进。2动力选择根据机器采摘的实际方式为敲击树枝，但是应该注意到敲击强度，强度过大会引起枣树 枝干的折损，所以汽油机在选择的时候应注意转速不应该过大，减速机选择也尽量选择涡轮 蜗杆减速机，即选用传动比尽量大。同时考虑到装置的整体机型，应该选择小功率汽油机为 动力。（二）4YS-24型红枣收获机的研制1、基本结构 整机结构由机架、果树振摇装置和液压控制系统组成，采用与29.4kw（40马力）的拖拉机后 悬挂
12、挂接（图2）。果树振摇装置安装在机架后部，通过铰接与机架相连，其夹持和振摇果 树的动作由液压控制系统操作，能相对拖拉机前进方向进行横向采果作业，液压控制系统采 用多路换向阀控制回路。液压系统中的液压油缸分别驱动5种运动：（1）伸缩臂的升降；（2） 伸缩臂的伸缩；（3）振动头悬挂叉上下摆动；（4）振动头悬挂叉的左右偏转；（5）振动头的 夹持。液压马达驱动振动头内的偏心机构运转。上述的液压油缸和液压马达所有操作均由多 路换向阀控制。多路换向阀安装在拖拉机左侧驱动轮防护罩上面，便于驾驶员操作。2、工作原理4YS-24红枣收获机的设计，由机械手（振动头）抓住树干，通过振动，摇落果实。振动的 产生来源于
13、偏心机构。4YS-24红枣收获机主要工作过程是通过操作液压控制阀，控制5个 液压油缸动作，先将果树振摇装置的钳式振动头夹持树干，然后由拖拉机动力输出轴PTO传 递动力经由液压控制回路到钳式振动头，由液压马达驱动振动头内置的偏心振动机构，从而 使振动头振动。振动头产生的机械振动传递给果树，果枝在接受了外加的强迫振动后，也以 一定的频率和振幅振动，这样就使果枝上的果实也以某种形式的振动而加速运动。加速运动 的物体要受到惯性力的作用，当惯性力大于果实与果枝的结合力时，果实就会掉落。(b)（c）（a） 4YS-24红枣收获机主视图（b） 4YS-24红枣收获机振摇装置（c） 4YS-24红枣收获 机机
14、架与拖拉机的挂接方式1.钳式振动头，2.振动头悬挂架，3.横向液压油缸，4.支臂套管，5.推拉液压油缸，6.伸 缩支臂，7.升降液压油缸，8.支撑腿，9.液压泵，10.液压泵支撑板，11.机架悬挂架， 12.液压油管支架，13.液压马达，14.夹钳开闭液压油缸，15.纵向液压油缸，16.T形 轴套，17.液压油箱，18.轴承座，19.花键轴，20.多路换向阀。（三）4ZZ-4型自走式红枣收获机1、基本结构如图1所示，整机由自走式底盘、机架、采摘装置、集果装置、输送系统、驱动装置、液 压系统、转向机构、集果箱等组成。该机为全液压后轮驱动，转向机构也由液压系统控制， 机架与自走式底盘连接，采摘装置
15、放置在集果装置上方，对称固装在机架两侧，集果装置与 连接在机架上的输送系统相连。1-驾驶室；2-立轴采摘滚筒驱动马达；3-立轴采摘滚筒；4.前轮驱动马达；5-前 轮；6-集果装置；7-后轮；8.输送系统；9.机架；10-发动机；11-后轮驱动马达。图1红枣收获机结构示意图2、采摘装置结构。采摘装置由拨杆滚筒和采摘驱动机构组成，是收获机的重要工作部件之 一。如图2所示，拨杆滚筒由立轴和拨杆盘组成如图3所示，拨杆盘沿立轴轴向均匀布置， 每组拨杆盘由数根拨杆沿拨杆盘周向均匀布置，立轴上拨杆盘与拨杆盘上拨杆拆装方便，可 根据不同品种的果树，不同的树冠密度，调整轴向拨杆盘密度及周向拨杆密度，完成不同 品
16、种及不同生长状态下果树的采收作业。,1-立轴；2-拨杆盘；3-拨杆 图2拨杆滚筒1-固定圆盘；2-固定螺纹孔；3-拨杆；4-安装方孔图3拨杆盘3、集果装置结构。如图4所示，集果装置由固定机架和集果板组成。集果板在固定机架上 按一定角度顺序排列，交错布置成鱼鳞状，通过固定机架连接在机架上。为避免果实下落 时摔伤及收获机前进时集果板对果树的损伤，该集果板具有弹性可变性，且可根据树杆大小 自动调整该处集果板角度，使收获机顺利通过。1-固定机架；2-集果板。图4集果装置4、工作原理（1）自走式红枣收获机的设计，主要基于机械振动原理实现果实采收。工作时，收获机骑 跨在果树上，采摘滚筒从果树两侧通过。立轴采摘滚筒在驱动马达作用下做旋转运动，并与 收获机前进速度相协调，避免果树损伤。转动过程中拨杆插入树冠并以高频
