現(xiàn)代梨園整形修枝機的設計文獻綜述

1.引言近幾年，在經(jīng)濟社會大力發(fā)展的背景下，梨園種植業(yè)也在大力發(fā)展如今現(xiàn)代化梨園種植規(guī)模較大，機械化剪枝的趨勢也逐漸明顯。因此，設計出根據(jù)樹形和梨園的實際情況，設計出適應梨樹的修剪機械，降低勞動者勞動強度，提高修剪可靠性是關鍵之所在。所以，關于對現(xiàn)代梨園整形修枝機械的設計是一個值得深入研究的課題，對于該方向的研究具有很大程度的現(xiàn)實意義。我國作為林果業(yè)的大國。如何實現(xiàn)借助于相關簡直機械便可快速完成簡直操作，一直以來是一個比較引人關注的研究方向。在梨園生產(chǎn)中整形修枝是比較耗時耗力的作業(yè)環(huán)節(jié)，而在現(xiàn)代化梨園中，這一環(huán)節(jié)的作業(yè)對于水果的生產(chǎn)來說具有十分重要的意義?，F(xiàn)代梨園的樹木整形主要采用機械修剪裝置為主的整株集合修剪。對于現(xiàn)代梨園整形修枝，其主要把修剪裝置固定在牽引機械上，依靠可以上下移動或者左右回轉(zhuǎn)的作業(yè)臂對樹冠和樹枝修剪注意定的幾何形狀，切割裝置多采用液壓驅(qū)動，作業(yè)效率高，適合規(guī)?；N植的梨園。此外，由于受到梨樹枝干自身的復雜性以及修剪技術，修剪機械適應性等因素的影響，剪枝機械的發(fā)展也比較緩慢。2.1國內(nèi)外剪枝機發(fā)展現(xiàn)狀與分類總體而言，國外的枝條修剪機械的特點是起步較早，早在20世紀的初期，外國一些國家就已經(jīng)開始對果園簡直累機械的研究和探索。為了減少人工修剪費時費力耗費資源等特點，先后研制了許多種機械，比如，20世紀初期，德國的油鋸剪枝機，再到20世紀中期，歐美等國的。氣動枝條修剪機然后再到20世紀末期。意大利。器升降輔助平臺人工修剪機器，進入21世紀，日本的自動化枝條修剪機也開始發(fā)展。日本的SEIREI公司率先開始研究將自動化技術應用于修之領域，已經(jīng)取得一定成果，該公司的自動型立木剪枝機。采用密碼填入數(shù)字技術和抗干擾無線電遙控技術，具有鏈，鋸，石鋸切機構以及低壓輪胎式扒屬機構，通過遙控器和無線通訊模塊，控制機器人爬上樹干進行修枝作業(yè)，這種機器人工智能化程度高，修直效果好，但只能應用于樹干較直的樹形，也會對樹皮造成損傷。而對于國內(nèi)的修枝機研究，其現(xiàn)狀表現(xiàn)為起步較晚，機器的機型較少。目前，國內(nèi)背負可調(diào)式樹木修剪機以及一些已有的高枝修剪機大多數(shù)以小型的汽油機為動力，其工作原理也大多一直都是根據(jù)周來帶動鏈以及鋸片進行作業(yè)。這類機械具有操作簡便，結構簡單等特點，但也存在噪音笨重，操作舒適度差等特點。而國內(nèi)的氣動修枝機一般通過氣源控制閥門再作用于氣缸。利用增利杠桿推動道具進行作業(yè)。車載的高枝修剪機效率較高，勞動強度小，但對于一些作業(yè)區(qū)域并不適合。國內(nèi)一些機構也開始研發(fā)爬樹的修枝機器人。圖1-國內(nèi)剪枝機發(fā)展及其優(yōu)缺點圖2-國內(nèi)枝條修剪機發(fā)展歷程2.2國外剪枝機的研究與配套設備早在20世紀70年代，意大利就已經(jīng)引入了能夠采用機械修剪的種植模式。并且將支撐畢業(yè)安裝在拖拉機的切割單元上，形成一個c字型的盒子切割。意大利的StefanoPoni在拖拉機上安裝了聯(lián)式的修剪機械修剪鉛線以上的枝條，但是他只能修剪直立生長的枝條，此種應用已經(jīng)能夠很大程度提高了，修剪效率并且適用于蘋果梨，這一類果樹的修剪，也可用于葡萄修剪。圖3-往復式修枝機蘋果修剪需要一個平滑的切割，因為粗糙的切割會導致枯萎的枝條腐爛或?qū)τ线^程產(chǎn)生負面影響。鋸片墊片端面旋轉(zhuǎn)切割機可能無法產(chǎn)生光滑的切割.這是一種選擇，提供平滑和分割自由切割，但可以有更多的空間要求比鋸片，取決于所使用的機構類型的刀具操作。

圖4-往復式修枝機

通常，剪切切割機末端執(zhí)行器分兩步工作.首先，末端執(zhí)行器到達目標切割點，刀具處于開啟姿勢，允許將分支或閥桿放置在剪切葉片上。一旦分支閥桿正確地放置在刀具開口處，第二任務是使用適當?shù)牧蜻\動(電動或氣動)進行切割。Bac等人(2017)開發(fā)了一種頂部安裝剪刀的末端效應器，然后利用電剪切作用切割甜椒莖。Feng(2018)開發(fā)了氣動剪切切割機末端效應器，用于切切櫻桃番茄，該氣動系統(tǒng)為切割機機構提供了0.3MPa的氣壓由于收集器的尺寸較大，它與樹枝之間的粘合力矩和粘合力。VisionRobotics公司(2015)還開發(fā)了一種用于葡萄修剪的雙液壓切割機末端執(zhí)行器。扎利德·埃塔爾。(2020

A)開發(fā)了一種用于修剪高大紡錘體富士蘋果樹的氣動切割機末端執(zhí)行器。氣動切割機能夠切割直徑可達12毫米的樹枝。（3）由美國人Spencer

A.發(fā)明的一種樹木修剪機，具有多個列列交錯旋轉(zhuǎn)刀片1的刀具條2，該刀片由獨立的液壓馬達12旋轉(zhuǎn)，用于旋轉(zhuǎn)多個旋轉(zhuǎn)刀片。由此產(chǎn)生的多個葉片轉(zhuǎn)動液壓馬達12串聯(lián)連接到液壓馬達線15，液壓救濟線23在液壓馬達12和液壓歧管或報頭24中間的液壓馬達線路15之間處于壓力-尖峰-減壓通信中，刀具桿連接到單面或液壓升降裝置5的兩側，例如用于標準前端負載器、叉車和其他附加在車輛6上的起重裝置，如拖拉機。液壓升降裝置具有機動性，可選擇修整、修剪和截卸載荷的位置.鋸片切割桿的選擇可以安裝在各種大小和類型的農(nóng)用和工業(yè)拖拉機上的液壓起重和操縱機械上。圖5-往復式修枝機2.3國內(nèi)剪枝機的研究及配套設備鋸盤式修剪機。此類剪枝機在國外已經(jīng)有較早的設計和發(fā)明，美國的學者PaulW.Moore在拖拉機，拖車上根據(jù)設計需求安裝了12個鋸盤。并且采用一臺十八千瓦的冷發(fā)動機來進行驅(qū)動的。中國學者蔣連瓊對距盤式綠地修剪機的刀具進行了失效分析。并且對巨片的動態(tài)失穩(wěn)以及和據(jù)切的整個過程運用ANSYS/LS_DYNA進行了仿真研究。通過此項研究，他將鋸片失效提供了新的理論。圖6-鋸盤式修枝機胡昕卉（2017）在《面向整枝機控制的手勢識別技術研究》中提出了整枝機手勢控制方式使人的意識與機械設備相統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)機械的更為人性化，更為自然，更為簡單的操作。不依賴于其他操作，有效提高了機械的工作效率以及工作人員的安全。在其研究中，對于手勢的識別率能夠達到較高水平，能夠基本完成整只雞，通過手勢控制的一部分基礎工作，展示出在人工智能機械領域的應用前景。

（3）多功能園藝修枝機械手臂?？捣e龍在《多功能園藝修枝機械手臂的設計與特性分析》中認為，通過對多功能園藝修枝臂的三維模型和力學受力分析，保證所設計的多功能園藝修枝機械臂結構的自由度，結構強度和剛度符合要求滿足機械在實際，作業(yè)中工作要求。該機械臂是通過系統(tǒng)硬件支撐臂和功能臂系統(tǒng)硬件電鋸和機械爪系統(tǒng)硬件發(fā)送指令，進而控制轉(zhuǎn)動臺電鋸機械爪和修枝臂，與同類機械相比，具有更高的相對定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和鋸切作業(yè)，能夠克服園藝修枝中所遇到的多種困難，能夠?qū)崿F(xiàn)修枝作業(yè)的機械化，提高作業(yè)效率，能夠解決采用人工修枝，費事費力的問題。圖7-多功能園藝修枝機械手臂簡圖

（4）周建清在《對修枝對尾巨桉林分生長及無節(jié)材形成的影響》研究中，通過對桉樹進行實驗，其中，對不同枝葉修剪強度對桉樹生長的影響研究得出了適宜修剪長度，對岸樹林分有促進生長的作用，每次修剪1/5的修剪方法最好，輕度修剪比中強度修剪更能促進桉樹生長，其主要原因是輕度修剪，主要是修除下部光合作用微弱生長緩慢曲死亡的枝條中強度修剪去除了樹冠下大量汁液導致修剪強度過大，會削弱樹木光合作用，不利于樹木生長。該研究的結論對于今后研究樹木剪切部位對生長影響具有參考意義。（5）車載式立木修剪機。李啟壽在《車載式立木修剪機的設計與仿真研究》車載式高枝剪是對雙折臂式高空作業(yè)車的一種改進，在雙折臂式高空作業(yè)車的臂上安裝液壓驅(qū)動夾具和其他剪切機構來代替原來工作裝置，利用控制裝置控制器作業(yè)。其研究通過仿真得到了許多重要參數(shù)，為立木修枝機作業(yè)部件設計提供依據(jù)，也為將來新產(chǎn)品設計提供參考。圖8-車載式立木修剪機三維簡圖

（6）單馬達往復式葡萄剪枝機。該剪枝機的剪切功能依靠液壓馬達提供動力，鏈條和傳動軸傳遞動力，上下兩個齒輪箱改變動力傳遞方向，帶動橫、豎動刀片，相對于定刀片同時做往復運動實現(xiàn)。橫刀只用來修剪葡萄上部，豎刀在工作時可能在前進方向撞到障礙物，因此豎刀需要安裝護刃器。圖9-橫剪切刀示意圖圖10-豎剪切刀示意圖（1定刀片，2動刀片，3壓刃器）（1壓韌器，2動刀片，3定刀片，4護刃器）圖11-橫剪切刀示意圖

（7）高枝修剪機。李楊在《高枝修剪及姿態(tài)協(xié)調(diào)控制與精準鋸切定位》中針對目前國內(nèi)外修枝機械普遍存在作業(yè)高度不足，靈活性不高，操作人員勞動強度大，作業(yè)危險等問題。講述了高枝修剪機的工作原理，基于多自由度修剪機械臂正逆運動學進行鋸切定位分析，提出了修剪機的機械臂姿態(tài)協(xié)調(diào)控制與末端修枝鋸的鋸切定位方法，并輔助以末端攝像頭觀察樹枝相對位置，通過人機交互界面實現(xiàn)修枝機協(xié)調(diào)控制和鋸切定位自動化，實現(xiàn)升降臺，回轉(zhuǎn)臺和修剪機械臂姿態(tài)調(diào)整，具有更高的相對定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和鋸切作業(yè)。圖12-高枝修剪機示意圖尹吉遠在《樹木修枝機械的研究綜述》中認為保障機械設備體型小巧且結構內(nèi)部設計按照一定的序列進行模塊化組合，提升其質(zhì)量穩(wěn)定性，強化其對不同生產(chǎn)環(huán)境的適應性，最大限度的降低機械故障率，減少應用維護成本，盡量降低機械的噪聲，強化及環(huán)保性能?？梢?，作者指出了其認為剪枝機械需要解決的問題主要是修枝機的電源設備落后，修剪效果比較差，達不到標準，修枝機與樹木的匹配度不高，仍依賴于人工等問題。此外，作者也闡述了修枝機未來研發(fā)方向是向人工智能方向，枝條與金屬相互摩擦的相對理論以及利用運動學仿真軟件進行分析設計。在對國內(nèi)外關于樹木修枝機械現(xiàn)狀進行了分析和研究，并對我國樹木修枝機械的研發(fā)問題和研發(fā)方向進行了綜述。

(9)王征（2017）在《我國林果樹木修枝機械的研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢》中通過對發(fā)展修枝機械的重要性，國內(nèi)外修枝機械的研究現(xiàn)狀。等進行研究分析得出，1、根據(jù)我國林果業(yè)的生產(chǎn)特點及形式要求。研發(fā)專用化，智能化，輕便型鱗果修枝機械并最終應用于規(guī)?；a(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本，應成為我國林果業(yè)的重要發(fā)展方向；2、采用現(xiàn)代化設計手段，基于人機工程學基本原理及虛擬樣機技術實現(xiàn)林果修枝機械及機械部件的優(yōu)化設計制造是國內(nèi)外研究趨勢。

（10）鄭賢（2021）在《桉樹爬樹修枝機的設計與測試》中根據(jù)桉樹通知度其他林木較高的特點而研究設置了一種由修枝裝置和攀爬裝置組成的爬樹修枝機，但在該設計中，只能滿足通知度較高的林木，比如對于梨樹等特征，是不適用的，但對于通直度高的桉樹能實現(xiàn)快速修枝，并且設置有驅(qū)動輪作為攀爬的驅(qū)動機構，可使自身沿著樹干直接爬升進行修剪。該設計存在一定問題，那就是具有不可避免的打滑，需要進一步增加攀爬裝置的夾緊力。圖13-桉樹爬樹修枝機

（11）崔嵩鶴（2019）在《人工樹木整枝機研究進展》中通過對國內(nèi)外已研制出的整只作業(yè)機械進行分析論述的現(xiàn)有立木整治，作業(yè)機械在作業(yè)高度，作業(yè)難易度以及作業(yè)成本等方面的優(yōu)缺點，分析了立目整枝做業(yè)機器人在自動導航避障，立木只干自動識別等方面的關鍵技術。立木整只作業(yè)機器人是一種移動式機器人，有兩種方式到達作業(yè)地點，一種是車輛運送到待整枝的樹下，另一種是自動運動到待整枝的樹下，其主要應用的關鍵技術是自主導航避障和立木枝干自動識別。在我看來，對于立木枝干自動識別技術的研究應用是很有意義的，他就是使作業(yè)的機器人能夠自動識別出手感位置及述職形狀，尺寸彎曲度等方面的特征，然后通過數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對識別出的數(shù)值進行對比分析，最終篩選出需要修剪的樹枝進行修剪操作發(fā)展，改變了以往需要人工判斷樹脂是否需要修整的方式，減輕了勞動力負擔，有助于提高機械作業(yè)效率，撫育優(yōu)質(zhì)的人工林。

3.總結

隨著我國林果樹木種植規(guī)模的發(fā)展，對于果樹修枝機械的重要性以及研究方向一直受到重視。通過進行一系列的文獻閱讀以及了解相關學者的觀點以及研究后，我對林果修枝機械的研究方面有了更深一步的了解。第一，隨著我國對修枝機械研究不斷增加，所需求的修枝機械需要具備以下特點，具有環(huán)保功效，注重模塊化與小型設計，降低成本與維修費用，智能化程度提高，操作簡便，機械使用壽命長，安全系數(shù)高。第二，現(xiàn)階段各大高校以及各類研究機構對于果樹，修枝機械的研究取得了顯著成效，有著大量理論，但也存在許多問題，比如:修剪樹枝種類劃分不清，修枝機的能源及刀具損耗配置需改善，此外，還受到其他方面因素所限制。

針對于現(xiàn)代梨園整形修枝機的設計研究，首先應滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)梨園的標準化作業(yè)要求，這是不同于傳統(tǒng)梨園的。其次，應該能夠完成梨樹的整形修剪以及精確的枝條修剪。此外，還應盡量滿足如今提倡的綠色環(huán)保，操作簡便節(jié)約能源，等方面的要求?！吨袊圃?025》中明確規(guī)定，我國農(nóng)機農(nóng)藝融合深度不足，這也是當前農(nóng)業(yè)機械方面存在的較大問題?？偠灾?，對于現(xiàn)代梨園整形修枝機械方面的研究方向是具有較大前景和現(xiàn)實意義的，要在傳統(tǒng)的理論基礎上，不斷提高修枝機械的整體性能，克服其存在的缺陷與不足，以此提高修枝機械工作效率，引進先進技術注重現(xiàn)代化手段，對關鍵部件進行優(yōu)化設計，使其符合我國研究的發(fā)展趨勢。參考文獻[1]尹吉遠,靳可心,劉程程,等.樹木修枝機械的研究綜述[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊).2021,(03):135-136

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