树木修枝机械的研究综述

    尹吉远　靳可心　刘程程　傅可艺　王超　邢艳秋

    【摘? 要】随着社会的发展，人们逐渐意识到保护森林的重要性，因此，進一步强化对森林培育、维护和管理的研究。修剪树枝是树木生长过程中必不可少的环节，能够促进树木健康成长，保障树木成长质量。当前，传统的人工修剪模式已经不能满足实际需求，加强对修枝机械设备的研究和应用已经成为业界关注的重点，如爬树修枝机器人得到了大力研发和应用。论文对树木修枝机械研究存在的问题进行分析和探究，旨在进一步促进树木修枝机械的研发，提升树木修枝机械的现代化水平，加大环境保护和森林资源保护力度。

    【Abstract】With the development of society， people gradually realize the importance of protecting forest. Therefore， people further strengthen the research of forest cultivation， maintenance and management. Pruning of branches is an essential part of the tree growth process， which can promote the healthy growth of the tree and guarantee the quality of tree growth. At present， the traditional manual pruning mode can no longer meet the actual need， and strengthening the research and application of pruning machine and equipment has become a key concern in the industry， such as tree-climbing pruning robot has been vigorously researched， developed and applied. This paper analyzes and explores the problems existing in the research of tree pruning machine， aiming to further promote the research and development of tree pruning machine， improve the modernization level of tree pruning machine， and increase the efforts of environment protection and forest resources protection.

    【关键词】树木;修枝机械;爬树机器人

    【Keywords】tree; pruning machine; tree-climbing robot

    【中图分类号】S718.4-33;TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）03-0135-02

    1 引言

    随着经济水平的日益提升，生态环境问题日益严峻，严重威胁了人类的可持续性发展。在此背景下，加大对林果业的发展力度，不仅可以改善经济结构，优化生态环境，而且还可以促进生态效益和经济效益的共同提升。对树木进行科学的修剪可以保障树木健康成长，并发挥提升木材质量等作用。因此，要积极强化对树木修枝机械的研究和应用，加大研发投入，提升修枝机械研发技术水平，保障森林资源的优质生长。由此可见，强化对爬树机器人等树木修枝机械的研究具有重要的现实意义。

    2 树木修枝机械研究的意义

    在国家退耕还林号召下，林果业得到了极大的发展空间，种植面积逐渐拓展，但是相关产业的从业人员结构偏差较大，严重限制了林果业的持续性发展，因此，强化机械化和自动化生产技术研究事关整体行业的未来发展。传统的人工修枝方式，需要投入大量的人力、物力和财力，工作量比较大，效率低下，而且树木切口处理不当会对树木造成伤害，影响其整体生长质量，并对人员安全带来隐患。针对这种情况，需要强化对树木修枝机械如爬树机器人的研究，提升林果业修枝工作的机械化和自动化水平，提升整体行业的生产效率。同时，爬树机器人的应用还有以下优势作用：可以降低人工成本，大大减轻人的劳动强度，并在一定程度上保障了人身安全;适应能力强，自动化程度高，修枝效率高、质量好;可以有效地解决之前在人工林中修剪树木时作业噪声大、操作不便、大面积破坏林地等各种问题。基于此，国家以及相关行业逐渐加大了资金投入和人才投入，强化了对修枝机械的开发与研制工作[1]。

    3 树木修枝机械研究的现状

    3.1 国外研究现状

    国外树木修枝机械的类型较多，如手持式、背负式、车载式、自动式等，其中无动力和有动力式较为流行。背负式操作简单，易于携带。车载式体型较大，利用拖拉机牵引液压折叠臂，使其进行灵活伸缩，从而完成修枝任务，主要应用于杂草林、灌木等树种类型中。手动型修枝机械，在鱼头锯基础上设计伸缩杆，提升其修枝高度，且具有应用方便、成本较低等优势，但工作效率较低。机动型修枝机械以汽油机为动力源，并牵引链条锯实施作业，其修枝直径可以达到0.2m左右，切口质量较高，效率高，但是应用成本较高，操作难度大。日本研发的自动型立木修剪机，利用智能化技术和自动化技术，实现对爬树机器人的遥感控制，提升其智能化水平，但适应性较低，容易损坏树皮等[2]。

    3.2 国内研究现状

    目前，国内有多所大学及研究机构着手于剪枝机器人的研发，如中国农业大学的树莓剪枝机器人、东北林业大学的模糊控制的剪枝机器人及其他机构对于剪枝机器人方面的相关研究。此类机器人的开发通过利用机器视觉技术，实时处理采集到的图像，通过处理结果来控制剪枝机器人的前进行为，控制机械臂工作，达到对细弱枝、破损枝的识别与剪除的目的[3]。

    当前，国内的树木剪枝机械化水平与国外相比，还处于落后阶段，剪枝机械化程度不高，推广范围不够广，应用不够深入，但林果业的发展在国内林业发展中又占有相当大的比重，因此，有关人士要大力推动国内剪枝机械化的发展。根据林果业的应用现状以及发展趋势的要求，未来剪枝装备的发展应该着重于能源动力的选择、装备制造的成本、自动化智能技术的应用、修剪准确性的提升、复杂环境的适应等方面。我国需进一步推动与国外先进技术的对接，在当前林业政策的支持下，努力提高树木修剪装备的机械化水平，促进林业经济发展，推动林业的现代化建设。

    4 我国修枝机械研发的特点及存在的问题

    4.1 修枝机械研发的特点

    我国林果业的分布较为分散，而且分布区域的地形较为复杂，如果使用大型的修枝机械难以顺利展开作业。针对这种情况，可以对我国修枝机械的未来研究方向进行明确：应用安全性;具有较高的自动化和智能化水平，内部结构组成和架构要简单优化，不能过于烦琐，质量要轻，便于在丘陵等地形中提携行动;保障刀具的质量;能够对大规模、大范围的树木进行修枝作业，并且修剪速度要快，质量要高，且不需要耗费大量的人力等;价格要实惠利民;保障机械设备体型小巧，且内部结构设计按照一定的序列进行模块化组合，提升其质量稳定性，强化其对不同生產环境的适应性，最大限度地降低机械故障率，减少应用、维护成本;尽量降低机械应用过程中的噪声，强化其环保性能[4]。此外，要综合考虑在不同的地形条件、不同的树木类型、不同的季节因素等客观条件的影响下，枝条含水量有所不同，所以要研制出更加精准化和高效化的树木修枝机械。

    4.2 需要解决的问题

    虽然目前我国在树木修枝机械研发方面取得了一定的成绩，在理论研究以及实践应用方面取得了较大进展，如山东农业大学的半自动高效电动高空剪枝机、东北林业大学的模糊控制剪枝机器人等，但是仍面临很多问题需要解决：很多配套设备的研发速度跟不上，电源等相关设备的研发较为落后，不能满足电动修枝机的需求;修枝机械的剪切效果、质量、内部结构等方面的设计远远达不到标准设计要求;修枝机械在应用过程中道具、电能消耗量较大，使用性价比较低;刀具磨损状态和枝条切口质量之间的联系需要进一步考证;修枝机械与树木类型之间的匹配度不高;对人工的依赖性依旧很大[5]。

    4.3 未来的研发方向

    第一，遵循人机工程学基本原理，通过应用三维建模技术以及CAD技术，对总体图样进行科学合理的设计;第二，利用运动学仿真软件全面分析虚拟样机的各种性能，如机械性能、运动范畴、碰撞检测等，并结合仿真结果对设计方案和设计思路进行改良;第三，强化对枝条与金属互相摩擦作用的理论研究，从而为修枝机械的刀具材料选择和制作技术选择提供依据;第四，强化修枝机械的智能化识别功能，提升总体修剪技术;第五，强化农业科学研究，实现农艺要求和设备选择的有效融合[6]。

    5 结语

    综上所述，随着我国林果业的逐步发展，对树木修枝机械的研究越来越深入，并取得了一定的研究成果，有效提升了树木修枝的效率和安全性，降低了修枝成本投入，对于促进林果业的发展大有助益。此外，本文对国内外关于树木修枝机械的研究现状进行了分析和研究，并对我国树木修枝机械的研发问题和研发方向进行综述，以期为实现我国树木修枝机械研发的针对性、智能化、高效化指明方向。

    【参考文献】

    【1】陈至灵，姜树海，孙翊.农林业采收机器人发展现状[J].农业工程，2019，64（9）：20-28.

    【2】王征，宋月鹏，柳洪洁，等.我国林果树木修枝机械的研究现状及其发展趋势[J].中国农机化学报，2017，277（38）：130-134.

    【3】付光华.高大树木修枝机控制系统设计与试验研究[D].泰安：山东农业大学，2016.

    【4】袁吉伟，王汝贵.爬树机器人的研究现状综述[J].机械设计与研究，2018，178（34）：8-23.

    【5】李永阳.爬树修枝机器人机械系统的设计与试验[D].泰安：山东农业大学，2016.

    【6】刘桂珍.爬树机器人机构设计及运动分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2006.