摘 要： 中国地大物博, 各类水果物产很丰富。由于我国人口众多, 水果的市场需求量因此也是非常之大, 其中各种水果的采摘目前还是以人工的采摘为主, 使用人工采摘, 容易造成水果采摘的效率低, 人工的劳动量大, 最重要的是人工采摘还容易造成果实的损伤, 从而造成经济上的损失。因此, 新型的水果采摘装置越来越普及, 新型的水果采摘装置主要是机械采摘和机器人采摘。文章就新型的水果采摘装置进行了研究和设计。
关键词： 水果采摘; 新型装置; 机械采摘; 机器人采摘;
Abstract： China has a vast territory and abundant resources, and is rich in various kinds of fruit products. Because of the large population in our country, the market demand of fruit is also very large. At present, all kinds of fruits are picked mainly by artificial picking. The use of manual picking is easy to cause the low efficiency of fruit picking and the large amount of artificial labor. The most important thing is that manual picking is easy to cause fruit damage, resulting in economic losses. Therefore, the new type of fruit picking device is becoming more and more popular, the new type of fruit picking device is mainly mechanical picking and robot picking. In this paper, a new type of fruit picking device is studied and designed.
Keyword： fruit picking; new device; mechanical picking; robot picking;
当今社会, 科技不断地在进步, 新型水果采摘装置的出现时顺应时代的发展, 以科技解放劳动, 提高水果的采摘效率。而新型水果的采摘装置主要包括机械采摘和机器人采摘, 其中两者各有裨益, 分别适用于不同种类水果的采摘。
1、 水果采摘中存在的问题
传统的人工水果采摘存在许多的问题, 大致有以下几点。首先, 人工采摘效率太低, 由于人的工作能力有限, 采摘的速度不会太快, 而且工作一段时间之后, 采摘人员会十分的疲惫, 造成采摘速度进一步的减慢。采摘人员的身体素质很大程度的影响采摘的效率;第二点, 容易造成果实的损伤。人员采摘的过程中, 如果不注意, 可能会磕碰到果实, 损坏果实的外形, 损坏的果实将会影响出售, 造成经济上的损失;第三点, 需要的劳动力过多。在水果成熟的季节, 由于水果的季节性很强, 这就需要及时的将成熟果实采摘下来, 巨大的工作量, 就需要雇佣很多的劳动力, 致使经济成本的增加。而用新型的水果采摘装置来代替人工采摘, 虽然不能将以上的问题全部的避免, 但是还是能有很大的改善。所以, 新型水果采摘装置的设计应该引起我们的重视。
2、 新型水果采摘装置中的机械采摘
2.1、 机械采摘的分类
机械采摘可以分为三种类型, 分别是撞击式、切割式、阵摇式。撞击式是利用撞击部件直接的撞击果树的树干或者是直接冲撞果树所在的果枝, 使水果从枝头掉落, 掉落的水果被果树下预先搭好的棚架所接住。这种方法缺点是会对果树造成一定的损伤, 有可能影响果树来年的结果。切割式是利用工具将果树的枝条或者水果的果柄切断, 从而将水果采摘下来。切割式会损坏果树的枝条, 给果树带来伤害。阵摇式指借助机械的外力作用, 使果树产生摇晃, 给水果一个加速度, 使水果从果柄上脱落下来。
2.2、 机械采摘的现状
水果的机械采摘是从二十世纪七十年代开始进行研究的, 刚开始研究的手持式电动采果器, 虽然是借助了电动机械的作用, 但是最主要的还是要人工的辅助才能使用, 结合人工和机械, 一定程度上减少了水果损坏, 但是水果采摘的效率还是很低的。之后, 人们开始研究切割类型的采摘器, 切割类型的采摘器还是有许多的的优点的, 可以利用机器的夹钳, 先将水果的果柄夹住, 然后将水果剪下来, 可以保护果实不受损伤, 而到了二十世纪九十年代, 简易采摘器已经十分成熟了, 并且还研发出了辅助型的器械, 比如, 升降平台, 气动的剪枝器等。
3、 新型水果采摘装置的机器人采摘
3.1、 机器人采摘的技术原理
水果采摘的机器人一般是由五个部分组成的, 分别是, 机械手臂, 末端执行器, 视觉识别装置, 行走装置, 中心控制系统。水果采摘机器人采摘水果的步骤是, 先通过彩色的摄像头与图像的处理器组成的视觉识别装置, 根据成熟果实的颜色, 识别是否为成熟的果实, 识别之后, 通过行走装置移动到目标点, 行走装置是具有四个轮子, 可以在果园内部随意的移动, 再使用末端执行器将果实抓住, 吸紧, 末端执行器是有果实启动吸嘴和橡胶材质的手指组成的。最后一步, 是利用机械手臂中的腕关节的旋转, 来将果实拧下来, 可以做到成功的拧下果实但是不会损伤。其中, 视觉识别系统, 利用了视觉双目系统技术, 这种技术是模仿人的眼球如何来观察物体, 两台摄像机分隔了一定的距离, 两台摄像机分别进行获取图像, 再对两个图像的差异进行比较, 利用三角测距的方法来得到果实位置。视觉双目系统技术最大的优点是成本很低, 而且成像的速度较快, 目前得到了较为广泛的应用。末端执行器是利用了仿生学的作用, 模仿了人的手指, 能够将果实牢牢地抓住。行走装置一般是采用车轮式的行走装置, 这种装置行走的时候, 转弯的半径比较小, 所以在转弯时就会很稳定, 不容易发生侧翻, 转向灵活。但是, 这种方式也存在一定的不足之处, 比如, 在果园中比较松软的土地上, 车轮式的行走装置就会很容易将轮子陷入松软的泥土中, 难以行动, 还有就是, 在坡度比较陡的地方也是很难行动。
3.2、 机器人采摘的发展难点
水果采摘机器人发展的难点有很大的一部分在于如何识别和定位成熟的果实。果实的识别和定位关系到水果采摘机器人的采摘效率。寻找和识别成熟的果实要是浪费了太多的时间, 会大大的降低采摘效率, 这样一来, 使用机器人可能还不如雇佣人工采摘果实效率高, 那么水果采摘机器人的使用也就没有了意义。而且定位和识别成熟的果实, 也有外在的因素的影响, 比如, 光线的影响, 阴天的光照不足, 会影响水果采摘机器人的识别系统, 给成熟果实的识别和定位带来很大的难度。再比如, 果树树叶可能会遮挡果实, 也会给水果采摘机器人的工作带来一定的影响。不损害水果的果实和植株, 也是影响水果采摘机器人发展的一个难点, 水果采摘机器人在行走和采摘水果的过程中, 不能损坏果实, 同时, 也不能损害果树的植株。将水果采摘下来之后, 还必须要处理断口, 不能导致断口的感染, 这就需要人们对于采摘水果时的切割方法进行改进, 使其不对断口造成感染, 而高温切割可能会是一种比较好的方式方法。面对这些问题需要人们进一步对机器人探索研究改良, 才有可能使机器人采摘在未来中投入使用。
4、 新型水果采摘装置的发展趋势
由于水果采摘机器人所存在的问题还很多, 所以, 在短时间里, 水果采摘机器人是不会投入生产使用的, 而且新型水果采摘装置主流发展是水果的机械采摘是多种功能的, 不但能够采摘果实, 还能实现其他的功能, 比如可以达到修剪枝条、耕地、施用肥料等等功能一体化, 实现一机多用, 减少了购买多种设备所需要的资金, 从而节省了一笔不小的开支。机械采摘的另一个发展方向是, 尽量达到水果的采摘和水果的运输相结合起来, 大多数的果园坡都比较的陡峭, 往外运输水果十分的不方便, 使用人工的运输, 劳动的强度大不说, 运输的效率极低, 人工成本高, 所以研究一款省时省力的运输机械是十分有前景的。机械采摘水果还需要操作简单, 不需要专门的技术人员来进行操作, 使得普通的农民朋友就可以操作, 并且可行性好。而对于水果采摘机器人而言, 可以朝着以下几点发展, 首先开发自由度更高的机械手臂, 按照仿生原理设计, 模拟人的手臂, 使其更加的灵活可操作, 采摘时不破坏水果。其次开发成本较低的水果采摘机器人, 高昂的成本决定高昂的定价, 导致销路太窄, 尽可能降低生产成本, 才能使水果采摘机器人普及化。最后研发更精准的视觉识别定位系统, 利用精准的成像技术, 更加快速和精准的识别定位成熟水果, 增加采摘的速度, 提高采摘的效率。
5、 结束语
新型的水果采摘装置是随着科技的发展而产生的产物, 用于代替人工的采摘。机械采摘和机器人采摘两种方式各自有各自的优势, 比起人工采摘来说不仅可以提高采摘效率, 还能减少采摘过程中的损失。两种采摘方式都是十分有发展前景的, 但这就需要我们进行合理的设计, 对机械采摘和机器人采摘进行完善, 相信在未来, 新型水果采摘装置必将能取代人工采摘。
参考文献：
[1]付荣利.果园采摘机械的现状和发展趋势[J].农业开发与装备, 2017 (05) .
[2]余佳佳, 饶洪辉, 罗时挺, 等.南丰蜜桔机械采摘现状和发展趋势[J].中国农机化学报, 2016 (02) .
[3]王科平, 李晓丽.乌苏市机采棉技术推广分析[J].农业工程, 2016 (02) .
[4]赵亚平, 仲子平, 余志, 等.洞庭山轻型枇杷采摘设备研究[J].科技信息, 2017 (10) .
[5]邹永, 郭舰, 袁泽辰, 等.水果自动采摘小型机械车的结构设计[J].科技创新与应用, 2018 (01) :119-120.
[6]郑爽爽, 李艳聪, 张盛, 等.苹果采摘机械人结构设计[J].科技创新与应用, 2015 (21) :11-12.
[7]陈章恒, 张维元, 张路遥, 等.菠萝收集采摘车的设计[J].科技创新与应用, 2018 (10) :96-97.
