王杰　閆肖肖

摘 要：中國地大物博，各類水果物產(chǎn)很豐富。由于我國人口眾多，水果的市場需求量因此也是非常之大，其中各種水果的采摘目前還是以人工的采摘為主，使用人工采摘，容易造成水果采摘的效率低，人工的勞動量大，最重要的是人工采摘還容易造成果實(shí)的損傷，從而造成經(jīng)濟(jì)上的損失。因此，新型的水果采摘裝置越來越普及，新型的水果采摘裝置主要是機(jī)械采摘和機(jī)器人采摘。文章就新型的水果采摘裝置進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：水果采摘；新型裝置；機(jī)械采摘；機(jī)器人采摘

中圖分類號：S225.93 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0078-02

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.

Keywords： fruit picking； new device； mechanical picking； robot picking

當(dāng)今社會，科技不斷地在進(jìn)步，新型水果采摘裝置的出現(xiàn)時(shí)順應(yīng)時(shí)代的發(fā)展，以科技解放勞動，提高水果的采摘效率。而新型水果的采摘裝置主要包括機(jī)械采摘和機(jī)器人采摘，其中兩者各有裨益，分別適用于不同種類水果的采摘。

1 水果采摘中存在的問題

傳統(tǒng)的人工水果采摘存在許多的問題，大致有以下幾點(diǎn)。首先，人工采摘效率太低，由于人的工作能力有限，采摘的速度不會太快，而且工作一段時(shí)間之后，采摘人員會十分的疲憊，造成采摘速度進(jìn)一步的減慢。采摘人員的身體素質(zhì)很大程度的影響采摘的效率；第二點(diǎn)，容易造成果實(shí)的損傷。人員采摘的過程中，如果不注意，可能會磕碰到果實(shí)，損壞果實(shí)的外形，損壞的果實(shí)將會影響出售，造成經(jīng)濟(jì)上的損失；第三點(diǎn)，需要的勞動力過多。在水果成熟的季節(jié)，由于水果的季節(jié)性很強(qiáng)，這就需要及時(shí)的將成熟果實(shí)采摘下來，巨大的工作量，就需要雇傭很多的勞動力，致使經(jīng)濟(jì)成本的增加。而用新型的水果采摘裝置來代替人工采摘，雖然不能將以上的問題全部的避免，但是還是能有很大的改善。所以，新型水果采摘裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)該引起我們的重視。

2 新型水果采摘裝置中的機(jī)械采摘

2.1 機(jī)械采摘的分類

機(jī)械采摘可以分為三種類型，分別是撞擊式、切割式、陣搖式。撞擊式是利用撞擊部件直接的撞擊果樹的樹干或者是直接沖撞果樹所在的果枝，使水果從枝頭掉落，掉落的水果被果樹下預(yù)先搭好的棚架所接住。這種方法缺點(diǎn)是會對果樹造成一定的損傷，有可能影響果樹來年的結(jié)果。切割式是利用工具將果樹的枝條或者水果的果柄切斷，從而將水果采摘下來。切割式會損壞果樹的枝條，給果樹帶來傷害。陣搖式指借助機(jī)械的外力作用，使果樹產(chǎn)生搖晃，給水果一個(gè)加速度，使水果從果柄上脫落下來。

2.2 機(jī)械采摘的現(xiàn)狀

水果的機(jī)械采摘是從二十世紀(jì)七十年代開始進(jìn)行研究的，剛開始研究的手持式電動采果器，雖然是借助了電動機(jī)械的作用，但是最主要的還是要人工的輔助才能使用，結(jié)合人工和機(jī)械，一定程度上減少了水果損壞，但是水果采摘的效率還是很低的。之后，人們開始研究切割類型的采摘器，切割類型的采摘器還是有許多的的優(yōu)點(diǎn)的，可以利用機(jī)器的夾鉗，先將水果的果柄夾住，然后將水果剪下來，可以保護(hù)果實(shí)不受損傷，而到了二十世紀(jì)九十年代，簡易采摘器已經(jīng)十分成熟了，并且還研發(fā)出了輔助型的器械，比如，升降平臺，氣動的剪枝器等。

3 新型水果采摘裝置的機(jī)器人采摘

3.1 機(jī)器人采摘的技術(shù)原理

水果采摘的機(jī)器人一般是由五個(gè)部分組成的，分別是，機(jī)械手臂，末端執(zhí)行器，視覺識別裝置，行走裝置，中心控制系統(tǒng)。水果采摘機(jī)器人采摘水果的步驟是，先通過彩色的攝像頭與圖像的處理器組成的視覺識別裝置，根據(jù)成熟果實(shí)的顏色，識別是否為成熟的果實(shí)，識別之后，通過行走裝置移動到目標(biāo)點(diǎn)，行走裝置是具有四個(gè)輪子，可以在果園內(nèi)部隨意的移動，再使用末端執(zhí)行器將果實(shí)抓住，吸緊，末端執(zhí)行器是有果實(shí)啟動吸嘴和橡膠材質(zhì)的手指組成的。最后一步，是利用機(jī)械手臂中的腕關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)，來將果實(shí)擰下來，可以做到成功的擰下果實(shí)但是不會損傷。其中，視覺識別系統(tǒng)，利用了視覺雙目系統(tǒng)技術(shù)，這種技術(shù)是模仿人的眼球如何來觀察物體，兩臺攝像機(jī)分隔了一定的距離，兩臺攝像機(jī)分別進(jìn)行獲取圖像，再對兩個(gè)圖像的差異進(jìn)行比較，利用三角測距的方法來得到果實(shí)位置。視覺雙目系統(tǒng)技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是成本很低，而且成像的速度較快，目前得到了較為廣泛的應(yīng)用。末端執(zhí)行器是利用了仿生學(xué)的作用，模仿了人的手指，能夠?qū)⒐麑?shí)牢牢地抓住。行走裝置一般是采用車輪式的行走裝置，這種裝置行走的時(shí)候，轉(zhuǎn)彎的半徑比較小，所以在轉(zhuǎn)彎時(shí)就會很穩(wěn)定，不容易發(fā)生側(cè)翻，轉(zhuǎn)向靈活。但是，這種方式也存在一定的不足之處，比如，在果園中比較松軟的土地上，車輪式的行走裝置就會很容易將輪子陷入松軟的泥土中，難以行動，還有就是，在坡度比較陡的地方也是很難行動。

3.2 機(jī)器人采摘的發(fā)展難點(diǎn)

水果采摘機(jī)器人發(fā)展的難點(diǎn)有很大的一部分在于如何識別和定位成熟的果實(shí)。果實(shí)的識別和定位關(guān)系到水果采摘機(jī)器人的采摘效率。尋找和識別成熟的果實(shí)要是浪費(fèi)了太多的時(shí)間，會大大的降低采摘效率，這樣一來，使用機(jī)器人可能還不如雇傭人工采摘果實(shí)效率高，那么水果采摘機(jī)器人的使用也就沒有了意義。而且定位和識別成熟的果實(shí)，也有外在的因素的影響，比如，光線的影響，陰天的光照不足，會影響水果采摘機(jī)器人的識別系統(tǒng)，給成熟果實(shí)的識別和定位帶來很大的難度。再比如，果樹樹葉可能會遮擋果實(shí)，也會給水果采摘機(jī)器人的工作帶來一定的影響。不損害水果的果實(shí)和植株，也是影響水果采摘機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)難點(diǎn)，水果采摘機(jī)器人在行走和采摘水果的過程中，不能損壞果實(shí)，同時(shí)，也不能損害果樹的植株。將水果采摘下來之后，還必須要處理斷口，不能導(dǎo)致斷口的感染，這就需要人們對于采摘水果時(shí)的切割方法進(jìn)行改進(jìn)，使其不對斷口造成感染，而高溫切割可能會是一種比較好的方式方法。面對這些問題需要人們進(jìn)一步對機(jī)器人探索研究改良，才有可能使機(jī)器人采摘在未來中投入使用。

4 新型水果采摘裝置的發(fā)展趨勢

由于水果采摘機(jī)器人所存在的問題還很多，所以，在短時(shí)間里，水果采摘機(jī)器人是不會投入生產(chǎn)使用的，而且新型水果采摘裝置主流發(fā)展是水果的機(jī)械采摘是多種功能的，不但能夠采摘果實(shí)，還能實(shí)現(xiàn)其他的功能，比如可以達(dá)到修剪枝條、耕地、施用肥料等等功能一體化，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，減少了購買多種設(shè)備所需要的資金，從而節(jié)省了一筆不小的開支。機(jī)械采摘的另一個(gè)發(fā)展方向是，盡量達(dá)到水果的采摘和水果的運(yùn)輸相結(jié)合起來，大多數(shù)的果園坡都比較的陡峭，往外運(yùn)輸水果十分的不方便，使用人工的運(yùn)輸，勞動的強(qiáng)度大不說，運(yùn)輸?shù)男蕵O低，人工成本高，所以研究一款省時(shí)省力的運(yùn)輸機(jī)械是十分有前景的。機(jī)械采摘水果還需要操作簡單，不需要專門的技術(shù)人員來進(jìn)行操作，使得普通的農(nóng)民朋友就可以操作，并且可行性好。而對于水果采摘機(jī)器人而言，可以朝著以下幾點(diǎn)發(fā)展，首先開發(fā)自由度更高的機(jī)械手臂，按照仿生原理設(shè)計(jì)，模擬人的手臂，使其更加的靈活可操作，采摘時(shí)不破壞水果。其次開發(fā)成本較低的水果采摘機(jī)器人，高昂的成本決定高昂的定價(jià)，導(dǎo)致銷路太窄，盡可能降低生產(chǎn)成本，才能使水果采摘機(jī)器人普及化。最后研發(fā)更精準(zhǔn)的視覺識別定位系統(tǒng)，利用精準(zhǔn)的成像技術(shù)，更加快速和精準(zhǔn)的識別定位成熟水果，增加采摘的速度，提高采摘的效率。

5 結(jié)束語

新型的水果采摘裝置是隨著科技的發(fā)展而產(chǎn)生的產(chǎn)物，用于代替人工的采摘。機(jī)械采摘和機(jī)器人采摘兩種方式各自有各自的優(yōu)勢，比起人工采摘來說不僅可以提高采摘效率，還能減少采摘過程中的損失。兩種采摘方式都是十分有發(fā)展前景的，但這就需要我們進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，對機(jī)械采摘和機(jī)器人采摘進(jìn)行完善，相信在未來，新型水果采摘裝置必將能取代人工采摘。

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