張寶鈺 劉智威 劉佳旭

摘 ?要：對于我國水果采摘大多時(shí)候依舊采用人力，采摘效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。隨著科技的發(fā)展，新興的水果采摘機(jī)械裝置將代替人工采摘，大大提高采摘效率。國內(nèi)對于水果采摘的研究相較于國外還有一定的差距。國外在水果采摘方面有較多的研究成果，且加入許多先進(jìn)的采摘成像技術(shù)，使采摘更加便捷。我國水果采摘裝置致力于機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置，多功能水果采摘機(jī)械裝置集采摘、修剪、運(yùn)輸，噴藥等集于一體。我國也大力支持農(nóng)業(yè)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和院校在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展方面加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)研究所以在水果采摘機(jī)械化方面具有非常好的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：采摘;機(jī)械;高效;便捷

進(jìn)入21世紀(jì)之后，中國逐漸進(jìn)入現(xiàn)代化的社會(huì)進(jìn)程。各種新興機(jī)械逐漸代替原始勞動(dòng)力，在中國現(xiàn)代化的進(jìn)程中，逐漸產(chǎn)生了其他行業(yè)。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，其中水果產(chǎn)業(yè)也是農(nóng)業(yè)中的一部分，水果種植除了前期的栽培直至到長出果實(shí)以外，最重要的后期的還是采摘過程。

在水果采摘方面，農(nóng)民們采摘水果還存在許多弊端。采摘水果時(shí)存在大量的人力物力。且人力采摘占據(jù)采摘作業(yè)的主導(dǎo)地位，采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，浪費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)機(jī)器采摘實(shí)施的范圍比較小。當(dāng)然，就算是人工采摘，當(dāng)采摘高空水果具有各種不安全的因素，由于地形的影響，果樹高度都會(huì)加重采摘作業(yè)的困難度。我國進(jìn)入21世紀(jì)之后，科技水平不斷提高，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化機(jī)械化水平不斷提高。采用新型的便攜式水果采集裝置在未來的新興市場推廣中產(chǎn)生可能?？梢源蟠筇岣卟烧剩@樣不僅解放了農(nóng)村勞動(dòng)力，而且更加方便快捷。隨著科技的發(fā)展，國外在水果采摘方面具有發(fā)達(dá)的先進(jìn)水平。且成果顯著，但是受各種因素影響，關(guān)于水果采摘方面的研究基本停滯不前。中國對于水果采摘方面的研究較晚，所以研究成果較少，對于一般的水果采摘機(jī)價(jià)格昂貴，體型龐大，使用復(fù)雜，很多地方果農(nóng)負(fù)擔(dān)不起導(dǎo)致無法普遍使用，因此現(xiàn)行的水果采摘方面還大部分屬于人工采摘，大大降低采摘效率，且采摘時(shí)間長，果農(nóng)在長時(shí)間采摘水果時(shí)容易產(chǎn)生疲勞，存在不安全因素，所以在水果采摘研究方面具有重大意義。

各個(gè)國家在水果采摘方面都有一定的研究成果，因電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，在水果采摘中加入計(jì)算機(jī)成像技術(shù)，單片機(jī)等先進(jìn)的電子技術(shù)，機(jī)電一體化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)很好的采摘效果，采摘部分可以精確的定位到水果摘取部位。在水果采摘機(jī)器人方面更是具有大量的研究成果，因成本較高，價(jià)格昂貴，并沒有大批量的生產(chǎn)商業(yè)化。

中國的水果采摘任務(wù)量大，是全球前列的水果生產(chǎn)國，2008年中國的水果總產(chǎn)出約占世界總產(chǎn)量的14%，水果種植業(yè)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)了水果采摘機(jī)械市場的發(fā)展。

國外的機(jī)械采摘中，剛開始都是研發(fā)出簡單的機(jī)械手，例如1883年美國研制出采摘西紅柿的機(jī)械手，這也是世界上的第一臺(tái)機(jī)械手，在1987年研制出了采摘柑橘的機(jī)械手。后來韓國在1998年研制出了采摘蘋果的機(jī)械手，它是利用傳感器來識(shí)別果實(shí)成熟度從而進(jìn)行采摘工作，該裝置運(yùn)動(dòng)比較靈敏。到后面，對于一些簡單的采摘機(jī)器，法國率先研制出簡易的水果采摘器，之后美國開始在振動(dòng)式機(jī)械采摘中開始研究，用來采摘桃，杏子等小型水果。到二十世紀(jì)五十年代中期，關(guān)于振搖式水果采摘機(jī)械在歐美國家得到了普遍應(yīng)用，振搖式采摘機(jī)械在之后的十年里也進(jìn)行的結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，由單一的定沖程推搖機(jī)到氣動(dòng)振搖機(jī)，產(chǎn)生了多種類型的水果采摘機(jī)械。日本也是在農(nóng)業(yè)機(jī)器人上研究比較全面的一個(gè)國家。研制出的噴農(nóng)藥機(jī)器人通過傳感器使其自動(dòng)噴灑;研制的嫁接機(jī)器人可以讓嫁接速度大大提升;還有研制出的施肥機(jī)器人，四個(gè)超窄輪子用橡膠制成，可以在比較狹窄的作物之間來回自由行走，完成施肥的任務(wù);當(dāng)然日本也研制了很多采摘水果的機(jī)器人，例如采摘西紅柿，葡萄，柑橘，草莓等。雖然各種采摘機(jī)械都得到了一定的發(fā)展和推廣應(yīng)用，但是隨著科技的迅速發(fā)展，國外對水果采摘機(jī)械的研究轉(zhuǎn)向了采摘機(jī)器人方面，這種采摘機(jī)器人可以更加精準(zhǔn)的找尋到水果位置，且動(dòng)作迅速，效率高。歷經(jīng)二十多年的研究，西方各個(gè)國家基本上都實(shí)現(xiàn)了多種采摘機(jī)器人采摘試驗(yàn)。采摘機(jī)器人是以機(jī)械臂，執(zhí)行裝置，識(shí)別系統(tǒng)，行走裝置四大部分組成，主要是以機(jī)械臂來進(jìn)行主要采摘工作，機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)，最后實(shí)現(xiàn)抓取果實(shí)的作用，但機(jī)械臂自由度越多，控制系統(tǒng)越復(fù)雜。

在執(zhí)行裝置中，執(zhí)行器結(jié)構(gòu)取決于采摘水果的特性，形狀，摘取方式有多種，一般最常見的是利用機(jī)械臂的剪刀來剪短果實(shí)，或者用機(jī)械爪來擰斷果柄。接下來是行走裝置，一般分為三種，分別是車輪式，履帶式和仿人式。最長見的是車輪式，顧名思義，這種行走方式方便，轉(zhuǎn)向靈活多變，但是不適用于地形復(fù)雜的地區(qū)，對于類似陡坡的復(fù)雜地形，車輪式行走就沒有優(yōu)勢，反應(yīng)到機(jī)械臂上會(huì)影響采摘運(yùn)動(dòng)精度。相反的是履帶式行走裝置克服地形復(fù)雜的情況，對地面適應(yīng)能力強(qiáng)，但是運(yùn)動(dòng)僵硬，轉(zhuǎn)向不靈活。識(shí)別系統(tǒng)主要用于水果的識(shí)別及定位。國外在采摘機(jī)器人上用攝像頭和圖像處理器實(shí)現(xiàn)的視覺識(shí)別系統(tǒng)取得了不錯(cuò)的采摘成果。針對目前的采摘機(jī)器人，我認(rèn)為在許多方面都有待提高，采摘機(jī)器人還沒有達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，實(shí)用性較差，且主要問題在于采摘機(jī)器人靈活性不足以適應(yīng)果實(shí)采摘多變的工作環(huán)境。對果實(shí)的損傷率較高，制作成本高。在水果采摘機(jī)器人方面需要改進(jìn)識(shí)別定位系統(tǒng)，提高果實(shí)精準(zhǔn)定位，設(shè)計(jì)更加適合的機(jī)械臂，以減少果實(shí)的采摘損傷率。

國內(nèi)的水果采摘方面致力于機(jī)械式采摘，大多數(shù)都是以機(jī)械裝置來完成水果采摘任務(wù)。在上個(gè)世紀(jì)八十年代，我國已經(jīng)開始研制出切割式水果采摘器，果農(nóng)也從人工剪刀采摘轉(zhuǎn)換成使用機(jī)械水果采摘裝置。人工剪枝采摘器利用夾口上面的刀刃和下方的鉗口將果柄先鉗住再進(jìn)行剪切。還有電機(jī)式水果采摘器，利用旋轉(zhuǎn)刀片將果柄以往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割。隨著人口老齡化和農(nóng)村勞動(dòng)力的逐漸減少，多功能性的機(jī)械采摘裝置與單一水果采摘機(jī)械裝置相比，集成水果采摘裝置更具有競爭優(yōu)勢。多功能水果采摘機(jī)械裝置集采摘、修剪、運(yùn)輸，噴藥等集于一體，這種多功能的水果采摘機(jī)械裝置不能過于復(fù)雜，最終操作者是知識(shí)水平不高的普通農(nóng)民，他們必須順利的操作機(jī)械裝置，才可以完成采摘、修剪等任務(wù)。而且水果采摘裝置必須具有很高的可靠性，價(jià)格方面應(yīng)該更加考慮農(nóng)民可接受的預(yù)期。中國在農(nóng)業(yè)機(jī)械化方面也是采取措施，鼓勵(lì)和支持農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開發(fā)新產(chǎn)品，新技術(shù)。讓農(nóng)業(yè)機(jī)械化逐漸取代人工作業(yè)，我國也大力支持農(nóng)業(yè)有關(guān)科研機(jī)構(gòu)和院校在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展方面加強(qiáng)科學(xué)技術(shù)研究所以在水果采摘機(jī)械化方面具有非常好的發(fā)展趨勢。

針對水果采摘中采摘的勞動(dòng)工作量大，作業(yè)范圍廣即水果分布高低不均，觸碰力度要求較高，果實(shí)較易碰傷以及采摘季節(jié)差異較大即果實(shí)成熟期不同等諸多問題，然后開展設(shè)計(jì)人工水果采摘輔助及收集裝置主要目標(biāo)是提高水果采摘效率，降低水果采摘成本，保障水果成品質(zhì)量。水果采摘裝置還應(yīng)切實(shí)地適應(yīng)采摘環(huán)境，可以根據(jù)果樹高度，果實(shí)大小來調(diào)整裝置。在現(xiàn)代的技術(shù)中，應(yīng)利用機(jī)電一體化來進(jìn)行水果采摘裝置設(shè)計(jì)。不僅提高水果采摘效率，更加方便解決果農(nóng)采摘出現(xiàn)的各種問題。

對于設(shè)計(jì)的便攜式的水果采摘裝置來說，裝置整體小巧易放置，在保證采摘效率的優(yōu)勢，同時(shí)也大大縮短了放置果實(shí)的工作時(shí)間，而且其中收集背包設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)一次性收集數(shù)量較多的果實(shí)，然后等背包滿后一次性倒出，實(shí)現(xiàn)有效的提高采摘效率。況且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，因此大多數(shù)的果農(nóng)在價(jià)格上可以負(fù)擔(dān)的起，這樣就可以加大普及的可能性。該裝置環(huán)保節(jié)能，具有很好的發(fā)展前景。