張西順 劉迪迪 鄭鐸 李彩霞

【摘要】隨著新型農(nóng)業(yè)的不斷推廣和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中強(qiáng)有力的主力軍，并促進(jìn)機(jī)械裝備向智能化方向發(fā)展。為此，智能化水果采摘機(jī)將先進(jìn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)與機(jī)械設(shè)備的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的采摘、分類、裝箱、運(yùn)輸?shù)纫幌盗泄ぷ?，避免了水果采摘時(shí)因人員不足帶來的損失，并且提高了水果的采摘效率，在水果產(chǎn)業(yè)中具有良好的發(fā)展前景和應(yīng)用價(jià)值[1]。

【關(guān)鍵詞】水果采摘;智能化;效率高

Abstract：with the extension of new agriculture and the development of technology，agricultural robots are gradually being used in every area of the agriculture product.These robots are becoming more and more important in the agricultural field and are promoting the machinery and equipment to the intelligent direction.Based on this background ，the intelligent fruit picker which is the perfect combination of the auto-control system and the machinery equipment can finish all the work such as the picking、classification 、packing and the transportation.These functions can avoid the loss of the labor lack and improve the picking efficiency.As the result of the technological development，the intelligent fruit picker has a bright future and practical value.

Keywords：fruit picking;intelligence;high efficiency

引言

在水果種植產(chǎn)業(yè)中，水果采摘大約占到整個(gè)產(chǎn)業(yè)工作量的50%，由于水果采摘過程中的復(fù)雜性，大部分水果產(chǎn)業(yè)區(qū)在水果采摘時(shí)依然以手工作業(yè)為主。雖然有些地區(qū)采用機(jī)械化作業(yè)，但其自動(dòng)化生產(chǎn)水平依然較低，不能滿足產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求。水果作為時(shí)令性農(nóng)業(yè)產(chǎn)品，目前在采摘過程中需要大量的勞動(dòng)力，隨著我國(guó)老齡化程度的不斷加深，農(nóng)村勞動(dòng)力不斷減少，生產(chǎn)成本不斷提高，限制了整個(gè)水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步以及自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，智能化水果采摘機(jī)的出現(xiàn)解決目前水果種植行業(yè)面臨的困境。其利用智能化的生產(chǎn)方式在水果采摘過程中降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度以及生產(chǎn)成本，并根據(jù)水果直徑直接在采摘過程中對(duì)水果進(jìn)行分類，可以有效地增加整個(gè)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)效率，符合水果產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的需求。智能化采摘機(jī)在水果產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用可以保證水果適時(shí)采摘、提高水果質(zhì)量具有重要意義，并且隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程中，智能化采摘機(jī)具有廣闊的市場(chǎng)前景[2]。

1.總體設(shè)計(jì)方案

智能化水果采摘機(jī)主要有機(jī)械裝備和控制系統(tǒng)2部分組成。其中機(jī)械裝備包括：運(yùn)輸車輛、水果采摘機(jī)構(gòu)、水果收集機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)則包括：控制終端、傳感裝置與視覺系統(tǒng)。機(jī)械裝備與控制系統(tǒng)在采摘水果過程中相互協(xié)作，共同完成水果的識(shí)別、采摘、分類、裝箱等過程，直接在水果采摘過程中實(shí)現(xiàn)機(jī)械的智能化生產(chǎn)。其整體效果圖如圖1所示。

圖1 整體效果圖

注：1.伸縮立柱;2.旋轉(zhuǎn)盤;3.采摘伸展臂;4.采摘機(jī)械手;5.水果手機(jī)伸展臂;6.水果收集箱;7.水果傳送帶;8.運(yùn)輸車;9.伸展臂承載板。

1.1 運(yùn)輸車輛

智能化水果采摘機(jī)以運(yùn)輸車輛作為主要機(jī)械承重機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程中突破了目前世界上現(xiàn)有水果采摘機(jī)只采不運(yùn)的缺陷。將運(yùn)輸車輛直接應(yīng)用到采摘機(jī)的主體機(jī)構(gòu)中，既滿足了運(yùn)輸水果的作用，也可以作為采摘機(jī)構(gòu)中的支撐平臺(tái)節(jié)約了占地空間。車廂設(shè)計(jì)過程中在傳統(tǒng)農(nóng)用車輛的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，將車廂分隔成兩個(gè)不同的區(qū)域，可以在水果分類后根據(jù)水果直徑的不同將果箱放在不同區(qū)域。

1.2 水果采摘機(jī)構(gòu)

智能化水果采摘機(jī)的采摘機(jī)構(gòu)如圖2所示。采摘機(jī)構(gòu)將采用多關(guān)節(jié)與機(jī)械手的配合，更加靈活的工作在茂密的果樹中，達(dá)到精細(xì)化作業(yè)的目標(biāo)。

1）多關(guān)節(jié)伸展在果園中工作時(shí)能夠更有效的避開樹枝的阻礙，輕松地到達(dá)水果所在的位置。每節(jié)伸展臂都利用液壓傳動(dòng)裝置進(jìn)行伸縮，可以在一個(gè)平面內(nèi)繞鏈接部分旋轉(zhuǎn)180度，能夠滿足不同角度的采摘，并且借助多關(guān)節(jié)伸縮更好的去實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與水果距離的控制，以此實(shí)現(xiàn)水果采摘時(shí)的準(zhǔn)確、高效的目的。

2）根據(jù)多次模擬測(cè)試，在機(jī)械手設(shè)計(jì)過程中留有一定余量，可以在一條直線上自由伸縮，防止伸展臂的局限性不能使機(jī)械手到達(dá)指定位置，實(shí)現(xiàn)了采摘機(jī)的精細(xì)化作業(yè)。機(jī)械手端部模擬仿生手的結(jié)構(gòu)，多個(gè)夾持模塊同時(shí)對(duì)水果受力，避免因一部分受力不足或過大造成水果表面的破壞。并且利用數(shù)學(xué)建模的方式對(duì)不同水果進(jìn)行受力模擬，得到夾持水果時(shí)受壓的最大值，以此來提高采摘水果的質(zhì)量。

機(jī)械手根據(jù)不同水果類型可進(jìn)行換置，在不同時(shí)間對(duì)多種水果進(jìn)行采摘，避免因水果的季節(jié)性問題造成采摘機(jī)的閑置，從而提高了采摘機(jī)的利用率，并使采摘機(jī)具有較高的靈活性和通用性。

實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程中的自動(dòng)化作業(yè)，可以在作業(yè)過程中源源不斷的供料。以此來減少工人在工作過程中復(fù)雜化、高強(qiáng)度的勞動(dòng)過程。

圖2 采摘機(jī)構(gòu)示意圖

1.3 水果的收集機(jī)構(gòu)

智能化水果采摘機(jī)的收集機(jī)構(gòu)如圖3所示。收集臂采用液壓傳動(dòng)將多節(jié)機(jī)械臂自由伸縮，有效控制機(jī)械臂的伸縮距離，自由控制收集箱在空間中所在的位置。在收集臂中仍然采用三節(jié)機(jī)械臂的伸縮方式，其中第一節(jié)直接固定在旋轉(zhuǎn)盤上，能夠滿足機(jī)械臂在空間中自由旋轉(zhuǎn)，各機(jī)械臂根據(jù)水果收集箱距離機(jī)械手的距離，合理伸縮各節(jié)的長(zhǎng)度，保持采摘水果時(shí)收集箱時(shí)刻處于機(jī)械手下方，方便水果的放置。

收集箱采用兩個(gè)不同的放置區(qū)域，在機(jī)械手對(duì)水果進(jìn)行分類后根據(jù)程序的控制，將分類好的水果按照其直徑大小放置在兩個(gè)不同的箱子中。機(jī)械手和收集箱的有效結(jié)合可以直接在采摘水果時(shí)根據(jù)直徑大小對(duì)水果進(jìn)行分類，減輕了果農(nóng)后期因挑選水果帶來的勞動(dòng)強(qiáng)度[3]。

圖3 水果收集機(jī)構(gòu)

1.4 控制終端

控制終端作為采摘機(jī)的核心控制部分[4]，在對(duì)信號(hào)處理過程中對(duì)傳輸過來的信息進(jìn)行識(shí)別、分析來判斷出信號(hào)是否為所需要的信號(hào)，直接根據(jù)程序篩選出采摘機(jī)需要的信號(hào)，提高了控制終端控制機(jī)器工作的效率，如圖4所示。

圖4 控制終端流程圖

1.5 傳感裝置與視覺系統(tǒng)

1）傳感裝置

目前我國(guó)加大多數(shù)果農(nóng)在對(duì)水果分類過程中較大程度的依賴于人工，使果農(nóng)勞動(dòng)強(qiáng)度增加并且不能在水果分類過程中不能進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，智能化采摘機(jī)對(duì)水果進(jìn)行分類的過程中解決了目前果農(nóng)所面臨的這一系列問題。實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)智能化分類主要依賴于光電傳感器在機(jī)器中的應(yīng)用，它可以根據(jù)水果的大小來收集信號(hào)，直接傳入到控制終端對(duì)信號(hào)處理并控制機(jī)械手將水果放置于不同的收集箱中，輕松實(shí)現(xiàn)了對(duì)水果的分類。

2）視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)在采摘機(jī)中作為重要的組成部分，采摘機(jī)利用雙目視覺系統(tǒng)對(duì)水果進(jìn)行識(shí)別、定位，可以輕松地獲取水果的精確位置以及水果周圍的環(huán)境，并結(jié)合控制終端的圖像模擬系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有圖像進(jìn)行處理?？刂平K端將處理后的圖像得到水果三維空間位置以及周圍復(fù)雜的環(huán)境的數(shù)字化程序，結(jié)合所需要的算法對(duì)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行分析，確定最短的路徑以及避開周圍的障礙，對(duì)水果進(jìn)行精確采摘 [5]。

2.工作原理及產(chǎn)品特點(diǎn)

2.1 工作原理

采摘機(jī)在工作工程中利用端部的視覺系統(tǒng)與感應(yīng)裝置收集工作過程中一系列信息，將信號(hào)傳輸?shù)娇刂平K端中進(jìn)行分析，得到分析結(jié)果后根據(jù)一定算法得到工作方案并輸出信號(hào)到機(jī)械部分，直接對(duì)機(jī)械各部分進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)了水果從識(shí)別、采摘、分類、裝箱等全過程的智能化生產(chǎn)。采摘機(jī)還運(yùn)用信息反饋系統(tǒng)在工作過程實(shí)時(shí)收集信息，控制終端將采集到的實(shí)時(shí)信息與設(shè)計(jì)的工作方案進(jìn)行對(duì)比，并不斷進(jìn)行校正操作過程以達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

2.2 產(chǎn)品特點(diǎn)

1）先進(jìn)的傳感裝置與視覺系統(tǒng)對(duì)水果具有有效檢測(cè)以及對(duì)水果位置精（下轉(zhuǎn)第166頁(yè)）（上接第164頁(yè)）確定位，有助于整個(gè)采摘過程智能化作業(yè)的實(shí)施。

2）采摘機(jī)將控制系統(tǒng)、采摘裝備以及運(yùn)輸車輛一體化的設(shè)計(jì)方案節(jié)約了工作空間，更方便于不同區(qū)域的水果采摘。

3）在水果采摘過程中直接依據(jù)水果大小進(jìn)行分類，減輕了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4）機(jī)械手可以根據(jù)水果的種類不同進(jìn)行換置，方便在不同季節(jié)采摘多種水果，具有較好的通用性，使采摘機(jī)實(shí)現(xiàn)多重利用。

3.總結(jié)

智能化水果采摘機(jī)將控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了水果的智能化作業(yè)，可以滿足工作過程中對(duì)水果的識(shí)別、采摘、分類、裝箱等一系列過程，并結(jié)合機(jī)械手的可更換性來實(shí)現(xiàn)對(duì)多種水果進(jìn)行采摘。解決了水果種植行業(yè)因水果采摘季節(jié)性強(qiáng)造成采摘人員不足、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，該產(chǎn)品的研究與開發(fā)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證水果品質(zhì)都具有重要意義。隨著采摘機(jī)的不斷發(fā)展以及采摘技術(shù)越來越成熟，它將會(huì)逐漸普遍適用于現(xiàn)代水果產(chǎn)業(yè)中，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水果種植行業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張西順（1990—），男，山東菏澤人，大學(xué)本科。