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水果采摘裝置中的機械采摘與機器人采摘

時間:2018-11-01 來源:科技創新與應用 作者:王杰,閆肖肖 本文字數:3639字

  摘    要: 中國地大物博, 各類水果物產很豐富。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的損傷, 從而造成經濟上的損失。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械采摘和機器人采摘。文章就新型的水果采摘裝置進行了研究和設計。

  關鍵詞: 水果采摘; 新型裝置; 機械采摘; 機器人采摘;
 

水果采摘裝置中的機械采摘與機器人采摘
 

  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;

  當今社會, 科技不斷地在進步, 新型水果采摘裝置的出現時順應時代的發展, 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械采摘和機器人采摘, 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

  傳統的人工水果采摘存在許多的問題, 大致有以下幾點。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, 而且工作一段時間之后, 采摘人員會十分的疲憊, 造成采摘速度進一步的減慢。采摘人員的身體素質很大程度的影響采摘的效率;第二點, 容易造成果實的損傷。人員采摘的過程中, 如果不注意, 可能會磕碰到果實, 損壞果實的外形, 損壞的果實將會影響出售, 造成經濟上的損失;第三點, 需要的勞動力過多。在水果成熟的季節, 由于水果的季節性很強, 這就需要及時的將成熟果實采摘下來, 巨大的工作量, 就需要雇傭很多的勞動力, 致使經濟成本的增加。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計應該引起我們的重視。

  2、 新型水果采摘裝置中的機械采摘

  2.1、 機械采摘的分類

  機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先搭好的棚架所接住。這種方法缺點是會對果樹造成一定的損傷, 有可能影響果樹來年的結果。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。陣搖式指借助機械的外力作用, 使果樹產生搖晃, 給水果一個加速度, 使水果從果柄上脫落下來。

  2.2、 機械采摘的現狀

  水果的機械采摘是從二十世紀七十年代開始進行研究的, 剛開始研究的手持式電動采果器, 雖然是借助了電動機械的作用, 但是最主要的還是要人工的輔助才能使用, 結合人工和機械, 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點的, 可以利用機器的夾鉗, 先將水果的果柄夾住, 然后將水果剪下來, 可以保護果實不受損傷, 而到了二十世紀九十年代, 簡易采摘器已經十分成熟了, 并且還研發出了輔助型的器械, 比如, 升降平臺, 氣動的剪枝器等。

  3、 新型水果采摘裝置的機器人采摘

  3.1、 機器人采摘的技術原理

  水果采摘的機器人一般是由五個部分組成的, 分別是, 機械手臂, 末端執行器, 視覺識別裝置, 行走裝置, 中心控制系統。水果采摘機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, 根據成熟果實的顏色, 識別是否為成熟的果實, 識別之后, 通過行走裝置移動到目標點, 行走裝置是具有四個輪子, 可以在果園內部隨意的移動, 再使用末端執行器將果實抓住, 吸緊, 末端執行器是有果實啟動吸嘴和橡膠材質的手指組成的。最后一步, 是利用機械手臂中的腕關節的旋轉, 來將果實擰下來, 可以做到成功的擰下果實但是不會損傷。其中, 視覺識別系統, 利用了視覺雙目系統技術, 這種技術是模仿人的眼球如何來觀察物體, 兩臺攝像機分隔了一定的距離, 兩臺攝像機分別進行獲取圖像, 再對兩個圖像的差異進行比較, 利用三角測距的方法來得到果實位置。視覺雙目系統技術最大的優點是成本很低, 而且成像的速度較快, 目前得到了較為廣泛的應用。末端執行器是利用了仿生學的作用, 模仿了人的手指, 能夠將果實牢牢地抓住。行走裝置一般是采用車輪式的行走裝置, 這種裝置行走的時候, 轉彎的半徑比較小, 所以在轉彎時就會很穩定, 不容易發生側翻, 轉向靈活。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、 機器人采摘的發展難點

  水果采摘機器人發展的難點有很大的一部分在于如何識別和定位成熟的果實。果實的識別和定位關系到水果采摘機器人的采摘效率。尋找和識別成熟的果實要是浪費了太多的時間, 會大大的降低采摘效率, 這樣一來, 使用機器人可能還不如雇傭人工采摘果實效率高, 那么水果采摘機器人的使用也就沒有了意義。而且定位和識別成熟的果實, 也有外在的因素的影響, 比如, 光線的影響, 陰天的光照不足, 會影響水果采摘機器人的識別系統, 給成熟果實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, 也會給水果采摘機器人的工作帶來一定的影響。不損害水果的果實和植株, 也是影響水果采摘機器人發展的一個難點, 水果采摘機器人在行走和采摘水果的過程中, 不能損壞果實, 同時, 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, 不能導致斷口的感染, 這就需要人們對于采摘水果時的切割方法進行改進, 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一步對機器人探索研究改良, 才有可能使機器人采摘在未來中投入使用。

  4、 新型水果采摘裝置的發展趨勢

  由于水果采摘機器人所存在的問題還很多, 所以, 在短時間里, 水果采摘機器人是不會投入生產使用的, 而且新型水果采摘裝置主流發展是水果的機械采摘是多種功能的, 不但能夠采摘果實, 還能實現其他的功能, 比如可以達到修剪枝條、耕地、施用肥料等等功能一體化, 實現一機多用, 減少了購買多種設備所需要的資金, 從而節省了一筆不小的開支。機械采摘的另一個發展方向是, 盡量達到水果的采摘和水果的運輸相結合起來, 大多數的果園坡都比較的陡峭, 往外運輸水果十分的不方便, 使用人工的運輸, 勞動的強度大不說, 運輸的效率極低, 人工成本高, 所以研究一款省時省力的運輸機械是十分有前景的。機械采摘水果還需要操作簡單, 不需要專門的技術人員來進行操作, 使得普通的農民朋友就可以操作, 并且可行性好。而對于水果采摘機器人而言, 可以朝著以下幾點發展, 首先開發自由度更高的機械手臂, 按照仿生原理設計, 模擬人的手臂, 使其更加的靈活可操作, 采摘時不破壞水果。其次開發成本較低的水果采摘機器人, 高昂的成本決定高昂的定價, 導致銷路太窄, 盡可能降低生產成本, 才能使水果采摘機器人普及化。最后研發更精準的視覺識別定位系統, 利用精準的成像技術, 更加快速和精準的識別定位成熟水果, 增加采摘的速度, 提高采摘的效率。

  5、 結束語

  新型的水果采摘裝置是隨著科技的發展而產生的產物, 用于代替人工的采摘。機械采摘和機器人采摘兩種方式各自有各自的優勢, 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展前景的, 但這就需要我們進行合理的設計, 對機械采摘和機器人采摘進行完善, 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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