水果采摘裝置設(shè)計(jì)

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1、水果采摘裝置設(shè)計(jì)0文獻(xiàn)綜述0.1水果采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的必然趨勢(shì)在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是整個(gè)生產(chǎn)中最耗時(shí)最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。水果收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的儲(chǔ)存、加工和銷售，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益。水果收獲具有很強(qiáng)的時(shí)效性，屬于典型的勞動(dòng)密集型的工作。但是由于采摘作業(yè)環(huán)境和操作的復(fù)雜性，水果采摘的自動(dòng)化程度仍然很低，目前國內(nèi)水果的采摘作業(yè)基本上還是手工完成。在很多國家隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)力不僅成本高，而且還越來

2、越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達(dá)33%~50%。高枝水果的采摘還帶有一定的危險(xiǎn)性。因此實(shí)現(xiàn)水果收獲的的機(jī)械化變得越來越迫切，發(fā)展機(jī)械化的收獲技術(shù)，研究開發(fā)水果采摘機(jī)器人具有重要的意義。研究和開發(fā)果蔬收獲的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著重要的意義。采摘機(jī)器人是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)

3、法》還明確規(guī)定國家采取措施鼓勵(lì)，扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。0.2國外水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀水果的機(jī)械化收獲技術(shù)已有40余年的研究歷史。收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代的美國，1968年美國學(xué)者Schertz和Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬的收獲，當(dāng)時(shí)開發(fā)的收獲機(jī)器人樣機(jī)幾乎都需要有人的參與，因此只能算是半自動(dòng)化的收獲機(jī)械。采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。從20

4、世紀(jì)80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家，包括美國、英國、法國、荷蘭、以色列、西班牙等國家，都在水果采摘機(jī)器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對(duì)象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人。應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行水果的自動(dòng)化收獲得到了快速的發(fā)展。法國是研究果蔬采摘機(jī)器人較早的國家之一，但由于技術(shù)、市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響，甜橙和蘋果采摘機(jī)器人已經(jīng)停產(chǎn)

5、，采摘機(jī)器人的研究工作基本陷于停頓。美國在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個(gè)很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。日本近年來開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目，進(jìn)展很快，但還未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在很多國家的前面，但研究的果蔬種類并不多。0.3我國水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展我國的國家專利中有上百種的水果采摘器，包括機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式的果品采摘器，其中有的實(shí)現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實(shí)現(xiàn)全方位的水果采摘。不過目前市場(chǎng)上商品化的采摘器品種還比較單一，且價(jià)格昂貴操作

6、不便。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家起步較晚，果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段。目前我國不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，它主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā)。0.4水果機(jī)械化采摘裝置發(fā)展方向雖然水果

7、的機(jī)械化作業(yè)最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代，但由于簡(jiǎn)單的機(jī)械收獲易造成果蔬損傷，因此在收獲柔軟新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性而且果蔬收獲往往需要有選擇性地進(jìn)行，此外市場(chǎng)對(duì)果蔬的新鮮度也有很高的要求，這就要求果蔬的收獲要有很高的時(shí)效性。因此，在果蔬收獲中采用機(jī)器人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)果蔬收獲的自動(dòng)化和智能化，是解決上述問題的最好方式。采摘水果的機(jī)器人有他自身的特點(diǎn):它們一般是在室外工作，作業(yè)環(huán)境較差，但是在精度上卻沒有工業(yè)機(jī)器人那樣要求高。果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的專門

8、的技術(shù)人員。因此要求果蔬采摘機(jī)器人操作技術(shù)不能太復(fù)雜，必須具有很高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。另外，水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價(jià)格不能太高，否則會(huì)就很難普及。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的水果采摘機(jī)器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟果實(shí)，并且能引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的接近目標(biāo);②研制靈巧的、不傷果實(shí)的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器;③采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)田間的復(fù)雜環(huán)境;④視覺系統(tǒng)要迅速識(shí)別定位果實(shí)，控制系統(tǒng)和機(jī)