智能化水果采摘機的研究與開發

張西順 劉迪迪 鄭鐸 李彩霞

【摘要】隨著新型農業的不斷推廣和科學技術的不斷進步，農業機器人已逐步應用到農業生產的各個領域，成為農業生產中強有力的主力軍，并促進機械裝備向智能化方向發展。為此，智能化水果采摘機將先進的自動控制系統與機械設備的有效結合，實現對水果的采摘、分類、裝箱、運輸等一系列工作，避免了水果采摘時因人員不足帶來的損失，并且提高了水果的采摘效率，在水果產業中具有良好的發展前景和應用價值[1]。

【關鍵詞】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

在水果種植產業中，水果采摘大約占到整個產業工作量的50%，由于水果采摘過程中的復雜性，大部分水果產業區在水果采摘時依然以手工作業為主。雖然有些地區采用機械化作業，但其自動化生產水平依然較低，不能滿足產業的發展需求。水果作為時令性農業產品，目前在采摘過程中需要大量的勞動力，隨著我國老齡化程度的不斷加深，農村勞動力不斷減少，生產成本不斷提高，限制了整個水果產業的發展[2]。

隨著計算機技術的不斷進步以及自動控制系統的發展，智能化水果采摘機的出現解決目前水果種植行業面臨的困境。其利用智能化的生產方式在水果采摘過程中降低果農的勞動強度以及生產成本，并根據水果直徑直接在采摘過程中對水果進行分類，可以有效地增加整個產業的生產效率，符合水果產業化發展的需求。智能化采摘機在水果產業中的應用可以保證水果適時采摘、提高水果質量具有重要意義，并且隨著農業向產業化發展的進程中，智能化采摘機具有廣闊的市場前景[2]。

1.總體設計方案

智能化水果采摘機主要有機械裝備和控制系統2部分組成。其中機械裝備包括：運輸車輛、水果采摘機構、水果收集機構，控制系統則包括：控制終端、傳感裝置與視覺系統。機械裝備與控制系統在采摘水果過程中相互協作，共同完成水果的識別、采摘、分類、裝箱等過程，直接在水果采摘過程中實現機械的智能化生產。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.旋轉盤;3.采摘伸展臂;4.采摘機械手;5.水果手機伸展臂;6.水果收集箱;7.水果傳送帶;8.運輸車;9.伸展臂承載板。

1.1 運輸車輛

智能化水果采摘機以運輸車輛作為主要機械承重機構，設計過程中突破了目前世界上現有水果采摘機只采不運的缺陷。將運輸車輛直接應用到采摘機的主體機構中，既滿足了運輸水果的作用，也可以作為采摘機構中的支撐平臺節約了占地空間。車廂設計過程中在傳統農用車輛的基礎上進行了改進，將車廂分隔成兩個不同的區域，可以在水果分類后根據水果直徑的不同將果箱放在不同區域。

1.2 水果采摘機構

智能化水果采摘機的采摘機構如圖2所示。采摘機構將采用多關節與機械手的配合，更加靈活的工作在茂密的果樹中，達到精細化作業的目標。

1）多關節伸展在果園中工作時能夠更有效的避開樹枝的阻礙，輕松地到達水果所在的位置。每節伸展臂都利用液壓傳動裝置進行伸縮，可以在一個平面內繞鏈接部分旋轉180度，能夠滿足不同角度的采摘，并且借助多關節伸縮更好的去實現機械手與水果距離的控制，以此實現水果采摘時的準確、高效的目的。

2）根據多次模擬測試，在機械手設計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械手到達指定位置，實現了采摘機的精細化作業。機械手端部模擬仿生手的結構，多個夾持模塊同時對水果受力，避免因一部分受力不足或過大造成水果表面的破壞。并且利用數學建模的方式對不同水果進行受力模擬，得到夾持水果時受壓的最大值，以此來提高采摘水果的質量。

機械手根據不同水果類型可進行換置，在不同時間對多種水果進行采摘，避免因水果的季節性問題造成采摘機的閑置，從而提高了采摘機的利用率，并使采摘機具有較高的靈活性和通用性。

實現整個過程中的自動化作業，可以在作業過程中源源不斷的供料。以此來減少工人在工作過程中復雜化、高強度的勞動過程。

圖2 采摘機構示意圖

1.3 水果的收集機構

智能化水果采摘機的收集機構如圖3所示。收集臂采用液壓傳動將多節機械臂自由伸縮，有效控制機械臂的伸縮距離，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機械臂的伸縮方式，其中第一節直接固定在旋轉盤上，能夠滿足機械臂在空間中自由旋轉，各機械臂根據水果收集箱距離機械手的距離，合理伸縮各節的長度，保持采摘水果時收集箱時刻處于機械手下方，方便水果的放置。

收集箱采用兩個不同的放置區域，在機械手對水果進行分類后根據程序的控制，將分類好的水果按照其直徑大小放置在兩個不同的箱子中。機械手和收集箱的有效結合可以直接在采摘水果時根據直徑大小對水果進行分類，減輕了果農后期因挑選水果帶來的勞動強度[3]。

圖3 水果收集機構

1.4 控制終端

控制終端作為采摘機的核心控制部分[4]，在對信號處理過程中對傳輸過來的信息進行識別、分析來判斷出信號是否為所需要的信號，直接根據程序篩選出采摘機需要的信號，提高了控制終端控制機器工作的效率，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

1）傳感裝置

目前我國加大多數果農在對水果分類過程中較大程度的依賴于人工，使果農勞動強度增加并且不能在水果分類過程中不能進行標準化生產，智能化采摘機對水果進行分類的過程中解決了目前果農所面臨的這一系列問題。實現采摘機智能化分類主要依賴于光電傳感器在機器中的應用，它可以根據水果的大小來收集信號，直接傳入到控制終端對信號處理并控制機械手將水果放置于不同的收集箱中，輕松實現了對水果的分類。

2）視覺系統

視覺系統在采摘機中作為重要的組成部分，采摘機利用雙目視覺系統對水果進行識別、定位，可以輕松地獲取水果的精確位置以及水果周圍的環境，并結合控制終端的圖像模擬系統對現有圖像進行處理。控制終端將處理后的圖像得到水果三維空間位置以及周圍復雜的環境的數字化程序，結合所需要的算法對機械手運動路徑進行分析，確定最短的路徑以及避開周圍的障礙，對水果進行精確采摘 [5]。

2.工作原理及產品特點

2.1 工作原理

采摘機在工作工程中利用端部的視覺系統與感應裝置收集工作過程中一系列信息，將信號傳輸到控制終端中進行分析，得到分析結果后根據一定算法得到工作方案并輸出信號到機械部分，直接對機械各部分進行智能化控制，實現了水果從識別、采摘、分類、裝箱等全過程的智能化生產。采摘機還運用信息反饋系統在工作過程實時收集信息，控制終端將采集到的實時信息與設計的工作方案進行對比，并不斷進行校正操作過程以達到最佳的工作狀態。

2.2 產品特點

1）先進的傳感裝置與視覺系統對水果具有有效檢測以及對水果位置精（下轉第166頁）（上接第164頁）確定位，有助于整個采摘過程智能化作業的實施。

2）采摘機將控制系統、采摘裝備以及運輸車輛一體化的設計方案節約了工作空間，更方便于不同區域的水果采摘。

3）在水果采摘過程中直接依據水果大小進行分類，減輕了果農的勞動強度。

4）機械手可以根據水果的種類不同進行換置，方便在不同季節采摘多種水果，具有較好的通用性，使采摘機實現多重利用。

3.總結

智能化水果采摘機將控制系統與機械系統的有效結合實現了水果的智能化作業，可以滿足工作過程中對水果的識別、采摘、分類、裝箱等一系列過程，并結合機械手的可更換性來實現對多種水果進行采摘。解決了水果種植行業因水果采摘季節性強造成采摘人員不足、勞動強度大等問題，該產品的研究與開發對于解放勞動力、提高生產效率、降低生產成本、保證水果品質都具有重要意義。隨著采摘機的不斷發展以及采摘技術越來越成熟，它將會逐漸普遍適用于現代水果產業中，實現整個水果種植行業的規模化發展。

參考文獻

[1]趙勻，武傳宇，胡旭東等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報，2003（1）：24-25.

[2]楊敏麗.中國農業機械化與提高農業國際競爭力研究[D].北京：中國農業大學，2003.

[3]方建軍.移動式采摘機器人的研究現狀與進展[J].農業工程學報，2004（2）：173-176.

[4]蔡健榮，李玉良，范軍等.成熟柑橘的圖像識別及空間定位研究[J].微計算機信息，2007（12）： 224-225，314.

[5]宋健，張鐵中，徐麗明等.果蔬采摘機器人研究進展與展望[J].農業機械學報，2006（5）：158-162.

作者簡介：張西順（1990—），男，山東菏澤人，大學本科。