一种苹果采摘装置设计文献综述

 2022-07-22 02:07

研究的目的及意义:苹果是我国生产的主要果品之一。我国苹果种植面积 189.9万/hm2,产量 2 600万 t,占世界苹果面积、产量的 35% 以上,规模居世界第一。近年来,随着国家经济水平的增长,劳动力价格不断提高,劳动密集型企业的生产成本上升;尤其是农业生产领域,果蔬的采摘往往需要耗费大量的人力资源 。据数据统计,我国农业生产过程中采摘工作所需的劳动力约占整体的 40%。因此,采用机器人代替人力劳动是未来农业生产的趋势。然而,目前国内外研制的果蔬采摘机器人难以商业化,如自动检测并采摘苹果的机器人一直难以实现,由于苹果在树上呈无规律分布且易被遮掩,导致难以识别已成熟的苹果以及精确定位。目前,苹果收获作业主要靠人工完成,危险性高、作业环境差,既耗时又费力。因此,发展自动化收获技术和开发研究蔬菜和水果采摘机器具有十分深远的意义。将采摘机大量应用于苹果采摘过程能够极大地提高采摘效率并节约成本,但水果在采摘过程中容易产生机械损伤,也是需要重点注意的问题。针对果实在树上位置随机、自动识别功能受枝叶遮挡影响、分布范围广的特点,许多国家进行了较深入的研究,但机器人采摘作业仍然处于较低水平,受环境影响、可靠性较低问题仍未解决。

1.国外果蔬采摘机械发展概况:

早20世纪60年代,日本、荷兰等国家就已经开始研制果蔬自动采摘的技术与装备,采摘对象有黄瓜、草莓、蘑菇及番茄等。例如:日本Kawamura等人研制了西红柿采摘机器人;日本冈山大学研制了一种5自由度极坐标机械手,适宜采摘果园棚架栽培模式下的成熟葡萄。1996年,荷兰农业环境工程研究所 ( IMAG) 设计了一种7自由度多功能黄瓜采摘机器人。1983年,法国 Cemagref 研究所首次研制出苹果采摘机器人。近年来美国研究出的一种4自由度苹果采摘机器人,工作空间可达3米。利用ccd摄像机和光电传感器识别果实识别率达85%。该采摘机的末端执行机构下方装有果实收集袋,缩短了从采摘到放置的时间,大大提高了采摘效率。但此机器人尚存在一定缺陷,即无法绕过障碍物采摘果实,也无法识别定位完全被茎叶遮挡住的果实。

2.国内果蔬采摘机械发展概况:

我国从20世纪70年代开始开始研究果园采摘机械,先后研制出与手扶拖拉机相配套的机械振动式山楂采摘机、气囊式采果器和手持电动式采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械,虽然在保护果实不受损伤方面做得很好,但其效率还是太低。80年代后,开始研究和制造切割式采摘器,果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘,例如一种人工剪枝采摘机,它夹口上方有切刀,下方有夹钳,可以将果柄先钳住后剪断。电动式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀,再用微型电动带动的切刀做往复运动将果柄剪断。还有一种摇振式采摘器,用拨叉深入果枝用电动机摆动拨叉而震落果实。切割式采摘的优点是省时省力,对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台,可用来提高工作位置,利于采摘作业,我国曾还研制出吹气式采摘机,由于其风机功率要求大,气流易损伤果枝果实,但采摘效率不佳,很快就被市场淘汰。90年代开始,市场的因素带动了果树种植的热潮,众多中小种植户的需求带动了建议采摘器的市场。其后气动剪枝机、辅助升降平台等机具相继进入了市场。

国内果实采摘机器人研究虽起步较晚,但近年来已有了长足的发展。部分高校及科研院所对各种果蔬采摘机器人相继开展了研究。南京农业大学的姬长英等人设计了一种智能水果采摘机器人。苏州大学赵德安等人研制了一种苹果采摘机器人,可以快速跟踪识别目标果实。中国农业大学李伟等人研制了黄瓜采摘机器人,运用近红外光谱特征提取技术,实现对黄瓜的准确识别和定位,采摘速度达到28.6s,机械手抓取成功率高85%。

3.苹果采摘机器人的研究现状:

随着工业的迅速发展以及人口老龄化的加剧,我国在农业方面的劳动力资源逐渐减少,所以农业生产行业已经不能单单依靠人工劳作。对此科学家对苹果的摘采机进行了研究分析,该摘采机机械具有4个自由度,工作空间可达到3 m.利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,识别率达 85%,如图1所 示。该机器人末端执行器下安装有果实采集袋,摘采机在采集完果实后在3 s 时间内,便能将苹果放置于采集袋内,在放置过程中,为了减少苹果的损坏,摘采机在机械手具上套用海绵摘用装置,能大幅度减少与苹果的接触面积。但此摘采机仍存有一定的缺陷,无法绕过障碍物提取苹果,使得摘采机摘采技术停留于目前状况。

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