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果園采摘機械的現狀及發展趨勢

點擊次數:   更新時間:2018-03-09 14:02:03  
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       我國是世界第一大水果生產國,也是世界第一大水果消費國。水果種植業的迅速發展提升了果園機械的市場需求。采摘作業所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的33%~50%,目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。采摘作業比較複雜,季節性很強,若使用人工采摘,不僅效率低、勞動量大,而且容易造成果實的損傷,如果人手不夠不能及時采摘還會導致經濟上的損失。使用采摘機械不僅提高采摘效率,而且降低了損傷率,節省了人工成本,提高了果農的經濟效益,因提高采摘作業機械化程度有重要的意義。

       一、國外果園采摘機械現狀   

       1.機械式采摘 果園的機械式采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類型。振搖式是利用外力使樹體或樹枝發生振動或振搖,使果實產生加速度,在連結最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接衝撞果枝或敲打牽引果枝的棚架振落果實。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離的方式,又分為機械切割式和動力切割式。 國外對果園采摘機械的研究始於上世紀40年代初,美國、法國、英國為首的西方國家較早開展此方麵的研究。40年代中期美國開始研究振搖式采摘機械,用來采摘胡桃和杏等水果,到50年代中期,利用振搖果樹方式收獲水果的采摘機械在歐美國家得到了發展和普遍應用,出現了拖拉機驅動的振搖采摘機。至60年代,振搖采摘機械的結構由單一的定衝程推搖機發展到慣性式振搖機、氣力振搖機、使用動力驅動橡膠棒衝撞果枝振落果實的撞擊式機械等多種類型的果園采摘機械。當時的機械采摘工作效率普遍較低,采摘的損傷率還較高,也不適用於采收易損傷、要求完好率高的鮮食用水果和貯藏用水果。60年代中期,美國研究出液壓升降平台車,配合采摘工具使用,使得采摘效率大大提高。從60年代後期開始,歐美一些國家將水果采摘機械與果樹的培育和修剪結合起來研究,比如修整樹形使之適合機械化作業。70年代出現了各種動力切割式采摘機械,例如油鋸、氣動剪。 日本的果園種植地形類似於我國南方地形,許多在平地上使用的果園機械在丘陵地形上並不適用,因此日本在20世紀90年代初著手研究陡坡地果園的機械化。其四國農業試驗場研製的采用樞軸式擺動懸掛機構作為行走部分的自走式采摘車,使用電視攝像機和無線電控製組合。該采摘車的輪距寬,重心低,故爬坡能力強;采用就地車輪正反轉機構,故回轉能力好采用樞軸懸掛機構,因而使機體擺動小、行走穩定,適合在坡度15°~30°的地區使用。

       2.機器人采摘 目前國外對采摘機械的研究是以采摘機器人為主。70年代末期,隨著計算機和自動控製技術的迅速發展,美國首先開始研究各種農業機器人。自1983年第一台采摘機器人在美國誕生以來,曆經了20多年的研究和試驗,以日本為代表的發達國家,包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼試驗成功了多種采摘機器人,如蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實采摘的具有人工智能的機器人。 采摘機器人主要由機械手、末端執行器、視覺識別係統和行走裝置等四大係統組成。日本京都大學在80年代中期研製了五自由度關節型機械手,但這種機械手的工作空間並沒有包含所有果實的位置,而且機械手末端執行器的可操作度也低。同時韓國研製的蘋果采摘機器人采用了極坐標機械手,旋轉關節可左右移動,絲杆關節可以上下移動,從而工作空間可達3m。20世紀90年代,日本崗山大學在番茄采摘機器人上設計出了具有7個自由度的能夠指定采摘姿態的機械手。自由度越高,其手部運動越靈活,控製越複雜。 末端執行器類似於人的手指,設計采用仿生學,即末端執行器結構取決於采摘對象的生物特性、理化特性手指的數量和形狀與果實的外形特征密切相關。對於摘取方式,多數采摘機器人使用剪刀剪斷果柄或直接用手爪擰斷果柄,荷蘭農業環境工程研究所發明了一種電極切割法,利用特殊電極產生高溫(1000℃)切割,可防止斷口的感染。行走裝置有3種形式:車輪式、履帶式、人形結構,其中車輪式應用最廣泛。車輪式行走機構轉彎半徑小,轉向靈活,但輪式結構對於鬆軟地麵和坡陡地麵適應性差,會影響機器手的運動精度。如日本崗山大學Naoshi Kondo等人在番茄、草莓和柑桔采摘機 器人的研製中使用輪式行走機構。而履帶式行走機構恰恰相反,對地麵適應性強,缺點是轉彎半徑過大,轉向不靈活,目前日本有葡萄、甘藍采摘機器人使用履帶式行走機構。采用智能導航技術的無人駕駛自主式小車是智能采摘機器人行走裝置的發展趨勢。 視覺識別係統主要解決果實的識別和定位問題。果實的識別和定位問題是采摘機器人的難點,同時又是重點,它關係到機器人的采摘工作效率問題。20世紀90年代,日本崗山大學在番茄、草莓采摘機器人上用彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺識別係統來尋找和識別成熟果實,利用雙目視覺方法對目標進行定位。係統從識別到采摘完成的速度大約是15秒/個,成功率在70%左右。

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