QUICK—采摘機(jī)器人設(shè)計研究

摘 要：隨著新農(nóng)村土地承包計劃的實(shí)施，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中越來越需要先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備。新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的應(yīng)用促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷更新和快速發(fā)展，研究和應(yīng)用新型農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)條件日趨成熟。本文主要研究果園內(nèi)采摘過程中存在的安全以及效率的問題，并提出合理的解決方案。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計

我國是個農(nóng)業(yè)大國，對農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的需求量比較大。隨著新農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)計劃的實(shí)施，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過程中，對農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的要求越來越高，更多的希望依靠機(jī)器來完成勞動，從而解放人力勞動。機(jī)器人則成為很好的設(shè)計對象，通過研究機(jī)器人來解決現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中存在的對環(huán)境健康以及人的安全威脅等問題，引用新技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能化，通過編制相應(yīng)程序使得機(jī)器人來完成工作，代替人類的勞動力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)解放勞動力。

1 采摘機(jī)器人市場背景研究

機(jī)器人研究最早開始于工業(yè)，在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究方面，國外開始研究較早，發(fā)展迅速，已研制出多種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)器人。我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究起步較晚，研究過程中存在著許多問題，與發(fā)達(dá)國家相比，存在一定的差距，但是也取得了一定的進(jìn)步。

20世紀(jì)90年代，美國研制成功第一臺番茄采摘機(jī)器人，到后來用于采摘蘋果、葡萄、柑橘的智能機(jī)器人，再到最近英國劍橋大學(xué)研制出的水果采摘機(jī)器人，各國人士都在為之堅持不懈的進(jìn)行努力，采摘機(jī)器人在理論研究方面已經(jīng)取得很大的進(jìn)步，采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的其中一個重要研究內(nèi)容，其重要性不可以忽視。

水果采摘是生產(chǎn)過程中最為耗時耗力的環(huán)節(jié)，解決水果采摘的問題就頗為重要。就目前的采摘機(jī)器人的設(shè)計而言，缺少靈活性和現(xiàn)代感，大多數(shù)是比較笨重、原始化的外觀造型，缺少時尚高效的造型語義。

2 采摘機(jī)器人現(xiàn)有產(chǎn)品研究

通過查閱相關(guān)資料，總結(jié)現(xiàn)有采摘機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：

作業(yè)對象嬌嫩、易脆，形狀復(fù)雜且個體之間的差異性大；

采摘對象大多數(shù)被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機(jī)器人視覺定位難度，降低采摘成功率，同時對機(jī)械手的避障提出了更高的要求；

采摘機(jī)器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下，環(huán)境條件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化，環(huán)境信息完全是未知的，開放的，對機(jī)器人的智能控制水平要求高；

采摘對象是有生命的、易脆的生物體，要求在采摘過程中對果實(shí)無任何損傷，這就要求機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有柔順性、靈巧性；

采摘機(jī)器人的價格高。高智能導(dǎo)致高成本，并且采摘機(jī)器人的使用具有短時間、周期性，利用率不高，對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來講，高價格是農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者無法接受的，這也是限制采摘機(jī)器人推廣使用的重要因素。

現(xiàn)代采摘機(jī)器人多為自主型智能采摘機(jī)器人，主要分為機(jī)械手，行走結(jié)構(gòu)、自主導(dǎo)航、末端執(zhí)行器和目標(biāo)探測與定位。

3 用戶調(diào)研

本次研究以河南省某一梨園為調(diào)研地，重點(diǎn)解決摘梨過程中存在的勞動者安全以及效率問題。通過觀察法和訪談法獲得用戶需求，并運(yùn)用五分法對用戶需求進(jìn)行重要度分析。

果農(nóng)對于采摘機(jī)器人的要求為以下幾點(diǎn)：1、適用于高空采摘；2、能夠暫時儲存和短途運(yùn)輸。

4 采摘機(jī)器人設(shè)計

采摘機(jī)器人主要服務(wù)人群為果農(nóng)，從事果樹種植，經(jīng)濟(jì)收入并不是很高，大部分收入都是來自種植所得。每天都會到果園里進(jìn)行作業(yè)，幫助減輕勞累是十分有必要的。設(shè)計的采摘機(jī)器人要能夠滿足果農(nóng)的使用需求，在外形、結(jié)構(gòu)方面要適用于果園內(nèi)環(huán)境的使用。

（1）使用場所定位。果農(nóng)的作業(yè)范圍一般都是在果園內(nèi)，采摘機(jī)器人工作環(huán)境經(jīng)常為穿梭在每棵果樹之間。設(shè)計的這款采摘機(jī)器人，使之與果園內(nèi)部環(huán)境融合，不要太沖突搶眼。

（2）使用方式定位。這款采摘機(jī)器人的使用為智能操作使用，設(shè)置簡單的操作步驟。機(jī)械臂運(yùn)用章魚腿的意向，設(shè)計靈活多動的造型；末端執(zhí)行器內(nèi)置定位檢測系統(tǒng)，直接可以近距離監(jiān)測，防止遺漏掉水果，設(shè)置傳送帶機(jī)構(gòu)，將采摘后的水果傳送至機(jī)器人內(nèi)部專門所設(shè)的暫時儲存的空間，在由其傳送至后置的小車。

（3）數(shù)字模型展示

本次設(shè)計基于采摘過程中存在的安全以及效率問題而設(shè)計的，讓機(jī)器人代替人力勞作，希望解決勞動過程中解放人力的問題，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的精準(zhǔn)作業(yè)能力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。

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作者簡介

曹閃閃（1994—），女，漢族，廣東省廣州市，研究生在讀，設(shè)計學(xué)學(xué)碩士，廣東工業(yè)大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，研究方向：設(shè)計研究。