一種松果采摘無人機(jī)的設(shè)計構(gòu)想

時爽，林送峰

（黑龍江大學(xué)，黑龍江哈爾濱150080）

松果，屬松科植物種子，熟后其內(nèi)有松子。 我國松子產(chǎn)地主要分布在黑、吉、遼地區(qū)，東北松子是國家二級保護(hù)植物紅松種子。松果為紅松樹的果實，屬國家一級瀕危保護(hù)物種。紅松樹垂直分布在長白山林區(qū)地帶，一般多在海拔500～1200 米，成年紅松樹高度在 10～20 米之間[1]。

松子（松塔的可食用部分）含有大量的功能性成分。經(jīng)常食用可以增加身體油脂，滋潤肌膚，強(qiáng)化身體，補(bǔ)充精神。松子也是油漆和皮革工業(yè)的原料，其皮可以制成染料、活性炭等，此外松子還可以用于中藥。

目前，無人機(jī)廣泛應(yīng)用于電力、氣象、農(nóng)業(yè)、海洋學(xué)和地形測量方面。在農(nóng)業(yè)應(yīng)用主要集中在植保作業(yè)，空中噴霧噴灑農(nóng)藥能極大提高作業(yè)效率，且不會對土壤進(jìn)行重復(fù)碾壓，不傷作物，降低了勞動強(qiáng)度。無人機(jī)可用于作物生長和健康評估，作物產(chǎn)量預(yù)測，自然災(zāi)害評估，作物病蟲害檢測和預(yù)警，作物生長環(huán)境監(jiān)測，土地資源測量以及畜禽疾病發(fā)現(xiàn)等方面[2]。

在林業(yè)行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到林業(yè)病蟲害遙感監(jiān)測、森林防火、野生動植物監(jiān)測與識別、森林資源調(diào)查、林業(yè)精準(zhǔn)植保、林業(yè)執(zhí)法等方面?？朔鹘y(tǒng)森林火災(zāi)防控中人力需求高、衛(wèi)星遙感分辨率低及定點監(jiān)測難度大等缺點，有效減少森林火災(zāi)的發(fā)生，減少火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害；使用無人機(jī)技術(shù)對野生動植物進(jìn)行信息監(jiān)測，幫助科研人員及時獲取目標(biāo)種群規(guī)模和結(jié)構(gòu)、活動軌跡及個體水平信息；森林資源調(diào)查，準(zhǔn)確地掌握林業(yè)資源情況有利于相關(guān)部門更好地進(jìn)行決策以提高林業(yè)管理水平；林業(yè)精準(zhǔn)植保，無人機(jī)可豐富并完善病蟲害防治的作業(yè)方式，降低農(nóng)藥用量及農(nóng)藥殘留，提升病蟲害防治機(jī)械化水平；林業(yè)執(zhí)法使野生動物保護(hù)更加高效和精確。

在果蔬采摘方面，國外先后研發(fā)出西瓜、草莓、葡萄等果蔬采摘機(jī)器人，近幾年，國內(nèi)對果蔬采摘機(jī)器人方面的研究產(chǎn)品逐漸增多。已經(jīng)研制的果蔬采摘機(jī)有西紅柿采摘機(jī)、黃瓜采摘機(jī)、蘑菇采摘機(jī)、柑橘采摘機(jī)、蘋果采摘機(jī)等。但是對林木球果采摘方面的研究較少，本文創(chuàng)新性地在無人機(jī)上安裝柔性末端執(zhí)行器、收集裝置、平衡裝置經(jīng)識別系統(tǒng)，執(zhí)行裝置，實現(xiàn)林木球果高效率高質(zhì)量采摘。

1 采摘方式

松果采摘是松子生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，具有較強(qiáng)的季節(jié)性。傳統(tǒng)的人工采摘、半機(jī)械化采摘，采摘效率低，再加上人力運送，造成成本居高不下。并且傳統(tǒng)人工采摘松果對于高、細(xì)的紅松樹采摘危險性極大，易造成人員傷亡，如果采取木棍或機(jī)械手臂敲打，不僅會導(dǎo)致松果存放時間縮短，且會損傷松果，降低松子產(chǎn)量。國內(nèi)外已研發(fā)出多種林木球果采摘機(jī)，然而，由于其成本等原因，未被廣泛使用。

1.1 機(jī)械輔助采摘方式

松果采摘機(jī)械主要分為四類：推搖式、撞擊式、氣力振搖式、切割式。推搖式工作原理主要是利用機(jī)械臂推動樹干產(chǎn)生振動，當(dāng)慣性力達(dá)到一定程度時，松果掉落到地面。撞擊式是使用不同類型的撞擊部件，撞擊樹枝使松果掉落；氣動振搖式利用氣流振動松果使其掉落；切割式則是采用工具切斷樹枝。上述機(jī)械輔助采摘方法都會影響松樹，進(jìn)而影響松果的產(chǎn)量，甚至損傷母樹影響下一年結(jié)果。

1.2 機(jī)器人手臂采摘方式

機(jī)器人手臂采摘裝置主要由機(jī)械臂末端系統(tǒng)和伸縮系統(tǒng)以及卸料系統(tǒng)組成。由于采摘機(jī)械手臂成本高、體積大、控制較復(fù)雜，整體智能化水平偏低，缺少采摘的自適性、通用性，應(yīng)用范圍受限。采摘環(huán)境受天氣、季節(jié)和地形特征等自然條件的影響，采摘操作復(fù)雜。另外，機(jī)械臂缺乏靈活性并且能夠根據(jù)工作物體的變化實時調(diào)節(jié)夾持力，從而導(dǎo)致松果的損壞。在實際環(huán)境中，機(jī)器人手臂面向未知質(zhì)量，材料和硬度的物體。松果就會受到嚴(yán)重機(jī)械損傷，當(dāng)手指在松果上施加小抓地力時，松果很容易從手指上滑落[3]。

隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，由于其小型化和靈活性等突出性特點，目前在農(nóng)業(yè)植保、智能運輸和其他民用領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。國內(nèi)對采摘機(jī)器人的研究剛起步，多數(shù)集中在行走型機(jī)械，對環(huán)境要求較高。由于松樹林種植密集，松樹結(jié)構(gòu)復(fù)雜，枝葉茂盛，行走型機(jī)器人不太適用。由于品種不同，采摘的位置也不同，對于高位采摘，因機(jī)器人手臂長度等要求，導(dǎo)致應(yīng)用性不高。將無人機(jī)引入到林木球果采摘中，搭載柔性末端執(zhí)行器、收集裝置的設(shè)計方案，較傳統(tǒng)行走式機(jī)器人因作業(yè)環(huán)境等原因功能受限，無人機(jī)松果采摘機(jī)能最大化降低采摘成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。

2 采摘作業(yè)環(huán)境

松果采摘機(jī)進(jìn)行采摘作業(yè)的空間環(huán)境呈現(xiàn)高度非結(jié)構(gòu)化，并且采摘作業(yè)的對象又是具有生命特征的物體。

采摘對象復(fù)雜，采摘目標(biāo)對象的形狀大小都不規(guī)則，個體之間存在較大的差異，而且樹枝易折。

采摘機(jī)的作業(yè)環(huán)境信息是不可預(yù)知的，而且這種無法預(yù)知的環(huán)境條件還會隨著不同的氣候、天氣狀況而改變，因此，對采摘機(jī)的控制系統(tǒng)要求很高。

采摘對象通常會被作物的樹葉、樹枝以及未成熟的果實等遮擋，這對機(jī)器人視覺定位的要求極高，同時也需要機(jī)械臂有非常好的避障能力。

在采摘作業(yè)時不能對目標(biāo)造成破壞，所以機(jī)器臂的末端執(zhí)行器要求抓取時具有柔軟性或者有保護(hù)作業(yè)對象的裝置。

目前，由于采摘機(jī)技術(shù)本身并不成熟，而且智能控制系統(tǒng)很復(fù)雜，所以導(dǎo)致采摘機(jī)價格高，采摘作業(yè)成本提高，對于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)來講，農(nóng)民無法承受高生產(chǎn)成本，這也是松果采摘機(jī)難以市場化推廣的重要原因之一。

3 采摘無人機(jī)設(shè)計的構(gòu)想

松果采摘無人機(jī)經(jīng)視覺系統(tǒng)、影像系統(tǒng)經(jīng)圖像處理后，識別出采摘目標(biāo)的坐標(biāo)信息，無人機(jī)飛至目標(biāo)前方，經(jīng)操作系統(tǒng)驅(qū)動采摘裝置，從而實現(xiàn)松果的采摘。采取柔性末端執(zhí)行器的設(shè)計可具備實現(xiàn)對不同形狀物體（主要是針對類似于松果的橢球狀物等）的采摘，具有良好的通用性和適應(yīng)性，另外，為了保護(hù)松果不會在采摘過程中被破壞，設(shè)計中增加柔性抓取功能，這種結(jié)構(gòu)屬于撓性元件，具有一定的彈性，可以緩和載荷的沖擊，而且抓取過程中剛度可以適當(dāng)調(diào)節(jié)[4]。

4 創(chuàng)新性研究

近年來，采摘機(jī)在機(jī)械化生產(chǎn)中迅速發(fā)展，但大多數(shù)采摘機(jī)都是行走式，受采摘高度和地形的限制，功能較為單一。由于功能模塊的增加，已開發(fā)的多功能采摘機(jī)成本大幅增加，從而大大降低了經(jīng)濟(jì)效率。所以，研究具有成本低廉且多功能的松果采摘無人機(jī)是必然選擇。

無人機(jī)搭載末端執(zhí)行器抓取作業(yè)效率高，對母樹破壞小，對森林生態(tài)保護(hù)有重要意義。設(shè)計末端執(zhí)行器，不同類型的收集爪，可用于收集不同針葉樹種的球果，在手指中加入彈簧實現(xiàn)柔性抓取。

以松果采摘無人機(jī)與機(jī)械手臂以及監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合的方式代替人工采摘松果，降低了人工作業(yè)的危險，提高了安全性，降低了成本，大大增加了收益，同時滿足了日益增加的對松子的市場需求。