水果采摘裝置現(xiàn)狀及發(fā)展方向

張寶鈺 劉智威 劉佳旭

摘 ?要：對于我國水果采摘大多時候依舊采用人力，采摘效率低，勞動強度大。隨著科技的發(fā)展，新興的水果采摘機械裝置將代替人工采摘，大大提高采摘效率。國內對于水果采摘的研究相較于國外還有一定的差距。國外在水果采摘方面有較多的研究成果，且加入許多先進的采摘成像技術，使采摘更加便捷。我國水果采摘裝置致力于機械結構裝置，多功能水果采摘機械裝置集采摘、修剪、運輸，噴藥等集于一體。我國也大力支持農業(yè)有關科研機構和院校在農業(yè)機械化發(fā)展方面加強科學技術研究所以在水果采摘機械化方面具有非常好的發(fā)展趨勢。

關鍵詞：采摘;機械;高效;便捷

進入21世紀之后，中國逐漸進入現(xiàn)代化的社會進程。各種新興機械逐漸代替原始勞動力，在中國現(xiàn)代化的進程中，逐漸產生了其他行業(yè)。我國是一個農業(yè)大國，其中水果產業(yè)也是農業(yè)中的一部分，水果種植除了前期的栽培直至到長出果實以外，最重要的后期的還是采摘過程。

在水果采摘方面，農民們采摘水果還存在許多弊端。采摘水果時存在大量的人力物力。且人力采摘占據(jù)采摘作業(yè)的主導地位，采摘勞動強度大，工作效率低，浪費大量的時間，同時機器采摘實施的范圍比較小。當然，就算是人工采摘，當采摘高空水果具有各種不安全的因素，由于地形的影響，果樹高度都會加重采摘作業(yè)的困難度。我國進入21世紀之后，科技水平不斷提高，農業(yè)現(xiàn)代化機械化水平不斷提高。采用新型的便攜式水果采集裝置在未來的新興市場推廣中產生可能?？梢源蟠筇岣卟烧剩@樣不僅解放了農村勞動力，而且更加方便快捷。隨著科技的發(fā)展，國外在水果采摘方面具有發(fā)達的先進水平。且成果顯著，但是受各種因素影響，關于水果采摘方面的研究基本停滯不前。中國對于水果采摘方面的研究較晚，所以研究成果較少，對于一般的水果采摘機價格昂貴，體型龐大，使用復雜，很多地方果農負擔不起導致無法普遍使用，因此現(xiàn)行的水果采摘方面還大部分屬于人工采摘，大大降低采摘效率，且采摘時間長，果農在長時間采摘水果時容易產生疲勞，存在不安全因素，所以在水果采摘研究方面具有重大意義。

各個國家在水果采摘方面都有一定的研究成果，因電子技術和計算機技術的蓬勃發(fā)展，在水果采摘中加入計算機成像技術，單片機等先進的電子技術，機電一體化技術可以實現(xiàn)很好的采摘效果，采摘部分可以精確的定位到水果摘取部位。在水果采摘機器人方面更是具有大量的研究成果，因成本較高，價格昂貴，并沒有大批量的生產商業(yè)化。

中國的水果采摘任務量大，是全球前列的水果生產國，2008年中國的水果總產出約占世界總產量的14%，水果種植業(yè)的蓬勃發(fā)展推動了水果采摘機械市場的發(fā)展。

國外的機械采摘中，剛開始都是研發(fā)出簡單的機械手，例如1883年美國研制出采摘西紅柿的機械手，這也是世界上的第一臺機械手，在1987年研制出了采摘柑橘的機械手。后來韓國在1998年研制出了采摘蘋果的機械手，它是利用傳感器來識別果實成熟度從而進行采摘工作，該裝置運動比較靈敏。到后面，對于一些簡單的采摘機器，法國率先研制出簡易的水果采摘器，之后美國開始在振動式機械采摘中開始研究，用來采摘桃，杏子等小型水果。到二十世紀五十年代中期，關于振搖式水果采摘機械在歐美國家得到了普遍應用，振搖式采摘機械在之后的十年里也進行的結構上的改進，由單一的定沖程推搖機到氣動振搖機，產生了多種類型的水果采摘機械。日本也是在農業(yè)機器人上研究比較全面的一個國家。研制出的噴農藥機器人通過傳感器使其自動噴灑;研制的嫁接機器人可以讓嫁接速度大大提升;還有研制出的施肥機器人，四個超窄輪子用橡膠制成，可以在比較狹窄的作物之間來回自由行走，完成施肥的任務;當然日本也研制了很多采摘水果的機器人，例如采摘西紅柿，葡萄，柑橘，草莓等。雖然各種采摘機械都得到了一定的發(fā)展和推廣應用，但是隨著科技的迅速發(fā)展，國外對水果采摘機械的研究轉向了采摘機器人方面，這種采摘機器人可以更加精準的找尋到水果位置，且動作迅速，效率高。歷經二十多年的研究，西方各個國家基本上都實現(xiàn)了多種采摘機器人采摘試驗。采摘機器人是以機械臂，執(zhí)行裝置，識別系統(tǒng)，行走裝置四大部分組成，主要是以機械臂來進行主要采摘工作，機械臂可以實現(xiàn)多個自由度運動，最后實現(xiàn)抓取果實的作用，但機械臂自由度越多，控制系統(tǒng)越復雜。

在執(zhí)行裝置中，執(zhí)行器結構取決于采摘水果的特性，形狀，摘取方式有多種，一般最常見的是利用機械臂的剪刀來剪短果實，或者用機械爪來擰斷果柄。接下來是行走裝置，一般分為三種，分別是車輪式，履帶式和仿人式。最長見的是車輪式，顧名思義，這種行走方式方便，轉向靈活多變，但是不適用于地形復雜的地區(qū)，對于類似陡坡的復雜地形，車輪式行走就沒有優(yōu)勢，反應到機械臂上會影響采摘運動精度。相反的是履帶式行走裝置克服地形復雜的情況，對地面適應能力強，但是運動僵硬，轉向不靈活。識別系統(tǒng)主要用于水果的識別及定位。國外在采摘機器人上用攝像頭和圖像處理器實現(xiàn)的視覺識別系統(tǒng)取得了不錯的采摘成果。針對目前的采摘機器人，我認為在許多方面都有待提高，采摘機器人還沒有達到農業(yè)生產的要求，實用性較差，且主要問題在于采摘機器人靈活性不足以適應果實采摘多變的工作環(huán)境。對果實的損傷率較高，制作成本高。在水果采摘機器人方面需要改進識別定位系統(tǒng)，提高果實精準定位，設計更加適合的機械臂，以減少果實的采摘損傷率。

國內的水果采摘方面致力于機械式采摘，大多數(shù)都是以機械裝置來完成水果采摘任務。在上個世紀八十年代，我國已經開始研制出切割式水果采摘器，果農也從人工剪刀采摘轉換成使用機械水果采摘裝置。人工剪枝采摘器利用夾口上面的刀刃和下方的鉗口將果柄先鉗住再進行剪切。還有電機式水果采摘器，利用旋轉刀片將果柄以往復運動進行切割。隨著人口老齡化和農村勞動力的逐漸減少，多功能性的機械采摘裝置與單一水果采摘機械裝置相比，集成水果采摘裝置更具有競爭優(yōu)勢。多功能水果采摘機械裝置集采摘、修剪、運輸，噴藥等集于一體，這種多功能的水果采摘機械裝置不能過于復雜，最終操作者是知識水平不高的普通農民，他們必須順利的操作機械裝置，才可以完成采摘、修剪等任務。而且水果采摘裝置必須具有很高的可靠性，價格方面應該更加考慮農民可接受的預期。中國在農業(yè)機械化方面也是采取措施，鼓勵和支持農業(yè)機械研究開發(fā)新產品，新技術。讓農業(yè)機械化逐漸取代人工作業(yè)，我國也大力支持農業(yè)有關科研機構和院校在農業(yè)機械化發(fā)展方面加強科學技術研究所以在水果采摘機械化方面具有非常好的發(fā)展趨勢。

針對水果采摘中采摘的勞動工作量大，作業(yè)范圍廣即水果分布高低不均，觸碰力度要求較高，果實較易碰傷以及采摘季節(jié)差異較大即果實成熟期不同等諸多問題，然后開展設計人工水果采摘輔助及收集裝置主要目標是提高水果采摘效率，降低水果采摘成本，保障水果成品質量。水果采摘裝置還應切實地適應采摘環(huán)境，可以根據(jù)果樹高度，果實大小來調整裝置。在現(xiàn)代的技術中，應利用機電一體化來進行水果采摘裝置設計。不僅提高水果采摘效率，更加方便解決果農采摘出現(xiàn)的各種問題。

對于設計的便攜式的水果采摘裝置來說，裝置整體小巧易放置，在保證采摘效率的優(yōu)勢，同時也大大縮短了放置果實的工作時間，而且其中收集背包設計可以實現(xiàn)一次性收集數(shù)量較多的果實，然后等背包滿后一次性倒出，實現(xiàn)有效的提高采摘效率。況且結構簡單，成本低，因此大多數(shù)的果農在價格上可以負擔的起，這樣就可以加大普及的可能性。該裝置環(huán)保節(jié)能，具有很好的發(fā)展前景。