果園采摘機械手研究現(xiàn)狀綜述

王甲甲,程志強,張 伏,王 俊

(河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院,河南 洛陽 471003)

0 引言

我國是世界第一大水果生產(chǎn)與消費國,水果的采摘與收獲作為果園生產(chǎn)過程中的一個重要環(huán)節(jié),具有季節(jié)性強和勞動密集的特點。由于水果采摘所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的35%～45%,且采收質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到水果的儲存、加工與銷售,從而影響市場價格和經(jīng)濟效益。隨著水果種植業(yè)迅速發(fā)展及人口老齡化的逐年加劇,人工勞動成本逐年增高,完全依賴人工的采摘方式已不能適應(yīng)林果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為了解決人工采摘勞動力耗費大、農(nóng)民負擔(dān)重、采摘效率低等問題,采摘方式的機械化迫在眉睫。進入21世紀以來,國家逐步加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化的進程,水果采摘實現(xiàn)自動化已經(jīng)是必然趨勢。

目前,研究開發(fā)的農(nóng)業(yè)采摘機械手基本處于實驗階段,機械手自身體積大,能采摘的水果種類少,釆摘效率低,易損傷果實,機械手無法智能作業(yè),不能滿足林果采摘的要求,無法商品化[1],市場上存在的及研究中的果園采摘機械手均未達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所要求的智能化和實用化。國外對農(nóng)業(yè)機械自動化采摘研究早、進展快,其發(fā)展程度遠遠超過國內(nèi);國內(nèi)對農(nóng)業(yè)智能采摘技術(shù)的研究較晚,程度較淺,與國外存在較大的差距。隨著我國農(nóng)業(yè)進入了高速發(fā)展時期,傳統(tǒng)的“精耕細作”已經(jīng)不能承擔(dān)我國農(nóng)業(yè)健康發(fā)展的重擔(dān),發(fā)展機械手自動作業(yè)技術(shù)已經(jīng)引起國家的關(guān)注。

1 果園采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

自20世紀40年代以來,以美國、英國、荷蘭為代表的西方國家就已經(jīng)開始了果園采摘機械的研究與實驗[2],傳統(tǒng)的果園采摘技術(shù)主要有振搖式、撞擊式和切割式3種類型。其中,振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振動或振搖,重力使果實產(chǎn)生向下的加速度,使果實與果柄斷裂分離掉落;撞擊式是撞擊部件直接沖撞果枝或敲打牽引果枝的棚架震落果實;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[3]。20世紀70年代末期,出現(xiàn)了與傳統(tǒng)采摘機械配合使用的輔助采摘工具,如油鋸、氣動剪,比較著名的氣動剪廠商有瑞士的FELCO公司、日本的ARS公司及意大利的CAMPAGNOLA公司,其產(chǎn)品有F系列和Star系列氣動剪[4]。

20世紀70年代,農(nóng)業(yè)機器人開始取代傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)采摘機械進入采摘作業(yè)的行列。最先對農(nóng)業(yè)機器人進行研究的是美國,1983年美國研制出世界上第一臺采摘機器人;隨后,西方各國均開始農(nóng)業(yè)機器人的研究,最具有代表性的國家是日本、西班牙、美國、荷蘭、英國和法國等。經(jīng)過不斷地實驗,這些國家相繼研制出了一系列采摘機器人,如采摘蘋果、甜橙、草莓、西瓜和葡萄等水果的機器人[5-6]。

采摘機械手、底部移動平臺、末端執(zhí)行裝置和電子眼識別裝置是構(gòu)成采摘機器人的四大機構(gòu)。20世紀90年代,日本崗山大學(xué)在番茄采摘機器人上設(shè)計出了具有7個自由度的能夠指定采摘姿態(tài)的機械手[7],該機械手擁有7個自由度,而越多的自由度意味著機械手的靈活度越高,可控性越好。韓國慶北大學(xué)研制了一個具有4個自由度的蘋果采摘機械手,該機械手擁有3個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié),能實現(xiàn)無死角采摘作業(yè),識別系統(tǒng)使用CCD攝像機和光電傳感器來識別果實,從樹冠外部識別蘋果的識別率達85%,采摘速度達到5個/s[8]。1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機器人,該機器人一次只能采摘一個黃瓜,且黃瓜要按照預(yù)設(shè)園藝種植,盡管該機器人智能程度不高,但其末端執(zhí)行裝置采用高電壓電弧割斷黃瓜果柄,在采摘成熟黃瓜的同時不會傷害到其他黃瓜,并且能保證采收品質(zhì)[9]。

1.2 國內(nèi)果園采摘技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)越來越多的機構(gòu)和專家對農(nóng)業(yè)機器人越來越關(guān)注,國內(nèi)的機器人采摘技術(shù)發(fā)展迅速,但自動化采摘機器人還處于初始研究階段,且研究部門主要是全國各大高校和農(nóng)業(yè)機械研究院。

北京林業(yè)大學(xué)閆磊發(fā)明了一種伸縮式林果采摘機械臂,并安裝有攝像頭和顯示器,采果時,利用機械臂的伸縮功能,果農(nóng)攜帶機械臂可以采摘到樹冠高出的果實,攝像頭能幫助果農(nóng)發(fā)現(xiàn)更加隱蔽的水果[10]。與人工手動采摘相比,該機械手極大地提高了采摘效率,但其本質(zhì)是人工操作的輔助農(nóng)業(yè)設(shè)備,并非自動化采摘機械手。2007年,新疆機械研究院研制了我國第一臺多功能果園作業(yè)機,即LG-1型多功能果園作業(yè)機,該作業(yè)機的研制成功標志著我國果園單一的采摘機械進入到了多功能作業(yè)機械時代[11]。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人設(shè)計了一種用于采摘傳統(tǒng)壟作種植草莓的機械手,并為其搭建了試驗系統(tǒng),為我國以后的草莓采摘機器人研究提供了設(shè)計基礎(chǔ)[12-13]。

目前,我國國內(nèi)水果采摘機械手普遍存在靈活性差、精確性差、采摘效率低及機械手成本高等缺點,且大多數(shù)機械手僅用于高?；蜓芯克难芯?面對復(fù)雜的真實農(nóng)業(yè)環(huán)境,現(xiàn)存機械手基本無法適應(yīng)。針對種種問題,國內(nèi)需要加緊機械手研究,借鑒國外研究經(jīng)驗,提高機械手性能,早日實現(xiàn)采摘機械手實用化及商品化。

2 果園采摘機械手分類

目前,已知果園采摘機械手數(shù)量龐大,有針對特定植物的專用采摘機械手,如專門采摘藍莓的機械手;有適合一類生長習(xí)性相近植物的采摘機械手,如適合采摘橢球形水果的機械手;有適合采摘高處、質(zhì)量較大的采摘機械手,如采摘椰子的機械手;有采摘植株低矮、質(zhì)量較輕果蔬的機械手,如黃瓜采摘機械手;有采摘范圍成球狀的采摘機械手,如極坐標系的機械手;有采摘范圍成長方體形狀的機械手,如笛卡爾坐標系機械手。不同的機械手擁有各自的特點、工作區(qū)域及優(yōu)缺點,對比各類機械手性能特點,可以通過以下幾種方法對其進行分類。

2.1 按照控制系統(tǒng)分類

目前使用廣泛的機械手控制系統(tǒng)主要采用嵌入式控制和PLC控制,兩種控制方式均可以連接上位機對其控制系統(tǒng)進行逐步優(yōu)化,且二者均支持網(wǎng)絡(luò)通信,可實現(xiàn)無線遙控,便于在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境中完成采摘作業(yè)。兩種控制系統(tǒng)采摘機械手的優(yōu)缺點,如表1所示。

表1 采摘機械手不同控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點

1)嵌入式核心控制系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)主要由4部分組成,即處理器、操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備和應(yīng)用程序[14]。嵌入式系統(tǒng)的核心是處理器,處理器搭載操作系統(tǒng)管理所有的應(yīng)用程序,完成機械手作業(yè)任務(wù)。嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operating System,EOS),負責(zé)嵌入系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配及任務(wù)調(diào)度,控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。嵌入式操作系統(tǒng)主要包括VxWorks、QNX、Palm OS、Windows CE及嵌入式Linux等[15]。

采用嵌入式控制系統(tǒng)的采摘機械手適合復(fù)雜的環(huán)境工作,嵌入式的特點在于在同一硬件平臺和同一控制系統(tǒng)下,搭載的應(yīng)用程序能夠多變,且允許開發(fā)者對系統(tǒng)做出不同的調(diào)試,使機械手在不同的復(fù)雜環(huán)境中得以適應(yīng)。另外,嵌入式系統(tǒng)可以配合機器人視覺識別系統(tǒng)識別針對不同果類生長狀態(tài),調(diào)整機械手工作區(qū)域空間,以實現(xiàn)真正意義的自動化。嵌入式系統(tǒng)的缺點在于嵌入式系統(tǒng)處理能力弱、運行空間小、對操作系統(tǒng)要求較高,機械手穩(wěn)定工作的前提就是該機械手使用的操作系統(tǒng)必須穩(wěn)定運行,但抗干擾能力差,外界干擾會對系統(tǒng)造成較大沖擊導(dǎo)致機械手工作不穩(wěn)定。

2)PLC核心控制系統(tǒng)。PLC采用可編程的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲程序,執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等功能的面向用戶的指令,并通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程[16]。作為現(xiàn)代工業(yè)使用最廣泛的自動化系統(tǒng),PLC具有以下優(yōu)秀功能:

1)通用性好,功能多。PLC具有邏輯運算和數(shù)字運算能力,能夠定時、計數(shù),進行字和字節(jié)的傳送,能夠執(zhí)行步進控制命令,可以搭載子網(wǎng)絡(luò),不僅可以輸入數(shù)字量,也能輸入模擬量,且具備A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能,可謂功能齊全。

2)具有通信功能。PLC具有通信功能,可以和上位機連接形成共同控制系統(tǒng),也具備利用網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)遠程控制的功能。

3)編程簡單易懂。PLC不同于其他控制系統(tǒng),其編程使用梯形圖或STL語句,二者可以相互轉(zhuǎn)化,梯形圖編程簡單明了,簡單易學(xué)。

4)可靠性高,故障率低。PLC適用于工業(yè)環(huán)境下,為了應(yīng)對惡劣環(huán)境,PLC在其制造過程中利用特殊的措施保證了其可靠性,長時間在惡劣環(huán)境下工作,PLC也能保持性能穩(wěn)定。

5)經(jīng)濟性好。PLC的體積很小,功耗也很低,加之造價不高,大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)業(yè)均愿意使用PLC作為控制核心。

采用PLC控制系統(tǒng)的機械手工作性能高、穩(wěn)定性強,很少出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰的現(xiàn)象。PLC搭載電機驅(qū)動系統(tǒng)形成閉環(huán)控制,能有效應(yīng)對實時狀況,自我調(diào)節(jié)能力強。PLC強大的穩(wěn)定性加上閉環(huán)控制使得這種機械手幾乎不會出現(xiàn)故障,非常適合用于季節(jié)性很強的水果采收,可保證采摘效率,及時完成采摘任務(wù),提高經(jīng)濟效益。但是,PLC的控制結(jié)構(gòu)較為簡單,且十分依賴靈敏的傳感器的配合,因此PLC控制的機械手不適合在水果生長狀況極其繁雜的環(huán)境中工作,如不適合采摘高大茂盛的樹冠上生長的水果。

2.2 按照末端執(zhí)行裝置分類

采摘機械手的末端執(zhí)行裝置主要有兩種結(jié)構(gòu):一種是帶有果柄切割刀具的切割果柄式末端執(zhí)行裝置;另一種是不帶有切割刀具的非切割式末端執(zhí)行裝置,兩種末端執(zhí)行裝置特點分析如表2所示。

表2 不同末端執(zhí)行裝置優(yōu)缺點對比

切割果柄末端執(zhí)行裝置一般搭載一到兩臺刀具,用于果實的梳理和切割。例如,美國福羅里達大學(xué)研制的甜橙采摘機械手,具有兩組不同的刀片:一組是理發(fā)推式刀片,用于將目標甜橙與其他甜橙分開,便于機械手上吸盤抓取目標;另一組是半圓葉刀片,用于切斷果柄,兩組刀片配合可以在任意方向上切斷果柄,保護果實不受損傷[17]。日本的N．Kondo等人研制了高架栽培草莓采摘機械手,只用一組螺旋狀刀片,其末端執(zhí)行裝置吸入草莓果實,旋轉(zhuǎn)誘導(dǎo)草莓果柄靠近螺旋刀片組,切斷果柄后,通過吸力將果實吸入末端執(zhí)行裝置運送到托盤里[18]。

非切割式末端執(zhí)行裝置針對不同的水果可選取采用激光或高壓電熱切割果柄,或者對易脫落的水果采用直接擰斷果柄方式采摘。例如,我國江蘇大學(xué)劉繼展等人設(shè)計的番茄采摘機械手,其末端執(zhí)行裝置使用一組聚焦凸透鏡激發(fā)激光線切斷番茄果柄[19]。1996年,荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出一種多功能黃瓜采收機械手,采用高壓電弧切割黃瓜果柄,其末端執(zhí)行裝置上安裝了兩個高壓電極,產(chǎn)生的高壓電弧高達數(shù)千攝氏度,能瞬間切斷并灼燒切口,不僅便于切割,且高溫灼燒減少了黃瓜水分蒸發(fā),殺滅了有害病菌,提高了果實保鮮程度和質(zhì)量[20]。針對桑椹、枸杞等體積小、果實表面柔軟及果柄易脫落的水果,可直接將果柄從果樹上掙脫采收。例如,東北林業(yè)大學(xué)周兵等人設(shè)計了枸杞采摘機,使用一個中空的、帶有一個特殊軟管的末端執(zhí)行裝置。采摘時,由采摘頭帶動軟管不停轉(zhuǎn)動,將枸杞連帶果柄從果樹上掙脫,再由空心管產(chǎn)生的吸力將枸杞吸入內(nèi)部輸果管,運送到儲果箱內(nèi)[21]。

2.3 按照機械手設(shè)計結(jié)構(gòu)分類

機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計中大致分為4種坐標系結(jié)構(gòu),如表3所示。

1)極坐標型。極坐標型機械手有兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié),其中一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)負責(zé)回轉(zhuǎn)運動,另一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)負責(zé)機械手的上仰和下俯動作;移動關(guān)節(jié)負責(zé)手臂的伸縮運動,3個關(guān)節(jié)使得機械手連接上末端執(zhí)行裝置達成360°均可到達的球形工作空間。極坐標型機械手既能抓取高處物體,也能抓取較低高度的地面目標,工作范圍廣闊,抓取靈活,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對控制系統(tǒng)的要求較高。

2)圓柱坐標型。圓柱型機械手臂有一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個移動關(guān)節(jié),3個關(guān)節(jié)共同作用下使機械手工作范圍成圓柱形。其工作空間比極坐標型小,但是其結(jié)構(gòu)較為簡單,且機械手本體所占空間面積小,適合在空間有限的場所工作。

3)關(guān)節(jié)坐標型。關(guān)節(jié)型機械手類似人類的手臂,由底座、大臂、小臂和末端執(zhí)行裝置構(gòu)成,底座和大臂之間形成的關(guān)節(jié)叫腰關(guān)節(jié),連接大小臂之間的叫肩關(guān)節(jié)。末端執(zhí)行器和小臂之間由肘關(guān)節(jié)連接,4個部位和3個關(guān)節(jié)使得此機械手擁有4種機械手中最大的工作空間,甚至能夠抓取底座附近的物體,但控制系統(tǒng)復(fù)雜、精度差,且載重量小,不適合抓取質(zhì)量較大的物體。

4)直角坐標型。直角型機械手擁有3個垂直方向的移動關(guān)節(jié),類似于直角坐標系,每個關(guān)節(jié)負責(zé)一條軸上機械手的移動,使得直角型機械手能在長方體型空間內(nèi)自由工作。這種機械手控制系統(tǒng)較為簡單,運作精度高,但靈活性差、體積大、占用空間大,適合在室外空曠位置作業(yè)[22-23]。

表3 不同設(shè)計結(jié)構(gòu)機械手的優(yōu)缺點對比

3 結(jié)論與展望

針對國內(nèi)果園采摘機械手發(fā)展較為落后的現(xiàn)狀,通過對比分析現(xiàn)有果園采摘機械手的優(yōu)缺點,結(jié)合國內(nèi)當(dāng)前機械手發(fā)展現(xiàn)狀,立足實際生產(chǎn)需要,研究并生產(chǎn)更加適用于水果收獲各種不同特殊作業(yè)場合的創(chuàng)新型果園采摘機械手具有十分重要的現(xiàn)實意義。