果园收获机械的研究

果园收获机械的研究一、概述近年来，随着农业产业机构的调整，林果生产已经成为很多地区经济发展和农民增收的支柱产业，随着种植面积的不断扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，从而果园机械化日益重要。果园收获机械的发展，可以减轻果农的劳动强度，提高生产效率，节约劳动成本，提高经济效益。由于我国果园作业机械研究起步较晚，基础相对较差，因此，果园作业机械化程度和欧美等国家还是存在差距。所以，针对我国各地林果生产特点研究相应的作业机械，对林果产业的发展有重要意义。我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此提高采摘作业机械化程度有重要的意义。二、国外果园采摘机械现状1.机械式采摘果园的机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。振摇式是利用外力使树体或树枝发生振动或振摇，使果实产生加速度，在连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击部件直接冲撞果枝或敲打牵引果枝的棚架振落果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式，又分为机械切割式和动力切割式。国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40年代初，以美国、法国、英国为首的西方国家较早开展此方面的研究。40年代中期美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃和杏等水果，到50年代中期，利用振摇果树方式收获水果的采摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。至60年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机、使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式机械等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工作效率普遍较低，采摘的损伤率还较高，也不适用于采收易损伤、要求完好率高的鲜食用水果和贮藏用水果。60年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。从60年代后期开始，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，比如修整树形使之适合机械化作业。70年代出现了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪。日本的果园种植地形类似于我国南方地形，许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用，因此日本在20世纪90年代初着手研究陡坡地果园的机械化。其四国农业试验场研制的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车，使用电视摄像机和无线电控制组合。该采摘车的轮距宽，重心低，故爬坡能力强；采用就地车轮正反转机构，故回转能力好；采用枢轴悬挂机构，因而使机体摆动小、行走稳定，适合在坡度15°～30°的地区使用。2.机器人采摘目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。70年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。自1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经了20多年的研究和试验，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人。采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统组成。日本京都大学在80年代中期研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也低。同时韩国研制的苹果采摘机器人采用了极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达3m。20世纪90年代，日本岗山大学在番茄采摘机器人上设计出了具有7个自由度的能够指定采摘姿态的机械手。自由度越高，其手部运动越灵活，控制越复杂。末端执行器类似于人的手指，其设计采用仿生学，即末端执行器结构取决于采摘对象的生物特性、理化特性，手指的数量和形状与果实的外形特征密切相关。对于摘取方式，多数采摘机器人使用剪刀剪断果柄或直接用手爪拧断果柄，荷兰农业环境工程研究所（IMAG）发明了一种电极切割法，利用特殊电极产生高温（1000℃）切割，可防止断口的感染。2007年，美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作研发一种水果采摘机器人。设计出的机器人依靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力，应用现代成像技术使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。工作过程就是先将一台机械化扫描机器送入果园，装备有数字成像技术设备的机器人能够生成一张三维地图，显示位置、成熟度和水果质量，采摘机器人按照这些画面，使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果，大幅提高了采摘效率和成功率。该种机器人单扫描和收获系统的成本就达五十万美元，所以距离真正的广泛商业应用还有几年的路要走。由于工作环境的复杂性和不确定性，目前采摘机器人的智能化水平还没有达到农业生产的要求，离实用化和商品化还有一定距离，主要问题在于其灵巧性有待提高，果实的平均采摘周期较长，果实识别率偏低，损伤率较高，制造成本过高。随着传感器及计算机视觉等技术的发展，采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力：一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是要提高采摘机器人的通用性和利用率。三、国内果园采摘机械现状国内果园采摘机械现状我国从20世纪70年代开始研究果园采摘机械，先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。80年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘，例如一种人工剪枝采摘器，它夹口上方有切刀，下方有夹钳可以将果柄先钳住后剪断。电机式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀，再用微型电机带动的切刀作往复运动把果柄切断。还有一种振摇式采摘器，用拨叉伸入果枝用电机摆动拨叉而振落果实。切割式采摘的优点是省时省力，对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台，可用来提高工作位置，利于采摘作业。我国还曾研制出吹气式采摘机，由于其风机功率要求大，气流易损伤果枝果实，虽然分选效果较好，但采摘效果不佳，使之很快就被市场淘汰。20世纪90年代开始，市场的因素带动了果树种植的热潮，众多中小种植户的需求带动了简易采摘器的市场。其后气动剪枝机、辅助升降平台等机具相继进入了市场。1992年浙江金华农机所研究了由拖拉机操作的用于采摘水果的升降机，上升高度可达7m。2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机，即LG-1型多功能果园作业机。这是一种集采摘、修剪、喷药、运输、动力发电等功能的自走式作业机。其工作原理是汽油发动机将一部分动力分配给主机的变速箱，由变速箱驱动两条橡胶履带行走，另一部分动力带动双缸风冷式空压机，为气动剪枝机和升降机提供动力。采用橡胶履带行走部件是针对果园里土壤松软和比较潮湿的环境。空压机连接的升降平台提升高度1.5m。该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代。我国南方果园大部分处于丘陵山区地带，受限于坡地地形，合适的采摘机械很少，机械化作业基本处于空白，而且在费工以及作业危险性方面的问题比平地采摘机械更突出。我国台湾地区为了在坡地果园上实施机械化省工经营，改良发展了适合坡地作业特性的农机具,研制成功了一种自走式牵引振动采果机。该机以坡地搬运车为机体，在振动机的下方装一个可技术推广JISHUTUIGUANG适用技术18作360°旋转的旋转盘，采果时转动圆盘，使牵引推杆对准采收树枝干，牵引推杆上装有自动调整推杆角度的四连杆，可以使推杆处在最有效的作业角度，当拉紧套住树枝干与推杆头间的绳索时，果实受拉力即可掉落。这种机型由于经济适用，很受果农的欢迎。在机器人采摘研究方面，我国才刚刚起步。2006年出台的“十一五”国家高技术研究发展计划（863计划），提出了高技术项目《果树采摘机器人关键技术研究》。近年来国内许多高校如中国农业大学、东北林业大学、浙江大学、江苏大学、南京农业大学、沈阳农业大学等高校积极介入农业机器人领域的研究，通过跟踪国外先进技术，在机器人采摘领域内取得了初步的成果，但是都处于实验阶段，投入农业生产实际仍需时日。长期以来果树生产存在着采摘、修枝、植保、施肥等四大难题，虽然近些年我国采摘机械得到迅速发展，在机械产品方面有采摘器、动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等，但总的来说，国内果园作业机械，大多功能单一，只能做果园土壤管理和果园植保作业，不能解决果园生产以上四大难题。果园作业要实现全程机械化，必定各个作业环节上果农都得购置机械，这样势必增加果农购置机具的费用，增加生产成本，降低经济效益，影响果农种植积极性。而多功能作业机械能实现一机多用，既减少购机投入，又方便果农使用。各种水果之间的差异、种植区域的地理条件的不同，果实品种的变换，会对采摘机械提出不同的要求。目前我国采摘机械的通用性不佳，也是制约采摘机械发展的因素。果园生产方式落后，农机农艺之间不协调。国外较早就注意抓农艺和农机相结合的工作、果树栽培的管理方式，以便于实现机械化操作，例如果树的矮化密植、篱壁形整枝等。新的栽培模式和整枝方式，不仅能提高光能利用率和便于机械化操作，而且使之可以采用跨行机械，国外在大型果园环境控制中，已发展到了采用“精确定量”的控制理念，即由计算机分析果园的经济效益，拟定最佳方案，以降低成本，减少劳力，增加收入。相比之下，我国主要是分散栽培，分户管理，真正集中成片统一管理的大型现代化果园很少。这种小农经济式的种植方式，由于生产规模小和农民技术素质偏低等原因，使果园的生产管理停留在传统经验式的基础上，规范、科学的生产管理方法难以实施，果园机械化程度普遍偏低。这些年农业劳动力大量向社会其他产业转移，导致农机技术人员缺乏，而且随着人口的老龄化，使得果业生产成本不断提高，降低了果农的种植积极性。四、果园采摘机械的发展趋势提高资源利用率和农业生产率、降低劳动强度、提高经济效益是现代农业的趋势。机器人采摘由于技术和成本的原因，在今后较长时间内无法投入实际应用，在这种背景下，机械式采摘将占据主流，其发展具有以下几个特点：一是多功能化。即该机械不仅具有采摘果实的功能，还兼具其他作业功能，如中耕、施肥、剪枝、植保等，多功能作业机械能实现一机多用，减少购机投入，同时又方便使用。二是采摘与山地果园运输结合起来。南方丘陵山地果园坡陡，上山的肥料、农药和下山的果品等全靠人力运输，劳动强度大，效率低，成本高。有些山地虽能开辟机动车道，但成本高，浪费土地并易造成水土流失。因此研究省力、低成本的山地运输机械成为当务之急。三是操作简便、可靠性高。机器的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，这就要求结构设计合理可靠，使用方法简单，维修维护方便。四是通用性好。在各种不同的条件下，如不同地形（平地、山地），不同的作业地表（沙质土、泥泞地带），不同的作业对象（水果、坚果），不同的品种（柑桔、苹果、梨、柚等)等，该机械适用于大部分甚至绝大部分情形。五是自动化和智能化。随着现代科学技术的进步和广泛应用，新技术必将进入到农业机械领域，机械化、自动化、智能化水平将进一步提高。如日本研制的自走式采摘车，在20°以上的陡坡地使用电视摄像机和无线电遥控组合控制方式，实现无人驾驶操作。在机器人采摘研究方面，未来的采摘机器人朝着以下几个方向发展：一是采用高精度的视觉系统和图像处理技术，如使用视觉传感器配合测距仪来精确定位，使用模糊神经网络对图像进行智能化处理。二是研发有多指及冗余自由度的机械手爪。机械手爪要针对作业目标的物理、生物特性设计，保证采摘时的生产质量。采用合适的轨迹规划，使得