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1、水果采摘 装置 设计0文献综述0.1水果采摘实现机械化的必然趋势在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%70%。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%50%。高枝水
2、果的采摘还带有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的中华人民共和国农业机械化促进法还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器
3、人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的收获机械。采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究对象主要包括甜橙、苹果、樱桃、甜瓜、葡萄、草莓
4、等，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人。应用机器人技术进行水果的自动化收获得到了快速的发展。法国是研究果蔬采摘机器人较早的国家之一，但由于技术、市场和价格等因素的影响，甜橙和苹果采摘机器人已经停产，采摘机器人的研究工作基本陷于停顿。美国在自动化收获机器人的研究方面没有一个很清晰的战略，研究工作也基本处于停顿状态。日本近年来开展了大量的收获机器人研究项目，进展很快，但还未能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作走在很多国家的前面，但研究的果蔬种类并不多。0.3我国水果机械化采摘装置研究进展我国的国家专利中有上百种的水果采摘器，包括机械式、电动式、气动式的果品采摘器，其中有的实现单方向的
5、水果采摘，有的可改变方向能实现全方位的水果采摘。不过目前市场上商品化的采摘器品种还比较单一，且价格昂贵操作不便。我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，果蔬采摘机器人的研究还处于起步阶段。目前我国不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，它主要由5个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义斌等人完成了水果自动分级机器人的研究开发。0.4水果机械化采摘装置发展方向
6、虽然水果的机械化作业最早可以追溯到上个世纪60年代，但由于简单的机械收获易造成果蔬损伤，因此在收获柔软新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性而且果蔬收获往往需要有选择性地进行，此外市场对果蔬的新鲜度也有很高的要求，这就要求果蔬的收获要有很高的时效性。因此，在果蔬收获中采用机器人作业，实现果蔬收获的自动化和智能化，是解决上述问题的最好方式。采摘水果的机器人有他自身的特点:它们一般是在室外工作，作业环境较差，但是在精度上却没有工业机器人那样要求高。果蔬采摘机器人操作者是知识水平较低的普通农民，不是具有机电知识的专门的技术人员。因此要求果蔬采摘机器人操作技术不能太复杂，必须具有很高可靠性和操作简单的特点。
7、另外，水果的生产业以个体经营为主，考虑到经济效益，采摘器的价格不能太高，否则会就很难普及。采摘机器人作为农业机器人的重要应用具有很大的发展潜力。日后的水果采摘机器人的研究工作必须朝以下方向发展:能够准确地识别和定位成熟果实，并且能引导末端执行器准确的接近目标;研制灵巧的、不伤果实的采摘机器人末端执行器;采摘机器人的行走机构必须适应田间的复杂环境;视觉系统要迅速识别定位果实，控制系统和机械手臂系统必须做到迅速摘取;增强机器人系统的通用性。相信在不久的将来，在不断克服种种技术的阻碍后，水果采摘机器人会得到广泛地应用，水果的采摘将实现机械化。1引言1.1水果采摘装置的研制背景我国是农业大国，果树业是
8、农业的重要组成部分，果树产值在我国农业(种植)中仅次于粮、菜居第三位。据农业部统计，2003年全国果树总面积943.67公顷，总产量7551.5万吨，皆居世界第一，且人均占有量48kg以上。柑桔1345万吨(占世界柑桔总产量的l3%，居世界第三位，近20年来产量增长了8.43倍，是全球柑桔产量增长幅度最大的主产国)。苹果2110万吨(占世界总产量的25.2%)。梨979.8万吨。我国山区丘陵地区面积广阔且大部分种植果树，仅西部地区果园面积就达286万公顷，占全国31%，果品总产量为1837万吨。以山城重庆柑橘种植为例，2004年柑桔种植面积就已经达到18.23万公顷，总产量突破100万吨，而重
9、庆农业综合机械化水平为仅12.23%。近年来，为转移农村劳动力，统筹城乡经济协调发展，促进农民增收，山区丘陵地区普遍把劳务输出作为发展地方经济、增加农民收入的一项重要举措。伴随着劳务进城的加快，大量壮劳动力外出务工，留在家的主要是老、弱、病、残、妇女和儿童。水果的采摘期短，短期内劳动强度大，外出的壮劳动力不可能及时回来。高枝水果的采摘对人员的体力有较高要求，一般直接参与采摘作业的应是青壮年，手工采摘高枝水果还不能由一人完成。水果的采摘期短，短期内劳动强度大，这种矛盾更突显了山区丘陵果业采摘的难度大的问题。目前山地丘陵的水果采摘主要是使用采果剪手工采摘，手工采摘仅限于地域距地面低于两米的灌木类果
10、树，劳动强度大，且效率低下。对于高于两米的乔木类的果树或比较高的枝条上的水果，采摘员要站在短梯或高凳上，将采摘的水果放入果篮或果筐中。国家标准GB3608-93高处作业分级明确规定:凡在坠落高度基准面2m以上(含2m)有可能坠落的高处进行的作业称为高处作业。高枝水果有的已经远远高于2m，已经属于高出作业范畴。国家规定高处作业使用高凳和梯子时，单梯只许上1人操作，支设角度以60度到70度为宜，梯子下脚要采取防滑措施，支设人字梯时，两梯夹角应保持40度，同时两梯要牢固，移动梯子时梯子上不准站人。使用高凳时，单凳只准站一个人，双凳支开后，两凳间距不得超过3m。如使用较高的梯子和高凳时，还应根据需要采
11、取相应的安全措施。在没有可靠的防护设施时，高处作业必须系安全带，否则不准在高处作业。同时安全带的质量必须达到以使用安全要求，并要做到高挂低用。但是实际上果农进行高枝的水果采摘时并没有按照国家规定，也未采取任何安全防护措施。摘果时常因上梯或上树精神紧张而感到非常劳累不便，也常听到有人不慎从树上或梯子上掉下来的消息，这种状况很随机不可预测。高处作业的大部分是青壮年，一般都是家庭的主要劳力。如果发生严重的跟骨关节内骨折，即使进行手术治疗，也无法保证患者将来不出现创伤性关节炎及跟骨负重时疼痛，其劳动能力将严重受限，甚至影响日常生活。由此可见完全依靠人力的采摘方式采摘速度慢、效率低、劳动强度大，高枝水果
12、采摘还具有一定的危险性。此外，传统的作业还存在以下弊端:一是采摘过程中作业者的人身安全问题，即手工采摘时手臂易被树枝划伤或擦破，高处作业时，还可能会摔伤。二是对果树的损伤，即对树的枝叶芽的破坏。三是对水果质量的影响，单手采摘时容易出现脱蒂，易出现抽心果，还有就是高枝水果容易掉在地上造成内外伤，影响果品的外观，不利于保鲜储藏，从而最终造成降低经济收入。目前，我国各地方政府为增强地方经济，正相继开发大量的旅游投资项目，纷纷举办各种赏果采摘节，如苹果节、桃子节等，吸引了大量游客到果园采摘旅游，享受采摘水果，品尝新鲜水果的乐趣。如果能提供一种轻巧灵便的果实摘采器，不但能让游客充分体验采摘的乐趣，而且还
13、保障了游客的安全，保护了果农的果树不受损坏。另外，果农可以少打矮壮素等农药，生产出更多的无公害果子，减少成本投入和对环境对水果的污染，游客可以品尝到更新鲜卫生的水果。中华人民共和国第十届全国人民代表大会常务委员会第十次会议于2004年6月25日通过，2004年11月1日颁布施行的中华人民共和国农业机械化促进法是为了鼓励、扶持农民和农业生产经营组织使用先进适用的农业机械，促进农业机械化，建设现代农业而制定。2009年中央一号文件明确指出要加快研发适合丘陵山区使用的轻便农业机械，中国农业机械化事业呈现可持续发展态势。近年来，国家对农机化关键技术和装备研制开发的扶持力度很大，十五期间中央财政直接投入
14、的农机化科技攻关资金为2800万元，十一五时期会超过1.4亿元。农业的根本出路在于机械化，是党和国家各级政府，农机科研、生产、推广部门始终坚持的方向。机械化水平是衡量农村农业发展水平的重要标志，是确保提高农村生产力，促进更多的劳动力转移，彻底改变传统的小农经济耕作方式的前提和依据。机械手臂是目前在机械人技术领域中得到最广泛实际应用的自动化机械装置，在工业制造、医学治疗、娱乐服务、军事以及太空探索等领域都能见到它的身影，农业方面的应用尚属空缺。中华人民共和国农业机械化促进法还规定国家采取措施，鼓励和支持农业机械生产者增加新产品、新技术、新工艺的研究开发投入，并对农业机械的科研开发和制造实施税收优
15、惠政策。国家支持有关的科研机构和院校加强农业机械化科学技术研究，根据不同的农业生产条件和农民需求，研究开发先进适用的农业机械，支持农业机械科研、教学与生产、推广相结合，促进农业机械与农业生产技术的发展要求相适应。随着我国制造业的高速发展和农业机械化普及程度的大幅提高，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。现阶段的机械手存在两种极端:一是含有自主行动功能的技术含量极高的类型，价格昂贵不适合丘陵地带小型果园;一是基本属于纯机械式的，采摘器过于简单，不利于提高生产效率，减轻操作者的劳动强度。目前急需一种介于两者之间的，便于操作，价格低廉，效率较高的机械手臂。水果采摘装置可有效的解决劳动力分配，提高采
16、摘效率，提高操作安全性，提高机械化水平，便于果树管理，具有良好的市场前景。在中华人民共和国农业机械化促进法规定的国家政策鼓励下，农业将进一步的朝着机械化方向发展。随着我国制造业的高速发展和农业机械化普及程度的大幅提高，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。1.2本设计的特点和目标本课题将进行基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置的设计，构型简单，操作方便。采用伸缩式机械手臂，手臂长度可调，适合多种高枝水果，且便于携带，不使用时可缩短至最短的长度放置节约空间。采摘器采用电动机带动到刀片转动的方式切割果梗，操作时只需轻轻地握住手柄就能调整采摘器的方向，适合各种位置的高枝水果，节省劳动力，提高效率。采摘下的水果能顺利进入的接收装置，再顺着传递装置，安全的到达地面。手持固定部分还可增加整个装置的稳定性，降低采摘员在长时间的操作过程中手腕疲劳程度。使用基于伸缩式机械手臂的水果采摘装置可实现各种高度各种方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，简单实用
