智能化水果采摘机的研究与开发

张西顺 刘迪迪 郑铎 李彩霞

【摘要】随着新型农业的不断推广和科学技术的不断进步，农业机器人已逐步应用到农业生产的各个领域，成为农业生产中强有力的主力军，并促进机械装备向智能化方向发展。为此，智能化水果采摘机将先进的自动控制系统与机械设备的有效结合，实现对水果的采摘、分类、装箱、运输等一系列工作，避免了水果采摘时因人员不足带来的损失，并且提高了水果的采摘效率，在水果产业中具有良好的发展前景和应用价值[1]。

【关键词】水果采摘;智能化;效率高

Abstract：with the extension of new agriculture and the development of technology，agricultural robots are gradually being used in every area of the agriculture product.These robots are becoming more and more important in the agricultural field and are promoting the machinery and equipment to the intelligent direction.Based on this background ，the intelligent fruit picker which is the perfect combination of the auto-control system and the machinery equipment can finish all the work such as the picking、classification 、packing and the transportation.These functions can avoid the loss of the labor lack and improve the picking efficiency.As the result of the technological development，the intelligent fruit picker has a bright future and practical value.

Keywords：fruit picking;intelligence;high efficiency

引言

在水果种植产业中，水果采摘大约占到整个产业工作量的50%，由于水果采摘过程中的复杂性，大部分水果产业区在水果采摘时依然以手工作业为主。虽然有些地区采用机械化作业，但其自动化生产水平依然较低，不能满足产业的发展需求。水果作为时令性农业产品，目前在采摘过程中需要大量的劳动力，随着我国老龄化程度的不断加深，农村劳动力不断减少，生产成本不断提高，限制了整个水果产业的发展[2]。

随着计算机技术的不断进步以及自动控制系统的发展，智能化水果采摘机的出现解决目前水果种植行业面临的困境。其利用智能化的生产方式在水果采摘过程中降低果农的劳动强度以及生产成本，并根据水果直径直接在采摘过程中对水果进行分类，可以有效地增加整个产业的生产效率，符合水果产业化发展的需求。智能化采摘机在水果产业中的应用可以保证水果适时采摘、提高水果质量具有重要意义，并且随着农业向产业化发展的进程中，智能化采摘机具有广阔的市场前景[2]。

1.总体设计方案

智能化水果采摘机主要有机械装备和控制系统2部分组成。其中机械装备包括：运输车辆、水果采摘机构、水果收集机构，控制系统则包括：控制终端、传感装置与视觉系统。机械装备与控制系统在采摘水果过程中相互协作，共同完成水果的识别、采摘、分类、装箱等过程，直接在水果采摘过程中实现机械的智能化生产。其整体效果图如图1所示。

图1 整体效果图

注：1.伸缩立柱;2.旋转盘;3.采摘伸展臂;4.采摘机械手;5.水果手机伸展臂;6.水果收集箱;7.水果传送带;8.运输车;9.伸展臂承载板。

1.1 运输车辆

智能化水果采摘机以运输车辆作为主要机械承重机构，设计过程中突破了目前世界上现有水果采摘机只采不运的缺陷。将运输车辆直接应用到采摘机的主体机构中，既满足了运输水果的作用，也可以作为采摘机构中的支撑平台节约了占地空间。车厢设计过程中在传统农用车辆的基础上进行了改进，将车厢分隔成两个不同的区域，可以在水果分类后根据水果直径的不同将果箱放在不同区域。

1.2 水果采摘机构

智能化水果采摘机的采摘机构如图2所示。采摘机构将采用多关节与机械手的配合，更加灵活的工作在茂密的果树中，达到精细化作业的目标。

1）多关节伸展在果园中工作时能够更有效的避开树枝的阻碍，轻松地到达水果所在的位置。每节伸展臂都利用液压传动装置进行伸缩，可以在一个平面内绕链接部分旋转180度，能够满足不同角度的采摘，并且借助多关节伸缩更好的去实现机械手与水果距离的控制，以此实现水果采摘时的准确、高效的目的。

2）根据多次模拟测试，在机械手设计过程中留有一定余量，可以在一条直线上自由伸缩，防止伸展臂的局限性不能使机械手到达指定位置，实现了采摘机的精细化作业。机械手端部模拟仿生手的结构，多个夹持模块同时对水果受力，避免因一部分受力不足或过大造成水果表面的破坏。并且利用数学建模的方式对不同水果进行受力模拟，得到夹持水果时受压的最大值，以此来提高采摘水果的质量。

机械手根据不同水果类型可进行换置，在不同时间对多种水果进行采摘，避免因水果的季节性问题造成采摘机的闲置，从而提高了采摘机的利用率，并使采摘机具有较高的灵活性和通用性。

实现整个过程中的自动化作业，可以在作业过程中源源不断的供料。以此来减少工人在工作过程中复杂化、高强度的劳动过程。

图2 采摘机构示意图

1.3 水果的收集机构

智能化水果采摘机的收集机构如图3所示。收集臂采用液压传动将多节机械臂自由伸缩，有效控制机械臂的伸缩距离，自由控制收集箱在空间中所在的位置。在收集臂中仍然采用三节机械臂的伸缩方式，其中第一节直接固定在旋转盘上，能够满足机械臂在空间中自由旋转，各机械臂根据水果收集箱距离机械手的距离，合理伸缩各节的长度，保持采摘水果时收集箱时刻处于机械手下方，方便水果的放置。

收集箱采用两个不同的放置区域，在机械手对水果进行分类后根据程序的控制，将分类好的水果按照其直径大小放置在两个不同的箱子中。机械手和收集箱的有效结合可以直接在采摘水果时根据直径大小对水果进行分类，减轻了果农后期因挑选水果带来的劳动强度[3]。

图3 水果收集机构

1.4 控制终端

控制终端作为采摘机的核心控制部分[4]，在对信号处理过程中对传输过来的信息进行识别、分析来判断出信号是否为所需要的信号，直接根据程序筛选出采摘机需要的信号，提高了控制终端控制机器工作的效率，如图4所示。

图4 控制终端流程图

1.5 传感装置与视觉系统

1）传感装置

目前我国加大多数果农在对水果分类过程中较大程度的依赖于人工，使果农劳动强度增加并且不能在水果分类过程中不能进行标准化生产，智能化采摘机对水果进行分类的过程中解决了目前果农所面临的这一系列问题。实现采摘机智能化分类主要依赖于光电传感器在机器中的应用，它可以根据水果的大小来收集信号，直接传入到控制终端对信号处理并控制机械手将水果放置于不同的收集箱中，轻松实现了对水果的分类。

2）视觉系统

视觉系统在采摘机中作为重要的组成部分，采摘机利用双目视觉系统对水果进行识别、定位，可以轻松地获取水果的精确位置以及水果周围的环境，并结合控制终端的图像模拟系统对现有图像进行处理。控制终端将处理后的图像得到水果三维空间位置以及周围复杂的环境的数字化程序，结合所需要的算法对机械手运动路径进行分析，确定最短的路径以及避开周围的障碍，对水果进行精确采摘 [5]。

2.工作原理及产品特点

2.1 工作原理

采摘机在工作工程中利用端部的视觉系统与感应装置收集工作过程中一系列信息，将信号传输到控制终端中进行分析，得到分析结果后根据一定算法得到工作方案并输出信号到机械部分，直接对机械各部分进行智能化控制，实现了水果从识别、采摘、分类、装箱等全过程的智能化生产。采摘机还运用信息反馈系统在工作过程实时收集信息，控制终端将采集到的实时信息与设计的工作方案进行对比，并不断进行校正操作过程以达到最佳的工作状态。

2.2 产品特点

1）先进的传感装置与视觉系统对水果具有有效检测以及对水果位置精（下转第166页）（上接第164页）确定位，有助于整个采摘过程智能化作业的实施。

2）采摘机将控制系统、采摘装备以及运输车辆一体化的设计方案节约了工作空间，更方便于不同区域的水果采摘。

3）在水果采摘过程中直接依据水果大小进行分类，减轻了果农的劳动强度。

4）机械手可以根据水果的种类不同进行换置，方便在不同季节采摘多种水果，具有较好的通用性，使采摘机实现多重利用。

3.总结

智能化水果采摘机将控制系统与机械系统的有效结合实现了水果的智能化作业，可以满足工作过程中对水果的识别、采摘、分类、装箱等一系列过程，并结合机械手的可更换性来实现对多种水果进行采摘。解决了水果种植行业因水果采摘季节性强造成采摘人员不足、劳动强度大等问题，该产品的研究与开发对于解放劳动力、提高生产效率、降低生产成本、保证水果品质都具有重要意义。随着采摘机的不断发展以及采摘技术越来越成熟，它将会逐渐普遍适用于现代水果产业中，实现整个水果种植行业的规模化发展。

参考文献

[1]赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2003（1）：24-25.

[2]杨敏丽.中国农业机械化与提高农业国际竞争力研究[D].北京：中国农业大学，2003.

[3]方建军.移动式采摘机器人的研究现状与进展[J].农业工程学报，2004（2）：173-176.

[4]蔡健荣，李玉良，范军等.成熟柑橘的图像识别及空间定位研究[J].微计算机信息，2007（12）： 224-225，314.

[5]宋健，张铁中，徐丽明等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报，2006（5）：158-162.

作者简介：张西顺（1990—），男，山东菏泽人，大学本科。