一种松果采摘无人机的设计构想

时爽，林送峰

（黑龙江大学，黑龙江哈尔滨150080）

松果，属松科植物种子，熟后其内有松子。 我国松子产地主要分布在黑、吉、辽地区，东北松子是国家二级保护植物红松种子。松果为红松树的果实，属国家一级濒危保护物种。红松树垂直分布在长白山林区地带，一般多在海拔500～1200 米，成年红松树高度在 10～20 米之间[1]。

松子（松塔的可食用部分）含有大量的功能性成分。经常食用可以增加身体油脂，滋润肌肤，强化身体，补充精神。松子也是油漆和皮革工业的原料，其皮可以制成染料、活性炭等，此外松子还可以用于中药。

目前，无人机广泛应用于电力、气象、农业、海洋学和地形测量方面。在农业应用主要集中在植保作业，空中喷雾喷洒农药能极大提高作业效率，且不会对土壤进行重复碾压，不伤作物，降低了劳动强度。无人机可用于作物生长和健康评估，作物产量预测，自然灾害评估，作物病虫害检测和预警，作物生长环境监测，土地资源测量以及畜禽疾病发现等方面[2]。

在林业行业应用领域已扩展到林业病虫害遥感监测、森林防火、野生动植物监测与识别、森林资源调查、林业精准植保、林业执法等方面。克服传统森林火灾防控中人力需求高、卫星遥感分辨率低及定点监测难度大等缺点，有效减少森林火灾的发生，减少火灾造成的经济损失和人身伤害；使用无人机技术对野生动植物进行信息监测，帮助科研人员及时获取目标种群规模和结构、活动轨迹及个体水平信息；森林资源调查，准确地掌握林业资源情况有利于相关部门更好地进行决策以提高林业管理水平；林业精准植保，无人机可丰富并完善病虫害防治的作业方式，降低农药用量及农药残留，提升病虫害防治机械化水平；林业执法使野生动物保护更加高效和精确。

在果蔬采摘方面，国外先后研发出西瓜、草莓、葡萄等果蔬采摘机器人，近几年，国内对果蔬采摘机器人方面的研究产品逐渐增多。已经研制的果蔬采摘机有西红柿采摘机、黄瓜采摘机、蘑菇采摘机、柑橘采摘机、苹果采摘机等。但是对林木球果采摘方面的研究较少，本文创新性地在无人机上安装柔性末端执行器、收集装置、平衡装置经识别系统，执行装置，实现林木球果高效率高质量采摘。

1 采摘方式

松果采摘是松子生产的重要环节，具有较强的季节性。传统的人工采摘、半机械化采摘，采摘效率低，再加上人力运送，造成成本居高不下。并且传统人工采摘松果对于高、细的红松树采摘危险性极大，易造成人员伤亡，如果采取木棍或机械手臂敲打，不仅会导致松果存放时间缩短，且会损伤松果，降低松子产量。国内外已研发出多种林木球果采摘机，然而，由于其成本等原因，未被广泛使用。

1.1 机械辅助采摘方式

松果采摘机械主要分为四类：推摇式、撞击式、气力振摇式、切割式。推摇式工作原理主要是利用机械臂推动树干产生振动，当惯性力达到一定程度时，松果掉落到地面。撞击式是使用不同类型的撞击部件，撞击树枝使松果掉落；气动振摇式利用气流振动松果使其掉落；切割式则是采用工具切断树枝。上述机械辅助采摘方法都会影响松树，进而影响松果的产量，甚至损伤母树影响下一年结果。

1.2 机器人手臂采摘方式

机器人手臂采摘装置主要由机械臂末端系统和伸缩系统以及卸料系统组成。由于采摘机械手臂成本高、体积大、控制较复杂，整体智能化水平偏低，缺少采摘的自适性、通用性，应用范围受限。采摘环境受天气、季节和地形特征等自然条件的影响，采摘操作复杂。另外，机械臂缺乏灵活性并且能够根据工作物体的变化实时调节夹持力，从而导致松果的损坏。在实际环境中，机器人手臂面向未知质量，材料和硬度的物体。松果就会受到严重机械损伤，当手指在松果上施加小抓地力时，松果很容易从手指上滑落[3]。

随着无人机技术的快速发展，由于其小型化和灵活性等突出性特点，目前在农业植保、智能运输和其他民用领域的应用广泛。国内对采摘机器人的研究刚起步，多数集中在行走型机械，对环境要求较高。由于松树林种植密集，松树结构复杂，枝叶茂盛，行走型机器人不太适用。由于品种不同，采摘的位置也不同，对于高位采摘，因机器人手臂长度等要求，导致应用性不高。将无人机引入到林木球果采摘中，搭载柔性末端执行器、收集装置的设计方案，较传统行走式机器人因作业环境等原因功能受限，无人机松果采摘机能最大化降低采摘成本，增加经济效益。

2 采摘作业环境

松果采摘机进行采摘作业的空间环境呈现高度非结构化，并且采摘作业的对象又是具有生命特征的物体。

采摘对象复杂，采摘目标对象的形状大小都不规则，个体之间存在较大的差异，而且树枝易折。

采摘机的作业环境信息是不可预知的，而且这种无法预知的环境条件还会随着不同的气候、天气状况而改变，因此，对采摘机的控制系统要求很高。

采摘对象通常会被作物的树叶、树枝以及未成熟的果实等遮挡，这对机器人视觉定位的要求极高，同时也需要机械臂有非常好的避障能力。

在采摘作业时不能对目标造成破坏，所以机器臂的末端执行器要求抓取时具有柔软性或者有保护作业对象的装置。

目前，由于采摘机技术本身并不成熟，而且智能控制系统很复杂，所以导致采摘机价格高，采摘作业成本提高，对于农林业生产来讲，农民无法承受高生产成本，这也是松果采摘机难以市场化推广的重要原因之一。

3 采摘无人机设计的构想

松果采摘无人机经视觉系统、影像系统经图像处理后，识别出采摘目标的坐标信息，无人机飞至目标前方，经操作系统驱动采摘装置，从而实现松果的采摘。采取柔性末端执行器的设计可具备实现对不同形状物体（主要是针对类似于松果的椭球状物等）的采摘，具有良好的通用性和适应性，另外，为了保护松果不会在采摘过程中被破坏，设计中增加柔性抓取功能，这种结构属于挠性元件，具有一定的弹性，可以缓和载荷的冲击，而且抓取过程中刚度可以适当调节[4]。

4 创新性研究

近年来，采摘机在机械化生产中迅速发展，但大多数采摘机都是行走式，受采摘高度和地形的限制，功能较为单一。由于功能模块的增加，已开发的多功能采摘机成本大幅增加，从而大大降低了经济效率。所以，研究具有成本低廉且多功能的松果采摘无人机是必然选择。

无人机搭载末端执行器抓取作业效率高，对母树破坏小，对森林生态保护有重要意义。设计末端执行器，不同类型的收集爪，可用于收集不同针叶树种的球果，在手指中加入弹簧实现柔性抓取。

以松果采摘无人机与机械手臂以及监控系统结合的方式代替人工采摘松果，降低了人工作业的危险，提高了安全性，降低了成本，大大增加了收益，同时满足了日益增加的对松子的市场需求。