水果采摘装置现状及发展方向

张宝钰 刘智威 刘佳旭

摘  要：对于我国水果采摘大多时候依旧采用人力，采摘效率低，劳动强度大。随着科技的发展，新兴的水果采摘机械装置将代替人工采摘，大大提高采摘效率。国内对于水果采摘的研究相较于国外还有一定的差距。国外在水果采摘方面有较多的研究成果，且加入许多先进的采摘成像技术，使采摘更加便捷。我国水果采摘装置致力于机械结构装置，多功能水果采摘机械装置集采摘、修剪、运输，喷药等集于一体。我国也大力支持农业有关科研机构和院校在农业机械化发展方面加强科学技术研究所以在水果采摘机械化方面具有非常好的发展趋势。

关键词：采摘;机械;高效;便捷

进入21世纪之后，中国逐渐进入现代化的社会进程。各种新兴机械逐渐代替原始劳动力，在中国现代化的进程中，逐渐产生了其他行业。我国是一个农业大国，其中水果产业也是农业中的一部分，水果种植除了前期的栽培直至到长出果实以外，最重要的后期的还是采摘过程。

在水果采摘方面，农民们采摘水果还存在许多弊端。采摘水果时存在大量的人力物力。且人力采摘占据采摘作业的主导地位，采摘劳动强度大，工作效率低，浪费大量的时间，同时机器采摘实施的范围比较小。当然，就算是人工采摘，当采摘高空水果具有各种不安全的因素，由于地形的影响，果树高度都会加重采摘作业的困难度。我国进入21世纪之后，科技水平不断提高，农业现代化机械化水平不断提高。采用新型的便携式水果采集装置在未来的新兴市场推广中产生可能。可以大大提高采摘效率，这样不仅解放了农村劳动力，而且更加方便快捷。随着科技的发展，国外在水果采摘方面具有发达的先进水平。且成果显著，但是受各种因素影响，关于水果采摘方面的研究基本停滞不前。中国对于水果采摘方面的研究较晚，所以研究成果较少，对于一般的水果采摘机价格昂贵，体型庞大，使用复杂，很多地方果农负担不起导致无法普遍使用，因此现行的水果采摘方面还大部分属于人工采摘，大大降低采摘效率，且采摘时间长，果农在长时间采摘水果时容易产生疲劳，存在不安全因素，所以在水果采摘研究方面具有重大意义。

各个国家在水果采摘方面都有一定的研究成果，因电子技术和计算机技术的蓬勃发展，在水果采摘中加入计算机成像技术，单片机等先进的电子技术，机电一体化技术可以实现很好的采摘效果，采摘部分可以精确的定位到水果摘取部位。在水果采摘机器人方面更是具有大量的研究成果，因成本较高，价格昂贵，并没有大批量的生产商业化。

中国的水果采摘任务量大，是全球前列的水果生产国，2008年中国的水果总产出约占世界总产量的14%，水果种植业的蓬勃发展推动了水果采摘机械市场的发展。

国外的机械采摘中，刚开始都是研发出简单的机械手，例如1883年美国研制出采摘西紅柿的机械手，这也是世界上的第一台机械手，在1987年研制出了采摘柑橘的机械手。后来韩国在1998年研制出了采摘苹果的机械手，它是利用传感器来识别果实成熟度从而进行采摘工作，该装置运动比较灵敏。到后面，对于一些简单的采摘机器，法国率先研制出简易的水果采摘器，之后美国开始在振动式机械采摘中开始研究，用来采摘桃，杏子等小型水果。到二十世纪五十年代中期，关于振摇式水果采摘机械在欧美国家得到了普遍应用，振摇式采摘机械在之后的十年里也进行的结构上的改进，由单一的定冲程推摇机到气动振摇机，产生了多种类型的水果采摘机械。日本也是在农业机器人上研究比较全面的一个国家。研制出的喷农药机器人通过传感器使其自动喷洒;研制的嫁接机器人可以让嫁接速度大大提升;还有研制出的施肥机器人，四个超窄轮子用橡胶制成，可以在比较狭窄的作物之间来回自由行走，完成施肥的任务;当然日本也研制了很多采摘水果的机器人，例如采摘西红柿，葡萄，柑橘，草莓等。虽然各种采摘机械都得到了一定的发展和推广应用，但是随着科技的迅速发展，国外对水果采摘机械的研究转向了采摘机器人方面，这种采摘机器人可以更加精准的找寻到水果位置，且动作迅速，效率高。历经二十多年的研究，西方各个国家基本上都实现了多种采摘机器人采摘试验。采摘机器人是以机械臂，执行装置，识别系统，行走装置四大部分组成，主要是以机械臂来进行主要采摘工作，机械臂可以实现多个自由度运动，最后实现抓取果实的作用，但机械臂自由度越多，控制系统越复杂。

在执行装置中，执行器结构取决于采摘水果的特性，形状，摘取方式有多种，一般最常见的是利用机械臂的剪刀来剪短果实，或者用机械爪来拧断果柄。接下来是行走装置，一般分为三种，分别是车轮式，履带式和仿人式。最长见的是车轮式，顾名思义，这种行走方式方便，转向灵活多变，但是不适用于地形复杂的地区，对于类似陡坡的复杂地形，车轮式行走就没有优势，反应到机械臂上会影响采摘运动精度。相反的是履带式行走装置克服地形复杂的情况，对地面适应能力强，但是运动僵硬，转向不灵活。识别系统主要用于水果的识别及定位。国外在采摘机器人上用摄像头和图像处理器实现的视觉识别系统取得了不错的采摘成果。针对目前的采摘机器人，我认为在许多方面都有待提高，采摘机器人还没有达到农业生产的要求，实用性较差，且主要问题在于采摘机器人灵活性不足以适应果实采摘多变的工作环境。对果实的损伤率较高，制作成本高。在水果采摘机器人方面需要改进识别定位系统，提高果实精准定位，设计更加适合的机械臂，以减少果实的采摘损伤率。

国内的水果采摘方面致力于机械式采摘，大多数都是以机械装置来完成水果采摘任务。在上个世纪八十年代，我国已经开始研制出切割式水果采摘器，果农也从人工剪刀采摘转换成使用机械水果采摘装置。人工剪枝采摘器利用夹口上面的刀刃和下方的钳口将果柄先钳住再进行剪切。还有电机式水果采摘器，利用旋转刀片将果柄以往复运动进行切割。随着人口老龄化和农村劳动力的逐渐减少，多功能性的机械采摘装置与单一水果采摘机械装置相比，集成水果采摘装置更具有竞争优势。多功能水果采摘机械装置集采摘、修剪、运输，喷药等集于一体，这种多功能的水果采摘机械装置不能过于复杂，最终操作者是知识水平不高的普通农民，他们必须顺利的操作机械装置，才可以完成采摘、修剪等任务。而且水果采摘装置必须具有很高的可靠性，价格方面应该更加考虑农民可接受的预期。中国在农业机械化方面也是采取措施，鼓励和支持农业机械研究开发新产品，新技术。让农业机械化逐渐取代人工作业，我国也大力支持农业有关科研机构和院校在农业机械化发展方面加强科学技术研究所以在水果采摘机械化方面具有非常好的发展趋势。

针对水果采摘中采摘的劳动工作量大，作业范围广即水果分布高低不均，触碰力度要求较高，果实较易碰伤以及采摘季节差异较大即果实成熟期不同等诸多问题，然后开展设计人工水果采摘辅助及收集装置主要目标是提高水果采摘效率，降低水果采摘成本，保障水果成品质量。水果采摘装置还应切实地适应采摘环境，可以根据果树高度，果实大小来调整装置。在现代的技术中，应利用机电一体化来进行水果采摘装置设计。不仅提高水果采摘效率，更加方便解决果农采摘出现的各种问题。

对于设计的便携式的水果采摘装置来说，装置整体小巧易放置，在保证采摘效率的优势，同时也大大缩短了放置果实的工作时间，而且其中收集背包设计可以实现一次性收集数量较多的果实，然后等背包满后一次性倒出，实现有效的提高采摘效率。况且结构简单，成本低，因此大多数的果农在价格上可以负担的起，这样就可以加大普及的可能性。该装置环保节能，具有很好的发展前景。