水果采摘 裝置 設(shè)計(jì)0文獻(xiàn)綜述0.1水果采摘實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的必然趨勢(shì)在水果的生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是整個(gè)生產(chǎn)中最耗時(shí)最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)水果收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)種植過程的50%~70%采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的儲(chǔ)存、加工和銷售，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益水果收獲具有很強(qiáng)的時(shí)效性，屬于典型的勞動(dòng)密集型的工作但是由于采摘作業(yè)環(huán)境和操作的復(fù)雜性，水果采摘的自動(dòng)化程度仍然很低，目前國(guó)內(nèi)水果的采摘作業(yè)基本上還是手工完成在很多國(guó)家隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)力不僅成本高，而且還越來越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達(dá)33%~50%高枝水果的采摘還帶有一定的危險(xiǎn)性因此實(shí)現(xiàn)水果收獲的的機(jī)械化變得越來越迫切，發(fā)展機(jī)械化的收獲技術(shù)，研究開發(fā)水果采摘機(jī)器人具有重要的意義研究和開發(fā)果蔬收獲的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著重要的意義采摘機(jī)器人是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還明確規(guī)定國(guó)家采取措施鼓勵(lì)，扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

0.2國(guó)外水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展及現(xiàn)狀水果的機(jī)械化收獲技術(shù)已有40余年的研究歷史收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，1968年美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown首次提出應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行果蔬的收獲，當(dāng)時(shí)開發(fā)的收獲機(jī)器人樣機(jī)幾乎都需要有人的參與，因此只能算是半自動(dòng)化的收獲機(jī)械采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，包括美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、荷蘭、以色列、西班牙等國(guó)家，都在水果采摘機(jī)器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對(duì)象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行水果的自動(dòng)化收獲得到了快速的發(fā)展法國(guó)是研究果蔬采摘機(jī)器人較早的國(guó)家之一，但由于技術(shù)、市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響，甜橙和蘋果采摘機(jī)器人已經(jīng)停產(chǎn)，采摘機(jī)器人的研究工作基本陷于停頓美國(guó)在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個(gè)很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。

日本近年來開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目，進(jìn)展很快，但還未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在很多國(guó)家的前面，但研究的果蔬種類并不多0.3我國(guó)水果機(jī)械化采摘裝置研究進(jìn)展我國(guó)的國(guó)家專利中有上百種的水果采摘器，包括機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式的果品采摘器，其中有的實(shí)現(xiàn)單方向的水果采摘，有的可改變方向能實(shí)現(xiàn)全方位的水果采摘不過目前市場(chǎng)上商品化的采摘器品種還比較單一，且價(jià)格昂貴操作不便我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段目前我國(guó)不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人，它主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā)0.4水果機(jī)械化采摘裝置發(fā)展方向雖然水果的機(jī)械化作業(yè)最早可以追溯到上個(gè)世紀(jì)60年代，但由于簡(jiǎn)單的機(jī)械收獲易造成果蔬損傷，因此在收獲柔軟新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性而且果蔬收獲往往需要有選擇性地進(jìn)行，此外市場(chǎng)對(duì)果蔬的新鮮度也有很高的要求，這就要求果蔬的收獲要有很高的時(shí)效性。

因此，在果蔬收獲中采用機(jī)器人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)果蔬收獲的自動(dòng)化和智能化，是解決上述問題的最好方式采摘水果的機(jī)器人有他自身的特點(diǎn):它們一般是在室外工作，作業(yè)環(huán)境較差，但是在精度上卻沒有工業(yè)機(jī)器人那樣要求高果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的專門的技術(shù)人員因此要求果蔬采摘機(jī)器人操作技術(shù)不能太復(fù)雜，必須具有很高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)另外，水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價(jià)格不能太高，否則會(huì)就很難普及采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要應(yīng)用具有很大的發(fā)展?jié)摿θ蘸蟮乃烧獧C(jī)器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟果實(shí)，并且能引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的接近目標(biāo);②研制靈巧的、不傷果實(shí)的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器;③采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)田間的復(fù)雜環(huán)境;④視覺系統(tǒng)要迅速識(shí)別定位果實(shí)，控制系統(tǒng)和機(jī)械手臂系統(tǒng)必須做到迅速摘取;⑤增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的通用性相信在不久的將來，在不斷克服種種技術(shù)的阻礙后，水果采摘機(jī)器人會(huì)得到廣泛地應(yīng)用，水果的采摘將實(shí)現(xiàn)機(jī)械化1引言1.1水果采摘裝置的研制背景我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，果樹業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要組成部分，果樹產(chǎn)值在我國(guó)農(nóng)業(yè)(種植)中僅次于糧、菜居第三位。

據(jù)農(nóng)業(yè)部統(tǒng)計(jì)，2003年全國(guó)果樹總面積943.67公頃，總產(chǎn)量7551.5萬噸，皆居世界第一，且人均占有量48kg以上柑桔1345萬噸(占世界柑桔總產(chǎn)量的l3%，居世界第三位，近20年來產(chǎn)量增長(zhǎng)了8.43倍，是全球柑桔產(chǎn)量增長(zhǎng)幅度最大的主產(chǎn)國(guó))蘋果2110萬噸(占世界總產(chǎn)量的25.2%)梨979.8萬噸我國(guó)山區(qū)丘陵地區(qū)面積廣闊且大部分種植果樹，僅西部地區(qū)果園面積就達(dá)286萬公頃，占全國(guó)31%，果品總產(chǎn)量為1837萬噸以山城重慶柑橘種植為例，2004年柑桔種植面積就已經(jīng)達(dá)到18.23萬公頃，總產(chǎn)量突破100萬噸，而重慶農(nóng)業(yè)綜合機(jī)械化水平為僅12.23%近年來，為轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動(dòng)力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收，山區(qū)丘陵地區(qū)普遍把勞務(wù)輸出作為發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入的一項(xiàng)重要舉措伴隨著勞務(wù)進(jìn)城的加快，大量壯勞動(dòng)力外出務(wù)工，留在家的主要是老、弱、病、殘、婦女和兒童水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大，外出的壯勞動(dòng)力不可能及時(shí)回來高枝水果的采摘對(duì)人員的體力有較高要求，一般直接參與采摘作業(yè)的應(yīng)是青壯年，手工采摘高枝水果還不能由一人完成水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大，這種矛盾更突顯了山區(qū)丘陵果業(yè)采摘的難度大的問題。

目前山地丘陵的水果采摘主要是使用采果剪手工采摘，手工采摘僅限于地域距地面低于兩米的灌木類果樹，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且效率低下對(duì)于高于兩米的喬木類的果樹或比較高的枝條上的水果，采摘員要站在短梯或高凳上，將采摘的水果放入果籃或果筐中國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB3608-93《高處作業(yè)分級(jí)》明確規(guī)定:"凡在墜落高度基準(zhǔn)面2m以上(含2m)有可能墜落的高處進(jìn)行的作業(yè)稱為高處作業(yè)"高枝水果有的已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2m，已經(jīng)屬于高出作業(yè)范疇國(guó)家規(guī)定高處作業(yè)使用高凳和梯子時(shí)，單梯只許上1人操作，支設(shè)角度以60度到70度為宜，梯子下腳要采取防滑措施，支設(shè)人字梯時(shí)，兩梯夾角應(yīng)保持40度，同時(shí)兩梯要牢固，移動(dòng)梯子時(shí)梯子上不準(zhǔn)站人使用高凳時(shí)，單凳只準(zhǔn)站一個(gè)人，雙凳支開后，兩凳間距不得超過3m如使用較高的梯子和高凳時(shí)，還應(yīng)根據(jù)需要采取相應(yīng)的安全措施在沒有可靠的防護(hù)設(shè)施時(shí)，高處作業(yè)必須系安全帶，否則不準(zhǔn)在高處作業(yè)同時(shí)安全帶的質(zhì)量必須達(dá)到以使用安全要求，并要做到高掛低用但是實(shí)際上果農(nóng)進(jìn)行高枝的水果采摘時(shí)并沒有按照國(guó)家規(guī)定，也未采取任何安全防護(hù)措施摘果時(shí)常因上梯或上樹精神緊張而感到非常勞累不便，也常聽到有人不慎從樹上或梯子上掉下來的消息，這種狀況很隨機(jī)不可預(yù)測(cè)。

高處作業(yè)的大部分是青壯年，一般都是家庭的主要?jiǎng)诹θ绻l(fā)生嚴(yán)重的跟骨關(guān)節(jié)內(nèi)骨折，即使進(jìn)行手術(shù)治療，也無法保證患者將來不出現(xiàn)創(chuàng)傷性關(guān)節(jié)炎及跟骨負(fù)重時(shí)疼痛，其勞動(dòng)能力將嚴(yán)重受限，甚至影響日常生活由此可見完全依靠人力的采摘方式采摘速度慢、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，高枝水果采摘還具有一定的危險(xiǎn)性此外，傳統(tǒng)的作業(yè)還存在以下弊端:一是采摘過程中作業(yè)者的人身安全問題，即手工采摘時(shí)手臂易被樹枝劃傷或擦破，高處作業(yè)時(shí)，還可能會(huì)摔傷二是對(duì)果樹的損傷，即對(duì)樹的枝葉芽的破壞三是對(duì)水果質(zhì)量的影響，單手采摘時(shí)容易出現(xiàn)脫蒂，易出現(xiàn)抽心果，還有就是高枝水果容易掉在地上造成內(nèi)外傷，影響果品的外觀，不利于保鮮儲(chǔ)藏，從而最終造成降低經(jīng)濟(jì)收入目前，我國(guó)各地方政府為增強(qiáng)地方經(jīng)濟(jì)，正相繼開發(fā)大量的旅游投資項(xiàng)目，紛紛舉辦各種賞果采摘節(jié)，如蘋果節(jié)、桃子節(jié)等，吸引了大量游客到果園采摘旅游，享受采摘水果，品嘗新鮮水果的樂趣如果能提供一種輕巧靈便的果實(shí)摘采器，不但能讓游客充分體驗(yàn)采摘的樂趣，而且還保障了游客的安全，保護(hù)了果農(nóng)的果樹不受損壞另外，果農(nóng)可以少打矮壯素等農(nóng)藥，生產(chǎn)出更多的無公害果子，減少成本投入和對(duì)環(huán)境對(duì)水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。

中華人民共和國(guó)第十屆全國(guó)人民代表大會(huì)常務(wù)委員會(huì)第十次會(huì)議于2004年6月25日通過，2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》是為了鼓勵(lì)、扶持農(nóng)民和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)組織使用先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)而制定2009年中央一號(hào)文件明確指出要加快研發(fā)適合丘陵山區(qū)使用的輕便農(nóng)業(yè)機(jī)械，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化事業(yè)呈現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)近年來，國(guó)家對(duì)農(nóng)機(jī)化關(guān)鍵技術(shù)和裝備研制開發(fā)的扶持力度很大，"十五"期間中央財(cái)政直接投入的農(nóng)機(jī)化科技攻關(guān)資金為2800萬元，"十一五"時(shí)期會(huì)超過1.4億元農(nóng)業(yè)的根本出路在于機(jī)械化，是黨和國(guó)家各級(jí)政府，農(nóng)機(jī)科研、生產(chǎn)、推廣部門始終堅(jiān)持的方向機(jī)械化水平是衡量農(nóng)村農(nóng)業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是確保提高農(nóng)村生產(chǎn)力，促進(jìn)更多的勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移，徹底改變傳統(tǒng)的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)耕作方式的前提和依據(jù)機(jī)械手臂是目前在機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見到它的身影，農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用尚屬空缺《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還規(guī)定國(guó)家采取措施，鼓勵(lì)和支持農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)者增加新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝的研究開發(fā)投入，并對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的科研開發(fā)和制造實(shí)施稅收優(yōu)惠政策。

國(guó)家支持有關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和院校加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)技術(shù)研究，根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和農(nóng)民需求，研究開發(fā)先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，支持農(nóng)業(yè)機(jī)械科研、教學(xué)與生產(chǎn)、推廣相結(jié)合，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求相適應(yīng)隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度的大幅提高，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)階段的機(jī)械手存在兩種極端:一是含有自主行動(dòng)功能的技術(shù)含量極高的類型，價(jià)格昂貴不適合丘陵地帶小型果園;一是基本屬于純機(jī)械式的，采摘器過于簡(jiǎn)單，不利于提高生產(chǎn)效率，減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度目前急需一種介于兩者之間的，便于操作，價(jià)格低廉，效率較高的機(jī)械手臂水果采摘裝置可有效的解決勞動(dòng)力分配，提高采摘效率，提高操作安全性，提高機(jī)械化水平，便于果樹管理，具有良好的市場(chǎng)前景在《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》規(guī)定的國(guó)家政策鼓勵(lì)下，農(nóng)業(yè)將進(jìn)一步的朝著機(jī)械化方向發(fā)展隨著我國(guó)制造業(yè)的高速發(fā)展和農(nóng)業(yè)機(jī)械化普及程度的大幅提高，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)1.2本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和目標(biāo)本課題將進(jìn)行基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的設(shè)計(jì)，構(gòu)型簡(jiǎn)單，操作方便采用伸縮式機(jī)械手臂，手臂長(zhǎng)度可調(diào)，適合多種高枝水果，且便于攜帶，不使用時(shí)可縮短至最短的長(zhǎng)度放置節(jié)約空間。

采摘器采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式切割果梗，操作時(shí)只需輕輕地握住手柄就能調(diào)整采摘器的方向，適合各種位置的高枝水果，節(jié)省勞動(dòng)力，提高效率采摘下的水果能順利進(jìn)入的接收裝置，再順著傳遞裝置，安全的到達(dá)地面手持固定部分還可增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長(zhǎng)時(shí)間的操作過程中手腕疲勞程度使用基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置可實(shí)現(xiàn)各種高度各種方向高枝水果的安全采摘，方便快捷，簡(jiǎn)單實(shí)用。