水果采摘装置的现状及发展趋势

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　　摘  要：随着时代的发展，人们对水果的需求量也在逐步增加，但水果采摘难、采摘成本高严重制约了果园种植业的长远发展。文章阐述了水果采摘中存在的难点，介绍了水果采摘装置类型特点及发展现状，分析了目前市场上水果采摘装置存在的不足，提出了水果采摘装置的发展趋势，希望为研发和推广水果采摘装置提供参考。
　　关键词：水果采摘;发展现状;存在不足;发展趋势
　　中图分类号：S225.93        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）07-0084-02
　　Abstract： With the advancement of the society， the demand for fruit is also gradually increasing， but the difficulty of fruit picking and the high cost of picking seriously restrict the long-term development of orchard planting industry. This paper expounds the difficulties existing in fruit picking， introduces the types， characteristics and development status of fruit picking devices， analyzes the shortcomings of fruit picking devices on the market at present， and puts forward the development trend of fruit picking devices. It is hoped to provide a reference for the development and promotion of fruit picking devices.
　　Keywords： fruit picking; development status; shortcomings; development trend
　　随着时代的发展，科技的进步，人们的生活质量不断提高，对水果的需求量也在逐步增加。水果种植面积的不断扩大，农业从业者逐步减少及人口老龄化趋势的加剧，人力采摘已不能满足水果成熟期集中、快速采摘的过程。此外，传统的人力采摘方式存在采摘效率低、劳动强度大、高空采摘难度大、安全隐患高的缺点。研究表明，在整个水果种植生产过程中，采摘果实所耗费的劳动力占耗费劳动力总体的35%～45%[1]，劳动力缺口大、采摘周期短、采摘成本高等问题，严重制约了果园种植业的长远发展。为了节约人力物力，提高果农的经济收入，果园种植业的机械化成为发展的必然趋势。
　　目前，根据采摘原理不同，水果采摘装置可分为两大类：一类是机械式采摘装置;另一类是机器人采摘装置。
　　1 机械式采摘装置
　　1.1 发展现状
　　欧美等国外发达国家农业以大农场为主，主要采用大型水果收割机进行水果采摘，采摘装置主要分为振摇式、撞击式和切割式。振摇式是采用外力使果树及树枝振动，从而使水果在与树枝联结最弱的果蒂处分离;撞击式是直接撞击果枝使果实掉落;切割式是利用工具将树枝或果蒂切断，采摘水果。
　　国内采摘机械中应用最广的是刀片辅助人工采摘装置、拉拽辅助人工采摘装置以及升降采摘台等采摘装置。刀片辅助人工采摘装置分为两种：一种装置是人工利用刀刃直接从水果果蒂处将其剪下;另一种装置是利用夹钳先将水果固定，接着用于刀刃将水果剪下。拉拽辅助人工采摘装置由伸缩杆与采摘头组成，该装置利用采摘头加紧水果，接着人力拉拽伸缩杆，使得水果掉落。升降采摘台是人站在采摘台上，根据水果高度控制采摘台高度，从而人工采摘水果。
　　1.2 存在的不足
　　通过对国内外机械采摘装置的调查研究，我们发现现有的采摘装置存在以下不足：
　　国外机械采摘装置主要针对大农场，采摘效率高，规模大，采摘设备价位高，同时会对水果造成一定程度的损伤，不适用于我国以家庭为单位的小面积水果种植。
　　国内机械采摘装置的不足有：
　　（1）采摘效率低。采摘水果一般分为两步：第一步使水果与果树分离;第二步将水果放入采摘收纳器中。采摘周期长、效率低，不能实现连续采摘。
　　（2）劳动强度大。由于是人工辅助采摘，且未实现连续采摘，果农采摘每个水果均需重复操作，果农劳动强度较大。
　　（3）对水果有损伤。对于拉拽辅助人工采摘装置，在拉拽过程中，采摘头会挤压水果，对水果造成伤害，损害果农的收益。
　　（4）大型设备价格昂贵。采用大型设备会提高采摘效率，节省人力，但是设备价位昂贵，果农难以负担。
　　2 机器人采摘装置
　　2.1 发展现状
　　 20世纪60年代，美国开始研发采摘果蔬机器人[2]，随着科技的发展，尤其是计算机图像处理技术、工业机器人技术及人工智能技术的快速崛起，水果采摘机器人的研发开始迅速发展。目前实验成功的水果采摘机器人有葡萄、番茄、苹果、草莓、甘蔗、黄瓜等采摘机器人[3-5]。
　　水果采摘机器人一般由控制系统、视觉识别系统、末端执行器、机械手臂、和行走系统组成。视觉识别系统用来确定水果的位置以及是否成熟，该系统利用视觉双目技术（模拟人眼球观察物体的原理），对水果定位及判断，是采摘机器人的研发难点和重点;末端执行器模仿人類手指，利用仿生学，固定水果;机械手臂一般采用剪刀对水果果蒂进行剪切;行走系统中车轮式最为常用，此外，还有履带式、人形结构。车轮式行走系统行走稳定，转向灵活，但是在坡地难以行走，主要应用于地面平坦的果园。采摘水果步骤为：（1）视觉识别系统定位水果冰判断水果是否成熟;（2）行走系统将机器人移动至待采摘水果附近;（3）末端执行器固定水果;（4）机械手臂摘取水果。 　　2.2 存在不足
　　（1）视觉识别系统待改进，水果定位和识别精度低。目前识别水果有两种方法：一种是灰度阈值颜色识别，该方法对自然光照要求严格;另一种是区域识别，该方法对采摘目标的边界要求严格。但采摘过程中受到水果生长分布、天气、树枝树叶遮挡等因素的影响，給水果的定位及识别带来了较大困难。
　　（2）采摘环境复杂，行走系统待加强。我国水果种植多以家庭为单位，种植面积较小、果树种植较稠密，且种植地理环境复杂（部分区域为坡地），采摘环境复杂给采摘机器人的采摘带来一定阻力。
　　（3）水果损伤率较大，末端执行器及机械手臂待改善。多数水果表面较软，在采摘过程中，末端执行器柔性材料的研发、抓取力度的控制及机械手臂摘取水果的过程，仍然不可避免的会给水果留下伤痕。
　　（3）设备昂贵、采摘成本高、维修不便，通用性和利用率不高。
　　3 发展趋势
　　现代采摘水果的发展趋势为：提高水果采摘率、降低果农的劳动强度、减弱水果的损伤。水果采摘机器人由于其技术及成本原因，仍处于试验阶段，较难投入实际生产中。
　　目前，机械式水果采摘装置应用较广，但该装置发展不够成熟，还有较大的改进空间，其发展有以下几个趋势：（1）多功能化。水果的采摘、收集、分装、运输相结合，一站式完成。（2）便携、操作简单、可靠性好、安全性高。（3）通用性好。针对不同的地理环境（平地、坡地等）、不同品种外形类似的水果（如苹果、梨、桃子等），该装置应适用于绝大多数。（4）自动化、智能化。重视水果采摘装置的自动化、智能化研发，提高采摘效率、减少采摘成本、降低人力劳动，解放劳动力。
　　参考文献：
　　[1]SANDERSKF. Orange harvesting systems review[J].Bio systems Engineering，2005，90（2）：115-117.
　　[2]Sarig Y. Robotics of fruit harvesting： A sate of the art review[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1993，54（4）：265-280.
　　[3]Sistler F.Robotics and intelligent machines in agriculture [J].IEEE Journal of Robotics and Automation，1987，3（1）：3-6.
　　[4]Okamoto T， Kitani O. Studies in robotics for bio-technologicaloperations （Part1）.One all us handling robot [J]. Journal of theJapanese Society of Agricultural Machinery，1989，51（5）：37-45.
　　[5]Monta M， Kondo N， Shibano Y. Agricultural robot in grapeproduction system[C].IEEE International Conference on Roboticsand Automation，1995（3）：2504-2509.
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