《曾俊刚文献综述.docVIP

文献综述 前言：我国是世界第一大水果生产国和世界第一大水果消费国，2008 年我国水果总产量已超过 6 000 万 t，约占全球产量的 14% 。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。 采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的 33% ～50% ，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。因此，提高采摘作业机械化程度有重要的意义。随着农业从业者的减少及老龄化趋势不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。 一、国外果园采摘机械现状 在国外有的采用机械收获果子。主要是通过机械振动主干或枝干使果实下落的。美国的樱桃园由5一7人组成作业组，利用振动机每小时可收30一40株果树的果实。他们现已用于桃、桔子、苹果等的收获。用这种振动收获机收获的果实，因有破损，只适用于加工上用。 日本农业机械化研究所对振动收获机进行了研究，小规模地对各种果树进行了适应性实验，结果表明只对梅树有实用价值。其效率比手工收获提高3一6倍，且能收获全部果实的90%左右。其它的果实为桔子也有借助振动进行收获的可能性，但事前必须使用收获剂，使果柄与果盘形成离层，然后再用振动收获机进行收获。由于目前的收获剂尚不能达到满意的结果，所以研制新的收获剂巳成为能否进行据动收获的先决条件。 机械式采摘 20 世纪 40 年代初法国率先研制出人工操作的简易采摘器，40 年代中期美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃和杏等水果; 到 50 年代中期，利用振摇果树方式收获水果的采摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。20 世纪 60 年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机和使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式等多种类型的果园采摘机械; 60 年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高; 从 60 年代后期开始，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，如修整树形使其适合机械化作业; 70 年代出现了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪。比较著名的气动剪厂商有瑞士的 FELCO 公司，日本的 ARS 公司，意大利的 CAMPAGNOLA 公司，其产品有 F 系列和 Star系列气动剪。 机器人采摘 目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。20 世纪 70 年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。 1983 年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经了 20 多年的研究和试验，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑橘、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人。 采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等 4 大系统组成。在日本首先是京都大学 Noboru Kawamura 等人在 20 世纪 80 年代中期研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也低。同时韩国研制的苹果采摘机器人采用了极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达 3m。20世纪90 年代，日本岗山大学 Naoshi Kondo 等人在番茄采摘机器人上设计出了具有 7 个自由度的能够指定采摘姿态的机械手。自由度越高，其手部运动越灵活，控制越复杂。 2007 年，美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作研发一种水果采摘机器人。工作过程就是先将一台机械化扫描机器送入果园，装备有数字成像技术设备的机器人能够生成一张三维地图，显示位置、成熟度和水果质量。采摘机器人按照这些画面，使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果，大幅提高了采摘效率和成功率。机器人采摘示意图如图 1 所示。 由于工作环境的复杂性和不确定性，目前采摘机器人的智能化水平还没有达到农业生产的要求，离实用化和商品化还存在一定距离。 二、国内果园采摘机械现状 我国从 20 世纪 70 年代开始研究果园采摘机械，先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。20 世纪 80年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘。如人工剪枝采摘器，它夹口上方有切刀，下方有夹钳可以将果柄先钳住后剪断; 电机式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀，再用微型电机带动的切刀作往复运动把果柄切断; 还有一种振摇式采摘器，用拨叉伸入果枝用电机摆动拨叉而振落果实。我国还曾经研制出吹