机械式采摘

2024-09-22

机械式采摘（共8篇）

机械式采摘篇1

摘要：针对机械式采摘万寿菊的发展现状进行分析, 介绍了国内外万寿菊种植现状以及种植范围, 对万寿菊的生产价值以及经济价值进行了分析。为了提高万寿菊采摘效率, 提出发展机械化万寿菊采摘的战略是非常必要的。进一步通过对现有机械采摘的分析, 提出对机械式万寿菊采摘机的改进策略以及展望, 为以后对于机械式采摘万寿菊、仿生机器人采摘万寿菊等研究工作奠定了基础。

关键词：万寿菊,机械式采摘,仿生机器人采摘万寿菊

0 引言

色素万寿菊是持续性开花作物, 属绿色环保型经济作物, 具有净化空气和美化绿化环境的作用。种植万寿菊, 景色壮观, 既可观赏又可入药, 具有很高的观赏价值和药用价值。

目前有些地方已机械式采摘万寿菊, 但是仍存在很多问题, 因此改进万寿菊采摘机械是万寿菊生产中的一个重点和难点。目前针对万寿菊机械采摘研究方面的参考资料较少, 仅有的是位于新疆地区察布查尔县的研究。本文对万寿菊的整体现状进行分析, 并且结合实际考察数据, 对其进行总结探讨, 为今后研究万寿菊机械化采摘机的优化奠定理论基础。

1 万寿菊采摘期及人工采摘存在的问题

1.1 万寿菊采摘期

通常, 万寿菊花瓣完全展开时即可采摘, 一般10~13天采摘1次, 未完全开放的花瓣不摘, 以免影响产量。整个生长期可采摘7次[1]。

适时采收是万寿菊增产的一个重要环节。采花过早, 花朵小、产量低;采收过晚, 花朵萎蔫、花瓣脱落, 也会导致减产。在农业生产上, 人们常以万寿菊花冠直径和花的色泽作为采摘标准。本试验表明, 在现蕾后第16~25天, 万寿菊可以采摘。但是, 在第22天之后, 万寿菊鲜花外层花瓣逐渐萎蔫, 影响鲜花色泽。而在第16~22天之间, 鲜花重量和直径在不断生长, 鲜花重量和花冠直径均达到采摘标准, 因此, 确定万寿菊在现蕾后第16~22天之间进行采摘为佳[2]。一般在7月末至下霜前为采收期, 每5-7天采摘一次, 标准是达到八、九成熟时, 花瓣全部展开, 花心的雄蕊部分开放或不开放, 这时产量最高。同时, 及时采摘前期花朵, 有利于后期花朵有足够的营养吸收, 提高产量。五不采原则即阴雨天不采, 有露水不采, 雾天不采, 不成熟不采, 腐烂、病变、变色杂花不采。特别注意雨天不能采摘, 因万寿菊植株属无限根系, 雨天采摘病菌容易从根系及采摘口侵入植株, 导致死亡或低产[3]。

采花时用手握住花朵向一边轻掰即可, 不可猛拉硬扯。在收获万寿菊时, 花农在垄沟内行走, 对两边的花朵进行采摘, 用塑料袋、竹筐等装花。由于其鲜花主要含有叶黄素, 在阳光照射下, 容易被氧化, 使其叶黄素含量降低, 所以鲜花需用黑色塑料薄膜覆盖进行保存或者运输。或者是采花后, 立即将花枝剪去, 剪到花枝细叶以下, 以减少养分消耗[4]。

1.2 人工采摘存在的问题

采摘作业所用劳动力在整个生产过程所占比重最大, 目前我国的采摘绝大部分还是以人工采摘为主。人工采摘效率低、劳动量需求大, 还容易损伤果实。人手不够的问题常常会导致经济损失。利用机械采摘万寿菊既可减少对花朵的破坏, 也可减少对劳动力的需求, 综合效益显著提高。此外, 随着从事农业劳动人数的减少及老龄化趋势加大, 开发采摘机械具有巨大经济效益和广阔的市场前景。

2 国内外机械式采摘研究现状

2.1 国外研究现状

国外的采摘机械发展迅速, 代表性的有果园采摘机械等。果园机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。国外果园采摘机械的研究始于20世纪40年代初, 以美国等西方国家开展的较早。从40年代至60年代, 振摇采摘机械得到迅速发展。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意大利的CAMPAGNOLA公司, 瑞士的FELCO公司, 日本的ARS公司等[5]。

2.2 国内研究现状

1) 手提式万寿菊花采摘器。手提式菊花采摘器可解决人工采摘万寿菊花产生过敏的问题。它主要用于万寿菊花采摘, 同时也适用于采摘各类花朵。它具有工作效率高、体积小、造价低、灵活、无动力、操作简单方便的特点。它主要是能够代替人工采摘, 避免用手去触碰花朵, 减少花朵对人体的伤害。

2) 万寿菊采摘机。万寿菊采摘机以柴油机为动力, 通过引风机产生风压, 运用风力对万寿菊鲜花进行采摘。该机器由182团、顶山天然色素有限公司以及石河子采棉机厂共同研制。万寿菊采摘机将在团场进行试验推广, 这将对团场万寿菊产业的发展及农业增效、增收起到积极的推动作用。

3) 自主研发万寿菊采摘机。为了有效解决万寿菊采摘的劳动强度大、用工难问题, 2012年, 万寿菊机械采摘项目攻关小组, 经过近8个月的科技攻关终于研发出新疆首台万寿菊采摘机。

3 现有机械式万寿菊采摘机械的问题分析

对以上几种万寿菊采摘机械分析表明, 目前机械式采摘万寿菊仍存在下列问题:

1) 手提式万寿菊采摘器效率偏低。手提式虽然使用起来方便灵巧、可操作性强, 但在大面积种植的万寿菊面前, 仍不能快速采摘万寿菊, 仍不能大量减少所需采花工。

2) 大型采摘机械对植株有一定损害, 导致采摘花的质量不高, 降低了再采摘产量, 使总产量降低。大型机械虽然在很大程度上加快了采摘的进度并大量减少了所需人工, 更能适应大规模种植的万寿菊作业, 但在采摘过程中仍不可避免对植株带来伤害, 给下一次采摘的万寿菊质量和产量造成损失, 同时采摘作业对拖拉机的速度有一定的要求, 过慢容易把未开放的花朵摘下, 过快则会出现漏采, 而且拖拉机在花田中活动受到限制, 灵活性较差。

4 结论

通过以上资料分析, 我们了解到机械式采摘万寿菊的需求和现状以及存在的问题。针对这些问题, 我们对万寿菊采摘机提出如下优化对策及未来的展望:

1) 针对采净率较低的问题, 可以加入识别装置, 对万寿菊进行识别, 识别出适合采摘的万寿菊后再对其进行采摘, 这样不仅可以提高万寿菊采摘率, 还能在一定程度上保护未成熟花朵, 提高二次采摘产量。

2) 针对大型机械对植株造成较大伤害的问题, 可以通过对刀片优化以及对大型机械结构改良使其更适合在花田中活动, 减少对万寿菊采摘过程中对植株造成的伤害。

3) 优化种植工艺, 在培育过程中尽量使同一地区的花期最佳采摘期统一, 经过技术研究化简同一高度使其更有利于机械化采摘。

4) 利用仿生机器人采摘万寿菊。但目前采摘类机器人还存在问题, 如:识别率不高或识别后定位精度不高、部分重叠或遮蔽的果实无法采摘、果实的损伤率较大、果实的平均采摘周期较长、采摘机器人的制造成本较高等问题。但随着技术的进步, 采摘机器人的成本将会降低, 且变得更加自动化、智能化、人性化。应加快花果采收机械的研发, 使其向结构合理、自动化程度高、工作视角良好、操作安全简便、使用和维修方便、安全可靠性高、智能的方向发展。提高劳动效率, 并尽可能地把人们从繁重的劳动中解放出来[6]。

5) 可通过非切割方法使万寿菊花朵与植株分离, 如模仿吸入式自动采果机, 利用吸尘机的原理将花朵吸入漏斗内, 借助柔软管道输送到储存容器中, 这样能减少采摘时切口对植株的影响, 且操作较为简单[7]。

根据万寿菊茎直立、粗壮, 多分枝, 属一叶一分枝型, 幼苗茎光滑, 成株茎具有纵纹及沟槽, 常规品种一般株高900~1 200 mm, 杂交种株高1 500 mm左右[8]等特征, 设计出一种与万寿菊植株相容性较好的机械, 使其在采摘过程中减少对万寿菊的损害。针对造价问题, 收集箱可参考现有紫菜采摘机, 紫菜收集箱用杉木板辅设在钢管机架上, 重量轻、成本低、寿命长、清洗晾晒方便[9]。

参考文献

[1]陈小军.万寿菊高产栽培技术[J].农村科技, 2012 (5) :43-44.

[2]王立凤, 姜明, 杨克军, 等.不同采摘时期对万寿菊鲜花重量和叶黄素含量的影响[J].东北农业大学学报, 2012 (7) :145-148.

[3]邱冬梅.东部半山区色素万寿菊栽培技术要点[J].吉林农业, 2012 (7) :97.

[4]林晓影, 王龙, 王红霞.万寿菊的栽培与采摘[J].养殖技术顾问, 2011 (10) :223.

[5]陈翊栋, 刘轶.果树气动剪枝机工作原理及现状[J].农业机械, 2008 (25) :54-56.

[6]段洁利, 陆华忠, 王慰祖, 等.水果采收机械的现状与发展[J].广东农业科学, 2012 (16) :189-192.

[7]郑世椿.金薯高产栽培技术[J].中国农学通报, 1995 (4) :52.

[8]张春华.色素万寿菊特征特性观察及各生育阶段管理研究[J].中国园艺文摘, 2013 (7) :146-147.

[9]孙莉, 李珺珺.紫菜采摘机研发使用情况的调研分析[J].江苏农机化, 2009 (3) :32-33.

采摘＋1 乡村采摘的N种玩法篇2

采摘+玩真人CS

采摘地：丛海逸园采摘园

采摘品种：特色水果及蔬菜

果园规模：240余亩

适合人群：喜欢采摘和玩惊险刺激的真人CS的人

北京丛海逸园休闲娱乐园位于平谷大华山镇小峪子村南。这里的果园大约有240余亩，不算太大也不小，采摘时却心情超爽，因为园内鲜花三季盛开，果菜四季飘香。我们进入园区，开始采摘，比起摘樱桃，杏和桃容易得多，我们一路过去，果树比较矮的，抬手就能够到。一起来的朋友，只见他摘下一个桃子略微擦擦就啃上一口。“你不洗洗吗?里面有残留农药怎么办?”“没关系，听说这儿是无农药生产。”一句话打消了我的顾虑，也开始边摘边吃。就这样，摘一路吃一路，虽然弄得一脸尘土，但是真的很过瘾。

早上采摘，下午的时间还可以在附近玩拓展训练野营体验活动和真人CS。真人CS，它是一种团队活动，一般分为两组人，一组扮演警察的角色，另一组扮演土匪的角色，然后利用战略战术来进行“战斗”。在这里，不需要去想象真实的战场到底是什么样，只要在游戏的场景中，享受战斗的快乐就可以了。

自驾车路线：三元桥——机场高速——穿越机场1号候机楼——顺平快速路——平谷官庄路口左转——大华山镇小峪子村南

采摘+垂钓

采摘地：华野恋日生态园

采摘品种：美国红提、黑提葡萄、晴朗油桃、安格诺黑李

果园规模：1600余亩

适合人群：喜欢采摘和垂钓的人

在1600余亩的采摘园区，不用担心迷路。会有专人领你去果园采摘时令水果。一大片梨园，一株株栽种规范的梨树上挂着一个个沉甸甸的黄金梨，把不太粗的梨枝压得弯弯的，我们也都是怀着喜悦的心情忙着采摘丰收的果实，梨的果皮是乳黄色，细薄而光洁，呈半透明，肉质细嫩，甜而清爽，咬一口果汁顿时四溅。

梨园的旁边就是提子的采摘区。一串串垂着，令人垂涎欲滴。红提葡萄是硬粒型的，适合切割和运储。同时，红通通的颜色昭示着吉祥和喜气，再加上味道甜，游客特别喜欢。对于喜欢吃李子的人来说，到这里采摘会有意外的收获了。园区的南边有一百亩的安格诺黑李采摘区，安格诺是最晚熟的优良品种。完全成熟的果实为紫黑色。而且，耐储存，储存后果味更好这李子甭说吃上两个，就是看上一眼，也会令人食欲大增。

站在采摘区，满眼硕果累累，用双手将果实摘下，心中满是收获的喜悦。带着孩子来采摘，无论在什么地方。他们都是最快乐的一群，在园里的小路上奔跑嬉戏，在果树丛里穿梭，用他们小小的手采摘下一枚果实，因为是自己的劳动果实，顿时快乐无比。

园内有四个鱼池可供垂钓，养有鲤鱼、鲫鱼、武昌鱼等。钓上来的鱼统一都是6元／斤。不收鱼杆费用，有鱼杆出租5元／杆。景区内到处是果木，辨认各种果树也算是一种乐趣。由于面积大，里面可以开着车转悠，不时会看到羊群进入你的视线，它们正悠闲地吃草呢。

自驾车路线：走107国道(京保路)至窦店环岛左转第二个十字路口右转3公里即可到达，或走京石高速。

采摘+吃菊花宴

采摘地：西柏店蔬菜采摘园

采摘品种：各种反季节蔬菜、食用菊花

果园规模：53、54号温室

适合人群：喜欢采摘和吃绿色蔬菜的人

大兴庄镇西柏店村的西柏店蔬菜采摘园，种植了各种反季节蔬菜，尤其是该园区种植的食用菊花，客人不但可以亲自采摘，在田间体验采菊就地而座，吃菊赏菊。主人还会亲手教你食用菊花的食用方法和制作过程，所以你不仅可以在这里吃到菊花宴，即使回家后，也能为家人准备一桌美味养生的花卉大餐。目前这个基地是体验采风为主，一斤食用菊花30元，这一斤食用菊花就够你一家人美美的吃上一顿了。

常食菊花对人体有很好的保健作用。食用菊含有多种维生素，营养价值极高，有清肝明目、美容养颜、延年益寿的功效，还可以防治高血压、冠心病。这里的菊花宴有多种做法：如凉拌鲜菊花瓣，用清水洗净后，可糖醋拌、盐拌、果汁拌或与梨丝、苹果丝台拌；涮火锅，可与羊肉、肥牛、海鲜一起涮，如同各种芽菜，喜麻将调料，注意不要时间过长将鲜菊花瓣煮烂；鲜菊花汤多种；各种馅料，如包水饺、馄饨等。

自驾车路线：三元桥——机场高速——穿越机场1号候机楼——顺平快速路——平谷吉卧道口向北由吉卧村向东300米即到。

采摘+泡温泉

采摘地：小汤山现代农业科技示范园区

采摘品种：多种蔬菜、各式水果都有

果园规模：国家级农业科技园区

适合人群：喜欢采摘和泡温泉的人

农业科技园采摘品种有很多：大西红柿、樱桃西红柿、大小黄瓜、橄榄、番杏、紫背天葵、金皮西葫芦、小西葫芦、芥兰。来到这儿，你才会体验到农业的高新技术产品，东西全是无土栽培，小番茄上了树、生菜爬上柱。就连“超甜一号”的水果玉米，还可以像吃水果一样生着吃。这种可以生吃的玉米外观和普通玉米相似，但是各个都颗粒饱满、排列整齐，最大特点就是水分多，柔嫩度好，脆甜可口。营养价值丰富。

除此，这里的果园占地近500亩。果园内现有草莓、樱桃、香椿、果桑、杏、李子、桃、葡萄等多种水果，边采摘还可以欣赏到美丽的田园风光。而养殖园里有丹顶鹤、猕猴、蓝孔雀、山野猪等珍禽异兽可以观赏。还能吃到鸵鸟肉、温水鱼。

采摘完果子，吃完农家菜，接下来可以到富有情调的“益泉会所”去泡个温泉。这是一个恬淡宁静诗情画意的地方，非常适合朋友聚会或者家庭休闲度假。

在温泉套间，看着水气蒸腾氤氲。水温缓缓地渗入肌肤，全身心都能在这温水中得到最大的放松，体会着那种冷热交替的奇妙感受。所有的凡尘俗事抛至脑后，那情调与情绪，只有泡过才能体会。

草莓采摘机械的专利分析篇3

根据国家专利局的相关数据统计, 截至2013年7月底, 涉及草莓采摘机械的专利申请共109件, 其中, 国内申请11件, 占总申请量的10.1%, 国外申请98件, 占总申请量的89.9%;对申请人所在国的统计 (国内申请除外) , 排名第一的国家是日本 (28件) , 其次是俄罗斯 (26件) 、美国 (19件) 及德国 (14件) 。

对上述109件专利申请分析之后发现, 1995年之前的草莓采摘机械均是果实和茎叶不加选择的一起收获, 然后再将果实和茎叶进行分离, 1996年公开的日本专利文献JP特开平8-275655A公开了一种将工业机器人应用于农业, 利用视觉信息对果实加以识别然后再采摘的草莓采摘机器人, 开创了草莓采摘机械的先河。本文主要研究的就是这样直接采摘草莓果实的采摘机械。经过分析, 这样的采摘机械国外专利申请共25件, 其中, 日本22件, 美国1件, 韩国1件, 澳大利亚的PCT申请1件。国内申请均为直接采摘草莓的机械, 排在前列的是, 中国农业大学5件、北京农业智能装备技术研究中心2件、河南理工大学2件, 国内申请人主要集中在大学和科研院所, 以大学居多;国外申请量排在前列的是, 日本农业食品产业技术综合研究机构8件, 井关农机株式会社6件, 涩谷精机 (SHIBUYA SEIKI) 3件, 以企业和研究中心共同研究居多。

一般来说, 采摘草莓作业流程是, 先寻找成熟的草莓, 在不碰坏果实的前提下将其与枝丫分离, 然后放到托盘中, 要让机器人来实现这一作业, 需要以下技术要素。 (1) 根据草莓的成熟度判断是否可以采摘; (2) 判断采摘草莓的位置; (3) 切断草莓的果梗, 并接住草莓; (4) 将草莓移动到放置位置。一个完整的草莓采摘机器人应该包括, 机械本体 (Manipulator) 系统、视觉系统、行走系统、驱动系统和控制系统。由于草莓果实的特殊性而导致难以实现机械采摘, 同时也更具有挑战意义的是其机械本体系统和视觉系统。下面将从上述几个系统方面对国内外专利进行相关分析。

1.1 机械本体系统

日本专利文献JP特开平8-275655A, 采用气吸式机械手, 吸管端部具有切口来容纳草莓果柄, 钩状切刀切断果柄。多采用直角坐标系机械手, 如JP特开2000-92952 A, 采用3自由度直角坐标机械手, CN101015244 A采用4自由度直角坐标机械手。

由于草莓果实采摘的特殊性, 导致草莓采摘机械的末端执行器是研究的难点和热点, 如JP特开2011-211969 A, 公开了果柄的切断和去除机构, 以减少搬运过程中果柄对果实的损伤, JP特开2012148380A, 公开了草莓采摘机器人的末端执行器, 抓果手上设置填充有凝胶状液体的袋体, 袋体设置有压力传感器来检测压力, 以控制液体在袋体和液压缸中流动。以此避免对果实的损害。此外, 对末端执行器进行着重研究的还有CN202009581U、CN102217461 A、CN102187766A、CN102550217A。对果柄切断机构进行着重研究的还有JP特开2012-239386A、WO2010063075A1。

1.2 视觉系统

视觉系统一般包括硬件部分和软件部分, 硬件也就是识别的工具, 目前一般采用以下几种方式。

(1) 利用传感器来识别目标。如JP特开平8-275655A、JP特开2000-92952 A, 特别的JP特开2009-5587A, 采用超声传感器监测果实的有无和距离, 采用颜色传感器监测果实的成熟度。

(2) 利用1个CCD摄像机来识别目标。如JP特开2001-145411A和JP特开2001-145412A。

(3) 采用2个摄像机。如JP特开2008-206438 A, 其中一个摄像机从下方采集图象, 另一个摄像机从前面采集图象, 以此判断果实的三维位置, 因此可以对重叠果实中后面的果实位置同时判断出料, 可以对重叠果实减少损害, 并减少对后面果实的重新识别。

(4) 将摄像机和超声距离传感器结合。如JP特开2004-180554A, 采用CCD摄像机检测果实的成熟度、方向等, 采用超声距离传感器检测果实的距离;JP特开2009-27976A和JP特开2009-27977 A, 包括距离传感器, 内部摄像机和外部摄像机, 内部摄像机用于检测视野内存在的果实的位置, 外部摄像机用于检测果实的着色度 (即成熟度) ;JP特开2001-95348A, 包括2台摄像机和距离传感器, 一台摄像机识别图象范围内的全部果实的位置, 另一台摄像机识别果实形状和果柄位置, 距离传感器用于检测果实距离。

视觉系统的软件方面也开展了一定的研究, 主要是对图象处理模式进行研究, JP特开2001-95348A采用Lab色系来进行图象处理;JP特开2008-22737A将RGB图象转换为HIS图象, 来对目标果实进行识别;JP特开2001-145412A着重强调了单独果实的收获方法, 公开了进行图象处理的方法为利用RGB图象, 通过判断R-G和R-Y的值、二值化、面积判断及果实位置判断等多种处理过程来精确判断目标, 进行单独果实的收获。

特别是JP特开2012-110256 A, 公开了通过果柄检测摄像机和软件处理方法来检测果柄的位置。

在草莓采摘过程中, 如果同时进行草莓的分级, 将减少后续处理, JP特开2003-251282A公开了草莓的分级装置, 包括2个固体摄像装置, 通过检测草莓的大小来进行分级, 综合判断因素为颜色、糖度和质量。而JP特开2004-198296A, 公开了通过多个与光纤相连的镜头对草莓多个部分进行同时识别、迅速判定, 从而进行草莓的分级。

1.3 行走系统

目前公开的专利申请中, 行走系统主要包括以下几种方式。

(1) 采用轮子轨道行走系统。如JP特开2000-92952 A。

(2) 采用轮式小车的行走方式。如JP特开2004-180554A。

(3) 沿着固定于地面的轨道运动。如JP特开2006-34257A, JP特开2009-27976A和JP特开2009-27977 A。

(4) 滚筒传送带式的行走方式。如CN203040200U。

1.4 针对不同栽培系统

草莓常用两种不同的栽培系统, 高架栽培系统和垄作栽培系统, 针对不同栽培系统设计了不同的采摘装置。针对高架栽培系统的, 如JP特开平8-275655A、JP特开2001-145411A和JP特开2001-145412A、CN102577747A;针对垄作栽培系统的, 如JP特开2000-92952A、JP特开2004-180554A、CN102577755A。特别的, CN101015244 A, 针对垄作栽培草莓自动采摘装置, 采用龙门式跨行收获, 增加了草莓采摘机械的稳定性, CN101317516 A针对采用A型梯架结构的高架栽培草莓, 对高架草莓中低层的草莓进行自动采摘。

2 关于专利信息的利用和知识产权保护

每一篇专利文献都提供了丰富的专利信息, 专利信息蕴含重要的技术、法律和经济信息。专利文献的说明书、权利要求书、附图和摘要等部分中, 披露了发明创造的技术内容, 其中的技术信息便于阅读、检索, 追踪技术发展动态。而法律信息包括, 权利要求的范围大小、专利审查、复审及无效的结果;与专利权的授予、转让、许可、继承、变更、放弃、终止和恢复等法律状态有关的信息;专利申请人、专利权人、发明人或设计人的信息, 以及专利申请日、公开日、授权日等信息。经济信息包括, 专利信息中的专利许可、专利转让或受让等信息, 还可以反映出申请人或专利权人的经济状况、市场占有率等;另外, 通过专利申请的国别、申请人、专利权人、发明人或设计人等信息, 可以了解某领域的市场分布、主要竞争者或合作者的状态等。

据世界知识产权组织统计, 世界上创新成果的70%至90%都出现在专利文献中, 充分利用专利信息可以节约60%的研发时间及40%的研发经费, 而且可以避免开发的盲目性和技术的重复研究, 还可以有效防止侵权行为的发生。

除了有效利用专利信息, 还应该注重加强知识产权保护, 对核心技术及时申报专利, 一方面获得专利保护, 另一方面也可以通过专利在融资、合资和合作等方面获得更大的收益。

89团:新棉采摘实现机械化篇4

89团是新疆兵团的棉花主产区之一, 是新疆“北疆”牌棉花的主要种植基地, 今年, 89团种植棉花0.7万hm2 (10万余亩) , 采棉机数量已达40多台, 全团标准化棉田已100%实现机械化采收。随着机采棉的全面推广, 采摘棉花这项在棉花种植过程中最繁重、最耗费人力的手工劳动得到了解决。据测算, 1台采棉机可节省秋收劳动力近1 000人, 且省时省力省钱, 因而, 机采棉受到了棉农的广泛欢迎。

像89团一样, 今年, 新疆兵团虽然种植棉花的面积较上年略有减少, 但是机采棉面积仍然占较大比例, 全兵团大型采棉机数量达到1 500余台, 已成为全国最大的机械化采棉基地。

果园采摘机械的现状及发展趋势篇5

一、国外果园采摘机械现状

1. 机械式采摘

果园的机械式采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。振摇式是利用外力使树体或树枝发生振动或振摇, 使果实产生加速度, 在连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击部件直接冲撞果枝或敲打牵引果枝的棚架振落果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式, 又分为机械切割式和动力切割式。

国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40年代初, 以美国、法国、英国为首的西方国家较早开展此方面的研究。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。至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、使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式机械等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工作效率普遍较低, 采摘的损伤率还较高, 也不适用于采收易损伤、要求完好率高的鲜食用水果和贮藏用水果。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, 比如修整树形使之适合机械化作业。70年代出现了各种动力切割式采摘机械, 例如油锯、气动剪。

日本的果园种植地形类似于我国南方地形, 许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用, 因此日本在20世纪90年代初着手研究陡坡地果园的机械化。其四国农业试验场研制的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车, 使用电视摄像机和无线电控制组合。该采摘车的轮距宽, 重心低, 故爬坡能力强;采用就地车轮正反转机构, 故回转能力好;采用枢轴悬挂机构, 因而使机体摆动小、行走稳定, 适合在坡度15°~30°的地区使用。

2. 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。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。自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、柑桔、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四大系统组成。日本京都大学在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。

末端执行器类似于人的手指, 其设计采用仿生学, 即末端执行器结构取决于采摘对象的生物特性、理化特性, 手指的数量和形状与果实的外形特征密切相关。对于摘取方式, 多数采摘机器人使用剪刀剪断果柄或直接用手爪拧断果柄, 荷兰农业环境工程研究所 (IMAG) 发明了一种电极切割法, 利用特殊电极产生高温 (1000℃) 切割, 可防止断口的感染。

行走装置有3种形式:车轮式、履带式、人形结构, 其中车轮式应用最广泛。车轮式行走机构转弯半径小, 转向灵活, 但轮式结构对于松软地面和坡陡地面适应性差, 会影响机器手的运动精度。如日本岗山大学Naoshi Kondo等人在番茄、草莓和柑桔采摘机器人的研制中使用轮式行走机构。而履带式行走机构恰恰相反, 对地面适应性强, 缺点是转弯半径过大, 转向不灵活, 目前日本有葡萄、甘蓝采摘机器人使用履带式行走机构。采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是智能采摘机器人行走装置的发展趋势。

视觉识别系统主要解决果实的识别和定位问题。果实的识别和定位问题是采摘机器人的难点, 同时又是重点, 它关系到机器人的采摘工作效率问题。

20世纪90年代, 日本岗山大学在番茄、草莓采摘机器人上用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉识别系统来寻找和识别成熟果实, 利用双目视觉方法对目标进行定位。该系统从识别到采摘完成的速度大约是15秒/个, 成功率在70%左右。日本国立农业研究中心在甘蓝、茄子采摘机器人中采用CCD视觉识别系统, 工作中利用人工神经网络 (NN算法) 提取果实的二维图象, 采用模板匹配的方法识别合格的果实。试验表明, 采摘成功率为43%~62.5%, 工作速度为55~64.1秒/个。综合看, 影响成功率和效率的主要原因是外部因素的不确定性, 如光照的不稳定、叶子的遮挡等。

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。设计出的机器人依靠先进的运算能力和液压技术, 使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力, 应用现代成像技术使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。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。该种机器人单扫描和收获系统的成本就达五十万美元, 所以距离真正的广泛商业应用还有几年的路要走。

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有一定距离, 主要问题在于其灵巧性有待提高, 果实的平均采摘周期较长, 果实识别率偏低, 损伤率较高, 制造成本过高。随着传感器及计算机视觉等技术的发展, 采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力:一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术, 能够检测出所有成熟果实, 精确对其定位;二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性, 成功避障, 提高采摘的成功率, 降低果实的损伤率;三是要提高采摘机器人的通用性和利用率。

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。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械, 虽然在保护果实不受损伤方面做得较好, 但是其效率还是太低。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, 例如一种人工剪枝采摘器, 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。切割式采摘的优点是省时省力, 对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台, 可用来提高工作位置, 利于采摘作业。我国还曾研制出吹气式采摘机, 由于其风机功率要求大, 气流易损伤果枝果实, 虽然分选效果较好, 但采摘效果不佳, 使之很快就被市场淘汰。

20世纪90年代开始, 市场的因素带动了果树种植的热潮, 众多中小种植户的需求带动了简易采摘器的市场。其后气动剪枝机、辅助升降平台等机具相继进入了市场。1992年浙江金华农机所研究了由拖拉机操作的用于采摘水果的升降机, 上升高度可达7m。2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机, 即LG-1型多功能果园作业机。这是一种集采摘、修剪、喷药、运输、动力发电等功能的自走式作业机。其工作原理是汽油发动机将一部分动力分配给主机的变速箱, 由变速箱驱动两条橡胶履带行走, 另一部分动力带动双缸风冷式空压机, 为气动剪枝机和升降机提供动力。采用橡胶履带行走部件是针对果园里土壤松软和比较潮湿的环境。空压机连接的升降平台提升高度1.5m。该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代。

我国南方果园大部分处于丘陵山区地带, 受限于坡地地形, 合适的采摘机械很少, 机械化作业基本处于空白, 而且在费工以及作业危险性方面的问题比平地采摘机械更突出。我国台湾地区为了在坡地果园上实施机械化省工经营, 改良发展了适合坡地作业特性的农机具, 研制成功了一种自走式牵引振动采果机。该机以坡地搬运车为机体, 在振动机的下方装一个可作360°旋转的旋转盘, 采果时转动圆盘, 使牵引推杆对准采收树枝干, 牵引推杆上装有自动调整推杆角度的四连杆, 可以使推杆处在最有效的作业角度, 当拉紧套住树枝干与推杆头间的绳索时, 果实受拉力即可掉落。这种机型由于经济适用, 很受果农的欢迎。

在机器人采摘研究方面, 我国才刚刚起步。2006年出台的“十一五”国家高技术研究发展计划 (863计划) , 提出了高技术项目《果树采摘机器人关键技术研究》。近年来国内许多高校如中国农业大学、东北林业大学、浙江大学、江苏大学、南京农业大学、沈阳农业大学等高校积极介入农业机器人领域的研究, 通过跟踪国外先进技术, 在机器人采摘领域内取得了初步的成果, 但是都处于实验阶段, 投入农业生产实际仍需时日。

三、存在问题

长期以来果树生产存在着采摘、修枝、植保、施肥等四大难题, 虽然近些年我国采摘机械得到迅速发展, 在机械产品方面有采摘器、动力剪枝采摘工具、多功能果园作业机械等, 但总的来说, 国内果园作业机械, 大多功能单一, 只能做果园土壤管理和果园植保作业, 不能解决果园生产以上四大难题。果园作业要实现全程机械化, 必定各个作业环节上果农都得购置机械, 这样势必增加果农购置机具的费用, 增加生产成本, 降低经济效益, 影响果农种植积极性。而多功能作业机械能实现一机多用, 既减少购机投入, 又方便果农使用。

各种水果之间的差异、种植区域的地理条件的不同, 果实品种的变换, 会对采摘机械提出不同的要求。目前我国采摘机械的通用性不佳, 也是制约采摘机械发展的因素。

果园生产方式落后, 农机农艺之间不协调。国外较早就注意抓农艺和农机相结合的工作、果树栽培的管理方式, 以便于实现机械化操作, 例如果树的矮化密植、篱壁形整枝等。新的栽培模式和整枝方式, 不仅能提高光能利用率和便于机械化操作, 而且使之可以采用跨行机械, 国外在大型果园环境控制中, 已发展到了采用“精确定量”的控制理念, 即由计算机分析果园的经济效益, 拟定最佳方案, 以降低成本, 减少劳力, 增加收入。相比之下, 我国主要是分散栽培, 分户管理, 真正集中成片统一管理的大型现代化果园很少。这种小农经济式的种植方式, 由于生产规模小和农民技术素质偏低等原因, 使果园的生产管理停留在传统经验式的基础上, 规范、科学的生产管理方法难以实施, 果园机械化程度普遍偏低。

这些年农业劳动力大量向社会其他产业转移, 导致农机技术人员缺乏, 而且随着人口的老龄化, 使得果业生产成本不断提高, 降低了果农的种植积极性。

四、果园采摘机械的发展趋势

提高资源利用率和农业生产率、降低劳动强度、提高经济效益是现代农业的趋势。机器人采摘由于技术和成本的原因, 在今后较长时间内无法投入实际应用, 在这种背景下, 机械式采摘将占据主流, 其发展具有以下几个特点:

一是多功能化。即该机械不仅具有采摘果实的功能, 还兼具其他作业功能, 如中耕、施肥、剪枝、植保等, 多功能作业机械能实现一机多用, 减少购机投入, 同时又方便使用。二是采摘与山地果园运输结合起来。南方丘陵山地果园坡陡, 上山的肥料、农药和下山的果品等全靠人力运输, 劳动强度大, 效率低, 成本高。有些山地虽能开辟机动车道, 但成本高, 浪费土地并易造成水土流失。因此研究省力、低成本的山地运输机械成为当务之急。三是操作简便、可靠性高。机器的操作者是农民, 不是具有机电知识的工程师, 这就要求结构设计合理可靠, 使用方法简单, 维修维护方便。四是通用性好。在各种不同的条件下, 如不同地形 (平地、山地) , 不同的作业地表 (沙质土、泥泞地带) , 不同的作业对象 (水果、坚果) , 不同的品种 (柑桔、苹果、梨、柚等) 等, 该机械适用于大部分甚至绝大部分情形。五是自动化和智能化。随着现代科学技术的进步和广泛应用, 新技术必将进入到农业机械领域, 机械化、自动化、智能化水平将进一步提高。如日本研制的自走式采摘车, 在20°以上的陡坡地使用电视摄像机和无线电遥控组合控制方式, 实现无人驾驶操作。

在机器人采摘研究方面, 未来的采摘机器人朝着以下几个方向发展:

机械式采摘篇6

哈密市总耕地面积29.43万亩, 其中棉花种植面积约19万亩 (2014年机采棉种植面积约为2.8万亩) , 棉花已成为带动哈密农村经济发展的支柱产业, 成为促进哈密区域经济发展、增加财政收入的重要组成部分。

截至2013年年底, 哈密市共拥有各类拖拉机6602台 (架) , 其中大中型拖拉机2794台;各类配套农机具13 447台, 其中棉花铺膜机1344台, 机动喷雾 (粉) 机47台, 旋耕机1191台, 秸秆粉碎还田机384台, 棉花加工机械7台, 残膜回收机113台。

二、棉花机械化技术推广应用情况

哈密市棉花生产机械化技术自20世纪90年代初开始推广, 首推棉花铺膜播种机械化技术, 20多年间棉花各生产环节已基本实现机械化生产, 但只有棉花收获环节仍为人工采收, 棉花人工采收已成为制约棉农增收的瓶颈。

哈密市于2013年首次进行了机采棉尝试性推广, 种植面积3000亩, 采棉收获均为租用当地兵团机具。为进一步推动机采棉技术的应用, 根据哈密市农业生产现有的经营模式, 引进了大宇轻便型采棉机和卡瓦斯便携采棉机进行示范性推广。结合土地流转政策的实施, 2014年机采棉种植面积已扩大到28 000亩。

三、机采棉技术的优势

机采棉技术是用机械化手段对籽棉与青僵棉桃进行采收的一项综合性技术。近几年, 随着用工费用的不断上升, 人工采摘棉花费用已达2元/kg (含食宿) , 棉花收购价平均为10元, 人工采棉费用占到了总成本的20%。而利用大型机械采收棉费用仅是0.6元/kg, 采净率达到96%, 且1台机采棉年采收量相当于500个人工采摘量, 机采棉技术的应用从很大程度上降低了棉花的生产成本, 扩大了规模效益, 从根本上解决了拾花劳动力紧缺的问题, 大幅度降低了拾花用工人数, 提高棉农经济效益, 并且避免了雇佣大量民工而带来的诸多社会问题, 同时, 因及时采摘, 为秋季土壤深翻赢得充足时间, 棉杆深埋还可以增加土壤的有机质含量, 提高耕地的肥力。

四、制约哈密市机采棉技术推广应用的因素

1. 规模化生产经营程度低

长期以来, 哈密市农业生产经营模式主要以家庭承包经营为核心, 棉花种植“小而散”, 一家一户耕地面积小, 种植田块零星分散, 规模小, 大型机械难以作业, 加大了大型采棉机械的推广和应用难度。

2. 农民购买力低

大型采棉机及运输、加工配套设备价格普遍较高, 一次性投资过大, 且投资回收期较长, 即使享受到农机购置补贴政策, 对于上百万元的采棉机价格也是杯水车薪, 以农民家庭为单元的主要购买主体根本无力购买, 从而使机采棉推广受到了限制。

3. 收购和加工服务发展相对滞后

因机采棉是一次性采收, 缺乏相关的等级区分标准和收购依据, 以品级定价的棉花收购和加工给机采棉的收购和加工带来了问题, 增加了棉农的后顾之忧, 影响了棉农种植机采棉的积极性, 阻碍了机采棉技术的推广。

4. 技术宣传和服务不到位

机采棉是一项全新的技术, 棉农虽然急于摆脱居高不下人工拾花成本的制约, 但由于对机采棉种植技术知识的无知及对后续配套技术服务的担忧, 因此, 增加了机采棉技术推广的难度。

五、建议和对策

1. 加快土地集约化经营

加快推行土地流转, 促进土地整合, 加快土地由分散经营向规模经营的步伐, 为机采棉技术推广提供基础条件。

2. 积极探索组建农机作业服务组织, 带动机采棉技术的应用

通过多种形式, 如成立农机作业服务队、或政府牵头由政府与棉农共同出资组建专业采摘组织, 以农机作业服务队和专业采摘组织为单位购买采棉机, 开展服务作业, 既解决长期存在小家小户买不起采棉机械的问题, 又满足了一家一户棉花收获的需求;同时, 各购机成员还可从采棉机对外开展采收服务作业中获得收益。

3. 加强政府协调或引导作用

由政府出面与收购企业协调, 在不损害棉农利益的基础上, 对采棉机械收获的棉花给予定价, 或对种植机采棉的棉农给予一定的经济补贴, 打消棉农售棉的后顾之忧, 提高棉农种植机采棉的积极性。

4. 加大机采棉技术的培训

机械式采摘篇7

采摘机器人是一类针对水果和蔬菜,通过机器视觉系统和编程来完成采摘等相关作业的具有感知能力的自动化机械收获系统[1,2],其在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高劳动舒适性、提高果蔬采摘的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率等方面具有很大的潜力[3]。国内外的科研人员在果蔬采摘机器人的研究中做了大量的工作,但采摘机器人尚未进入商业化。

与工业机器人相比,采摘机器人的作业环境为非结构环境,非结构环境的特殊性以及作业对象的复杂性,对机械臂的结构和控制提出更高的要求,番茄采摘机器人机械臂的结构设计与参数优化在文献[4]中已作了介绍。本文根据实际作业空间要求,对具有平行结构关节的四自由度机械臂,实现了对机械臂各个关节的控制,使用ADAMS/Controls与MATLAB/simulink进行联合仿真,根据仿真结果,不断调节控制参数,实现了机械臂的运动规划和性能指标的优化。

2 机械臂的仿真模型

极坐标机械臂及铰链型机械臂形成的作业区域为扇形,考虑目标区域为矩形,实际作业空间若为矩形更加合理。出于该考虑,第二个关节选择了平行连杆机构。因采摘对象为椭球形果实,兼顾设计简单化,手腕处具有一自由度即可实现抓取。第一个关节用于机械臂机身的旋转,第二个关节为可以生成两个方向运动的平行连杆机构。第三个关节为移动关节,该关节实现末端执行器的伸缩运动。第四个关节用于旋转手腕。四关节机械臂足以实现采摘操作。在该研究前期的工作中,根据对温室和田间环境的调研,优化机械臂的结构参数以实现了机械臂有效工作空间最大化。机械臂机械结构的最终运动参数如表1所示。机械臂的ADAMS机械仿真模型如图1所示。

3 控制系统

采摘机器人的电气控制系统配置如图2所示。双目视觉系统及传感器用于获取外部信号,并传送至PC机。PC机为采摘机器人系统的主控单元,负责图像信息的在线处理、机械臂逆运动学算法、轨迹规划、多传感器信息融合、将控制信号由RS-232串口传送给运动伺服控制系统。控制信号经过放大后控制关节直流电机的位置和速度,实现对机械臂及末端执行器力和位置的精准控制。每一个模块按照既定的程序顺序执行。

4 机器臂ADAMS和MATLAB联合仿真

机器人系统是一个电气机械系统,要想在一个仿真环境中进行整个动力系统的仿真是非常困难的。联合仿真方案中,两种不同的仿真程序交互数据,在原始物理域或者各子系统模型最合适的仿真环境中建立模型。本文采用的研究方法是使用ADAMS/Controls软件仿真机器人机械系统,使用MATLAB/Simulink软件仿真机器人控制系统。MATLAB/simulink仿真基于ADAMS传感器反馈信号的控制模型,产生驱动ADAMS机械动力学系统的控制指令。联合仿真中两软件间的交互关系如图3所示。

图3仿真流程(参见右栏)

4.1 ADAMS建立机械系统

使用ADAMS/View建立机器臂机械模型,然后给关节添加约束及运动。首先验证机械模型建立正确,然后建立控制系统。

4.2 与控制系统建立连接

MATLAB与ADAMS之间的通信依赖于状态变量,即控制系统和机械系统间的输入输出量。表2列出了ADAMS模型的状态变量。将建立机械模型时所添加的运动和力替换为与控制系统建立连接的函数。表3列出了被控关节的驱动函数。ADAMS机械模型仿真后生成三个文件,输出其中.m文件,并集成为如图4所示的adams_sub模块,作为一个子系统加入simulink控制系统中,如图5所示。

图5系统联合仿真模型(参见下页)

5 仿真结果

图6仿真结果(参见下页)

采摘机器人动力学模型、控制器模型设计完成以后,即可进行ADAMS与simulink联合仿真,通过观察ADAMS仿真动画和参数波形图,如图6所示。根据要求的相关性能指标,修改控制器的控制参数并继续仿真,最终使系统达到较理想状态,从而验证模型的可行性与控制的有效性。

6 结论

针对番茄采摘机器人及其控制系统,在文献[4]的基础上,实现了一个四自由度的机械臂仿真模型,并完成了番茄采摘机器人MATLAB和ADAMS的联合仿真,用仿真结果去不断调节控制参数,实现了机械臂的运动规划和性能指标的优化。后续主要工作有:1)通过联合仿真完成特定路径的运动轨迹规划;2)通过联合仿真完成执行时间最小的运动轨迹规划;

摘要：采摘机器人属于非结构环境下作业的特种机器人,果实的采摘易受环境变化的影响,机械臂的控制直接决定采摘机器人的作业效果。根据番茄的特点及其植株的生长分布,设计了具有平行结构关节的四自由度机械臂,实现了对机械臂各个关节的控制。使用ADAMS/Controls与MATLAB/simulink进行联合仿真,根据仿真结果,不断调节控制参数,实现了机械臂的运动规划和性能指标的优化。

关键词：采摘机器人,四自由度,控制,仿真

参考文献

[1]EdanY,GainesE.Systemsengineering of agriculturalrobot design[J].IEEE Transactions on Systems,Man,and Cybernatics,1994,24(8):1259-1265.

[2]Van Henten E J,Schenk E J.Van Willigenburg LG.,et al.Collision-free inverse kinematics of theredundant seven-linkmanipulatorusedinacucumberpicking robot[J],Biosystems Engineering,2010,106(2):112-124

[3]张洁,李艳文.果蔬采摘机器人的研究现状、问题及对策[J].机械设计,2010,27(6):1-4.

机械式采摘篇8

关键词：ATmega16,伺服电机,自由度,模块化

随着农业生产的规模化、多样化和精确化, 农业生产作业要求逐渐提高, 许多作业项目都是劳动密集型工作。另外, 工业生产发展迅速, 农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移, 随着人口的老龄化和农业劳动力的减少, 农业生产成本也相应提高, 这样大大降低了产品的市场竞争力。因此, 农业机器人的广泛应用是解决上述问题的关键。

农业机器人是一种以农产品为操作对象, 兼有模拟人类智能感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或者半自动化设备。农业机器人的作用可以简单归纳为以下几点: (1) 缓解农业劳动力的不足; (2) 替代人类从事脏、累、辛苦的劳动; (3) 替代人类从事机械式的单调劳动; (4) 获得高品质、高附加值的农产品; (5) 实现植物工厂内的无菌化生产。

目前, 农业机器人主要应用在移栽、嫁接、喷药、采摘果实分级等领域果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节, 本文提到的基于ATmega16的六自由度果实采摘机器手能够对一定空间范围内经过成熟程度识别后的被采摘对象进行采摘, 这样就能在保证采摘果实质量的前提下, 顺利地完成果实采摘工作并大大提高采摘的工作效率。在国外, 果实采摘机器人的研究已经取得了较大的进展, 我国在这方面的研究尚在起步阶段。但随着科技水平的不断提高和农业规模化的不断发展, 以果实采摘机器人为代表的农业机器人将逐渐在我国农业生产中发挥巨大作用[1]。

1 机械系统的设计

机械系统采用大谷六自由度机械手, 系统采用模块化的设计方法将机械手划分为基座手臂手腕、手部四个部分, 每个部分通过伺服电机进行控制, 采用铝合金支架、螺丝、螺母进行连接和加固[2]。

1.1 机械手硬件结构组成

本实验的伺服机器手臂由底座、铝制合金结构支架和舵机组合而成。运动结构由基座的旋转部分、构成手臂的三个转动关节、手腕一个转动关节以及手部的夹持部分构成。该机械手的手臂控制部分由4个工作电压为6V、扭力为13kg的伺服电机构成, 手腕和手指控制部分由2个工作电压为6V、扭力为1.8kg的伺服电机构成, 整个手臂由铝制合金结构支架和底座组合而成。

图1为机械手系统的组成结构, 图示各部分说明如下, (1) 手部, 功能为可以实现对成熟果实的果柄进行剪断; (2) 手指夹持电机, 作用是控制手指指尖的间距, 即0～5.4cm; (3) 手腕转动电机, 与人手腕相近, 可以完成为0°～180°的转动; (4) - (7) :皆为手臂控制电机, 均可实现0°～180°的转动, 整个手臂控制电机的组合控制可以顺利完成半球面范围内的果实采摘工作; (8) 底盘, 对整个机械手配重, 起到稳定重心的作用。

1.2 机械手相关参数

为了合理地设计控制器, 就必须对机械手和舵机相关参数做出比较详细的分析, 通过参数的分析找到舵机转动角度与机械手位姿的关系。其主要技术参数如下:

控制器工作电压/V:5

伺服电机工作电压/V:4.8～6

伺服电机工作电流/A:1.2～3

搬运负载/g:200-500

底盘外圆直径/mm:210

内圆直径/mm:170

底盘高度/mm:58

手臂总长度/mm:390

金属齿轮伺服电机尺寸/mm:40.4×19.8×36

金属齿轮伺服电机重量/g:48

金属齿轮伺服电机速度:1.22sec/60°

金属齿轮伺服电机输出力矩:13kg·cm

MicroSTD伺服电机尺寸/mm:28×14×29.8

MicroSTD伺服电机重量/g:18

MicroSTD伺服电机速度:1.13sec/60°

MicroSTD伺服电机输出力矩:1.8kg·cm

2 控制器的设计

2.1 系统硬件电路设计

控制器以ATmega16单片机为主控制器, 采用5V直流电源分别为AVR单片机和机械手臂伺服电机供电。电路板正面包括5V电源正负插针输入口、ATmega16主控芯片、手动复位电路、晶振电路、用以实现多路电机选择的矩阵键盘、用以控制单片机转角控制的独立键盘、6路伺服电机接入口、下载方式可任选其一的ISP接口和JTAG接口。另外可通过1602显示屏显示被选电机标识号和该电机转动的角度。

ATmega16是AVR公司推出的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS的微控制器。ATmega16AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器[3]。

采用74HC 595芯片实现ATmega16中OC 1B引脚发送出的串行数据到6路伺服电机所需并行数据的转换, 经过74HC 595并行输出端Q 0-Q 5实现对伺服电机M 0-M 5的控制[4,5]。图2为硬件系统连接图。

2.2 系统软件设计

系统软件使用AVR Studio进行程序的调试和编译, 使用ICC AVR进行程序的下载, 程序采用C语言编写。首先对系统进行设置初始化, 包括AVR I/O口寄存器的初始化、1602液晶屏内容的初始化、数据/指令的初始化、键盘检查与扫描的初始化。然后进行键盘扫描, 检测是否有按键按下, 如果是则进入中断系统, 否则返回进行重新扫描。中断系统中执行对多路电机的选择、对电机旋转角度的设置以及对1602液晶屏内容进行显示, 中断过程结束后返回, 系统程序流程如图3所示。

舵机的控制采取相位修正PWM模式, 首先对T/C 1控制寄存器A和控制寄存器B进行配置, 需要严格对舵机的周期进行设置, 即周期为20ms;公式 (1) 为PWM频率公式, 用来确定周期为20ms时的T/C 1控制寄存器A上限值 (即OCR 1A) 和单次按键伺服电转角的所需设定的T/C 1控制寄存器B值 (即OCR 1B) , 其中fxTAL为晶振频率, n取64分频, OCR 1A作为比较匹配上限值[6]。OCR 1B作为舵机信号线信号的输出值, 输入正脉冲宽度与伺服电机控制关系如图4所示。

式中, fPWM—输出PWM频率;

fXTAL—晶振频率;

n—64分频数;

OCR 1A/B—常数。

3 实验与结果分析

对于空间一定范围内任意一点坐标 (x, y, z) 存在成熟的果实, 只需要对果实采摘机械手的6个伺服电机进行相应角度的转动就可以顺利完成采摘任务。通过表1两组实验数据可以看出两者之间的对应关系。

注:本实验采用基座上表面中心为三维坐标系坐标原点, 采用厘米为坐标系单位。

实验结果证明对于一定空间范围内某一点存在可采摘的成熟果实, 六自由度机械手都可以精准地完成采摘任务。系统实验结果如图5所示。

4 结束语

本文确定了果实采摘机械手的机械系统和控制系统方案。主要对机械手控制器进行设计, 采用AVR单片机-ATmega16为主控芯片, 采取相位修正PWM模式, 通过指令的输入实现对多路伺服电机的控制, 最后经由1602液晶屏显示, 从而顺利完成一系列在特定空间范围内果实的采摘工作。

参考文献

[1]Marchant J.Agriculture-a challenge to robotic science[J].indus-trial robot, 1998, 25 (5) :308-309.