草莓採摘輔助機械裝置

① 從智能化採摘到智能裝箱，全自動水果採摘機器人有多牛

這種全自動水果採摘機器人真的是太厲害了，速度是非常快的，而且效率也是很高的，能夠極大的減少勞動力。

② 農業機器人來了！

農業發達國家，機器人似乎已經開始成為智能時代的一種新風尚，在世界各地，有不少農場都投入使用了效率比農場工人高得多的機器人。

農業機器人是一種機器，是機器人在農業生產中的運用，是一種可由不同程序軟體控制，以適應各種作業,能感覺並適應作物種類或環境變化，有檢測(如視覺等)和演算等人工智慧的新一代無人自動操作機械。

一、發展

農業機器人出現後，發展很快，許多國家在農業機器人的研製和發展，出現了多種類型農業機器人。目前日本居於世界各國之首。在進入21世紀以後，新型多功能農業機器人得到日益廣泛地應用，智能化機器人也會在廣闊的田野上越來越多地代替手工完成各種農活，第二次農業革命將深入發展。。區別於工業機器人，是一種新型多功能農業機械。農業機器人的廣泛應用，改變了傳統的農業勞動方式降低了農民的勞動力，促進了現代農業的發展。

二、分類

1、施肥機器人

美國明尼蘇迭州一家農業機械公司的研究人員推出的機器人別具一格，它會從不同土壤的實際情況出發，適量施肥。它的准確計算合理地減少了施肥的總量，降低了農業成本。由於施肥科學，使地下水質得以改善。

2、大田除草機器人

德國農業專家採用計算機、全球定位系統(GPS)和靈巧的多用途拖拉機綜合技術，研製出可准確施用除草劑除草的機器人。首先，由農業工人領著機器人在田間行走。在到達雜草多的地塊時，它身上的GPS接收器便會顯示出確定雜草位置的坐標定點陣圖。農業工人先將這些信息當場按順序輸入攜帶型計算機，返回場部後再把上述信息數據資料輸到拖拉機上的一台計算機里。當他們日後駕駛拖拉機進入田問耕作時，除草機器人便會嚴密監視行程位置。如果來到雜草區，它的機載桿式噴霧器相應部分立即啟動，讓化學除草劑准確地噴撒到所需地點。

3、菜田除草機器人

英國 科技 人員開發的菜田除草機器人所使用的是一部攝像機和一台識別野草、蔬菜和土壤圖像的計算機組合裝置，利用攝像機掃描和計算機圖像分析，層層推進除草作業。它可以全天候連續作業，除草時對土壤無侵蝕破壞。科學家還准備在此基礎上，研究與之配套的除草機械來代替除草劑。收割機器人美國新荷蘭農業機械公司投資250萬美元研製一種多用途的自動化聯合收割機器人，著名的機器人專家雷德·惠特克主持設計工作，他曾經成功地製造出能夠用於監測地面扭曲、預報地震和探測火山噴發活動徵兆的太空梭專用機器人。惠特克開發的全自動聯合收割機器人很適合在美國一些專屬農墾區的大片規劃整齊的農田裡收割莊稼，其中的一些高產田的產量是一般農田的十幾倍。

4、採摘柑桔機器人

西班牙 科技 人員發明的這種機器人由一台裝有計算機的拖拉機、一套光學視覺系統和一個機械手組成，能夠從桔子的大小、形狀和顏色判斷出是否成熟，決定可不可以採摘。它工作的速度極快，每分鍾摘柑桔60個而靠手工只能摘8個左右。另外，採摘柑桔機器人通過裝有視頻器的機械手，能對摘下來的柑桔按大小馬上進行分類。

5、採摘蘑菇機器人

英國是世界上盛產蘑菇的國家，蘑菇種植業已成為排名第二的園藝作物。據統計，人工每年的蘑菇採摘量為11萬噸，盈利十分可觀。為了提高採摘速度，使人逐步擺脫這一繁重的農活，英國西爾索農機研究所研製出採摘蘑菇機器人。它裝有攝像機和視覺圖像分析軟體，用來鑒別所採摘蘑菇的數量及屬於哪個等級，從而決定運作程序。採摘蘑菇機器人在機上的一架紅外線測距儀測定出田問蘑菇的高度之後，真空吸柄就會自動地伸向採摘部位，根據需要彎曲和扭轉，將採摘的蘑菇及時投入到緊跟其後的運輸機中。它每分鍾可採摘40個蘑菇，速度是人工的兩倍。

6、分檢果實機器人

在農業生產中，將各種果實分檢歸類是一項必不可少的農活，往往需要投入大量的勞動力。英國西爾索農機研究所的研究人員開發出一種結構堅固耐用、操作簡便的果實分檢機器人，從而使果實的分檢實現了自動化。它採用光電圖像辨別和提升分檢機械組合裝置，可以在潮濕和泥濘的環境里幹活，它能把大個西紅柿和小粒櫻桃加以區別，然後分檢裝運，也能將不同大小的土豆分類，並且不會擦傷果實的外皮。

7、番茄收獲機器人

日本番茄收獲機器人針對成熟番茄果實表現為紅色這一特點, 用彩色CCD攝像頭作為視覺感測器, 基於RGB分量區分水果和莖葉。

8、採摘草莓機器人

日本國家農業和食品研究發明了一個能夠採摘草莓的機器人。該機器人裝有一組攝像頭，能夠精確捕捉草莓的位置，還有配套軟體能根據草莓的紅色程度來確保機器人採摘的是成熟的草莓。雖然此機器人目前只能採摘草莓，但可以通過修改程序來使機器人採摘其它水果，如葡萄、番茄等。機器人采一個草莓的時間是9秒，如果大范圍使用並能保持採摘效率，可以節省農民40%的採摘時間。

三、為什麼會出現農業機器人

在美國、日本等國家，農業人開口很少，隨著農業的規模化、多樣化、精確化，勞動力不足的現象越來越明顯。而現實中許多作業項目都是勞動力密集型的工作，再加上時令要求，勞動力短缺嚴重。為了解決這一現象問題，農業機器人應運而生。

四、農業機器人的特點

◆ （1）農業機器人作業對象的嬌嫩性

生物具有軟弱易傷的特性，必須細心輕柔地對待和處理。且其種類繁多，形狀復雜，在三維空間里的生長發育程度不一，相互差異很大。

◆ （2）農業機器人的作業環境的非結構性

由於農業作物隨著時間和空間的不同而變化，機器人的工作環境是變化的、未知的，是開放性的環境。作物生長環境除受園地、傾斜度等地形條件的約束外，還直接受季節、大氣和時間等自然條件的影響。這就要求生物農業機器人不僅要具有與生物體柔性相對應的處理能力，而且還要能夠順應變化無常的自然環境。要求農業機器人在視覺、知識推理和判斷力等方面具有相當的智能。

◆（3）農業機器人作業動作的復雜性

農業機器人一般是作業、移動同時進行，農業領域的行走不是連接出發點和終點的最短距離，而是具有狹窄的范圍，較長的距離及遍及整個田間表面等特點。



◆ （4）農業機器人的使用者

農業機器人的使用者是農民，不是具有機械電子知識的工程師，因此要求農業機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點。

（5）農業機器人的價格特性

工業機器人所需要大量投資由工廠或工業集團支付，而農業機器人以個體經營為主，如果不是低價格，就很難普及。

在農業生產中使用機器人有很多好處：可以提高勞動生產率；解決勞動力不足的問題；改善農業生產者的安全、衛生環境；提高作業質量等。

五、農業收獲機器人的發展現狀

農業機器人出現之後，發展很快，許多國家在農業機器人的研製和發展，出現了多重類型的農業機器人。現如今，新型多功能農業機器人得到日益廣泛的應用，智能化機器人也會在廣闊的田野上越來越多地代替人工完成各種農活。

◆ 1.國外農機現狀

目前，各農業發達國家果蔬收獲機器人的研究已經取得了很大的進展，但離實用化和商品化還有很長一段距離。法國是最早研究水果收獲機器人的國家之一。日本近年來在收獲機器人研究方面進展很快，但還沒能真正實現商業化。荷蘭收獲機器人的研究工作也走在很多國家的前面，但研究的果蔬種類並不多。



目前收獲機器人還未得到真正應用的原因主要是：

1) 果實的識別率和採摘率不高,損傷率較大；

2) 果實的平均採摘周期較長；

3) 收獲機器人的製造成本較高。

◆ 2.國內農機現狀

我國是一個發展中的農業大國，農業問題始終是關繫到我國經濟 社會 發展的根本問題。

但是我國的農業機器人在精度、效率和穩定度方面和國外還有一定的差距。

隨著新的農業生產模式和新技術的應用, 機器人將越來越多地應用到農業生產中。在農業中運用機器人是從質的方面提高勞動生產率的新方法，也是農業機械產品技術發展的一個標志。

但是由於農業生產的季節性、農產品的價格、農業作業的復雜性等特點對農業機器人的性價比、智能提出較高的要求, 成為制約農業機器人研究應用的瓶頸問題。因此，農業機器人技術將是新世紀的重點研究內容之一。

③ 果園機械包含哪些

果樹生產過程中使用的機具與裝備。主要包括：果園動力、建園、栽植、耕作、施肥、中耕、灌溉、植保、防護自然災害、整形修剪以及採收等作業的機具和裝備。世界上一些工業發達國家，果樹生產機械化發展迅速，美國在20世紀40年代，基本實現果樹生產機械化，70年代以來，除果品採收和部分細致修剪，仍使用人工作業外，果園其他主要作業項目，都實現了機械化；在歐洲，一些國家的葡萄生產全過程，已實現機械化。

中國從20世紀50年代開始，果樹生產中使用半機械化生產機具，60年代發展了半機械化的小型機動噴霧機；手扶拖拉機和中、小型輪式拖拉機應用於果樹生產。同時，研製改進了中耕機、施肥機、開溝機等。70年代末，開始研製果樹定植挖坑機，果園風送式噴霧機，果樹行間動力割草機，修剪、採收用升降平台，液壓修枝剪，震動式山楂採收機，靜電噴霧機，葡萄園噴霧機，綠肥壓青機，施肥開溝機，倒置式樹盤中耕機等。

動力機械

20世紀40年代，果園機械主要有，用於配帶各種作業機具的手扶拖拉機和園藝拖拉機（Gar-den Trater）。60～70年代，發展了果園型拖拉機，根據果園作業的特殊性，形體小，功率為30～50馬力，採用折腰轉向機構，前後輪驅動，可以提高附著重量，改善牽引附著性能，具有良好的機動性，通過性。除後側能牽引或懸掛機具外，還能牽引或懸掛偏置機具，進行樹干周圍的除草及耕耘作業。拖拉機的前部與中部，也能裝置機具，提高了對果園多種作業的適應性。70年代後期，根據葡萄生產機械化的需要，發展了高低架葡萄園專用型拖拉機，用於立架栽培的葡萄生產，其農機底隙達2米左右，拖拉機跨在葡萄植株上，進行各項管理、採收、集運作業，此類拖拉機的傳動系統結構，除機械傳動外，還採用了液壓馬達。

建園機械

包括用於清理場地、修築梯田、平整園地、修建道路和開挖排灌渠道等作業的通用土建機械，如推土機、鏟運機、平地機、築埂機、挖溝機等，以及由拖拉機配帶果園用的耕翻和挖穴栽植機具。

挖坑機

果樹樹種不同，要求成穴的大小和深淺不一，挖坑機種類有：①手提機動型。以2～3馬力小型汽油機為動力，配置手把，並安裝有立式螺旋鑽頭，作業時以單人或雙人手提操作，由於機具較輕，鑽頭直徑小，適於坡地上葡萄和雜果類果樹定植挖坑用；②懸掛式挖坑機。本身不配置動力，是由齒箱通過接盤，裝置立式單螺旋或雙螺旋轉頭，整個裝置懸掛於拖拉機上，由拖拉機動力輸出軸驅動齒箱帶動鑽頭旋轉入土而成穴，一般成穴深度可達80～100厘米，直徑可使用不同大小鑽頭（50～100厘米）。此機械可滿足各種果樹的定植挖坑要求（圖1）。

圖7為了撿拾地面果實，20世紀60年代以來，研製了地面果實撿拾機，有氣吸式、滾針式和機械式。

果品分選（級）裝置

最簡易的分級器是分級孔板，以孔板上不同大小的孔徑來分選果品，純系手工勞動。果品分選機械化的歷史不長，但發展迅速，機械化程度高。普遍採用的裝置有按果品形狀的大小分級；按果品重量分級；按色澤分級（見果實分級）3種：①按果實形狀（大小）分級。利用機械使果實通過具有不同尺寸的選果工作部件，依次選出不同果徑級別的果實。②按重量分級。利用杠桿平衡原理，在杠桿一端放有平衡重或計量裝置。另一端放盛果部件，當盛果部件上的果實重量超過平衡重時，杠桿傾斜拋出果實，承載較輕果實時，杠桿越過此平衡重位置前移，當遇到較輕平衡重時，杠桿才傾斜，盛果部件在新的位置拋出較輕果實，由此，將果實分為若乾等級。當前，這種裝置使用廣泛，有些裝置中的計量器已採用電子秤。③按色澤分級。原理是果實從電子發光點前通過時，果實的反射光，被能測定波長的光電管接收，果實色澤不同時，其反射光的波長就不同，電子系統可根據波長進行分析，按對果實色澤的標准要求確定取捨，達到分級目的。

為了滿足果品分選要求，歐美一些國家，已開始按多種分選原理製成組合式分選裝置，它可使某一等級的果實達到一定大小和重量標准，又滿足一定的色澤要求。目前，分選技術和裝置，已將光電測試技術、電子計算機和自動控制技術，運用於果品分選裝置中。

果品包裝裝置（見果品包裝）。

④ 如何利用TRIZ理論創新設計採摘執行器

針對採摘執行器在採摘過程中無法控制採摘壓力導致水果受損的問題，設計一種基於TRIZ的矛盾沖突理論和物場模型的採摘執行器。
研究目的與方法：
為提高果類在適宜採收期內的採摘效率，各種類型的水果輔助採摘機械應運而生，而這些採摘機械中的核心部件是末端執行器。末端執行器是水果採摘機械中完成水果抓取功能的組件，具體包括定位、抓取、採摘和復位等動作的執行，但市面上常用的簡易型採摘器所配置的末端執行器多是靠人力控制以實現功能，其自動化程度低，採摘耗時耗力。針對現有採摘執行器在採摘過程因無法控制水果採摘壓力導致水果易損傷的問題，應用TRIZ矛盾沖突理論和物場模型分析方法進行採摘執行器的創新設計。
通過TRIZ系統組件分析和功能模型進行問題分析，找出採摘執行器的有效功能和不足功能；運用TRIZ的技術沖突理論、物理沖突理論以及物場模型分析得出各種解決方案，經綜合比較，最終運用分割原理方案實現執行器的壓力可控且安裝簡易，運用空間分離原理實現執行器爪頭自動扭轉。新型的力度可控執行器在壓力感測器和電機的相互配合下實現水果的無損自動抓取和採摘。
研究結果與結論：
1、綜合應用TRIZ矛盾沖突理論和物場分析模型方法，設計了基於TRIZ理論的新型採摘執行器。新型採摘執行器主要由爪頭、爪座、感測器和電機等組成，且採摘壓力可控。從而實現水果的無損自動抓取和採摘，同時適用於不同果品採摘作業。
2、對採摘執行器進行了運動模擬和試驗驗證，進一步證明了採摘執行器的穩定性和可靠性。試驗結果表明採摘執行器的抓取壓力為2.5 N時採摘效果最佳且水果無擠壓損傷，在30 min的採摘試驗中，平均每個水果的採摘時間約為6 s，採摘成功率為93%。試驗表明，採摘執行器的採摘效率和成功率符合採摘創新設計要求，為後續採摘器的研究提供了理論參考依據。