水果采摘器的研究现状分析

发表时间：2020-09-09T11:03:39.350Z 来源：《科学与技术》2020年28卷9期 作者： 秦如意 罗哲 刘剑锋 夏余平[导读] 本文针对水果采摘器的应用现状展开研究，综述了市面上常见的水果采摘器类型

摘要：本文针对水果采摘器的应用现状展开研究，综述了市面上常见的水果采摘器类型，并就其优缺点进行了论述分析，详细探讨了国内外科研机构、制造企业在各类水果采摘器研究设计上的成果，并对后续水果采摘器的设计研发方向提出了可行性借鉴。 关键词：水果采摘器；采摘方式；优化设计 中图分类号：TH122 文献标识码：A

1 引言

自20世纪90年代中期起我国水果产量和面积一直稳居世界首位，我国的水果产业到今天已经成为继蔬菜、粮食之后的第三大农业种植产业，而苹果、柑橘、梨是我国最主要的三大水果，占据我国水果产量的38.02%。但水果种植生产过程中，采摘果实所耗费的劳动力占总生产劳动力的33%-50%，动力缺口大、水果采摘周期短、采摘成本高等问题，严重制约了果园种植业的发展[1]。

图1中国水果产量占比图

根据图1中国水果产量占比图数据统计，苹果、柑橘、梨是我国最主要的三大水果，这三种主要的水果果实生长高度在3到5米，且在采摘过程中都属于相对容易造成果实损伤的水果种类。目前，对于苹果、梨、桃等果树高度在3-5米、果实分布高低不均的果实采摘多采用借用扶梯的纯人工采摘方法，该方法既无法保证采摘人员的安全性，又不能快速、有效的完成果实的采摘和收集工作。因此，如何实现这类水果的高效采摘一直是困扰果农收入的关键问题所在，针对这个问题开展相关研究具有十分重要的经济价值与现实意义。2 水果采摘器的分类

目前市场上已有的水果采摘器可分为：全自动智能采摘机器人、大型机械采摘装置、小型便携采摘装置[2-3]。这些果实采摘器都有着各自的优点和缺点。

（1）全自动智能采摘机器人，劳动力需求极低，可以一个人管控多台设备，并且设备理论上可以24小时不间断工作，但现有的智能采摘技术尚不成熟，无法实现高速、有效、持续的采摘，在采摘过程中设备容易出现故障损伤果实，而且需要花费大量的时间对果树进行驯化，使果实按规定的方向生长。

（2）大型机械采摘装置，采收效率极高，劳动力需求也相对较低，但是这类果实采摘装置受地形限制只能在平地上工作，而且结构往往相对复杂，生产制造成本较高，只有地势平坦开阔的大型果园能够使用得起，并且因为其体型较大，很容易对设备周围的果树果实造成损伤。

（3）小型便携采摘装置，成本低，携带方便，但市面上的小型便携采摘装置结构过于简单，其设计目的只适用于家庭采摘游玩使用，不适用于果园的高劳动强度的集体化劳作，并不能达到解放劳动力，降低采摘成本的作用。3 国内外研究现状

根据搜集到的资料显示，近年来针对水果采摘国内外进行了一系列研究，也取得了一定的成果。而不管是国外的研究机构，还是国内的研究机构，他们都趋向于选择智能采摘机器人作为研究方向。

由新西兰最大的苹果出口商、有着121年新鲜果蔬种植历史的T&G Global公司投资，美国科技公司Abundant Robotics进行研发设计了一款专门用于苹果采摘的AbundantRobotics机器人。这款机器人通过计算机视觉技术实现寻找发现果实的功能，对果实定位后进行采摘[4]。其研发的难点也在于如何视觉识别成熟可采摘的苹果，并且保证摘取的同时不损伤果实。最终AbundantRobotics机器人采用图2中类“吸尘器”的形式，将水果“吸”到收纳装置中，这样不仅可以避免机械手臂通过抓取，而弄伤水果表皮甚至伤到果肉部分，还可将其运用在其他水果的采摘上，扩大了其适用的范围。目前，这款智能采机器人已经可以轻松采摘那些位于树冠顶部的苹果。该款智能采摘机器人目前的采摘速度为每秒一个，可持续工作18个小时以上。

图2 AbundantRobotics智能采摘机器人

英国普利茅斯大学机械人专家马田．斯托伦博士研发了一款“智能采莓机器人”如图3，每台造价约70万英镑。这款智能采莓机器人采摘单个莓子时间在2.5秒到10秒不等，机器人有四个采摘钳，可四个采摘钳同时工作，也可单个采摘钳独立工作，能持续工作20小时[5]。据估算，机械人每日能采收2.5万颗莓子，而人工采摘单日只能采摘1.5颗莓子。据《英国卫报》称，这款机械人虽造价昂贵，但使用租金整体要比支付给工人的薪资低廉。

图3 智能采莓机器人

日本农林水产省下属研究机构也发文表示，计划在2020年度底之前研发采摘苹果、梨等果实的机器人。目标是将果树生产作业时间最多减少五成，争取最晚在2025年左右推向市场进行销售。为了便于农户引进，售价将总计控制在600万日元（约合人民币40万元）以下。此项研究的代表机构是位于茨城县筑波市的农业食品产业技术综合研究机构，而雅马哈发动机公司、电装公司、立命馆大学及青山学院等产学机构，总计21个团体也将参与其中。

除此以外研发采摘机器人的还包括以色列的FFRobotics公司，比利时的Octinion公司，美国的Harvest Croo Robotics公司，美国西班牙合资的Agrobot公司，以及英国的Dogtooth Technologies公司。

针对水果采摘问题，国内在水果采摘机械方面也做了很多研究和努力。华南农业大学研发了一款智能采摘机器人如图4所示，采用双目立体视觉在果园中对果实进行定位，获得视野内多个随机水果目标，然后再用数学规划方法，对采摘作业路径进行自主规划，最后伸出机械臂末端的拟人夹指来采果子[6]。在进行荔枝采摘实验中，华南农业大学研发的智能采摘机器人每小时能摘40斤荔枝，是人工采摘速度的两倍。由于末端的执行器具有一定通用性，因此可对多类瓜果进行作业，包括荔枝、柑橘、甜椒等。

图4 华南农大智能采摘机器人

我国自研的苹果采摘机器人如图5，由两自由度的移动载体和五自由度的机械手组成。其中，移动载体为履带式平台，加装了主控PC

机、电源箱、采摘辅助装置、多种传感器；五自由度机械手由各自的关节驱动装置进行驱动。由于苹果采摘机器人工作于非结构性、未知和不确定的环境中，其作业对象也是随机分布的，所以加装了视觉传感器、位置传感器和避障传感器[7]。 图5 苹果采摘机器人4 总结 我国是全世界最大的水果生产国，苹果、柑橘、梨占据我国水果产量的38.02%，但是随着社会劳动成本的上涨，目前国内大部分依靠人工采摘水果的水果种植业花费在采摘上的成本不断攀高，这也将最终导致水果消费水平的提高。根据查找到的资料来看，目前国内外都在做智能采摘机器人，但是实际上不论是果树驯化，还是设备的开发调试，这样繁琐艰巨的任务保守估计也要五到十年才能初见成效，且实现实际的产业化和普及则需要更长的时间，而现在日益增长的水果产量和市场消费需求与实际生产力之间的矛盾将在五到十年内得不到解决。为解决上述问题，在后续一段时间内，关于水果采摘器的设计将主要围绕集采摘高度范围广、采摘角度可调节、采摘控制智能化、果实采摘和收集于一体等方面展开。参考文献：[1] 郭雄,邓庭超,谢智琛,邓雄明,彭康双.多功能果实采摘器设计[J].粮食科技与经济,2019,44(04):116-118. [2] 薛彪,叶昕,房卓娅,衡金龙,周子健,魏洁安.便携式高空水果智能采摘器[J].科学技术创新,2019(10):185-186. [3] 秦涛,李江江,石刘洋.一种旋转切割式水果采摘器设计[J].林业机械与木工设备,2019,47(03):37-40. [4] Yongting Tao,Jun Zhou. Automatic apple recognition based on the fusion of color and 3D feature for [5] 赵春光. 苹果采摘机械手的设计与优化[D].哈尔滨商业大学,2019. [6] 周亚男,邱海飞,赵晓敏,乔信超,刘一帆.新型高枝水果采摘器[J].机械传动,2019,43(06):139-143. [7] 张晓光,周天,许彦章,许亮.水果采摘装置的研究与开发[J].机床与液压,2020,48(07):86-88+71.