農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人研究進(jìn)展詳細(xì)介紹

1、農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人研究進(jìn)展詳細(xì)介紹我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步、生活節(jié)奏的加快、飲食結(jié)構(gòu)的變革和加入世貿(mào)組織后參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，消費(fèi)者必然對(duì)進(jìn)入市場(chǎng)的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和分級(jí)包裝等有更高的要求。我國(guó)目前已經(jīng)逐步重視對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的揀選、分級(jí)和包裝。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化處理是提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和產(chǎn)品價(jià)值的重要手段。通過(guò)產(chǎn)后商品化處理，可大幅提高農(nóng)產(chǎn)品的外觀和內(nèi)部品質(zhì)，提高其商品價(jià)值，是農(nóng)產(chǎn)品從數(shù)量型向質(zhì)量型、健康型發(fā)展的需要，是增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的需要，是進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)、擴(kuò)大出口的需要。高檔次、潔凈化的農(nóng)產(chǎn)品如水果、蔬菜等往往需要按照大小尺寸及品質(zhì)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行揀選、分類(lèi)和包裝。在分選的過(guò)程中，被分選產(chǎn)品的外觀形狀

2、、內(nèi)部品質(zhì)、成熟程度和傷病等特征復(fù)雜，人工揀選時(shí)對(duì)產(chǎn)品等級(jí)的判斷是根據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)、瞬間得出判斷結(jié)果，其結(jié)果往往因人而異，將機(jī)器人引入農(nóng)產(chǎn)品加工車(chē)間，可以大幅度提高分選的一致性，降低產(chǎn)品的破損率、提高成產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和改善勞動(dòng)條件。農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人是一種新型的智慧農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備，它是人工智能檢測(cè)、自動(dòng)控制、圖像識(shí)別技術(shù)、光譜分析建模技術(shù)、感應(yīng)器、柔性執(zhí)行等先進(jìn)技術(shù)的集合93。目前，農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人已經(jīng)有了很大的發(fā)展，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛使用分揀機(jī)器人，將會(huì)極大地改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的勞作模式，降低了對(duì)大量勞動(dòng)力的依賴(lài)，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。4.4.1 農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀4.4.1.1 發(fā)達(dá)國(guó)

3、家農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的研發(fā)概況發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的研制起步早、投資大、發(fā)展快， 這些國(guó)家農(nóng)業(yè)規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化的快速發(fā)展，有效地促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后分揀機(jī)器人與其他智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展。自20世紀(jì)80年代開(kāi)始，發(fā)達(dá)國(guó)家根據(jù)本國(guó)實(shí)際，紛紛開(kāi)始農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的研發(fā)， 并相繼研制出了適用于不同水果和蔬菜等多種農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)分級(jí)分揀裝備。日本是農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人研究最早、同時(shí)也是市場(chǎng)發(fā)育最為成熟的國(guó)家之一。目前，日本在果蔬分揀系統(tǒng)及果蔬揀選機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)和使用方面居世界領(lǐng)先地位。英國(guó)研制的分揀機(jī)器人，采用光電圖像識(shí)別和提升分揀機(jī)械組合裝置， 把大的西紅柿和小的櫻桃加以區(qū)別，然后分揀裝運(yùn)；也能把

4、土豆進(jìn)行分類(lèi)，且不擦傷外皮。意大利UNITEC公司開(kāi)發(fā)出一系列用于水果及蔬菜采摘后進(jìn)行體積、尺寸和顏色識(shí)別的專(zhuān)用分揀機(jī)，能使徑向尺寸小于40毫米的水果分揀速度達(dá)到18個(gè)/秒，大于40毫米的水果達(dá)12個(gè)/秒。1995年美國(guó)研制成功的Merling高速主頻計(jì)算機(jī)視覺(jué)水果分級(jí)系統(tǒng)，生產(chǎn)率約為40噸/小時(shí)， 已廣泛用于蘋(píng)果、桔子、桃和西紅柿等水果的分級(jí)。目前，外國(guó)基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品尤其是水果外觀品質(zhì)分揀技術(shù)與裝備研究已經(jīng)較為成熟，公司主要有澳大利亞的GP graders、法國(guó)Maf/Roda集團(tuán)、荷蘭Aweta集團(tuán)、新西蘭Compac公司、意大利尤尼泰克Unitecgroup、荷蘭Greef、

5、美國(guó)FMC和意大利Sammo等。除了農(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)分揀機(jī)器人外，在內(nèi)部品質(zhì)在線(xiàn)檢測(cè)分揀設(shè)備研發(fā)方面國(guó)外也遙遙領(lǐng)先，這方面的研制工作主要集中于國(guó)外工廠和制造商。1990年日本首先推出采用近紅外傳感器的水果分選系統(tǒng)， 90年代中期該系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于水果甜度分選。1996年日本FANTEC公司開(kāi)發(fā)了透射式近紅外光譜測(cè)試技術(shù)，可同時(shí)測(cè)定水果的成熟度、含糖度、含酸度、蘋(píng)果中的糖蜜等多種指標(biāo)，并推出袖珍式FRUIT 5裝置，測(cè)定速度達(dá)到5個(gè)/秒，從而保證了日本國(guó)產(chǎn)水果在市場(chǎng)上的銷(xiāo)售質(zhì)量。1998年日本Mitsui Mining公司的Kawano等人研發(fā)了基于近紅外傳感器的水果分級(jí)線(xiàn)。自此很多制造商也開(kāi)始進(jìn)入

6、農(nóng)產(chǎn)品自動(dòng)化分揀這一領(lǐng)域，目前，基于近紅外傳感的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)分級(jí)系統(tǒng)較為成熟并已經(jīng)商品化，主要供應(yīng)商包括Aweta（荷蘭）、Greefa（荷蘭）、Shibuya-Seiki（日本）、Maf-Roda（法國(guó)）、FANTEC（日本）、Unitec（意大利）、Taste Tech（新西蘭）等公司94。4.4.1.2 國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的研發(fā)概況20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)開(kāi)始了水果分揀機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)，由于起步晚，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距明顯，農(nóng)產(chǎn)品分選機(jī)器人的應(yīng)用和發(fā)展還面臨觀念和技術(shù)兩方面的挑戰(zhàn)。但隨著中國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是國(guó)家對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后質(zhì)量的重視和不斷加大農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展扶持力度，中國(guó)農(nóng)

7、機(jī)化事業(yè)進(jìn)入了前所未有的良好發(fā)展時(shí)期，也為農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人提供了良好發(fā)展機(jī)遇。國(guó)內(nèi)的研究單位主要有浙江大學(xué)、江蘇大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心等， 已取得了良好的研究進(jìn)展，并開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的產(chǎn)品，尤其是以浙江大學(xué)應(yīng)義斌團(tuán)隊(duì)和江蘇大學(xué)趙杰文團(tuán)隊(duì)為代表率先研發(fā)出了我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人，其項(xiàng)目“基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的水果品質(zhì)智能化實(shí)時(shí)檢測(cè)分級(jí)技術(shù)與裝備”和“食品、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)和融合技術(shù)的開(kāi)發(fā)”均獲得國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)。除此之外，目前國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人制造企業(yè)比如江西綠盟、北京福潤(rùn)美農(nóng)、江蘇福爾喜、合肥美亞光電等95-97。但是，這些廠家或機(jī)構(gòu)所開(kāi)發(fā)的

8、農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人其分揀對(duì)象通常都是水果，指標(biāo)主要是外觀品質(zhì)。除外部品質(zhì)分揀機(jī)器人外，目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)在線(xiàn)檢測(cè)方面的研究盡管起步較晚，但過(guò)經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究單位的不懈努力，也已取得了一定的成果，研究單位主要包括浙江大學(xué)應(yīng)義斌團(tuán)隊(duì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)韓東海團(tuán)隊(duì)、江蘇大學(xué)趙杰文團(tuán)隊(duì)、華東交通大學(xué)劉燕德團(tuán)隊(duì)、國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心黃文倩團(tuán)隊(duì)等98-103， 但是目前對(duì)農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)在線(xiàn)檢測(cè)分揀機(jī)器人的市場(chǎng)應(yīng)用還沒(méi)有可見(jiàn)報(bào)道。綜上所述，農(nóng)產(chǎn)品尤其是水果內(nèi)部品質(zhì)在線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)和分級(jí)技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。國(guó)外的研究起步較早，其部分農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人已迅速?gòu)膶?shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)。我國(guó)也有部分針對(duì)農(nóng)

9、產(chǎn)品外觀品質(zhì)分揀的機(jī)器人投入市場(chǎng)，就內(nèi)部品質(zhì)分揀機(jī)器人而言，相對(duì)于國(guó)外的進(jìn)展，我國(guó)目前仍處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，技術(shù)還不成熟，更沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備投放市場(chǎng)，仍然存在很多關(guān)鍵問(wèn)題沒(méi)有充分解決。4.4.2 農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)和支撐技術(shù)4.4.2.1 農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的應(yīng)用特點(diǎn)1作業(yè)季節(jié)性較強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)季節(jié)性較強(qiáng)，因此農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人使用也具有較強(qiáng)的季節(jié)性，并且農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人針對(duì)性也較強(qiáng)、功能相對(duì)單一，造成農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人利用率較低，增加農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人使用成本。2分揀對(duì)象非標(biāo)準(zhǔn)不同于工業(yè)材料，農(nóng)產(chǎn)品通常具有容易受損的特點(diǎn)，而且由于其是自然生物體，其種類(lèi)多種多樣，形狀、大小變化較大，甚至同一

10、種農(nóng)產(chǎn)品物料其個(gè)體之間大小差異性很大，造成農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的穩(wěn)定性和適應(yīng)性變差。3操作對(duì)象的特殊性分揀機(jī)器人操作者通常為農(nóng)民，不具備較高的機(jī)械電子知識(shí)水平，因此農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人還須具備高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。4價(jià)格的特殊性農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的前期投入較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研發(fā)制造成本較高，導(dǎo)致價(jià)格昂貴，超出一般農(nóng)民的承受能力，如果不具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)， 就很難得到普及應(yīng)用。4.4.2.2 農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的支撐技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、信息論、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制工程、人工智能等學(xué)科，是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的具有代表性和綜合性的高新技術(shù)。同工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品分揀機(jī)器人相比，農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人還需要以下技術(shù)的

11、支撐：1機(jī)器視覺(jué)和圖像處理技術(shù)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)檢測(cè)自動(dòng)化必不可少的技術(shù)。通常農(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)的檢測(cè)分揀均依賴(lài)于分揀機(jī)器人對(duì)所獲取的農(nóng)產(chǎn)品圖像特征的正確分析、識(shí)別，它是實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)分選最為有效、最普遍的技術(shù)。2生物傳感器技術(shù)研究生物的化學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等特性，開(kāi)發(fā)新的生物傳感器，是提高農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人工作可靠性的重要手段。3光譜建模分析技術(shù)目前光譜技術(shù)是被證明最為有效的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測(cè)分揀技術(shù)之一，研究有效光譜選擇、分析、建模、優(yōu)化等先進(jìn)技術(shù)，提高模型在農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人工作中的穩(wěn)定性和可靠性，有助于研發(fā)先進(jìn)的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量品質(zhì)分揀機(jī)器人。4智能控制技術(shù)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品特征的復(fù)雜性，

12、進(jìn)行數(shù)據(jù)建模比較困難，因此，基于模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能模擬技術(shù)的自學(xué)習(xí)功能十分必要，農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人可以在工人的輔助下，不斷進(jìn)行學(xué)習(xí)，并記憶學(xué)習(xí)結(jié)果， 形成自身處理復(fù)雜情況的知識(shí)庫(kù)。5關(guān)鍵機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)機(jī)械體是農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人實(shí)施分揀任務(wù)的基礎(chǔ)組成部分，在滿(mǎn)足農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人功能前提下，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械構(gòu)件，使其盡可能的輕巧、簡(jiǎn)單、緊湊、防損傷，從而達(dá)到農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人更強(qiáng)的可靠性、降低損傷以及減少控制系統(tǒng)復(fù)雜性的目的。4.4.3 主要問(wèn)題和建議目前，農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人發(fā)展雖取得了較大進(jìn)步，但是普及率還很有限，未來(lái)要加大農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人的應(yīng)用，還有很多工作要做。1防損問(wèn)題大部

13、分農(nóng)產(chǎn)品非常容易損傷，農(nóng)產(chǎn)品在快速揀選的過(guò)程中會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)分揀功能段，比如清洗、上料提升、輸送、分揀卸料、包裝等， 功能段與功能段之間的過(guò)渡很容易造成農(nóng)產(chǎn)品的損傷，農(nóng)產(chǎn)品一旦損傷，其存貯期將會(huì)縮短，也影響其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。2功能單一目前農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人所完成的功能相對(duì)單一。廣泛研究的是基于計(jì)算機(jī)圖像處理的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，然而，該方法僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)外觀大小、顏色、形狀及表皮缺陷等的檢測(cè)，而農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量品質(zhì)的檢測(cè)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人而言仍然存在很多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。以水果品質(zhì)分選為例，無(wú)論國(guó)際市場(chǎng)還是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，消費(fèi)者在選購(gòu)水果時(shí)不僅注重大小、顏色和外觀形狀等外部品質(zhì)，更重視內(nèi)部品質(zhì)如糖度、酸度等指標(biāo)。因此，應(yīng)采用多種方法并用、配備多種傳感器多信息融合開(kāi)發(fā)農(nóng)產(chǎn)品綜合品質(zhì)分揀機(jī)器人。3集成度低目前的農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人側(cè)重于分揀功能，而作為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后加工整套環(huán)節(jié)而言，還應(yīng)該包括貼標(biāo)、包裝等環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)目前主要還仍然靠人工完成，整體產(chǎn)后加工環(huán)節(jié)集成度較低。4適應(yīng)普遍性較差目前研制出來(lái)的農(nóng)產(chǎn)品分揀機(jī)器人大都只針對(duì)某一類(lèi)農(nóng)產(chǎn)品，甚至某一類(lèi)