典型山口地區(qū)機器人采摘機械專利研究現(xiàn)狀與展望

典型山口地區(qū)機器人采摘機械專利研究現(xiàn)狀與展望

隨著國家生產(chǎn)資源計劃的實施和天然林產(chǎn)品的開發(fā)與普及，這些項目中種植的小林水果的需求逐年增加。然而小林果實所處的立地條件差、采摘作業(yè)季節(jié)性強、一些果品林藝要求嚴格,采摘作業(yè)基本上為人工操作,不僅勞動生產(chǎn)率低而且產(chǎn)品成本高,限制了該領(lǐng)域的發(fā)展,降低了其市場競爭力。近年來,我國科研人員發(fā)明了多種果實采摘機械并申請了專利,但采摘機械成果轉(zhuǎn)化率偏低,存在的共性問題是作業(yè)效率低、果實的智能識別率和采盡率較低、采摘機械制造成本較高等問題,使得采摘機械離實用化和商品化還有一定的距離。本文通過對國內(nèi)已有的相關(guān)專利進行研究探討,并結(jié)合在研項目的最新專利成果對已有的采摘機械專利進行分析和對比,找出其各自的優(yōu)缺點并進行歸納總結(jié),以便提出解決問題的辦法及優(yōu)化措施。1小林果采裝置的工作特點1.1品質(zhì)差別較小林果實樹種大多生長在山地及丘陵地帶等立地條件較差的地方,而且相同樹種在不同的地域條件下其長勢以及成熟期的果實品質(zhì)差別較大。與農(nóng)業(yè)用地相比,林業(yè)用地立地條件較差,土地貧瘠,且栽種規(guī)格不一,沒有形成集約化的栽培模式,因此果樹生長具有地域性。果樹的果實生長隨著時間和空間變化,生長環(huán)境具有變化性、未知性和開放性等特點,這就要求小林果實采收機械不僅要具有很強的通用性能,而且還要能夠適應不同的自然環(huán)境,具備靈活性強、體積小、質(zhì)量輕等特點。1.2果實最佳采摘期和栽植小林果實采摘的季節(jié)性很強,果實特征在不同時期差別較大,地域的不同使得小林果實采摘周期變化范圍在10~110天之間,成熟期的果實其果柄的附著力較小。對于采摘機械而言提前確定不同小林果實的最佳采摘期尤為重要,可有效地提高果實采凈率及減少對果實的機械損傷。由于小林果實分布地域不同,成熟期不同,其果型、果徑變化也不同。一些小林果實體積小,果實在枝條上簇擁緊湊,很難實現(xiàn)逐個采摘,這就增大了采摘的難度;對于果葉較大的樹種,其果實隱蔽性強,不易被人或者采摘機器人的識別探頭發(fā)現(xiàn),也會給采摘過程帶來很大的不便。1.3作業(yè)地表和作業(yè)對象由于果實采摘的作業(yè)對象具有多樣性和可變性,在不同的地形(如平地、山地、丘陵),不同的作業(yè)地表(如沙壤土、栗鈣土、紅泥土、泥濘地帶),不同的作業(yè)對象(如沙棘、枸杞、光皮樹、歐李、山茱萸)等各種條件下要求采摘機械具有良好的通用性和智能可控性,在地形地貌以及環(huán)境可行的經(jīng)濟林區(qū)域內(nèi)可依靠智能識別系統(tǒng)和無線電遙控系統(tǒng)實現(xiàn)無人駕駛,完成智能采摘工作。1.4體積小、排列緊密、生長程度不高作為采摘對象的枸杞、沙棘、光皮樹等果實其林藝要求較高,果實體積小、排列緊湊、果皮易破損、果形復雜多樣、生長發(fā)育程度不一。大多數(shù)采摘設(shè)備的操作者不具備機電理論知識,這就要求科研人員在設(shè)計時力求做到機械結(jié)構(gòu)簡單、零件的互換性強且操作維修方便。2我國機械專利研究院的開發(fā)2.1單設(shè)備采摘器研制概況我國從20世紀70年代開始研究果園采摘機械,先后研制出與手扶拖拉機配套的機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器。20世紀80年代后,開始研究和制造切割型采摘器,果園采摘也從人工使用剪刀采摘發(fā)展到使用機械設(shè)備采摘。目前我國已有的采摘機械專利大體可分為四類,分別是氣吸式、撥簧式、直撥式、振動式。2.1.1沙棘果采機械后輸出動力氣吸式采收機由內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院研制,是根據(jù)負壓氣吸原理制造的氣吸式沙棘果實采摘機械,其有效地利用了拖拉機的后輸出動力,采用萬向節(jié)傳動及通過皮帶輪總成增速,帶動兩個吸氣泵抽氣,使中間的過渡充氣容器箱和收集罐產(chǎn)生負壓,由采摘工作頭上的氣吸頭完成沙棘果的采摘。氣吸式采收機械如圖1所示。該采收機整機結(jié)構(gòu)簡單、操作采用人機協(xié)作的方式,大大提高了采摘效率。但由于采摘過程中吸管里的沙棘果易出現(xiàn)堵塞吸管現(xiàn)象,且單果采摘給采摘過程帶來不便,因此采摘效率并不理想。2.1.2撥響工具型采收機快速采摘機是一款早期研發(fā)的典型的撥簧式果實采摘采收機械,其采用齒輪傳動的方式將動力傳遞到執(zhí)行端,從而帶動固定在支架前段的滾子旋轉(zhuǎn),在支架和殼體之間裝有扭簧,滾子旋轉(zhuǎn)的同時帶動扭簧也做浮動旋轉(zhuǎn),浮動式扭簧有效地解決了果實果形和體積不一的問題,使得進入工作頭的果實在扭簧的振動下脫落,脫落下來的果實沿著導管進入容器。撥簧式采收機如圖2所示。該采收機集采收為一體,有效縮短了采摘流程,節(jié)省了采收時間。但在實際采收過程中該機也容易將果葉收入到工作頭的進口處發(fā)生絞纏現(xiàn)象,操作者需不定時地清理入口殘屑,給連續(xù)采摘作業(yè)帶來不便。由于采摘過程中扭簧的旋轉(zhuǎn)速度較快,因此果實飛濺現(xiàn)象較為嚴重,損耗較大。2.1.3曲柄螺釘機構(gòu)設(shè)計直撥式采收機結(jié)構(gòu)簡單,其需依靠人機協(xié)作來完成采摘作業(yè),其中以具有實用新型專利的沙棘果采摘器較為典型。整個采摘器為手槍式,整機動作通過曲柄滾筒機構(gòu)來實現(xiàn)。整機分工作驅(qū)動部分和采摘頭部分,采摘頭部分由可相對轉(zhuǎn)動的內(nèi)、外滾筒和端蓋構(gòu)成。通過內(nèi)、外滾筒上的鉗口及內(nèi)筒上的釘齒,可夾住各種果枝條并摘下漿果。直撥式采收機如圖3所示。該采收機在不更換采摘工作頭的情況下可完成多種果實的采摘,通用性強;設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單,可操作性強,但操作起來較為費力,對操作者體能有一定要求。2.1.4振動裝置的改進近年來,振動式采收設(shè)備開始走向市場,已有專利產(chǎn)品的振動方式主要有偏心式振動和往復式振動兩種,其中新疆農(nóng)墾科學院設(shè)計的實用新型專利為一種振幅可調(diào)的小林果實采收機,其是一種典型的往復振動式采收機械,如圖4所示。該機利用氣動馬達作動力,采用曲柄滑塊機構(gòu)實現(xiàn)振動,曲柄一端設(shè)有轉(zhuǎn)動圓盤,其上設(shè)有多個偏心距不等的螺紋孔可供連桿與轉(zhuǎn)動圓盤鉸接。連桿的另一頭與振動頭相連。振動頭上設(shè)有大小兩個U形口,工作時將樹枝放入U形口,通過振動樹枝使果實脫落,達到采摘的目的。該機結(jié)構(gòu)簡單、攜帶便捷、質(zhì)量輕,特別適合山地作業(yè),但該機沒有收集裝置,給下一步收集工作帶來不便。由內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學研究院發(fā)明的專利———變頻振動式小林果實采收機采用特殊研發(fā)的直流無刷變頻電機作為動力,采用單自由度輪系結(jié)構(gòu)中齒輪傳動的方式將動力傳遞到執(zhí)行器末端的三個偏心采摘撥桿上,依靠采摘撥桿的偏心振動使果實振動并脫落下來。變頻振動式小林果實采收機如圖5所示。變頻振動裝置的引進真正實現(xiàn)了一機多用,在產(chǎn)品研發(fā)前期,研究人員先對不同果樹果實的固有頻率進行測定,利用物理學中的共振原理,通過變頻電機來調(diào)整撥棒的振動頻率使其無限接近果實的固有頻率,當兩者頻率接近時產(chǎn)生共振,使果實自動脫落且不會對果實表面造成傷害,極大地提高了果實的采盡率,降低了采摘的破損率。該裝置結(jié)構(gòu)簡單,質(zhì)量輕,攜帶方便且采摘效率較高。變頻振動裝置如圖6所示。變頻振動式小林果實采收機在實際工作中采用的是人機協(xié)作的采摘方式,智能化水平較低,由于收集部分結(jié)構(gòu)依然采用原有的氣吸式采收結(jié)構(gòu),因此在傳輸管部位仍會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,影響了采收機的工作效率,這也是影響該機型市場化的一個重要原因。2.2經(jīng)營手段落后、沒有被利用小林果實的機械化采摘問題是當前制約我國生物質(zhì)能源工程和林業(yè)生態(tài)工程中經(jīng)濟林發(fā)展的重要問題。在我國南北方都分布著大面積不同種類的小林果實,由于采摘手段落后,大量的果實成熟后自然腐化,沒有被很好地利用起來。現(xiàn)有的幾種小林果實采收專利設(shè)備,在生產(chǎn)應用中也都處于試驗改進階段,還沒形成市場化和產(chǎn)業(yè)化。小林果實采摘工作裝置的研究前景相當廣闊,具有很大的市場開發(fā)潛力。3這些問題和未來3.1采摘機械的智能性能指標四種已有的采摘專利設(shè)備中,多數(shù)采用的是較為復雜的機械機構(gòu)來實現(xiàn)傳動和采摘動作,這在很大程度上增加了設(shè)備的體積和質(zhì)量,而且許多先進的智能識別及機械手機構(gòu)并沒有應用到采摘設(shè)備中。現(xiàn)代林業(yè)生產(chǎn)需要采摘機械具有相當高的智能和柔性生產(chǎn)能力以適應復雜的環(huán)境;另一方面,現(xiàn)階段的智能識別技術(shù)和定位技術(shù)尚未成熟,難以滿足市場化采摘對采摘裝備的要求。3.2現(xiàn)代集約化果園我國果品種植園的生產(chǎn)方式主要還是分散栽培,分戶管理,缺乏集中成片統(tǒng)一管理的大型現(xiàn)代集約化果園。這種小農(nóng)經(jīng)濟式的種植方式,由于生產(chǎn)規(guī)模小,難以實現(xiàn)機械化作業(yè)。小林果實采摘設(shè)備在這些非結(jié)構(gòu)環(huán)境下作業(yè),其自身體積較大,質(zhì)量較重,且靈活性不強,長時間工作會給作業(yè)者帶來較大的體力負擔,勞動強度大,造成省時不省工。3.3枸杞果實加工技術(shù)現(xiàn)有的采摘裝置采用機械式采摘方式,經(jīng)常給成熟期的果實帶來較大的傷害,如采摘枸杞時常常伴有擠壓和打傷現(xiàn)象,使得枸杞果實在晾曬后品質(zhì)下降,營養(yǎng)成分流失,影響經(jīng)濟收入。對于林藝要求較為嚴格的樹種,其采摘優(yōu)品率較低,現(xiàn)有采摘設(shè)備僅適合采摘林藝要求較低的樹種。在果實的收集過程中,由于工作頭末端結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的果實飛濺和浪費以及氣吸式收集裝置產(chǎn)生的堵塞現(xiàn)象影響了采收效率,因此對采摘工作頭與收集裝置需要進行高性能優(yōu)化設(shè)計。4機械化采摘裝置(1)改變原有設(shè)計理念,加入現(xiàn)代設(shè)計元素,將先進的視覺系統(tǒng)和智能識別系統(tǒng)以及多自由度工作末端機構(gòu)等智能化科研成果運用到采摘機械上來。真正實現(xiàn)機電一體化,應用電控設(shè)備,簡化采摘裝置結(jié)構(gòu),降低整機質(zhì)量。(2)規(guī)模化種植小林果實樹種,采用規(guī)范和集約化的種植模式。利用現(xiàn)代林業(yè)培育技術(shù)改良果樹品種,使其向有利于采摘作業(yè)的方向發(fā)展。如小林果實矮化豐產(chǎn)技術(shù)的大面積推廣示范;果實采摘林藝要求與采收機械作業(yè)規(guī)范協(xié)調(diào)一致等等。(3)提高整機及采摘工作頭和末端執(zhí)行器的柔性和靈巧性,以降低果實的損傷率,優(yōu)化采摘與收集機構(gòu)的協(xié)同性,提高采收效率。5采摘機設(shè)計的發(fā)展隨著我國人口老齡化速度的加快,農(nóng)村勞動力不斷向城市轉(zhuǎn)移,從事體力勞動的青壯