水果采摘裝置的現狀及發展趨勢
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摘 要：隨著時代的發展，人們對水果的需求量也在逐步增加，但水果采摘難、采摘成本高嚴重制約了果園種植業的長遠發展。文章闡述了水果采摘中存在的難點，介紹了水果采摘裝置類型特點及發展現狀，分析了目前市場上水果采摘裝置存在的不足，提出了水果采摘裝置的發展趨勢，希望為研發和推廣水果采摘裝置提供參考。
關鍵詞：水果采摘;發展現狀;存在不足;發展趨勢
中圖分類號：S225.93 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）07-0084-02
Abstract： With the advancement of the society， the demand for fruit is also gradually increasing， but the difficulty of fruit picking and the high cost of picking seriously restrict the long-term development of orchard planting industry. This paper expounds the difficulties existing in fruit picking， introduces the types， characteristics and development status of fruit picking devices， analyzes the shortcomings of fruit picking devices on the market at present， and puts forward the development trend of fruit picking devices. It is hoped to provide a reference for the development and promotion of fruit picking devices.
Keywords： fruit picking; development status; shortcomings; development trend
隨著時代的發展，科技的進步，人們的生活質量不斷提高，對水果的需求量也在逐步增加。水果種植面積的不斷擴大，農業從業者逐步減少及人口老齡化趨勢的加劇，人力采摘已不能滿足水果成熟期集中、快速采摘的過程。此外，傳統的人力采摘方式存在采摘效率低、勞動強度大、高空采摘難度大、安全隱患高的缺點。研究表明，在整個水果種植生產過程中，采摘果實所耗費的勞動力占耗費勞動力總體的35%～45%[1]，勞動力缺口大、采摘周期短、采摘成本高等問題，嚴重制約了果園種植業的長遠發展。為了節約人力物力，提高果農的經濟收入，果園種植業的機械化成為發展的必然趨勢。
目前，根據采摘原理不同，水果采摘裝置可分為兩大類：一類是機械式采摘裝置;另一類是機器人采摘裝置。
1 機械式采摘裝置
1.1 發展現狀
歐美等國外發達國家農業以大農場為主，主要采用大型水果收割機進行水果采摘，采摘裝置主要分為振搖式、撞擊式和切割式。振搖式是采用外力使果樹及樹枝振動，從而使水果在與樹枝聯結最弱的果蒂處分離;撞擊式是直接撞擊果枝使果實掉落;切割式是利用工具將樹枝或果蒂切斷，采摘水果。
國內采摘機械中應用最廣的是刀片輔助人工采摘裝置、拉拽輔助人工采摘裝置以及升降采摘臺等采摘裝置。刀片輔助人工采摘裝置分為兩種：一種裝置是人工利用刀刃直接從水果果蒂處將其剪下;另一種裝置是利用夾鉗先將水果固定，接著用于刀刃將水果剪下。拉拽輔助人工采摘裝置由伸縮桿與采摘頭組成，該裝置利用采摘頭加緊水果，接著人力拉拽伸縮桿，使得水果掉落。升降采摘臺是人站在采摘臺上，根據水果高度控制采摘臺高度，從而人工采摘水果。
1.2 存在的不足
通過對國內外機械采摘裝置的調查研究，我們發現現有的采摘裝置存在以下不足：
國外機械采摘裝置主要針對大農場，采摘效率高，規模大，采摘設備價位高，同時會對水果造成一定程度的損傷，不適用于我國以家庭為單位的小面積水果種植。
國內機械采摘裝置的不足有：
（1）采摘效率低。采摘水果一般分為兩步：第一步使水果與果樹分離;第二步將水果放入采摘收納器中。采摘周期長、效率低，不能實現連續采摘。
?。?）勞動強度大。由于是人工輔助采摘，且未實現連續采摘，果農采摘每個水果均需重復操作，果農勞動強度較大。
?。?）對水果有損傷。對于拉拽輔助人工采摘裝置，在拉拽過程中，采摘頭會擠壓水果，對水果造成傷害，損害果農的收益。
?。?）大型設備價格昂貴。采用大型設備會提高采摘效率，節省人力，但是設備價位昂貴，果農難以負擔。
2 機器人采摘裝置
2.1 發展現狀
20世紀60年代，美國開始研發采摘果蔬機器人[2]，隨著科技的發展，尤其是計算機圖像處理技術、工業機器人技術及人工智能技術的快速崛起，水果采摘機器人的研發開始迅速發展。目前實驗成功的水果采摘機器人有葡萄、番茄、蘋果、草莓、甘蔗、黃瓜等采摘機器人[3-5]。
水果采摘機器人一般由控制系統、視覺識別系統、末端執行器、機械手臂、和行走系統組成。視覺識別系統用來確定水果的位置以及是否成熟，該系統利用視覺雙目技術（模擬人眼球觀察物體的原理），對水果定位及判斷，是采摘機器人的研發難點和重點;末端執行器模仿人類手指，利用仿生學，固定水果;機械手臂一般采用剪刀對水果果蒂進行剪切;行走系統中車輪式最為常用，此外，還有履帶式、人形結構。車輪式行走系統行走穩定，轉向靈活，但是在坡地難以行走，主要應用于地面平坦的果園。采摘水果步驟為：（1）視覺識別系統定位水果冰判斷水果是否成熟;（2）行走系統將機器人移動至待采摘水果附近;（3）末端執行器固定水果;（4）機械手臂摘取水果。 2.2 存在不足
?。?）視覺識別系統待改進，水果定位和識別精度低。目前識別水果有兩種方法：一種是灰度閾值顏色識別，該方法對自然光照要求嚴格;另一種是區域識別，該方法對采摘目標的邊界要求嚴格。但采摘過程中受到水果生長分布、天氣、樹枝樹葉遮擋等因素的影響，給水果的定位及識別帶來了較大困難。
?。?）采摘環境復雜，行走系統待加強。我國水果種植多以家庭為單位，種植面積較小、果樹種植較稠密，且種植地理環境復雜（部分區域為坡地），采摘環境復雜給采摘機器人的采摘帶來一定阻力。
?。?）水果損傷率較大，末端執行器及機械手臂待改善。多數水果表面較軟，在采摘過程中，末端執行器柔性材料的研發、抓取力度的控制及機械手臂摘取水果的過程，仍然不可避免的會給水果留下傷痕。
?。?）設備昂貴、采摘成本高、維修不便，通用性和利用率不高。
3 發展趨勢
現代采摘水果的發展趨勢為：提高水果采摘率、降低果農的勞動強度、減弱水果的損傷。水果采摘機器人由于其技術及成本原因，仍處于試驗階段，較難投入實際生產中。
目前，機械式水果采摘裝置應用較廣，但該裝置發展不夠成熟，還有較大的改進空間，其發展有以下幾個趨勢：（1）多功能化。水果的采摘、收集、分裝、運輸相結合，一站式完成。（2）便攜、操作簡單、可靠性好、安全性高。（3）通用性好。針對不同的地理環境（平地、坡地等）、不同品種外形類似的水果（如蘋果、梨、桃子等），該裝置應適用于絕大多數。（4）自動化、智能化。重視水果采摘裝置的自動化、智能化研發，提高采摘效率、減少采摘成本、降低人力勞動，解放勞動力。
參考文獻：
[1]SANDERSKF. Orange harvesting systems review[J].Bio systems Engineering，2005，90（2）：115-117.
[2]Sarig Y. Robotics of fruit harvesting： A sate of the art review[J].Journal of Agricultural Engineering Research，1993，54（4）：265-280.
[3]Sistler F.Robotics and intelligent machines in agriculture [J].IEEE Journal of Robotics and Automation，1987，3（1）：3-6.
[4]Okamoto T， Kitani O. Studies in robotics for bio-technologicaloperations （Part1）.One all us handling robot [J]. Journal of theJapanese Society of Agricultural Machinery，1989，51（5）：37-45.
[5]Monta M， Kondo N， Shibano Y. Agricultural robot in grapeproduction system[C].IEEE International Conference on Roboticsand Automation，1995（3）：2504-2509.
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