典型山口地区机器人采摘机械专利研究现状与展望

典型山口地区机器人采摘机械专利研究现状与展望

随着国家生产资源计划的实施和天然林产品的开发与普及，这些项目中种植的小林水果的需求逐年增加。然而小林果实所处的立地条件差、采摘作业季节性强、一些果品林艺要求严格,采摘作业基本上为人工操作,不仅劳动生产率低而且产品成本高,限制了该领域的发展,降低了其市场竞争力。近年来,我国科研人员发明了多种果实采摘机械并申请了专利,但采摘机械成果转化率偏低,存在的共性问题是作业效率低、果实的智能识别率和采尽率较低、采摘机械制造成本较高等问题,使得采摘机械离实用化和商品化还有一定的距离。本文通过对国内已有的相关专利进行研究探讨,并结合在研项目的最新专利成果对已有的采摘机械专利进行分析和对比,找出其各自的优缺点并进行归纳总结,以便提出解决问题的办法及优化措施。1小林果采装置的工作特点1.1品质差别较小林果实树种大多生长在山地及丘陵地带等立地条件较差的地方,而且相同树种在不同的地域条件下其长势以及成熟期的果实品质差别较大。与农业用地相比,林业用地立地条件较差,土地贫瘠,且栽种规格不一,没有形成集约化的栽培模式,因此果树生长具有地域性。果树的果实生长随着时间和空间变化,生长环境具有变化性、未知性和开放性等特点,这就要求小林果实采收机械不仅要具有很强的通用性能,而且还要能够适应不同的自然环境,具备灵活性强、体积小、质量轻等特点。1.2果实最佳采摘期和栽植小林果实采摘的季节性很强,果实特征在不同时期差别较大,地域的不同使得小林果实采摘周期变化范围在10~110天之间,成熟期的果实其果柄的附着力较小。对于采摘机械而言提前确定不同小林果实的最佳采摘期尤为重要,可有效地提高果实采净率及减少对果实的机械损伤。由于小林果实分布地域不同,成熟期不同,其果型、果径变化也不同。一些小林果实体积小,果实在枝条上簇拥紧凑,很难实现逐个采摘,这就增大了采摘的难度;对于果叶较大的树种,其果实隐蔽性强,不易被人或者采摘机器人的识别探头发现,也会给采摘过程带来很大的不便。1.3作业地表和作业对象由于果实采摘的作业对象具有多样性和可变性,在不同的地形(如平地、山地、丘陵),不同的作业地表(如沙壤土、栗钙土、红泥土、泥泞地带),不同的作业对象(如沙棘、枸杞、光皮树、欧李、山茱萸)等各种条件下要求采摘机械具有良好的通用性和智能可控性,在地形地貌以及环境可行的经济林区域内可依靠智能识别系统和无线电遥控系统实现无人驾驶,完成智能采摘工作。1.4体积小、排列紧密、生长程度不高作为采摘对象的枸杞、沙棘、光皮树等果实其林艺要求较高,果实体积小、排列紧凑、果皮易破损、果形复杂多样、生长发育程度不一。大多数采摘设备的操作者不具备机电理论知识,这就要求科研人员在设计时力求做到机械结构简单、零件的互换性强且操作维修方便。2我国机械专利研究院的开发2.1单设备采摘器研制概况我国从20世纪70年代开始研究果园采摘机械,先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。20世纪80年代后,开始研究和制造切割型采摘器,果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械设备采摘。目前我国已有的采摘机械专利大体可分为四类,分别是气吸式、拨簧式、直拨式、振动式。2.1.1沙棘果采机械后输出动力气吸式采收机由内蒙古自治区林业科学研究院研制,是根据负压气吸原理制造的气吸式沙棘果实采摘机械,其有效地利用了拖拉机的后输出动力,采用万向节传动及通过皮带轮总成增速,带动两个吸气泵抽气,使中间的过渡充气容器箱和收集罐产生负压,由采摘工作头上的气吸头完成沙棘果的采摘。气吸式采收机械如图1所示。该采收机整机结构简单、操作采用人机协作的方式,大大提高了采摘效率。但由于采摘过程中吸管里的沙棘果易出现堵塞吸管现象,且单果采摘给采摘过程带来不便,因此采摘效率并不理想。2.1.2拨响工具型采收机快速采摘机是一款早期研发的典型的拨簧式果实采摘采收机械,其采用齿轮传动的方式将动力传递到执行端,从而带动固定在支架前段的滚子旋转,在支架和壳体之间装有扭簧,滚子旋转的同时带动扭簧也做浮动旋转,浮动式扭簧有效地解决了果实果形和体积不一的问题,使得进入工作头的果实在扭簧的振动下脱落,脱落下来的果实沿着导管进入容器。拨簧式采收机如图2所示。该采收机集采收为一体,有效缩短了采摘流程,节省了采收时间。但在实际采收过程中该机也容易将果叶收入到工作头的进口处发生绞缠现象,操作者需不定时地清理入口残屑,给连续采摘作业带来不便。由于采摘过程中扭簧的旋转速度较快,因此果实飞溅现象较为严重,损耗较大。2.1.3曲柄螺钉机构设计直拨式采收机结构简单,其需依靠人机协作来完成采摘作业,其中以具有实用新型专利的沙棘果采摘器较为典型。整个采摘器为手枪式,整机动作通过曲柄滚筒机构来实现。整机分工作驱动部分和采摘头部分,采摘头部分由可相对转动的内、外滚筒和端盖构成。通过内、外滚筒上的钳口及内筒上的钉齿,可夹住各种果枝条并摘下浆果。直拨式采收机如图3所示。该采收机在不更换采摘工作头的情况下可完成多种果实的采摘,通用性强;设备结构简单,可操作性强,但操作起来较为费力,对操作者体能有一定要求。2.1.4振动装置的改进近年来,振动式采收设备开始走向市场,已有专利产品的振动方式主要有偏心式振动和往复式振动两种,其中新疆农垦科学院设计的实用新型专利为一种振幅可调的小林果实采收机,其是一种典型的往复振动式采收机械,如图4所示。该机利用气动马达作动力,采用曲柄滑块机构实现振动,曲柄一端设有转动圆盘,其上设有多个偏心距不等的螺纹孔可供连杆与转动圆盘铰接。连杆的另一头与振动头相连。振动头上设有大小两个U形口,工作时将树枝放入U形口,通过振动树枝使果实脱落,达到采摘的目的。该机结构简单、携带便捷、质量轻,特别适合山地作业,但该机没有收集装置,给下一步收集工作带来不便。由内蒙古自治区林业科学研究院发明的专利———变频振动式小林果实采收机采用特殊研发的直流无刷变频电机作为动力,采用单自由度轮系结构中齿轮传动的方式将动力传递到执行器末端的三个偏心采摘拨杆上,依靠采摘拨杆的偏心振动使果实振动并脱落下来。变频振动式小林果实采收机如图5所示。变频振动装置的引进真正实现了一机多用,在产品研发前期,研究人员先对不同果树果实的固有频率进行测定,利用物理学中的共振原理,通过变频电机来调整拨棒的振动频率使其无限接近果实的固有频率,当两者频率接近时产生共振,使果实自动脱落且不会对果实表面造成伤害,极大地提高了果实的采尽率,降低了采摘的破损率。该装置结构简单,质量轻,携带方便且采摘效率较高。变频振动装置如图6所示。变频振动式小林果实采收机在实际工作中采用的是人机协作的采摘方式,智能化水平较低,由于收集部分结构依然采用原有的气吸式采收结构,因此在传输管部位仍会出现堵塞现象,影响了采收机的工作效率,这也是影响该机型市场化的一个重要原因。2.2经营手段落后、没有被利用小林果实的机械化采摘问题是当前制约我国生物质能源工程和林业生态工程中经济林发展的重要问题。在我国南北方都分布着大面积不同种类的小林果实,由于采摘手段落后,大量的果实成熟后自然腐化,没有被很好地利用起来。现有的几种小林果实采收专利设备,在生产应用中也都处于试验改进阶段,还没形成市场化和产业化。小林果实采摘工作装置的研究前景相当广阔,具有很大的市场开发潜力。3这些问题和未来3.1采摘机械的智能性能指标四种已有的采摘专利设备中,多数采用的是较为复杂的机械机构来实现传动和采摘动作,这在很大程度上增加了设备的体积和质量,而且许多先进的智能识别及机械手机构并没有应用到采摘设备中。现代林业生产需要采摘机械具有相当高的智能和柔性生产能力以适应复杂的环境;另一方面,现阶段的智能识别技术和定位技术尚未成熟,难以满足市场化采摘对采摘装备的要求。3.2现代集约化果园我国果品种植园的生产方式主要还是分散栽培,分户管理,缺乏集中成片统一管理的大型现代集约化果园。这种小农经济式的种植方式,由于生产规模小,难以实现机械化作业。小林果实采摘设备在这些非结构环境下作业,其自身体积较大,质量较重,且灵活性不强,长时间工作会给作业者带来较大的体力负担,劳动强度大,造成省时不省工。3.3枸杞果实加工技术现有的采摘装置采用机械式采摘方式,经常给成熟期的果实带来较大的伤害,如采摘枸杞时常常伴有挤压和打伤现象,使得枸杞果实在晾晒后品质下降,营养成分流失,影响经济收入。对于林艺要求较为严格的树种,其采摘优品率较低,现有采摘设备仅适合采摘林艺要求较低的树种。在果实的收集过程中,由于工作头末端结构设计不合理造成的果实飞溅和浪费以及气吸式收集装置产生的堵塞现象影响了采收效率,因此对采摘工作头与收集装置需要进行高性能优化设计。4机械化采摘装置(1)改变原有设计理念,加入现代设计元素,将先进的视觉系统和智能识别系统以及多自由度工作末端机构等智能化科研成果运用到采摘机械上来。真正实现机电一体化,应用电控设备,简化采摘装置结构,降低整机质量。(2)规模化种植小林果实树种,采用规范和集约化的种植模式。利用现代林业培育技术改良果树品种,使其向有利于采摘作业的方向发展。如小林果实矮化丰产技术的大面积推广示范;果实采摘林艺要求与采收机械作业规范协调一致等等。(3)提高整机及采摘工作头和末端执行器的柔性和灵巧性,以降低果实的损伤率,优化采摘与收集机构的协同性,提高采收效率。5采摘机设计的发展随着我国人口老龄化速度的加快,农村劳动力不断向城市转移,从事体力劳动的青壮