【正文】 器人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。不過目前市場上商品化的采摘器品種還比較單一，且價(jià)格昂貴操作不便。美國在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒有一個(gè)很清晰的戰(zhàn)略，研究工作也基本處于停頓狀態(tài)。采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其缺點(diǎn)是果實(shí)易損，效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。采摘機(jī)器人是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。在很多國家隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，勞動(dòng)力不僅成本高，而且還越來越不容易得到，而人工收獲水果所需的成本在水果的整個(gè)生產(chǎn)成本中所占的比例竟高達(dá)33%~50%。水果收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)種植過程的50%~70%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到水果的儲(chǔ)存、加工和銷售，從而最終影響市場價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益。高枝水果的采摘還帶有一定的危險(xiǎn)性。2004年11月1日頒布施行的《中華人民共和國農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》還明確規(guī)定國家采取措施鼓勵(lì)，扶持農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，機(jī)械采摘取代手工作業(yè)是必然的發(fā)展趨勢。從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家，包括美國、英國、法國、荷蘭、以色列、西班牙等國家，都在水果采摘機(jī)器人方面做了大量的研究工作，涉及到的研究對象主要包括甜橙、蘋果、櫻桃、甜瓜、葡萄、草莓等，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人。日本近年來開展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目，進(jìn)展很快，但還未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，相對于發(fā)達(dá)國家起步較晚，果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā)。果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的專門的技術(shù)人員。日后的水果采摘機(jī)器人的研究工作必須朝以下方向發(fā)展:①能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和定位成熟果實(shí)，并且能引導(dǎo)末端執(zhí)行器準(zhǔn)確的接近目標(biāo)。⑤增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的通用性。柑桔1345萬噸(占世界柑桔總產(chǎn)量的l3%，居世界第三位，是全球柑桔產(chǎn)量增長幅度最大的主產(chǎn)國)。近年來，為轉(zhuǎn)移農(nóng)村勞動(dòng)力，統(tǒng)籌城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，促進(jìn)農(nóng)民增收，山區(qū)丘陵地區(qū)普遍把勞務(wù)輸出作為發(fā)展地方經(jīng)濟(jì)、增加農(nóng)民收入的一項(xiàng)重要舉措。水果的采摘期短，短期內(nèi)勞動(dòng)強(qiáng)度大，這種矛盾更突顯了山區(qū)丘陵果業(yè)采摘的難度大的問題。高枝水果有的已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2m，已經(jīng)屬于高出作業(yè)范疇。在沒有可靠的防護(hù)設(shè)施時(shí)，高處作業(yè)必須系安全帶，否則不準(zhǔn)在高處作業(yè)。高處作業(yè)的大部分是青壯年，一般都是家庭的主要?jiǎng)诹Α６菍麡涞膿p傷，即對樹的枝葉芽的破壞。另外，果農(nóng)可以少打矮壯素等農(nóng)藥，生產(chǎn)出更多的無公害果子，減少成本投入和對環(huán)境對水果的污染，游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。農(nóng)業(yè)的根本出路在于機(jī)械化，是黨和國家各級(jí)政府，農(nóng)機(jī)科研、生產(chǎn)、推廣部門始終堅(jiān)持的方向。國家支持有關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和院校加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)技術(shù)研究，根據(jù)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和農(nóng)民需求，研究開發(fā)先進(jìn)適用的農(nóng)業(yè)機(jī)械，支持農(nóng)業(yè)機(jī)械科研、教學(xué)與生產(chǎn)、推廣相結(jié)合，促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展要求相適應(yīng)。目前急需一種介于兩者之間的，便于操作，價(jià)格低廉，效率較高的機(jī)械手臂。本課題將進(jìn)行基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的設(shè)計(jì)，構(gòu)型簡單，操作方便。手持固定部分還可增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員在長時(shí)間的操作過程中手腕疲勞程度。在氣候適宜開花多的年份，如果一株成年蘋果樹有5%的花、桃樹有15%~20%的花結(jié)的果實(shí)能達(dá)到成熟，就可以獲得豐收。基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置有很強(qiáng)的兼容性。設(shè)計(jì)內(nèi)容:(1)伸縮式機(jī)械手臂:手臂簡單自如地轉(zhuǎn)向和收縮。(5)手持固定部分:增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低采摘員手腕疲勞程度。水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營為主，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，采摘器的價(jià)格不能太高，否則會(huì)就很難普及。手臂上還裝有控制手柄，電源控制開關(guān)，手臂下端和手持固定部分連接。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連，另一端與旋轉(zhuǎn)盤活動(dòng)鏈接，圓形鋸盤固定連接在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上。萬向穩(wěn)定連桿為特殊材料制成，可向任意方向彎曲。接著一手握住手柄19，一手握住手臂，移動(dòng)機(jī)械手臂靠近需要采摘的水果時(shí)，目測水果的方向，緩緩的捏緊控制手柄18使得圓形鋸盤1在旋轉(zhuǎn)盤3的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)到與水果的果蒂相垂直。基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置操作簡單，采摘水果速度快，采摘水果完好，保質(zhì)保量。對于水果的采摘方式，多數(shù)的采摘機(jī)器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。一般來說，手指的數(shù)量越多，采摘的效果就越好，但控制也就越變得更復(fù)雜。日本的三重大學(xué)開發(fā)了在采摘水果時(shí)不需要直接接觸到水果的本體，而只需要抓住果莖的軟質(zhì)水果的采摘機(jī)器人。該裝置能夠方便地切斷果梗,并大大的降低了裝置的復(fù)雜性和對夾緊力控制精度的要求。剪切式結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，對果實(shí)及枝條的傷害極小，但定位要求高。氣壓式整體輕便，不污染環(huán)境，能源豐富但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣壓技術(shù)復(fù)雜。采摘機(jī)構(gòu)由采摘頭，電動(dòng)機(jī)，圓形鋸盤組成。拉索可用自行車剎車鋼絲繩做成。直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能好和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采摘水果，如蘋果、桃、梨、柑橘等，電動(dòng)機(jī)的功率5W左右，轉(zhuǎn)速在5000r/min以上就能達(dá)到使用要求。鋸片外徑為50mm，鋸片內(nèi)孔直徑為5mm。(3)采摘水果時(shí)的扭矩太小忽略不計(jì)()。則:考慮到采摘器在采摘水果的實(shí)際過程中，并不是處于理想狀態(tài)，所受的力產(chǎn)生的最大彎矩，可在理想狀態(tài)的最大靜彎矩前乘一動(dòng)載系數(shù)k，由于采摘器采摘時(shí)的工作環(huán)境狀況較好，取k=2~3，此動(dòng)載系數(shù)考慮了實(shí)際操作中遇到的最大障礙時(shí)的載荷增值。這里采用了比較流行的Pro/Engineer軟件。Pro/Engineer是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最為專業(yè)的軟件之一。機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。下圖為常見的六自由度機(jī)械手臂，它有X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)，X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。單軸機(jī)械手臂看似簡單，只在單一方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，但在實(shí)際應(yīng)用上功能各異，種類繁多。常見的直交機(jī)械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。到了20世紀(jì)90年代，日本崗山大學(xué)的NaoshiKondo等人通過深入研究番茄的生理、物理特性，分析機(jī)械手的工作性能，在NoboruKawamura等人基礎(chǔ)上，研制出了7個(gè)自由度的機(jī)械手臂。美國佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)了一種由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)滑動(dòng)副構(gòu)成的球形坐標(biāo)機(jī)器人，這種機(jī)器人的攝像系統(tǒng)裝在操作手的末端，水果的圖像位于滑動(dòng)軸的中心，從而只要滑動(dòng)軸稍微張開一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。伸縮式機(jī)械手臂的主體部分由兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管組成，其中外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。采摘水果的果樹的高約為三米，內(nèi)外管長度為內(nèi)管為一米，外管為一米五，加上采摘人員的身高(保守估計(jì)一米，高度不夠時(shí)還可伸長手臂)，最長的總長度至少可到三米五。所謂輕量化，就是在滿足其性能的前提下，盡量減輕自身的重量。(3)采摘水果時(shí)的扭矩彎矩太小均忽略不計(jì)。根據(jù)采摘裝置在采摘水果的實(shí)際過程中，并不是處于假定的理想狀態(tài)，所受的力可在理想狀態(tài)的情況下乘一校核系數(shù)k，由于采摘器采摘時(shí)的工作環(huán)境狀況較好，取值為k=2，最后根據(jù)采摘器的使用條件合理的取值為=40N，壓桿最長是穩(wěn)