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工業(yè)革命后，制造業(yè)和交通服務(wù)方面，幾乎每天都有使用大機(jī)器生產(chǎn)，制造更多工業(yè)品的好消息傳來。珍妮紡織機(jī)、瓦特蒸汽機(jī)越來越多，火車、汽車先后問世。大機(jī)器大幅地提高了生產(chǎn)效率。生產(chǎn)效率的提高，是農(nóng)業(yè)文明時代無法比擬的，這是人類第一次使用能源大機(jī)器解脫繁重的體力勞動的開端，也是生產(chǎn)力的空前進(jìn)步，同時也是人類大量積累社會財(cái)富的起點(diǎn)。 盡管有少數(shù)人的反對，但是幾乎沒有人能擋住這股洪流，能源機(jī)械改變了人們的生活，就在制造業(yè)繼續(xù)深入變革的同時，人們也不會忘記種植業(yè)的變革，種植業(yè)的工業(yè)化也紛紛展開，自古以來繁重的種植業(yè)的土地，就是由人工、畜力耕種，就在這些領(lǐng)域中也逐步地出現(xiàn)新式的大型機(jī)械，各種農(nóng)業(yè)機(jī)械在田野中奔馳，到了當(dāng)代甚至說水果采摘也在使用機(jī)器人。 蘋果是大眾經(jīng)常見的食用水果，這種水果栽培也很普及。它富含水分，營養(yǎng)豐富，產(chǎn)量也頗豐。但在人工栽培時，也是不能脫離繁重的體力勞動，尤其是采摘蘋果，是在也不是一件容易的事，是一個費(fèi)時費(fèi)力的工作，還需要彎腰或爬高，上上下下具有一定的危險(xiǎn)性。因此，世界許多國都致力于水果采摘的機(jī)械化、自動化研究。 目前在世界許多發(fā)達(dá)國家，已為果園成功研究耕耘機(jī)器人、除草機(jī)器人、施肥機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、水果嫁接機(jī)器人等，這些機(jī)器人穿梭在果園中，代替了許多果園中人工勞動?？墒遣烧斋@蘋果等果實(shí)類的工作，因種種原因仍然要人工完成。 目前，在世界上很多的果園中，還是使用人工采摘果實(shí)，這也許就是人們舊觀念的遺留，這一領(lǐng)域正是科研人員的研究重點(diǎn)領(lǐng)域，并逐漸地被那些科研人員沖破。 采摘水果的機(jī)器人實(shí)在是研究的難題之一。蘋果采摘、桔子采摘、葡萄采摘或桃子采摘等等，盡管他們看起來很相似，但從機(jī)器人的運(yùn)動特性來看，也是有很大差別的。 蘋果、柑橘、葡萄、桃子等水果外部的形態(tài)，嬌嫩含水量都不一樣，在采摘時也正是它們的生長期，稍一不慎就會損傷水果，或是損傷葉、枝、干，影響果樹的成長。它不像果園中的種植機(jī)器人、澆水機(jī)器人、嫁接機(jī)器人等那樣構(gòu)造簡單，因此果園的收獲機(jī)器人一直處在研究中。 由于水果果實(shí)外部形態(tài)不一樣，有的果實(shí)是一串串的，有的是象蘋果一樣是獨(dú)立個體的，有的是長的，有的是短的，果實(shí)成熟度也不一樣等等原因。因此水果采摘機(jī)器人的內(nèi)部構(gòu)造，就比果園中的其它耕作機(jī)器人等復(fù)雜。 這種果實(shí)采摘機(jī)器人，必須有一個相當(dāng)于人類眼睛的視力系統(tǒng)，有一個相當(dāng)于人類手臂的機(jī)械手系統(tǒng)，有一個相當(dāng)于人類的行走腿腳的行走系統(tǒng)，也必須有一個相當(dāng)人類的大腦思維判斷系統(tǒng)。這樣一來水果機(jī)器人的零件就會多起來，造價成本也必然高許多，高成本使大眾無法接受。只能把高成本降下來，才有可能推廣到大眾中去。 另一個問題是水果采摘機(jī)器人，必須以相應(yīng)的技術(shù)進(jìn)步為支撐才能研制成功，各種技術(shù)支撐著復(fù)雜的機(jī)器人，世界上的每一項(xiàng)進(jìn)步，都是由科學(xué)技術(shù)支撐的進(jìn)步，沒有蒸汽機(jī)就不會有火車，人們只能依靠人力車、畜力車實(shí)現(xiàn)移動。 以色列有一家機(jī)器人公司，這家公司鮮果機(jī)器人的首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人。是以色列技術(shù)學(xué)院的一名助理教授，目前，他們正在聯(lián)合開發(fā)蘋果采摘機(jī)器人，這種機(jī)器人可以在蘋果園里自主上班，并可以自主導(dǎo)航，能準(zhǔn)確地從樹上分辨蘋果的成熟，并用機(jī)械臂無損傷的采摘那些成熟的蘋果，而對沒有成熟的蘋果一掃而過不予置理。這位助理教授說：“四年前，在匹茲堡的卡內(nèi)基梅隆大學(xué)完成博士和博士后之后，回到以色列技術(shù)學(xué)院，我在土木和環(huán)境工程學(xué)院啟動了土木、環(huán)境和農(nóng)業(yè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室。專注于軟體機(jī)器人、動態(tài)機(jī)器人和機(jī)械手的優(yōu)化，大部分用于民用，主要與農(nóng)業(yè)相關(guān)。大多集中在農(nóng)業(yè)機(jī)器人和野外機(jī)器人系統(tǒng)?！?/span> FFR機(jī)器臂上配置了視覺系統(tǒng)，以便區(qū)分和檢測蘋果。當(dāng)它找到一個蘋果之后，就把蘋果的位置信息傳遞給控制器，控制器就指揮機(jī)械臂伸過去采摘蘋果。每個機(jī)械臂的末端都有一個驅(qū)動手爪，它抓住蘋果后，就會轉(zhuǎn)動90度，把蘋果采摘下來。接著機(jī)械臂回縮一點(diǎn)，再把蘋果送到果籃中。 在蘋果采摘機(jī)器人身上，有一個IMU，前端有思科激光傳感器，傾斜云臺上有立體相機(jī)，還有一個定位器。機(jī)械臂使用激光進(jìn)行檢測，但是FFR也考慮傳感器在野外使用時的穩(wěn)定性更好。 這一款廉價的蘋果采摘機(jī)器人，每小時可采摘上萬個蘋果，不僅比人工采摘快，采摘質(zhì)量也更高，不會對蘋果造成任何損傷，采摘機(jī)器人更不會發(fā)生其它心理問題，或是因勞累休息問題等，據(jù)說，2017年的蘋果采摘器，已經(jīng)投入實(shí)際使用。 假設(shè)采摘蘋果機(jī)器人只在白天工作，機(jī)器人可以為果民節(jié)省25%的采摘成本。更重要的是，只要更換末端機(jī)械臂手爪和軟件模塊，雖同是一個機(jī)器人，就可以用來采摘其他相對應(yīng)的水果。如果可以采摘多種類型的水果，該機(jī)器人的效率就大大提高了。這一特點(diǎn)無疑對采摘機(jī)器人的使用率，對降低采摘機(jī)器人的成本，具有很重要的意義。 若單項(xiàng)的蘋果采摘機(jī)器人，只能在蘋果收獲期使用，其他時間段將無事可做，這樣就會使成本提高。而如今的蘋果采摘機(jī)器人不但能采摘蘋果，只要換末端機(jī)械臂手爪和軟件模塊，也可以在不同的是間段，采摘其它同類型的水果。從此，蘋果采摘機(jī)器人就不擔(dān)心使用率低下，一年中大多時間段閑置，而只在蘋果收獲期可用，它可以在不同的時間段內(nèi)，收獲其他的諸如柑橘的同類水果。
它工作的速度極快，每分鐘摘柑橘60個，而靠手工只能摘8個左右。另外，柑橘采摘機(jī)器人通過裝有視頻器的機(jī)械手，能對摘下來的柑橘按大小即時進(jìn)行分類。 還有一項(xiàng)荔枝采摘機(jī)器人，機(jī)器人每小時能采摘40斤荔枝，是人手的兩倍。如果作業(yè)地點(diǎn)完成了硬底化建設(shè)，到處都有平坦的水泥路的話，采摘柑橘機(jī)器人還可進(jìn)行自由移動，而在一些崎嶇不平的園子里，還是要用小推車載著才能干活。 法國、日本發(fā)明的專門服務(wù)于葡萄園的機(jī)器人，幾乎能代替種植園工人的所有工作，包括修剪藤蔓、剪除嫩芽、監(jiān)控土壤和藤蔓的健康狀況等。或許你沒有想到葡萄這種水果，晶瑩剔透十分嬌嫩，葡萄的含水量豐富，這種水果自古以來，都是人工小心翼翼的采摘。謹(jǐn)慎小心的動作，以滿足人們釀酒或是直接食用需要。盡管操作十分小心，還是有時碰破了葡萄的顆粒。若粗暴野蠻的采摘，必然或損傷葡萄的莖、葉、干或是根部，影響來年的生長。 今天用于葡萄粒釀酒的采摘機(jī)械，已行走在葡萄園中，大批的葡萄粒完好的被采摘下來。這種機(jī)械不會損害葡萄的莖葉和根部，不影響葡萄來年的生長，采摘的葡萄粒完好無損。預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的將來，人們直接食用的一串串葡萄，也能由機(jī)械代替人工采摘。 具有特殊外貌的蔬菜水果收割采摘，還有很多革命性的變化，讓那些保守的人眼前一亮，驚嘆科技進(jìn)步的奇跡閃光。減少了水果收割的損失，減輕了收割水果的繁重體力勞動。 在過去一二十年中，果實(shí)采摘機(jī)器人一直在注重簡化人類的采摘功能，使采摘機(jī)器人更趨于復(fù)雜。用機(jī)器人采摘完全自然狀態(tài)下的樹上蘋果，過程是相當(dāng)復(fù)雜的，很可能需要一個6自由度的采摘果實(shí)機(jī)器人。相對于采摘機(jī)器人感受器視覺而言，感覺也會更困難。有人研究了改進(jìn)收獲對象果實(shí)的存在位置過于分散的狀況，會增加采摘機(jī)器人機(jī)械臂的自由度，使采摘機(jī)器人更加復(fù)雜。這一發(fā)現(xiàn)使人們開始了對采摘對象的關(guān)注，從另一個角度思考，改進(jìn)果實(shí)采摘工作，而不是單純關(guān)注采摘機(jī)器人的改進(jìn)。 從此，對采摘機(jī)器人外的采摘對象蘋果樹的栽培也納入研究之例。甚至有人研究蘋果樹上的果實(shí)位置，也研究果實(shí)所處的的位置，如何影響機(jī)械臂的效率。有人提出這種研究的目的，就是從另一個角度，簡化機(jī)械臂的復(fù)雜程度，這一思路特別具有新意。 這一思路希望通過剪枝或品種培育，使果實(shí)改變它們的布局，使果實(shí)生長的位置都處于在機(jī)械臂的視角感受器內(nèi)，并處在很明顯的位置，形成一面近似平面的“果墻”。讓機(jī)械臂的感受器很容易 “看見”，并使機(jī)械臂的自由度更小些，這樣就使機(jī)械臂的采摘更趨于簡單。 如果是簡化了的果樹形態(tài)，使果實(shí)集中些，也許我們只需要一個2自由度的機(jī)器人就夠了。比如經(jīng)過修剪之后，可以使用3自由度的機(jī)器人進(jìn)行采摘，讓樹更適合于果實(shí)采摘機(jī)器人，所以，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下，在果樹上下功夫也許就是好上加好的辦法。 如果象墻要求高密度種植，同時又要確保主干和分支不要太厚。必須有一個網(wǎng)格和其他工程支持系統(tǒng)。要想他們處于最佳狀態(tài)，就要使所有的能量和水都集聚到水果上，而不是樹上的枝干或葉上，這顯然是果樹豐收的一個辦法。如果我們想要用機(jī)器人來采摘水果，果實(shí)所處位置的就顯得更重要了。 與國外相比，中國農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與開發(fā)方面尚處于起步階段。目前我國已開發(fā)出的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有：耕耘機(jī)器人、除草機(jī)器人、施肥機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、收割機(jī)器人、采摘機(jī)器人等。這些機(jī)器人都先后的在果園中使用，果實(shí)采摘機(jī)器人正在完善中。 智能水果采摘機(jī)器人，能一個“人”頂兩個人用，或是更多的人用，我國已在廣東一些水果合作社里“赤膊上陣”，對瓜果類產(chǎn)品進(jìn)行無損采摘作業(yè)。 開發(fā)智能采摘機(jī)器人的華南農(nóng)業(yè)大學(xué)相關(guān)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人稱，該款機(jī)器人最突出的長處就是像鐵壁阿童木一樣有著“火眼金睛”，可采用雙目立體視覺，在果園中對果實(shí)進(jìn)行定位，獲得視野內(nèi)多個隨機(jī)水果目標(biāo)，然后再用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，對采摘作業(yè)路徑進(jìn)行自主規(guī)劃，最后伸出機(jī)械臂末端的擬人夾指來采果子。 采摘機(jī)器人也即將研究成功，不遠(yuǎn)的將來，一個由機(jī)器人參與經(jīng)營的無人果園，各種機(jī)器人就會橫空出世，成為果園中的新的主人。這是種植業(yè)果園栽培史上，走進(jìn)現(xiàn)代自動化的里程碑。 這些正在研究或是實(shí)驗(yàn)的水果采摘機(jī)器人，為什么不能很迅速地走進(jìn)果園呢？目前還不能大規(guī)模地推廣，其原因至少還有兩點(diǎn)。 第一點(diǎn)成本是非常重要的，科研人員正努力降低價格，并找到最合適的機(jī)器人來完成特定的任務(wù)。降低成本不僅要要研究采摘機(jī)器人，還要研究采摘的果實(shí)及果樹對象。 第二點(diǎn)是采摘機(jī)器人的穩(wěn)定性，目前，這些采摘機(jī)器人還有待進(jìn)行完善，這個目標(biāo)還有一定的差距，仍需有關(guān)人員不斷地努力。果園中的采摘機(jī)器人，很快就會入駐果園，成為果園中的新主人。 |
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