一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

（一）选题的依据和意义

随着中国农业的不断发展，果园业也得到了很大的发展。由于果园占地面积相对狭小，而且果树之间的间距很小，果树生长性状复杂，这就给对果园的果类采摘等带来了巨大的麻烦。为了节约人们的体力劳动，设计一种苹果等果类无损采摘机械装置是非常必要的，专门应用于果类采摘。可爬坡、越埂、阶梯性强。广泛适用于平原、山区、丘陵、温室等区域种植的果树果类采摘收获。

我国是世界第一大苹果果消费国，也是世界第一大苹果生产国。苹果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，目前我国的苹果果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。苹果采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，因此提高苹果采摘作业机械化程度有重要的意义。

苹果采摘机械在果园规模化发展和规范化管理的地区应用更能突显其显著特点。用机械代替传统的人力操作完成苹果采摘作业，既能减轻工人的劳动强度，提高功效，还可降低生产成本，提高经济效益，同时又能抢农时，减少损失，为果树生长发育创造良好环境，促进果品优质高产。

（二）本课题国内外研究现状及背景

1.国外果园采摘机械的发展现状

上世纪40年代以英、美、法为首的西方国家率先开始苹果等水果的机械化采摘研究，已经针对酿造等特殊用途的苹果实现机械化采摘。然而，人们期待的仿生学机器人的研究和开发正在进行当中，当下人工智能技术尚不能使机器人像真实人一样完成采摘工作。

目前国外对采摘机械的研究是以采摘机器人为主。华盛顿州立大学在2013年获得了美国国家机器人计划(美国农业部)的54.8万美元拨款，现在，该项目已经制造了一个苹果采摘机器人原型，将在今年秋天进行测试。

1.1.国外果园采摘机械的发展现状

国外苹果采摘机械采摘主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型。其中，振摇式是利用外力使树体或树枝发生振摇或振动，使苹果果实产生加速度，在梗连结最弱处与果枝分离而掉落。撞击式是撞击部件直接撞击果枝或敲打牵引果枝的棚架振落苹果果实。切割式是将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式，又分为机械切割式和动力切割式。

国外对果园采摘机械的研究始于上世纪40年代初，以美国、法国、英国为首的西方国家较早开展此方面的研究。于40年代中期开始，美国开始研究振摇式采摘机械，用来采摘胡桃、苹果和杏等水果，到50年代中期，利用振摇果树方式收获水果的采摘机械在欧美国家得到了发展和普遍应用，出现了拖拉机驱动的振摇采摘机。60年代，振摇采摘机械的结构由单一的定冲程推摇机发展到惯性式振摇机、气力振摇机、使用动力驱动橡胶棒冲撞果枝振落果实的撞击式机械等多种类型的果园采摘机械。当时的机械采摘工作效率普遍较低，采摘的损伤率还较高，也不适用于采收易损伤、完好率要求较高的鲜食用和贮藏的苹果。60年代中期，美国研究出液压升降平台车，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。

自60年代后期，欧美一些国家将水果采摘机械与果树的培育和修剪结合起来研究，例如修整树形使之适合机械化作业。直至70年代出现了各种动力切割式采摘机械，例如油锯、气动剪。 日本的果园种植地形与我国南方地形极为相似，许多在平地上使用的果园机械在丘陵地形上并不适用，故此在20世纪90年代初，日本开始研究陡坡地果园的机械化。其中四国农业试验场研究开发的采用枢轴式摆动悬挂机构作为行走部分的自走式采摘车，配备使用电视摄像机和无线电控制组合。该采摘车的轮距宽，重心低，故爬坡能力强；采用就地车轮正反转机构，故回转能力好；采用枢轴悬挂机构，因而使机体摆动小、行走稳定，适合在坡度15°～30°的地区使用。

关于机器人采摘的研究始于70年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。自1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经20多年的研究和试验，日本、美国、法国、荷兰、英国、西班牙等发达国家，相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人。 采摘机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统组成。在80年代中期日本京都大学研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也比较低。与此同时韩国研制的苹果采摘机器人使用极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达3m。日本岗山大学在20世纪90年代，设计出番茄采摘机器人具有7个自由度的能够设定采摘姿态的机械手。

2 我国苹果采摘机械发展现状

目前，我国在人工智能机器人采摘研究领域仍处于起步阶段。

我国大部分苹果果园生产规模小，种植模式多样，栽培和管理比较分散，果园的规模化和规范化程度偏低。目前，我国果园机械化基础差，新疆优势林果产区虽然已逐步形成规模化生产，但规范化管理不足，农艺未实现标准化，果园机械化水平仍然很低，果园机械无论从数量上还是品种、质量上都难以满足林果产业大发展的需要，在一些果园专有机械上仍处于空白。

2.1我国苹果采摘机械研究开发背景

自20世纪70年代，我国开始研究果园采摘机械，先后开发了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。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。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装置采摘。电机式采摘器利用果柄引导突片将果柄引向切刀，再用微型电机带动的切刀作往复运动把果柄切断。此外，一种振摇式采摘器，用拨叉伸入果枝用电机摆动拨叉而振落果实。切割式采摘的优点是省时省力，对果实的损伤也小。此后有了更多的辅助工具如液压剪枝升降平台，可用来提升工人工作位置，利于采摘作业。

尽管如此，国内苹果采摘机械基本处于空白，苹果不同于山楂、核桃、枣等，苹果果皮易在采摘过程中受到损伤，损伤容易造成苹果氧化变质品质下降，降低经济效益。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

（一）研究的主要内容：

传统的果园苹果收获基本以人工采摘为主（特殊用途的果类除外），耗时费力，劳动成本高。苹果从采摘到运输过程周期较长，不容易保障果品质量。本设计主要致力苹果无损采摘，以及初步清理，运出果园等收获环节。解决思路：

（1）用大功率的发动机进行装配及其，保证机器在工作的时间不会因为超载而熄火。

（2）设计机械手臂，编写机械手臂工作程序，实现柔性抓取，摘果。

（3）添加视觉捕捉辅助系统，辅助操作员操作机械手臂。

（4）设计苹果输送，初步清洗装置，将采摘的苹果进行运输、清理、装箱。

（5）设计多自由度承载升降自走车体，搭载全部采摘设备、操作人员、驾驶人员，及采摘苹果、果箱等。

（6）保证机器的安全性能。

（二）具体方案：

（1）本次设计把视觉捕捉系统、智能机器人、苹果输送淸选装置、多自由度式承载装置相结合，本设计的研究对果园的管理非常重要。

（2）该设计的成型产品是机械手臂、苹果输送清洗装置、行走装置与升降装置均通过独立动力源提供动力，以确保机器工作稳定。

（3）产品能够实现苹果采摘、输送、清洗，工作台升降由操作员独立进行。

（4）前后的工作装置都可以卸载，当需要什么样的工作时进行安装即可。

三、研究步骤、方法及措施：

（一）研究步骤、方法

（1）查阅有关资料选择相关参数及材料,设计机械手臂、行走装置、输送清洗装置、行走装置等的形状。

（2）设计完各零部件后，进行装配组合，试验设计的可靠性。

（3）运用CAD软件，绘制零件图和装配图。

（4）运用CAD设计软件完成整机各零部件和总装图。

四、参考文献

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五、研究工作进度：

第 一 周：查找相关资料、熟悉课题内容。

第 二 周：撰写开题报告，并制定总体方案。

第三周至十周：设计苹果采摘机试验装置的三维实体模型图，并生成关键部件及装配图工程图。

第 十一 周：对苹果采摘机进行传动设计和机构设计。

第 十二 周：撰写毕业论文，修改图纸中存在的问题。

第十三周：编写答辩提纲，准备答辩。

第十四周：答辩

六、教研室评议意见：

教研室主任：

年      月      日

七、系（院）领导审核意见：

1．通过； 2．完善后通过；　３．未通过

负责人：

年　 　月　 　日