農產品分揀機器人研究進展詳細介紹

1、農產品分揀機器人研究進展詳細介紹我國是一個農業(yè)大國，隨著我國社會的進步、生活節(jié)奏的加快、飲食結構的變革和加入世貿組織后參與國際競爭，消費者必然對進入市場的農產品的質量標準和分級包裝等有更高的要求。我國目前已經逐步重視對農產品的揀選、分級和包裝。農產品產后商品化處理是提高產品競爭力和產品價值的重要手段。通過產后商品化處理，可大幅提高農產品的外觀和內部品質，提高其商品價值，是農產品從數(shù)量型向質量型、健康型發(fā)展的需要，是增強市場競爭力的需要，是進入國際市場、擴大出口的需要。高檔次、潔凈化的農產品如水果、蔬菜等往往需要按照大小尺寸及品質等級標準進行揀選、分類和包裝。在分選的過程中，被分選產品的外觀形狀

2、、內部品質、成熟程度和傷病等特征復雜，人工揀選時對產品等級的判斷是根據(jù)個人經驗、瞬間得出判斷結果，其結果往往因人而異，將機器人引入農產品加工車間，可以大幅度提高分選的一致性，降低產品的破損率、提高成產率、降低生產成本和改善勞動條件。農產品分揀機器人是一種新型的智慧農業(yè)機械裝備，它是人工智能檢測、自動控制、圖像識別技術、光譜分析建模技術、感應器、柔性執(zhí)行等先進技術的集合93。目前，農產品分揀機器人已經有了很大的發(fā)展，在農產品生產中廣泛使用分揀機器人，將會極大地改變傳統(tǒng)農業(yè)的勞作模式，降低了對大量勞動力的依賴，實現(xiàn)從傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代農業(yè)轉變。4.4.1 農產品分揀機器人發(fā)展現(xiàn)狀4.4.1.1 發(fā)達國

3、家農產品分揀機器人的研發(fā)概況發(fā)達國家對農產品分揀機器人的研制起步早、投資大、發(fā)展快， 這些國家農業(yè)規(guī)?；?、多樣化、精確化的快速發(fā)展，有效地促進了農產品產后分揀機器人與其他智能化農業(yè)機械的發(fā)展。自20世紀80年代開始，發(fā)達國家根據(jù)本國實際，紛紛開始農產品分揀機器人的研發(fā)， 并相繼研制出了適用于不同水果和蔬菜等多種農產品質量品質分級分揀裝備。日本是農產品分揀機器人研究最早、同時也是市場發(fā)育最為成熟的國家之一。目前，日本在果蔬分揀系統(tǒng)及果蔬揀選機器人的研究開發(fā)和使用方面居世界領先地位。英國研制的分揀機器人，采用光電圖像識別和提升分揀機械組合裝置， 把大的西紅柿和小的櫻桃加以區(qū)別，然后分揀裝運；也能把

4、土豆進行分類，且不擦傷外皮。意大利UNITEC公司開發(fā)出一系列用于水果及蔬菜采摘后進行體積、尺寸和顏色識別的專用分揀機，能使徑向尺寸小于40毫米的水果分揀速度達到18個/秒，大于40毫米的水果達12個/秒。1995年美國研制成功的Merling高速主頻計算機視覺水果分級系統(tǒng)，生產率約為40噸/小時， 已廣泛用于蘋果、桔子、桃和西紅柿等水果的分級。目前，外國基于計算機視覺技術的農產品尤其是水果外觀品質分揀技術與裝備研究已經較為成熟，公司主要有澳大利亞的GP graders、法國Maf/Roda集團、荷蘭Aweta集團、新西蘭Compac公司、意大利尤尼泰克Unitecgroup、荷蘭Greef、

5、美國FMC和意大利Sammo等。除了農產品外觀品質分揀機器人外，在內部品質在線檢測分揀設備研發(fā)方面國外也遙遙領先，這方面的研制工作主要集中于國外工廠和制造商。1990年日本首先推出采用近紅外傳感器的水果分選系統(tǒng)， 90年代中期該系統(tǒng)開始應用于水果甜度分選。1996年日本FANTEC公司開發(fā)了透射式近紅外光譜測試技術，可同時測定水果的成熟度、含糖度、含酸度、蘋果中的糖蜜等多種指標，并推出袖珍式FRUIT 5裝置，測定速度達到5個/秒，從而保證了日本國產水果在市場上的銷售質量。1998年日本Mitsui Mining公司的Kawano等人研發(fā)了基于近紅外傳感器的水果分級線。自此很多制造商也開始進入

6、農產品自動化分揀這一領域，目前，基于近紅外傳感的農產品內部品質分級系統(tǒng)較為成熟并已經商品化，主要供應商包括Aweta（荷蘭）、Greefa（荷蘭）、Shibuya-Seiki（日本）、Maf-Roda（法國）、FANTEC（日本）、Unitec（意大利）、Taste Tech（新西蘭）等公司94。4.4.1.2 國內農產品分揀機器人的研發(fā)概況20世紀90年代中期，我國開始了水果分揀機器人技術的研發(fā)，由于起步晚，與發(fā)達國家相比差距明顯，農產品分選機器人的應用和發(fā)展還面臨觀念和技術兩方面的挑戰(zhàn)。但隨著中國科技和經濟的快速發(fā)展，尤其是國家對農產品產后質量的重視和不斷加大農業(yè)機械化發(fā)展扶持力度，中國農

7、機化事業(yè)進入了前所未有的良好發(fā)展時期，也為農產品分揀機器人提供了良好發(fā)展機遇。國內的研究單位主要有浙江大學、江蘇大學、中國農業(yè)大學、國家農業(yè)智能裝備技術研究中心等， 已取得了良好的研究進展，并開發(fā)出了相應的產品，尤其是以浙江大學應義斌團隊和江蘇大學趙杰文團隊為代表率先研發(fā)出了我國擁有自主知識產權的農產品分揀機器人，其項目“基于計算機視覺的水果品質智能化實時檢測分級技術與裝備”和“食品、農產品品質無損檢測新技術和融合技術的開發(fā)”均獲得國家發(fā)明二等獎。除此之外，目前國內也出現(xiàn)了一些農產品分揀機器人制造企業(yè)比如江西綠盟、北京福潤美農、江蘇福爾喜、合肥美亞光電等95-97。但是，這些廠家或機構所開發(fā)的

8、農產品分揀機器人其分揀對象通常都是水果，指標主要是外觀品質。除外部品質分揀機器人外，目前，國內關于農產品內部品質在線檢測方面的研究盡管起步較晚，但過經過國內相關研究單位的不懈努力，也已取得了一定的成果，研究單位主要包括浙江大學應義斌團隊、中國農業(yè)大學韓東海團隊、江蘇大學趙杰文團隊、華東交通大學劉燕德團隊、國家農業(yè)智能裝備技術研究中心黃文倩團隊等98-103， 但是目前對農產品內在品質在線檢測分揀機器人的市場應用還沒有可見報道。綜上所述，農產品尤其是水果內部品質在線無損檢測和分級技術具有廣泛的應用前景。國外的研究起步較早，其部分農產品分揀機器人已迅速從實驗室研究走向產品化實現(xiàn)。我國也有部分針對農

9、產品外觀品質分揀的機器人投入市場，就內部品質分揀機器人而言，相對于國外的進展，我國目前仍處于實驗研發(fā)階段，技術還不成熟，更沒有自主知識產權的裝備投放市場，仍然存在很多關鍵問題沒有充分解決。4.4.2 農產品分揀機器人的應用特點和支撐技術4.4.2.1 農產品分揀機器人的應用特點1作業(yè)季節(jié)性較強農產品生產季節(jié)性較強，因此農產品分揀機器人使用也具有較強的季節(jié)性，并且農產品分揀機器人針對性也較強、功能相對單一，造成農產品分揀機器人利用率較低，增加農產品分揀機器人使用成本。2分揀對象非標準不同于工業(yè)材料，農產品通常具有容易受損的特點，而且由于其是自然生物體，其種類多種多樣，形狀、大小變化較大，甚至同一

10、種農產品物料其個體之間大小差異性很大，造成農產品分揀機器人的穩(wěn)定性和適應性變差。3操作對象的特殊性分揀機器人操作者通常為農民，不具備較高的機械電子知識水平，因此農產品分揀機器人還須具備高可靠性和操作簡單的特點。4價格的特殊性農產品分揀機器人的前期投入較大，結構復雜、研發(fā)制造成本較高，導致價格昂貴，超出一般農民的承受能力，如果不具備價格優(yōu)勢， 就很難得到普及應用。4.4.2.2 農產品分揀機器人的支撐技術農產品分揀機器人涉及機械設計、信息論、計算機、傳感器、控制工程、人工智能等學科，是20世紀發(fā)展起來的具有代表性和綜合性的高新技術。同工業(yè)標準化產品分揀機器人相比，農產品分揀機器人還需要以下技術的

11、支撐：1機器視覺和圖像處理技術機器視覺技術是實現(xiàn)農產品質量品質檢測自動化必不可少的技術。通常農產品外觀品質的檢測分揀均依賴于分揀機器人對所獲取的農產品圖像特征的正確分析、識別，它是實現(xiàn)農產品外觀品質分選最為有效、最普遍的技術。2生物傳感器技術研究生物的化學、光學、聲學等特性，開發(fā)新的生物傳感器，是提高農產品分揀機器人工作可靠性的重要手段。3光譜建模分析技術目前光譜技術是被證明最為有效的農產品內部品質檢測分揀技術之一，研究有效光譜選擇、分析、建模、優(yōu)化等先進技術，提高模型在農產品分揀機器人工作中的穩(wěn)定性和可靠性，有助于研發(fā)先進的農產品內部質量品質分揀機器人。4智能控制技術對于農產品特征的復雜性，

12、進行數(shù)據(jù)建模比較困難，因此，基于模糊邏輯、神經網絡和智能模擬技術的自學習功能十分必要，農產品分揀機器人可以在工人的輔助下，不斷進行學習，并記憶學習結果， 形成自身處理復雜情況的知識庫。5關鍵機械機構設計優(yōu)化技術機械體是農產品分揀機器人實施分揀任務的基礎組成部分，在滿足農產品分揀機器人功能前提下，運用現(xiàn)代設計手段優(yōu)化設計機械構件，使其盡可能的輕巧、簡單、緊湊、防損傷，從而達到農產品分揀機器人更強的可靠性、降低損傷以及減少控制系統(tǒng)復雜性的目的。4.4.3 主要問題和建議目前，農產品分揀機器人發(fā)展雖取得了較大進步，但是普及率還很有限，未來要加大農產品分揀機器人的應用，還有很多工作要做。1防損問題大部

13、分農產品非常容易損傷，農產品在快速揀選的過程中會經過多個分揀功能段，比如清洗、上料提升、輸送、分揀卸料、包裝等， 功能段與功能段之間的過渡很容易造成農產品的損傷，農產品一旦損傷，其存貯期將會縮短，也影響其經濟價值。2功能單一目前農產品分揀機器人所完成的功能相對單一。廣泛研究的是基于計算機圖像處理的機器視覺技術，然而，該方法僅僅能夠實現(xiàn)外觀大小、顏色、形狀及表皮缺陷等的檢測，而農產品內部質量品質的檢測對農產品分揀機器人而言仍然存在很多關鍵技術需要解決。以水果品質分選為例，無論國際市場還是國內市場，消費者在選購水果時不僅注重大小、顏色和外觀形狀等外部品質，更重視內部品質如糖度、酸度等指標。因此，應采用多種方法并用、配備多種傳感器多信息融合開發(fā)農產品綜合品質分揀機器人。3集成度低目前的農產品分揀機器人側重于分揀功能，而作為農產品產后加工整套環(huán)節(jié)而言，還應該包括貼標、包裝等環(huán)節(jié)，而這些環(huán)節(jié)目前主要還仍然靠人工完成，整體產后加工環(huán)節(jié)集成度較低。4適應普遍性較差目前研制出來的農產品分揀機器人大都只針對某一類農產品，甚至某一類