農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人研究進展詳細介紹

1、農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人研究進展詳細介紹我國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著我國社會的進步、生活節(jié)奏的加快、飲食結(jié)構(gòu)的變革和加入世貿(mào)組織后參與國際競爭，消費者必然對進入市場的農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量標準和分級包裝等有更高的要求。我國目前已經(jīng)逐步重視對農(nóng)產(chǎn)品的揀選、分級和包裝。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后商品化處理是提高產(chǎn)品競爭力和產(chǎn)品價值的重要手段。通過產(chǎn)后商品化處理，可大幅提高農(nóng)產(chǎn)品的外觀和內(nèi)部品質(zhì)，提高其商品價值，是農(nóng)產(chǎn)品從數(shù)量型向質(zhì)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(nóng)產(chǎn)品如水果、蔬菜等往往需要按照大小尺寸及品質(zhì)等級標準進行揀選、分類和包裝。在分選的過程中，被分選產(chǎn)品的外觀形狀

2、、內(nèi)部品質(zhì)、成熟程度和傷病等特征復(fù)雜，人工揀選時對產(chǎn)品等級的判斷是根據(jù)個人經(jīng)驗、瞬間得出判斷結(jié)果，其結(jié)果往往因人而異，將機器人引入農(nóng)產(chǎn)品加工車間，可以大幅度提高分選的一致性，降低產(chǎn)品的破損率、提高成產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和改善勞動條件。農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人是一種新型的智慧農(nóng)業(yè)機械裝備，它是人工智能檢測、自動控制、圖像識別技術(shù)、光譜分析建模技術(shù)、感應(yīng)器、柔性執(zhí)行等先進技術(shù)的集合93。目前，農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人已經(jīng)有了很大的發(fā)展，在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中廣泛使用分揀機器人，將會極大地改變傳統(tǒng)農(nóng)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(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變。4.4.1 農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人發(fā)展現(xiàn)狀4.4.1.1 發(fā)達國

3、家農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的研發(fā)概況發(fā)達國家對農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的研制起步早、投資大、發(fā)展快， 這些國家農(nóng)業(yè)規(guī)模化、多樣化、精確化的快速發(fā)展，有效地促進了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后分揀機器人與其他智能化農(nóng)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(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)分級分揀裝備。日本是農(nóng)產(chǎn)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(lǐng)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(chǎn)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(shù)的農(nóng)產(chǎn)品尤其是水果外觀品質(zhì)分揀技術(shù)與裝備研究已經(jīng)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(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)分揀機器人外，在內(nèi)部品質(zhì)在線檢測分揀設(shè)備研發(fā)方面國外也遙遙領(lǐng)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(yīng)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(shù)，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(chǎn)水果在市場上的銷售質(zhì)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(nóng)產(chǎn)品自動化分揀這一領(lǐng)域，目前，基于近紅外傳感的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)分級系統(tǒng)較為成熟并已經(jīng)商品化，主要供應(yīng)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(nèi)農(nóng)產(chǎn)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(shù)的研發(fā)，由于起步晚，與發(fā)達國家相比差距明顯，農(nóng)產(chǎn)品分選機器人的應(yīng)用和發(fā)展還面臨觀念和技術(shù)兩方面的挑戰(zhàn)。但隨著中國科技和經(jīng)濟的快速發(fā)展，尤其是國家對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后質(zhì)量的重視和不斷加大農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展扶持力度，中國農(nóng)

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

8、農(nóng)產(chǎn)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(zhì)。除外部品質(zhì)分揀機器人外，目前，國內(nèi)關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)在線檢測方面的研究盡管起步較晚，但過經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)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(xué)應(yīng)義斌團隊、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)韓東海團隊、江蘇大學(xué)趙杰文團隊、華東交通大學(xué)劉燕德團隊、國家農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心黃文倩團隊等98-103， 但是目前對農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)在品質(zhì)在線檢測分揀機器人的市場應(yīng)用還沒有可見報道。綜上所述，農(nóng)產(chǎn)品尤其是水果內(nèi)部品質(zhì)在線無損檢測和分級技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。國外的研究起步較早，其部分農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人已迅速從實驗室研究走向產(chǎn)品化實現(xiàn)。我國也有部分針對農(nóng)

9、產(chǎn)品外觀品質(zhì)分揀的機器人投入市場，就內(nèi)部品質(zhì)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(shù)還不成熟，更沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的裝備投放市場，仍然存在很多關(guān)鍵問題沒有充分解決。4.4.2 農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的應(yīng)用特點和支撐技術(shù)4.4.2.1 農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的應(yīng)用特點1作業(yè)季節(jié)性較強農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)季節(jié)性較強，因此農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人使用也具有較強的季節(jié)性，并且農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人針對性也較強、功能相對單一，造成農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人利用率較低，增加農(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品物料其個體之間大小差異性很大，造成農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的穩(wěn)定性和適應(yīng)性變差。3操作對象的特殊性分揀機器人操作者通常為農(nóng)民，不具備較高的機械電子知識水平，因此農(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的前期投入較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研發(fā)制造成本較高，導(dǎo)致價格昂貴，超出一般農(nóng)民的承受能力，如果不具備價格優(yōu)勢， 就很難得到普及應(yīng)用。4.4.2.2 農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的支撐技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人涉及機械設(shè)計、信息論、計算機、傳感器、控制工程、人工智能等學(xué)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(shù)。同工業(yè)標準化產(chǎn)品分揀機器人相比，農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人還需要以下技術(shù)的

11、支撐：1機器視覺和圖像處理技術(shù)機器視覺技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)檢測自動化必不可少的技術(shù)。通常農(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)的檢測分揀均依賴于分揀機器人對所獲取的農(nóng)產(chǎn)品圖像特征的正確分析、識別，它是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品外觀品質(zhì)分選最為有效、最普遍的技術(shù)。2生物傳感器技術(shù)研究生物的化學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等特性，開發(fā)新的生物傳感器，是提高農(nóng)產(chǎn)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(shù)目前光譜技術(shù)是被證明最為有效的農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部品質(zhì)檢測分揀技術(shù)之一，研究有效光譜選擇、分析、建模、優(yōu)化等先進技術(shù)，提高模型在農(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量品質(zhì)分揀機器人。4智能控制技術(shù)對于農(nóng)產(chǎn)品特征的復(fù)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)和智能模擬技術(shù)的自學(xué)習(xí)功能十分必要，農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人可以在工人的輔助下，不斷進行學(xué)習(xí)，并記憶學(xué)習(xí)結(jié)果， 形成自身處理復(fù)雜情況的知識庫。5關(guān)鍵機械機構(gòu)設(shè)計優(yōu)化技術(shù)機械體是農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人實施分揀任務(wù)的基礎(chǔ)組成部分，在滿足農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人功能前提下，運用現(xiàn)代設(shè)計手段優(yōu)化設(shè)計機械構(gòu)件，使其盡可能的輕巧、簡單、緊湊、防損傷，從而達到農(nóng)產(chǎn)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(fù)雜性的目的。4.4.3 主要問題和建議目前，農(nóng)產(chǎn)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(nóng)產(chǎn)品分揀機器人的應(yīng)用，還有很多工作要做。1防損問題大部

13、分農(nóng)產(chǎn)品非常容易損傷，農(nóng)產(chǎn)品在快速揀選的過程中會經(jīng)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(nóng)產(chǎn)品的損傷，農(nóng)產(chǎn)品一旦損傷，其存貯期將會縮短，也影響其經(jīng)濟價值。2功能單一目前農(nóng)產(chǎn)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(shù)，然而，該方法僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)外觀大小、顏色、形狀及表皮缺陷等的檢測，而農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量品質(zhì)的檢測對農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人而言仍然存在很多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。以水果品質(zhì)分選為例，無論國際市場還是國內(nèi)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(zhì)，更重視內(nèi)部品質(zhì)如糖度、酸度等指標。因此，應(yīng)采用多種方法并用、配備多種傳感器多信息融合開發(fā)農(nóng)產(chǎn)品綜合品質(zhì)分揀機器人。3集成度低目前的農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人側(cè)重于分揀功能，而作為農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)后加工整套環(huán)節(jié)而言，還應(yīng)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(chǎn)后加工環(huán)節(jié)集成度較低。4適應(yīng)普遍性較差目前研制出來的農(nóng)產(chǎn)品分揀機器人大都只針對某一類農(nóng)產(chǎn)品，甚至某一類