智能采摘機視角下的切割技術研究現(xiàn)狀及展望*

張恩銘，張新星，陳葉葉，陳席國，吳成成，李治丹

（衢州職業(yè)技術學院機電工程學院，浙江 衢州 324000)

0 引言

農(nóng)業(yè)機械種類多、用途廣泛，如農(nóng)作物的種植、收獲、初加工、處理過程等方面所應用的機械設備，以及畜牧業(yè)生產(chǎn)過程、初加工、處理過程等方面所使用的各種農(nóng)業(yè)設備。目前，水果類農(nóng)產(chǎn)品主要以原果出售為主，發(fā)展水果收獲機械，可進一步提高果農(nóng)收入。收獲機械主要用于農(nóng)作物和農(nóng)產(chǎn)品的收獲。采摘機是收獲機械一種，可以減輕果農(nóng)在采摘水果過程中的勞動強度和勞動力投入，也可提高水果采摘質(zhì)量。為進一步提高水果的商品價值，促進農(nóng)民增收，對采摘機進一步研究和改良十分必要。

國內(nèi)的水果采摘目前主要靠人力手工采摘，簡易機械輔助采摘。果農(nóng)手工采摘水果，不僅勞動強度大，而且采摘效率也比較低，采摘后的水果品質(zhì)差，衛(wèi)生不達標，嚴重影響了水果的商品價值。雖然智能采摘機研究取得了一定進步，但和國外采摘機水平還有差距。國外的智能采摘機設備的技術比較先進，卻不能完全符合我國水果采摘現(xiàn)狀。

采摘機關鍵的一步是使果實與果樹分離，一般利用切割技術使果實與果樹分離。國內(nèi)外的切割技術有很多，比較傳統(tǒng)的切割方式是機械切割，現(xiàn)代化的切割方式有激光切割、水射流切割、新型工業(yè)燃氣火焰切割以及超聲切割等切割方法。選用最優(yōu)的切割方法與現(xiàn)代智能技術相結合可提高水果的采摘效率，適應國內(nèi)采摘環(huán)境，可減少勞動力投入，具有很大的研究意義和市場需求。

1 國內(nèi)外切割技術研究概況

國外研究人員對切割技術研究較早，切割技術應用領域較廣，切割技術也比較成熟，但選取與智能采摘相匹配切割技術的研究還并不多，隨著機械設備的發(fā)展，急需研究比傳統(tǒng)機械切割更合適的切割技術。目前，我國將切割技術應用于農(nóng)機領域的研究處于起步階段，選取合適切割技術與智能采摘機相匹配，有利于推進我國水果采摘機的發(fā)展，非常具有研究價值。

1.1 國外情況

國外的切割技術起步早，應用領域廣泛，在不同領域有不同的切割技術與之相匹配。選取合適的切割技術應用到水果采摘機領域很有研究必要。

1）Teguh Dwi Widodo等研究人員于2020年10月研究了磨料水射流切割技術應用在醫(yī)用植入材料中，選用合適的切割角度、速度、水壓和室溫，可以使或者在植入醫(yī)用材料后，傷口更容易愈合[1]。

2）加拿大國家研究委員會航空航天制造技術中心的C.Beausoleil等研究人員于2020年7月研究發(fā)現(xiàn)，將激光切割技術應用到陶瓷等脆性材料中，可以實現(xiàn)自動化制造，可以精確控制切削深度、寬度和精度，切割效果好，效率高，質(zhì)量高，幾乎無缺陷[2]。

3）波蘭羅茲理工大學機電與信息系統(tǒng)研究所的Maria Dems等研究人員于2020年4月研究發(fā)現(xiàn)，將激光切割技術或者電火花切割技術應用到切削電機芯片，可以有效減少電力損耗，激光切割和電火花切割可以完成精度較高的切割[3]。

4）美國Dalio心血管成像研究所的Nazanin Farokhnia等研究人員于2020年2月研究發(fā)現(xiàn)，將激光切割技術應用到血管類軟管的切割，激光切割技術精度高，切割效果好，可以滿足醫(yī)學切割要求[4]。

5）芬蘭自然資源研究所的Laitila等研究人員于2020年1月研究發(fā)現(xiàn)，不同的收割機頭對傳統(tǒng)機械收割機的砍伐效率和樹木砍伐質(zhì)量影響較大，選擇適當?shù)那懈罴夹g應用到農(nóng)機上很有必要[5]。

6）日本國家先進工業(yè)科學技術研究所、先進制造研究所聯(lián)合早稻田大學的Satoshi Kajino等研究人員于2020年1月研究了一種新型的機械切割方法，將金屬絲同時施加剪切力和扭轉(zhuǎn)力，用于切割高質(zhì)量胚料的較窄區(qū)域，切割效果可以達到理想要求[6]。

7）美國亞利桑那大學聯(lián)合科羅拉多大學的Rahimian Rombod于2019年4月研究提出，對低資源環(huán)境下如何讓選取合適的切割技術應用到切割壞死的神經(jīng)或者截肢等，在沒有合適的切割工具時，可以用高速牙科工具代替[7]。

8）俄羅斯南烏拉爾州的Ivan A.Ilin等研究人員于2019年3月研究發(fā)現(xiàn)，將激光切割技術應用到高強度鋼切割與等離子切割技術應用到高強度鋼切割進行比較，兩種切割方式都能完成對高強度鋼的切割，切割結果進行比較，研究結果可改善熱切割焊接方法[8]。

9）韋恩州立大學機械工程系Ameer Al-shawk等研究人員于2018年9月研究發(fā)現(xiàn)，對不同切割方法應用到制作板料，水射切割技術、電火花切割技術和銑削切割技術均可以應用到制造板料中[9]。

10）2017年7月University of Natural Resources and Live Sciences的Alejandro Martínez-Conde等研究人員研究發(fā)現(xiàn)，激光切割技術不僅可以切割木材材料，還可以切割金屬材料和非金屬材料，并且激光切割相比傳統(tǒng)機械切割方式具有可控性高，無接觸機械損傷，切割效果好等優(yōu)點[10]。

國外的切割技術已經(jīng)非常成熟，應用于各個領域，但在農(nóng)機行業(yè)依然以機械切割為主，隨著智能農(nóng)機的發(fā)展，傳統(tǒng)的機械切割的弊端已逐漸展露，需要選取一種可控性高，精度高的切割技術，激光切割與智能采摘機相結合可以達到理想效果。

1.2 國內(nèi)情況

我國的切割技術現(xiàn)處于快速發(fā)展階段，雖然已應用到各個領域，但在智能采摘機領域的研究還有很大的發(fā)展空間。

1）華中科技大學聯(lián)合東京大學的魏白等研究人員于2020年7月研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的機械切割方式配合新型的切割方法可以有效改善骨科切骨手術過程中對患者造成二次損傷，提高手術效率并減小能耗[11]。

2）大連理工大學的譚毅等研究人員于2020年7月研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)機械切割方式應用于切割硅片，不同材料的金剛石線鋸比多線漿鋸切割效果更加理想，可使硅片的反射率降低14.7%左右，將金剛石線鋸切割的鈣片應用到太陽能電池上，多項功能均得到提升[12]。

3）桂林電子科技大學的魏邦聚等研究人員于2020年7月研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的機械切割方式應用到石材切割，金剛石線切割比現(xiàn)有的線鋸機在切割過程中效率更高，更加環(huán)保并且更加安全[13]。

4）河北建筑工程學院的王新明等研究人員于2020年6月研究發(fā)現(xiàn)，激光切割技術在國內(nèi)得到快速發(fā)展，被應用到各個領域，激光切割技術可以切割塑料材料、玻璃材料、木材材料以及金屬材料和非金屬材料等，并且切割效率較高，質(zhì)量好，環(huán)保綠色能耗低，可控性和自動化水平高[14]。

5）天津大學聯(lián)合愛爾蘭都柏林大學的魏坤頡等研究人員于2020年2月研究發(fā)現(xiàn)，機械切割方法改良成可切割原子尺度的切割技術ACS，一種向原子和接近原子規(guī)模制造的破壞性切割技術，與傳統(tǒng)切削過程中以剪切為主的切屑形成和微納米切削過程中以擠壓為主的切屑形成有明顯不同[15]。

6）蘇州大學的劉海青等研究人員研究發(fā)現(xiàn)，高壓水射流切割技術具有綠色環(huán)保和切割效率高的特點，可用于醫(yī)學切割、垃圾切割、土木工程建設以及礦產(chǎn)開采等較大規(guī)模的切割[16]。

7）哈爾濱工業(yè)大學的王振龍等研究人員于2019年7月的研究發(fā)現(xiàn)，電火花線切割技術的應用成本較高，利用線狀電極產(chǎn)生的高溫將材料汽化來完成切割，切割過程中需相對穩(wěn)定的加工環(huán)境，才能完成對材料的切割，可控性不高，并不適合復雜水果種植環(huán)境[17]。

我國的切割技術在各個領域都得到了廣泛應用，但與智能采摘相匹配的切割技術研究報道還比較少。激光切割技術具有可控性高，精度高等優(yōu)勢，與智能采摘相結合具有很大的潛在研究價值。

2 結束語

綜上所述，國內(nèi)外切割技術在各個領域都有廣泛的應用，切割技術在各領域的研究也得到了很大的突破。但隨著智能農(nóng)機技術的快速發(fā)展，對切割技術應用提出了新的要求。需要尋求合適的切割技術與智能農(nóng)機相匹配。激光切割技術適應性強，可以用于切割木材材料、塑料材料、金屬材料和非金屬材料等材料。激光切割技術可控性強，切割精度高，與智能采摘機相結合可以充分發(fā)揮出激光切割技術的優(yōu)勢，具有很大研究價值，可推進智能采摘機設備快速發(fā)展，使智能采摘技術向更節(jié)能環(huán)保、高質(zhì)量，高效率、高產(chǎn)能的方向發(fā)展。