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林业机械人生长现状与未来趋势

发布日期:2021-07-03 14:22浏览次数:
本文摘要:摘要:新的林业生产方式和快速生长的新技术促进了林业装备的生长,催生了智能装备和林业机械人。林业机械人在提高林业生产力、改变林业生产模式、解决劳动力不足以及实现林业生产和谋划规模化、多样化、精准化等方面具有极大的优越性,生长林业机械人对促进我国林业技术革命和实现林业现代化具有重要作用。 文中提出林业机械人的界说和分类,阐明林业机械人的应用领域,综述海内外林业机械人生长现状,分析林业机械人生长中遇到的问题,提出林业机械人生长的未来趋势,以为机械人在林业领域中的研究和应用提供参考。

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摘要:新的林业生产方式和快速生长的新技术促进了林业装备的生长,催生了智能装备和林业机械人。林业机械人在提高林业生产力、改变林业生产模式、解决劳动力不足以及实现林业生产和谋划规模化、多样化、精准化等方面具有极大的优越性,生长林业机械人对促进我国林业技术革命和实现林业现代化具有重要作用。

文中提出林业机械人的界说和分类,阐明林业机械人的应用领域,综述海内外林业机械人生长现状,分析林业机械人生长中遇到的问题,提出林业机械人生长的未来趋势,以为机械人在林业领域中的研究和应用提供参考。关键词:林业机械人,林业现代化,生长现状,未来趋势,宜机化革新作者:刘延鹤 傅万四 张 彬 常飞虎 周建波  我国是林业大国,林业生产和谋划关系我国生态宁静和林业生长,林业生产和谋划方式及装备是林业现代化水平的重要体现。随着技术进步和劳动力淘汰,从事林业方面的事情者越来越少;同时林地事情情况恶劣、劳动强度大、林业劳动者宁静得不到有效保障,现行林业机械无法很好地适应现代林业生产和谋划需要。

机械人可有效解决上述林业生产和谋划中存在的问题,使用机械人取代人力劳动,可淘汰劳动力成本和林业事情宁静隐患,同时提高机械化、自动化和智能化水平,对促进林业现代化具有重要意义。  1 林业机械人的界说和分类  林业机械人是一种柔性、可感知外界信息、重复编程的自动化或半自动化设备,以林业为服务工具,有机联合了机械、电子、盘算机控制、人工智能等前沿学科而形成的有机综合体,能通历程序控制来执行林业生产和谋划的种种任务,是种特种事情机械人。  凭据机械人在林业行业的差别应用领域,可以把林业机械人分为林业生态建设机械人、林业工业机械人和林业多功效集成机械人3类。

  1)林业生态建设机械人。主要有林木种苗机械人、难题立地整地机械人、生态恢复机械人、造林与抚育机械人、生物资源及多样性监测与管护机械人、森林火情智能监测与灭火机械人、森林病虫害高效防治机械人、森林情况监测机械人等。  2)林业工业机械人。

主要有木料加工机械人、人造板加工机械人、林业资源经济开发机械人、木本油料加工机械人、林副产物生产机械人、竹材加工机械人等。  3)林业多功效集成机械人。

主要有经济林果机械化采收及输送机械人、林竹场全程机械化谋划机械人等。  2 林业机械人的应用领域   2.1 林业生态建设机械人的应用领域  林业生态建设是林业生长的主体,由于地形等因素限制,现行生态建设多为人事情业,机械化和自动化水平较低。林业生态建设离不开林业机械人和先进技术的支撑,机械人可以促进林业生态建设生产和谋划方式的转变,使林业生态建设机械化、智能化,同时加速推动林业生态建设,更好地掩护修复林业生态系统。

  林业生态建设机械人可广泛应用在栽植、抚育、采运、园林绿化、林业检测、森林掩护等领域中。林木种苗机械人可用于松树、杉树等主要林木种子资源采收、干燥、脱粒、精选、分级、储存,林木匠厂化育苗,林业苗圃节水喷灌,种子园灵活喷药等方面;难题立地整地机械人可用于难题立地清林整地,挖坑、林木(苗)移植,自行式除灌清林团结抚育等方面;生态恢复机械人可用于自动化固沙,污水处置惩罚,森林物种掩护,植被生物多样性掩护,外来物种磨练检疫等方面;造林与抚育机械人可用于森林团结伐木,集材团结作业,航空护林,人工嫁接,修枝打枝等方面;生物资源及多样性监测与管护机械人可用于基于全球卫星导航系统的森林、湿地、沙漠资源气候及灾后监测反馈,野生动植物监测和管护等方面;森林火情智能监测与灭火机械人可用于智能化、信息化森林火情监测、预警,大型森林火灾灭火等方面;森林病虫害高效防治机械人可用于庞大山地大型高效、环保、智能化的森林病虫害喷药等方面;森林情况监测机械人可用于污水、废气、固废、辐射、噪声、气象等6类50多项情况指标的监测分析。

  2.2 林业工业机械人的应用领域  林业工业对于生长林业生产力和服务社会经济具有重要意义,在我国国民生产总值中所占比例逐年上升。现林业工业多接纳工厂化生产线式生产,机械化和自动化水平较高,机械人可促进林业工业生产和谋划方式的转变,使林业工业生产智能化、无人化,进一步提高资源使用率和生产效率,获得更大经济效益,进而推动林业工业快速生长。  林业工业机械人可应用于家具加工、人造板加工、竹业加工、林副产物加工等领域。

木料加工机械人可用于木结构桁架、墙体自动化制造,大规格胶合木柔性制造,双端锯切、钻削深孔、砂光、组装等关键工艺的集成、自动化、智能化柔性制造,家具及制品加工等方面;人造板加工机械人可用于木料人造板一连热压成型,重组竹一连热压成型等方面;林下经济资源开发机械人可用于蓝莓、木耳、蘑菇等林下资源预处置惩罚、分选、存储等方面;木本油料加工机械人可用于油茶、核桃鲜果壳籽分散分选,油脂低温压榨等方面;林副产物生产机械人可用于加工油茶等油料作物的烘干、脱壳、破碎、轧坯和挤压膨化,林药加工的清洗、破坏、煮提、浓缩、干燥和灭菌,其他林副产物如板栗、印楝、核桃等的剥壳机、清洗设备、杀菌、干燥等方面;竹材加工机械人可用于竹篼处置惩罚、竹林整地、竹林抚育、竹材采伐及运输、竹材备料工段一连生产、竹材人造板一连化加工等方面。  2.3 林业多功效集成机械人的应用领域  林场不仅是森林资源管护谋划的基本单元,还是优质生态产物的主要提供者,但情况恶劣、劳动力不足、劳动强度大等问题导致无法用现有半机械化水平手段来满足管护和谋划的需要,运用林业机械人不仅可降低劳动力成本,提高生产效率,还可提高林场事情的机械化、自动化和智能化水平,最重要的是淘汰了林场不宁静因素,催生了林业多功效集成机械人的发生及生长,林业多功效集成机械人可用于经济林果自动化采收、运输、初加工,现代化林场谋划等领域。  山区经济林果机械化采收及输送机械人可以应用于包罗山区枣、栗子、核桃等经济林果机械化采收、索道运输、存储等林业一体化作业,实现经济林果差别类型协助机械人的有效集成。

  林竹场全程机械化谋划机械人可以应用于林场种子收罗、苗圃设施、种苗培育、造林、抚育、病虫害防治、林火检测扑救、资源观察、自动化浇灌和生态监测、林区门路修筑、维护、调养和巡护全程机械化研发与示范等,实现多种类、多群体机械人的融合集成。  3 海内外林业机械人生长现状  3.1 外洋林业机械人生长现状  外洋很早就开始对林业机械人举行研究,由于林业生产作业情况恶劣、作业强度大,同时外洋劳动力匮乏,且成本高,所以蓬勃国家大多通过生长林业机械人来缓解,其中日本生长水平最高,日本的林业生产已基本实现机械化,自动化水平较高。

  Yasuhiko Ishigure等研发的抚育机械人,使用节电链锯驱动举行修枝,4个主动轮动员机械人螺旋上下移动,依靠链锯举行全方位剪枝,机械人可以依靠自身的重量在树木上维持稳定。日本ISEKI公司研发的用于嫁接的抚育机械人,每小时可嫁接900株左右,乐成率凌驾95%,效率很高。Humayun Rashid等研发的灭火机械人,融合蓝牙、GSM、DTMF、GPS等多种技术,接纳传感器感应火焰、温度和烟雾来正确定位火源,实现自动或遥控灭火。

日本研发的FRIGO灭火机械人,接纳履带式移念头构,搭载可燃气体、伽马射线、神经麻醉气体探测器,可以迅速发现火源并引导消防员迅速灭火,同时可协助搬运设备器材,也可以引导消防员迷路时顺利脱险。早稻田大学研发的一款情况监测机械人,可以通过传感器获得温度、湿度、PM2.5、辐射等情况数据,可使用手机操控机械人移动并设定数据获取周期。  美国SPRAYING SYSTEM公司和丹麦HARDI公司都研发了多种森林病虫害防治机械人,融合光机电一体化技术、盘算机控制技术和“3S”技术,遵循靶标适应性原则,实现智能、精准、高效的病虫害防治。美国约翰迪尔公司研制的伐木团结机,集伐木、打枝、造材等功效于一体,可在陡坡和林地一连运动,盘算机法式凭据传感器反馈的路况信息控制程序,生产效率高、宁静、智能且对地表生物资源的破坏小。

芬兰Ponsse公司研制的团结采伐机,搭配测试系统可测出原木的体积,并通过采伐机上最先进的整机程控系统完成采伐行动,同时记载故障反馈驾驶员。  西欧蓬勃国家林地地形较好,林业装备多开展大规模作业,林业机械人具有大型化、多功效化的特点,其中日本林地总体数量少,林业装备多开展庞大地形精致化作业,林业机械人具有精致化、小型化的特点。  3.2 海内林业机械人生长现状  我国许多林业领域尤其是生态建设领域还停留在半机械化水平,还未完全到达机械化水平,随着技术生长,某些领域的林业装备已进入机械人时代,林业机械人理念孕育而生。

  舒庆等研发的生态恢复机械人,通过铺设草方格来防风固沙,依据沙地地貌通过PLC控制铺设草方格机构的高度和插入压力,作业后将在沙地上形成草方格立体沙障,固沙能力很强,可提高铺设效率161倍,降低铺设成本80%左右。  褚佳等研发的用于葫芦科穴盘苗嫁接的抚育机械人,通过控制机械手完成取苗搬运、切苗、嫁接、输送等作业,每小时可嫁接455株,只需1人操作,嫁接乐成率高达95%。李文彬等研发用于树木立木整枝的抚育机械人,通过人工遥控机械人移动至易于打枝处,控制悬臂式链锯对树木举行整枝,使树木到达良好的抚育效果。刘松等研发用于园林绿篱修剪的抚育机械人,通过图像收罗系统获得实时信息,并依据绿篱的高度和生长漫衍,使用Atmega168单片机控制机械人举行修剪,实现自动化修剪,适应性强。

  姜树海等研发的六足仿生森林消防机械人,可完成火灾巡检、清理、扑救等事情,灭火装置最大可伸展2.3 m,足部最大可伸展1.25 m,适合林地庞大情况事情。林凡强等在传统避障机械人上研发的灭火机械人,通过红外火焰传感器配合软件分析确定火焰的位置,避障机械人快速移动到着火点四周,控制灭火装置举行准确灭火。  汤晶宇等研发的森林病虫害防治机械人,接纳超声感应装置举行检测,定向施药,精准防治病虫害,大幅提高了农药的使用率。

  董勇志等研发的情况检测直立交互型机械人,接纳多种传感器融合、UART触屏交互、双向PWM控制等多种技术,可实现情况监测、远程操控、报警等功效,监测数据全且智能化水平高。张慧颖研发的现场情况智能巡检机械人,配合使用多种传感器可以获得温度、CO浓度、温度等情况数据并通过NRF905与控制台举行无线传输,通过传感器融合模糊神经网络感知并避障,结构简朴、丈量准确且智能化水平高。  魏占国等设计的轮式林木采伐团结机械人CFJ-30,接纳全液压驱动,集伐木、打枝、造材于一体,最大行驶速度可达25 km/h,最大事情距离可达10 m,事情效率很高。

周中华等研发的毛竹团结采伐机,集伐竹、打枝、截梢、集材等功效于一体,乐成改变了现行伐竹的事情方式,大幅提高了生产效率,淘汰了劳动成本,对我国竹业工业生长有着重要作用。  傅万四等研发的自动破竹机械人,实现了原竹段自动分级、自动对心、自动换刀、自动破竹和原竹中心矫正,通过丈量竹筒外径,使用PLC系统控制选择合适的刀具举行破竹,破竹速度可达11.2 m/min,大大提高了事情效率,处于国际领先技术水平。  我国林业机械人处于起步阶段,尚未系统形成适合我国林业情况的机械人产学研体系。

  4 林业机械人研究中存在的问题及生长趋势  4.1 存在的问题  现在我国林业机械人的研发大多处于试验阶段,由于种种原因尚无法普及,当前存在的主要问题如下。  1)林业事情情况庞大。我国林业生产谋划多在偏远山区,事情情况庞大恶劣,林业机械人在事情时要面临林地坡度纷歧、沟壑庞大、障碍多等挑战,大型机械装备无法进入作业区,同时林地情况信号差,信号笼罩率低,对于林业机械人事情信息传输和处置惩罚有着一定的挑战,林地未经由宜机化革新,对机械人的适应性要求高,所以在推广中存在较浩劫度。

  2)林业乔灌木栽种不规则。现阶段我国自然生长的林业乔灌木在林地呈散乱不规则漫衍,人工种植的乔灌木类型庞大,导致乔灌木等植被结构和生长不规则,对于林业机械人事情时的工具识别和处置惩罚易受外界因素的影响。

林木生长不规则影响机械人在林地间一连行走,在一定水平上降低了一连化水平,同时不规则生长还会导致机械人在林间事情时破坏植被,影响生物多样性进而破坏生态。  3)开举事度大,生产成本高。相对于工业和农业来说,林业总体而言属于生态公益行业,林业工业发生的经济效益远小于工业和农业工业,致使更多的研发人员热衷于加入工业和农业机械人的研刊行列,而且林业机械人售价高,导致推广难题。林业机械人虽有很大的市场潜力,但由于开举事度大、生产成本高,一定水平上抑制了其生长推广。

  4)研发人才宁静台缺乏。我国从事林业机械人方面的研发技术人员较少,行业科技领武士才和优秀拔尖人才稀缺,林业高校和科研院所未系统开设林业机械人课程,未建设林业机械人学科,导致对口人才较少,制约了林业机械人的生长。现阶段的林业企业多数是为了生产需要,把一些通用机械技术人员经由简朴培训后即上岗,缺乏对林业行业事情工具的认知和基础知识学习,无法满足林业机械人的生长需求。科技创新平台是技术转移、技术研发、资源共享、孵化企业的重要基础设施,林业机械人的科技创新平台稀缺也是林业机械人生长缓慢的原因之一。

  4.2 未来生长趋势  林业机械化是林业现代化的重要标志,林业机械人是代表林业机械化生长水平的重要标志。随着科技生长、劳动力淘汰、人口劳动结构的调整,生长林业机械人势在必行,将对我国林业技术革命和林业现代化生长起到努力重大的促进作用。

  1)政府努力引导,加大科研投入。在国际农林机械人生产巨头公司看好中国市场、纷纷抢滩中国的配景下,我国对林业机械人制造业的扶持力度不足,尤其是针对适合我国林情的林业机械人的研发,政府和行业协会缺乏权威性的指导和协调,严重制约了我国林业机械人的生长和推广。

相关部门应加大科技层面的投入,增强政策支持和市场引导,充实使用实施重点建设工程和调整振兴重点工业形成的市场需求,加速推进林业机械人生产研发自主化,同时重点扶持林业机械人龙头企业,优化创新人才发展情况,保障林业生产需要,动员林业机械人工业生长。政府可对购置林业机械人的用户发放购置补助,进一步刺激内需,促进林业机械人的生长。  2)攻克共性关键技术。

生长林业机械人需要优先生长相对应的关键技术,对引导国家重大项目支持和企业科技创新选择具有重要的指导作用和现实意义,更好地生长林业机械人还需突破以下关键技术:机械人在庞大林业情况中的一连运动控制技术;自动避障技术;对目的随机位置的准确感知和信息处置惩罚,机械手的准确定位,机械手抓取力度和姿态控制技术;对庞大目的的分类技术;对林业恶劣情况条件的适应技术;基于树木生理结构的自适应技术;山地林地自适应技术;人机交互技术;林业无人机信息获取及反馈技术等。  3)增强林地宜机化革新。“宜机化革新”是近年来针对农业提出的新观点,从最初的“梯田革新”到现在的“高尺度农田建设”,对农业生长和机械人应用都是一大助力,就现阶段科技水平而言,让机械人去适应所有的农林地形有着很浩劫度,林业比农业情况越发恶劣、事情工具越发庞大、实现全机械化作业难度更大,“宜机化革新”更适合林业行业。

林地实现宜机化是我国林业实现机械化和现代化的重要环节,推动宜机化革新对提高林业生产力、提高林业机械人的使用率和事情效率、实现可连续生长尤为重要,也是快速实现林业生产和谋划机械化、智能化的另一途径。  4)重视人才造就,建设产学研技术体系。

重视林业机械人行业人才造就是推动林业机械人生长很是重要的环节,人才是科学技术的载体,因此要重视造就林业机械人行业的人才,林业机械人所需的人才是多方面的,不仅要有产物开发和生产人才,还要有技术推广、维修、治理和使用人才,可在相关职业技术学院开设林业机械人制造治理维修职业教育;在农林高校开设林业机械人专业,举行林业机械人本科教育造就;在相关农林高校、科研院所造就林业机械人学科领域的硕士、博士研究生,形成完整的人才造就体系,以适应林业机械人的快速生长。同时加速林业机械人科技创新平台建设,以国家级科研单元牵头构开国家林业机械人重点实验室和工程技术中心,加速科技结果转化,建设完备的产学研用科研平台体系。  5)引进相关行业高端技术吸收、革新、创新。林业机械人工业属于高端制造业,其生长在一定水平上落伍于工业和农业机械人,可以借鉴工业和农业机械人的生长历程,将已经生长颇好的工业和农业机械人引入林业生产中,并联合林业行业的特殊情况举行二次开发和革新,加速研发历程,依据革新后机械人的实地事情情况再联合我国林情研制出特属林业行业的机械人。

同时吸引更多从事于工、农业机械人的研发和技术人员加入林业行业,引进、消化吸收、再创新,给林业机械人生长注入强大活力,助林业机械人更快追上时代生长。  6)增强国际互助。

外洋农林业机械人生长水平普遍高于我国,要坚持实施“请进来、走出去”战略,引进外洋农林业机械人研发人员恒久或短期到海内开展科研互助交流并形发展效机制,同时派遣科研人员或留学生赴外洋机构互助研究,共建林业机械人国际创新团队,搭建林业机械人国际研究平台,努力吸收外洋先进技术,促进我国林业机械人创新,扶持有国际竞争力的林业机械人企业努力开拓国际市场,与国际接轨。第一作者:刘延鹤,硕士研究生,主要研究偏向:林业机械人、林业装备与信息化。

联系地址:100029北京市向阳区安苑路20号世纪兴源大厦;电话:13142219309;E-mail:liuyanhe0@126.com。责任作者:周建波,博士,副研究员,硕士生导师,主要研究偏向:林业机械人、林业装备与信息化。联系地址:100029北京市向阳区安苑路20号世纪兴源大厦;电话:13810282756;E-mail:zhoujianbol@126.com。


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