果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策分析

□袁志英 陳 進(jìn)/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策分析

□袁志英 陳 進(jìn)/四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院

果蔬采摘是一項(xiàng)季節(jié)性強(qiáng)、操作復(fù)雜且勞動(dòng)強(qiáng)度極高而效率又極低的工作。據(jù)調(diào)查，果蔬采摘作業(yè)所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的33%～50%，而目前我國(guó)的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。因此，研究果蔬采摘機(jī)器人對(duì)緩解農(nóng)村勞動(dòng)力缺乏、節(jié)省人工成本、提高果蔬采摘效率有著重要的意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

果蔬采摘機(jī)器人是一類針對(duì)水果和蔬菜，可以通過(guò)編程來(lái)完成采摘等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué)，需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)圖像處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算信息處理等多方面學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。1.1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀

1.1.1 番茄收獲機(jī)器人

1）日本岡山大學(xué)1991年研究了一種番茄收獲機(jī)器人，它由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。機(jī)器人利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)果實(shí)進(jìn)行判別，采用五自由度垂直多關(guān)節(jié)機(jī)械臂和能夠上下、前后移動(dòng)的二自由度直動(dòng)關(guān)節(jié)，以避讓莖葉接近目標(biāo)果實(shí)，吸盤(pán)吸住果實(shí)后退回，將目標(biāo)果實(shí)和其他果實(shí)分離，末端執(zhí)行器以和吸盤(pán)相同的速度前進(jìn)，使機(jī)械手抓住果實(shí)，最后通過(guò)機(jī)器臂的腕關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，將果實(shí)摘下。

2）日本島根大學(xué)研究了櫻桃番茄選擇性收獲機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人由安裝在電動(dòng)車(chē)上的機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、三維視覺(jué)傳感器和計(jì)算機(jī)組成。三維視覺(jué)傳感器是安裝在末端執(zhí)行器上的，以利用機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行正面掃描和莖葉的間隙里的側(cè)面掃描，來(lái)收獲莖葉后的果實(shí)；末端執(zhí)行器采用的是柔性軟管，可以左右擺動(dòng)避讓在收獲過(guò)程中的障礙物。

1.1.2 黃瓜收獲機(jī)器人

1）荷蘭的IMAG研究所開(kāi)發(fā)了收獲和摘葉同時(shí)進(jìn)行的機(jī)器人，其機(jī)械臂為七自由度垂直多關(guān)節(jié)型，移動(dòng)機(jī)構(gòu)沿行進(jìn)方向平行滑動(dòng)，可以保證機(jī)構(gòu)不干擾視覺(jué)傳感器。其末端執(zhí)行器由3把電熱刀和圍著主莖配置的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成，電熱刀的安裝位置使其可以從3個(gè)方向圍住主莖，電熱刀上方有V字形引導(dǎo)器。首先，視覺(jué)傳感器識(shí)別需要摘除的葉子及其主莖，檢測(cè)出其位置，接近被摘葉下方的主莖。電熱刀的引導(dǎo)器沿主莖向上滑動(dòng)，葉柄總可以接觸到3個(gè)電熱刀中的一個(gè)，葉柄和電熱刀一接觸上，電流立即導(dǎo)通，燒斷葉柄，摘除葉子。利用熱切斷葉柄，還能對(duì)切斷部位消毒，可以防止病菌從切口侵入。這種機(jī)器人的采摘速度為45s/根，成功率約為80%。

2）岡山大學(xué)和井關(guān)農(nóng)機(jī)株式會(huì)社于1991年合作研究了黃瓜收獲機(jī)器人，這款機(jī)器人的研發(fā)是農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的成果。首先，為使機(jī)器人容易進(jìn)行收獲作業(yè)，改進(jìn)了黃瓜的栽培方式——將傳統(tǒng)的栽培方式傾斜化，用支柱等支撐莖葉，只讓果實(shí)露在棚架的下方，達(dá)到果實(shí)和莖葉分開(kāi)的目的，以利于黃瓜的采摘。這臺(tái)機(jī)器人由可進(jìn)行果實(shí)識(shí)別和位置檢出的視覺(jué)傳感器、七自由度極坐標(biāo)型機(jī)械臂、可夾持果實(shí)并檢出和剪斷果梗的末端執(zhí)行器以及移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。

1.1.3 柑橘類收獲機(jī)器人

1）日本久保田株式會(huì)社于1988年試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)了柑橘收獲機(jī)器人。該機(jī)器人機(jī)械臂為三自由度垂直多關(guān)節(jié)型，小臂和大臂長(zhǎng)度相等，肘和腕關(guān)節(jié)的速比為2∶1。末端執(zhí)行器可以沿直線運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械臂不會(huì)像一般極坐標(biāo)型關(guān)節(jié)一樣伸向背后，從而避免了與背后的果樹(shù)發(fā)生干擾。機(jī)器工作時(shí)，頻閃光源發(fā)光，末端執(zhí)行器內(nèi)部的攝像機(jī)隨即開(kāi)始采集圖像，檢測(cè)出果實(shí)。機(jī)械臂靠近目標(biāo)果實(shí)并用吸盤(pán)將目標(biāo)果實(shí)吸入梳狀罩，使其和其他果實(shí)分開(kāi)，最后由錐形切刀將果梗切斷。

2）美國(guó)的佛羅里達(dá)大學(xué)于1990年開(kāi)發(fā)了橙子收獲機(jī)器人。這種橙子收獲機(jī)器人擁有可實(shí)現(xiàn)左右上下和直線運(yùn)動(dòng)的三自由度極坐標(biāo)型液壓驅(qū)動(dòng)以及七自由度的機(jī)械臂。當(dāng)末端執(zhí)行器內(nèi)置的光源、彩色攝像機(jī)檢出果實(shí)之后，末端執(zhí)行器就移向果實(shí)，末端執(zhí)行器內(nèi)置的超聲波傳感器檢測(cè)出距離，半圓形環(huán)切刀便旋轉(zhuǎn)切斷果梗收獲橙子。

3）西班牙工業(yè)自動(dòng)化研究所也研發(fā)了一款柑橘采摘機(jī)器人，該機(jī)器人由機(jī)械手、彩色視覺(jué)系統(tǒng)和超聲傳感定位器組成，安裝在拖拉機(jī)上。不同于前述兩種，該機(jī)器人需由人工完成尋找、定位待摘果實(shí)以及機(jī)器人導(dǎo)航的任務(wù)，而運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務(wù)則由系統(tǒng)控制，屬于半自動(dòng)化采摘機(jī)器人。該機(jī)器人工作的速度極快，每分鐘可以采摘柑橘60個(gè)，而靠人工只能摘8個(gè)左右，它還可以按柑橘的色澤、大小將果實(shí)進(jìn)行分級(jí)裝箱。

1.1.4 蘋(píng)果采摘機(jī)

20世紀(jì)90年代，韓國(guó)研制出一臺(tái)自動(dòng)摘蘋(píng)果的機(jī)器人，該機(jī)器人由識(shí)別影像處理系統(tǒng)、機(jī)器人主體、機(jī)械手和行走裝置4部分組成，由計(jì)算機(jī)控制專門(mén)采摘成熟度達(dá)90%以上的蘋(píng)果且不損傷樹(shù)枝。它的活動(dòng)半徑為3m，可以左右旋轉(zhuǎn)并上下前后運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人采摘速度較慢，摘一個(gè)蘋(píng)果需要10～20s，但它可以連續(xù)工作20h，采摘效率是人工的3～4倍。

1.1.5 葡萄采摘機(jī)器人

1989年，日本岡山大學(xué)研發(fā)了葡萄收獲機(jī)器人。該機(jī)器人的末端執(zhí)行器主要由夾持穗軸的機(jī)械手指、切刀和可前后方向滑動(dòng)的推拉部組成，從水平方向接近果穗并采收，使其剪斷穗軸時(shí)盡量不觸碰到果穗，以免果實(shí)被觸碰而造成商品價(jià)值降低。

1.1.6 茄子收獲機(jī)器人

日本以蔬菜茶葉研究所為中心的研究小組從1997年開(kāi)始研究適用于V字形栽培方式的茄子收獲機(jī)器人。V字形整枝栽培的主莖和第一側(cè)枝向壟溝方向傾斜，坐果后果實(shí)垂直下墜，這是一種有利于機(jī)械收獲的栽培方式。該機(jī)器人由控制部、檢測(cè)部、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器和移動(dòng)車(chē)構(gòu)成，采用了和人的手臂一樣有七自由度的垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，能夠從各個(gè)方向靠近果實(shí)。

國(guó)外在果蔬采摘機(jī)器人的研究方面已取得較大成果，其中發(fā)展最快的應(yīng)屬日本，日本在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究水平處于世界領(lǐng)先。盡管如此，無(wú)論是果蔬采摘機(jī)器人還是其他農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展仍處于研究階段，都未能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。

1.2 我國(guó)的研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的研究起步較晚，始于20世紀(jì)90年代中期，主要集中在高等院校中進(jìn)行研究。近年來(lái)，我國(guó)在采摘機(jī)器人研究方面與國(guó)外相比，差距逐漸減小。

1.2.1 草莓采摘機(jī)器人

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中教授對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有較深研究，2004～2005年間，張鐵中等人針對(duì)我國(guó)溫室壟作栽培的草莓，設(shè)計(jì)了3種草莓采摘機(jī)器人，分別是橋架式、四自由度龍門(mén)式和三自由度直角坐標(biāo)式草莓采摘機(jī)器人。這3種草莓采摘機(jī)器人均通過(guò)CCD傳感系統(tǒng)獲取彩色圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理進(jìn)行目標(biāo)草莓的識(shí)別和定位，再通過(guò)末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘。其中四自由度龍門(mén)式草莓采摘機(jī)器人，還解決了在較窄壟溝收獲草莓難度大的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明該采摘機(jī)器人對(duì)草莓成熟度的判斷準(zhǔn)確率為91.7%，時(shí)間為160ms，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性為93.8%，手爪抓取成功率為89.1%，手爪定位精度為±1.5mm，果柄切斷率95.1%，采摘速度為9.39s/枚。

1.2.2 茄子采摘機(jī)器人

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和濰坊學(xué)院于2006年聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人，該機(jī)器人由四自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械手、DMC運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)字?jǐn)z像頭以及PC機(jī)組成。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的4個(gè)關(guān)節(jié)均為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別與人的腰部、肩部、肘部和腕部相對(duì)應(yīng)。對(duì)目標(biāo)果實(shí)則采用基于直方圖的固定雙閾值法對(duì)G-B灰度圖像進(jìn)行分割，通過(guò)對(duì)圖像分割得到果實(shí)目標(biāo)的二值圖像，并進(jìn)行邊緣提取、輪廓跟蹤和輪廓標(biāo)記。性能測(cè)試結(jié)果表明該機(jī)器人抓取成功率為89%，平均耗時(shí)為37.4s。

1.2.3 番茄采摘機(jī)器人

1）浙江大學(xué)的梁喜鳳根據(jù)西紅柿采摘作業(yè)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了由兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成的七自由度冗余機(jī)械手，并對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化、工作空間和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與仿真，為西紅柿采摘機(jī)器人的實(shí)際開(kāi)發(fā)提供了良好的參考模型。

2）中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙金英、張鐵中等于2006年設(shè)計(jì)了五自由度關(guān)節(jié)式西紅柿采摘機(jī)器人，其絕對(duì)定位精度誤差可在10mm之內(nèi)，抓取成功率為72%。

3）南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長(zhǎng)英等人則在番茄采摘中運(yùn)用雙目立體視覺(jué)技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位，并運(yùn)用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復(fù)目標(biāo)的三維坐標(biāo)，當(dāng)目標(biāo)與攝像機(jī)的距離為300～400mm時(shí)，深度誤差可控制在3%～4%。

1.2.4 黃瓜采摘機(jī)器人

中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的湯修映、張鐵中等于2007年研制了六自由度圓柱型黃瓜采摘機(jī)器人。該機(jī)器人擁有六自由度機(jī)械臂，各關(guān)節(jié)均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；視覺(jué)系統(tǒng)采用基于RGB模型G分量的圖像分割算法，分割成功率為70%左右；末端執(zhí)行器由一個(gè)活動(dòng)刃口和固定刃口組成。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位精度為±2.5mm，末端執(zhí)行器的采摘成功率達(dá)到93.3%。

2 果蔬采摘機(jī)器人發(fā)展存在的問(wèn)題及解決思路

2.1 主要存在的問(wèn)題

雖然目前果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展取得了較大進(jìn)步，但相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，其發(fā)展較為落后，主要存在以下方面問(wèn)題。

1）定位和識(shí)別功能較差。在果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，水果和葉子等往往容易重疊在一起；并且光照條件具有不確定，從而導(dǎo)致圖像中存在噪聲和各種干擾信息，降低了識(shí)別和定位目標(biāo)果實(shí)的準(zhǔn)確率。因此，采摘對(duì)象的智能化識(shí)別和定位問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。（2）采摘效率不高。由于果蔬收獲機(jī)器人需要進(jìn)行圖像處理、控制系統(tǒng)等步驟，大多數(shù)采摘機(jī)器人的效率不高。例如荷蘭的IMAG研究所開(kāi)發(fā)的黃瓜收獲機(jī)器人其采摘速度為45s/根；韓國(guó)研制的自動(dòng)摘蘋(píng)果機(jī)器人，摘一個(gè)蘋(píng)果需要10～20s；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中教授對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域有較深研究，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的四自由度龍門(mén)式草莓采摘機(jī)器人采摘速度為9.39s/枚；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和濰坊學(xué)院聯(lián)合研制的茄子采摘機(jī)器人采摘速度為37.4s/根。這些采摘速度均低于人工采摘速度。要使果蔬采摘機(jī)器人真正應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，就必須要提高作業(yè)效率以及作業(yè)準(zhǔn)確度。（3）成本較高。果蔬采摘機(jī)器人與工業(yè)機(jī)器人相比，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且生產(chǎn)周期短、設(shè)備利用率低，因此，其制造、使用和維護(hù)成本均比工業(yè)機(jī)器人高。（4）通用性差。一種采摘機(jī)器人只是針對(duì)某一特定植物完成單一的任務(wù)，各類機(jī)器人之間幾乎沒(méi)有通用性。

2.2 解決思路

為了突破限制果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展因素，就必須解決以上的問(wèn)題，這樣才能加速果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展，盡快實(shí)現(xiàn)商品化。

（1）研究能夠精確識(shí)別和定位目標(biāo)果實(shí)的圖像處理及視覺(jué)傳感技術(shù)。（2）盡量提高機(jī)器處理信息及執(zhí)行命令的速度，并采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單執(zhí)行步驟最少的機(jī)械結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。（3）選用材料應(yīng)盡量考慮經(jīng)濟(jì)因素，選擇性價(jià)比高的產(chǎn)品及材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以降低制造成本。（4）采用開(kāi)放式的控制系統(tǒng)，并增強(qiáng)果蔬采摘機(jī)器人的通用性，提高其使用效率。（5）在研究果蔬采摘機(jī)器人時(shí)，應(yīng)注重農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的結(jié)合，可以通過(guò)改變果蔬的栽培模式來(lái)降低采摘的復(fù)雜性，使果蔬采摘機(jī)器人的視覺(jué)定位和移動(dòng)變簡(jiǎn)單。

3 結(jié)語(yǔ)

從目前國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，果蔬采摘機(jī)器人仍處于研究階段，要實(shí)現(xiàn)果蔬采摘機(jī)器人的商品化，仍需做更深入的研究，進(jìn)一步提高果蔬采摘機(jī)器人的生產(chǎn)效率、精度，降低制造成本，增強(qiáng)其通用性。

1 王素霞.日本的果蔬采摘機(jī)器人.河北農(nóng)機(jī)，2007年，06期，22頁(yè)

2 張潔,李艷文.果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、問(wèn)題及對(duì)策.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010年，06期，2-4頁(yè)

3 陳中玉，馬 方.淺析采摘機(jī)械臂的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.吉林農(nóng)業(yè)，2010年，10期，119頁(yè)

4 李占坤.果樹(shù)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)：[碩士學(xué)位論文].江蘇，江蘇大學(xué)，2010年5月

5 王燕.黃瓜采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研究：[博士學(xué)位論文].浙江，浙江工業(yè)大學(xué)，2010年4月

6 近藤直，門(mén)田充司，野口伸.農(nóng)業(yè)機(jī)器人Ⅱ.機(jī)構(gòu)與實(shí)例.（孫明，李民贊.）北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009年