淺析果蔬采摘機械人研究現(xiàn)狀

張盛 李艷聰 鄭爽爽 王睿 王東陽 顧典榮

摘 要：介紹了果蔬機械化采摘的重要意義，敘述了國內(nèi)外果蔬采摘機械人的研究現(xiàn)狀，簡述了幾種典型的采摘機械人的研究成果。

關(guān)鍵詞：果蔬；采摘機械人；研究現(xiàn)狀

引言

隨著計算機技術(shù)和自動化技術(shù)的快速發(fā)展，我們正朝著一個智能化的機械時代邁進(jìn)，農(nóng)業(yè)機器人已經(jīng)滲入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的方方面面，成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)趨于智能化、自動化的重要標(biāo)志。在中國，蔬菜和水果分別是第二、三大種植作物，是很多地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)[1]。但就目前來看，果蔬生產(chǎn)機械化程度較低，特別是采摘這一環(huán)節(jié)，人工采摘作業(yè)效率低、成本高，而且進(jìn)入21世紀(jì)以來，人口老齡化問題你日趨嚴(yán)重。因此，加大對果蔬采摘機械人的研究力度，對未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有很大的實用價值。

1 國外采摘機械人的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

美國是最早進(jìn)行采摘機械人研究的國家。1968年，學(xué)者Schertz和Brown首次提出了運用機械人來采摘果蔬的先進(jìn)思想，而第一臺采摘機械人也是于1983年在美國誕生[2]。在之后的時間里，隨著機器人技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和日趨成熟，日本、美國、荷蘭、法國、英國、意大利、以色列、西班牙、韓國等國家都在采摘機械人上都做了大量的研究工作，并在很多試驗中都取得了一定的成功，其中包括番茄、蘋果、柑橘、黃瓜、葡萄、草莓等果蔬采摘機械人。但是由于采摘環(huán)境及采摘目標(biāo)的復(fù)雜性，目前市場上仍然沒有出現(xiàn)商品化的采摘機械人。

1.1 番茄采摘機械人

番茄采摘機械人是研究較早的采摘機械人項目[3]。20世紀(jì)90年代，日本崗山大學(xué)Kondo等人通過對Noboru Kawamura等人的五自由度番茄收獲機械手的進(jìn)一步改良研制出了一種七自由度的番茄采摘機械人。其主要由五個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和兩個移動關(guān)節(jié)組成，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)主要用來確定機械手在空間的位姿，移動關(guān)節(jié)主要用來確定機械手末端執(zhí)行器的位置。此外，因為番茄果實比較柔軟，所以在其末端采摘手指上套了橡皮指套，有效的避免了對果實的傷害。但是對于生長在枝葉繁茂處的成熟番茄來說，機械手無法避開障礙物規(guī)劃路徑，完成采摘作業(yè)。

1.2 草莓采摘機械人

在日本，草莓通常是在溫室里種植，植株較高，人工采摘十分不方便，根據(jù)這些特點，近藤等人研制出了一種五自由度氣吸式草莓采摘機械人。其工作過程大致分為四步，由機械人的視覺系統(tǒng)定位出成熟草莓的空間位置；將自身移動到設(shè)定位置；末端執(zhí)行器工作吸住草莓；通過切片的旋轉(zhuǎn)使草莓果實與果梗分離[4]。這種設(shè)備不但可以減小對果實的定位誤差，而且能夠在最大程度上減少果實表皮與設(shè)備之間的摩擦。但是它仍然存在整體結(jié)構(gòu)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等諸多缺點需要改進(jìn)[5]。

1.3 柑橘采摘機械人

基于人機協(xié)作的思想，西班牙工業(yè)自動化研究所研制出了一種柑橘采摘機械人[6]。該機構(gòu)的主體由機械手、超聲傳感定位器和視覺系統(tǒng)組成，并安裝在拖拉機上來實現(xiàn)機構(gòu)的移動。它能夠根據(jù)柑橘的顏色、大小以及形狀來判斷其是否成熟。這類機械人每分鐘可以采摘近六十個柑橘，采摘完成后，還可按色澤、大小進(jìn)行分級裝箱，大大提高了采摘效率。

1.4 蘋果采摘機械人

蘋果采摘機械人在美國、韓國、日本等國家均有研究，其中影響較大的是Johan Baeten等人研制的蘋果采摘機械人[7]。此機械人將工業(yè)機器人的六自由度手臂作為機械臂的主體，與其他機械人相比，它不僅可以進(jìn)行水平方向上的移動，還可以豎直移動，最大程度的擴大了采摘范圍。但是整個機器人還存在占地面積較大且質(zhì)量重，成本高，適用范圍?。▋H適用于植株較矮的蘋果樹）等諸多問題，因此商品化程度較低。此外，韓國慶北大學(xué)研究出了一種具有四個自由度的蘋果采摘機械人，它包括一個移動關(guān)節(jié)和三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)[8]。為了避免損傷蘋果，還在末端執(zhí)行器上安裝了壓力傳感器，有效避免了末端執(zhí)行器對蘋果表皮的損傷。

2 國內(nèi)采摘機械人的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代中期，國內(nèi)才開始對采摘機械人技術(shù)進(jìn)行研究，相對于其他發(fā)達(dá)國家起步晚、投資少、發(fā)展慢，目前仍處于起步階段[9]。但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，科技的不斷創(chuàng)新，國內(nèi)的一些院校、學(xué)者開始對采摘機械人進(jìn)行了廣泛深入的研究，同類型產(chǎn)品也不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)取得了很不錯的階段性成果。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中教授率先在我國開展了自動化嫁接技術(shù)的研究工作，并在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果蔬采摘機器人方面做出了較深入的研究，研制出了一系列的試驗樣機。其中，他與湯修映等人研制出的黃瓜采摘機器人具有六個自由度，基于RGB三基色模型的G分量進(jìn)行圖像分割，之后再確定黃瓜的采摘點，提高了采摘的準(zhǔn)確性。目前，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制的林木球果采摘機器人已經(jīng)完成了實體采摘試驗。這種機器人采凈率高，效率高達(dá)500千克/天，約是人工采摘的40倍[10]。在視覺技術(shù)方面，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合等運用雙目立體視覺技術(shù)對成熟番茄進(jìn)行定位[11]，將成熟番茄與周圍干擾環(huán)境分開，在番茄采摘機械人的視覺方面取得了很大的成績。此外，上海交通大學(xué)機器人研究所的曹其新等人進(jìn)行了用于精確農(nóng)業(yè)的智能農(nóng)業(yè)機械的研究工作，現(xiàn)已完成了蔬菜工廠化育苗播種流水線樣機、智能化聯(lián)合收割機的研制，并且在草莓揀選機器人方面取得了一定的成效[12]。

3 結(jié)束語

觀察國內(nèi)外果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀，目前技術(shù)還不是十分成熟，仍處于從試驗到推廣的過渡性階段。但是采摘機械人作為農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的一種新興產(chǎn)業(yè)，還是具有很大的發(fā)展?jié)摿?。要想讓采摘機械人能夠適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境成功的完成采摘作業(yè)，還需要研究工作者做出深入的研究和不懈的努力，將開放、新穎的思想應(yīng)用于采摘機械人的設(shè)計理念當(dāng)中，使其不斷地完善。相信在不久的將來，采摘機械人能夠克服種種技術(shù)上的阻礙，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，最終實現(xiàn)其商品化。

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作者簡介：張盛（1993-），男，天津人。

*通訊作者：李艷聰（1965-），女，天津人，教授，博士。