關(guān)于果蔬采摘機(jī)器人的研究探討

李祥亮

【摘 要】在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人力采摘果蔬的果實(shí)需要耗費(fèi)相當(dāng)大的人力物力，在工業(yè)生產(chǎn)浪潮下，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)果蔬采摘機(jī)械化已經(jīng)是一種趨勢(shì)。本文就目前果蔬采摘機(jī)器人的現(xiàn)狀進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】果蔬采摘機(jī)器人；識(shí)別率；定位；末端執(zhí)行器

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，果蔬的栽培和生長(zhǎng)需要用較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)進(jìn)行，當(dāng)果蔬成熟之后，又需要耗費(fèi)大量的經(jīng)歷來(lái)對(duì)其進(jìn)行采摘，如果采摘不恰當(dāng)，對(duì)果蔬造成了損害，就會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。果蔬的采摘工作是一項(xiàng)需要耗費(fèi)很多勞動(dòng)力的過(guò)程，而且在工業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的今天，從事農(nóng)業(yè)活動(dòng)的人已經(jīng)越來(lái)越少，如果人力不足的話(huà)，對(duì)于果蔬的采摘是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但是僅僅依靠人力也已經(jīng)滿(mǎn)足不了現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)信息技術(shù)的快速發(fā)展帶動(dòng)下，由機(jī)器代替人來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)采摘工作，已經(jīng)不是那么遙遠(yuǎn)的事情了，以我們現(xiàn)在的技術(shù)已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)，而這種機(jī)器就是果蔬采摘機(jī)器人。

這類(lèi)機(jī)器人可以通過(guò)相關(guān)的機(jī)械和預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序，自動(dòng)的對(duì)果蔬進(jìn)行采摘等工作，實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作，涉及很多交叉學(xué)科，比如機(jī)械學(xué)科、電子信息、傳感器、視覺(jué)信息處理等，這些技術(shù)的綜合使用，使得采摘機(jī)器人能夠代替人來(lái)完成對(duì)成熟果蔬的采摘任務(wù)。而且，與人力采摘相比，采摘機(jī)器人有很多的優(yōu)勢(shì)，比如機(jī)械化的采摘可以緩解勞動(dòng)力不足、勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大的問(wèn)題，減輕了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)者的負(fù)擔(dān)，人力采摘的時(shí)候要接觸農(nóng)藥等有害物質(zhì)，采用機(jī)器可以避免人接觸這些物質(zhì)，保護(hù)人的安全，而且機(jī)器采摘目前已經(jīng)可以達(dá)到較高的采摘質(zhì)量和效果，可以較長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，提高了果蔬的采摘效率，創(chuàng)造了更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可以說(shuō)，果蔬采摘機(jī)器人已經(jīng)是國(guó)際上發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。我國(guó)在采摘機(jī)器人方面的研究還處于起步階段，而很多西方國(guó)家在二十世紀(jì)八十年代就開(kāi)始研制了，因此，在這方面，我們國(guó)家還需要加快腳步。

1.采摘機(jī)器人目前存在的問(wèn)題

1.1果蔬的識(shí)別率較低、定位精確度不高

果蔬采摘機(jī)器人要想實(shí)現(xiàn)采摘的動(dòng)作，首先要對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別，并且根據(jù)識(shí)別來(lái)定位果蔬果實(shí)的位置，進(jìn)而執(zhí)行采摘的動(dòng)作。但是在實(shí)際的過(guò)程中，果蔬的果實(shí)是千差萬(wàn)別的，不僅形狀、大小不一樣，而且果實(shí)的生長(zhǎng)情況不同也會(huì)導(dǎo)致顏色不同，成熟的程度也不同，有的熟的比較透，而有一些還沒(méi)熟，通過(guò)視覺(jué)識(shí)別來(lái)對(duì)這么復(fù)雜的果實(shí)進(jìn)行識(shí)別，效果確實(shí)不好。目前對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別，有一些方法，比如顏色識(shí)別法、區(qū)域識(shí)別等，但是這些方法都會(huì)受到光照條件的影響，在定位方面，也很難實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位，比如果實(shí)被樹(shù)葉遮擋以后，就難以準(zhǔn)確的對(duì)其輪廓進(jìn)行判斷，從而影響定位。

1.2采摘環(huán)境給采摘帶來(lái)不便

果蔬的生長(zhǎng)環(huán)境一般都是自然環(huán)境當(dāng)中，受到自然的影響比較大，比如在采摘過(guò)程中樹(shù)枝受到風(fēng)的影響而不斷搖晃，那么機(jī)器人就無(wú)法準(zhǔn)確的定位，也無(wú)法進(jìn)行采摘?jiǎng)幼?，再比如受到枝葉遮擋的果蔬，采摘機(jī)器人難以識(shí)別，而且采摘的地形多變，機(jī)器人還需要具備一定的壁障能力。

1.3果實(shí)的損傷比較大

對(duì)于一些果實(shí)而言，在采摘過(guò)程中必須十分的小心才能不被破壞，一般在采摘機(jī)器人的手臂上安裝一定的力度感知器，可以讓其在采摘過(guò)程中不至于力度過(guò)大對(duì)果實(shí)造成損害，但是有的果實(shí)力度不足的話(huà)難以摘下來(lái)；還有一種方法是把果實(shí)的柄切斷，但是這種方法的弊端是刀的磨損比較嚴(yán)重，而且當(dāng)空間比較小的時(shí)候，難以通過(guò)這種方法完成采摘。

1.4果實(shí)平均采摘周期長(zhǎng)、效率低下

將果蔬采摘機(jī)器人應(yīng)用到果蔬的采摘當(dāng)中代替人力，一方面就是為了提高采摘的效率，但是實(shí)際應(yīng)用中的效果并不好，采摘過(guò)程需要耗費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，雖然可以減少勞動(dòng)力的疲勞強(qiáng)度，但是與人工采摘相比，單個(gè)果實(shí)的采摘速度機(jī)器人是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于人力采摘的。

2.提高果蔬采摘機(jī)器人效率的措施

2.1改進(jìn)識(shí)別系統(tǒng)

目前的識(shí)別方式以及算法無(wú)法精確的對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別，要研究出一種精度較高的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，使大部分的果實(shí)都能被識(shí)別出來(lái)并能夠準(zhǔn)確的將其定位，這需要在多種技術(shù)上取得進(jìn)展，要將圖像處理和傳感器技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的發(fā)展，提高識(shí)別精度。

2.2改變果蔬栽培的模式

果蔬的栽培方式是人為可控的，我們可以將果蔬的栽培向著有利于采摘機(jī)器人工作的方向發(fā)展，要讓采摘機(jī)器人可以很好的移動(dòng)和更加便利的對(duì)果蔬果實(shí)進(jìn)行定位，以提高采摘的效率。

2.3提高機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性、平穩(wěn)性和控制的復(fù)雜性。采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)必須更加緊湊和簡(jiǎn)化，優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的柔性和靈巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果實(shí)的損傷率。

2.4開(kāi)放式控制系統(tǒng)

采用開(kāi)放式的控制系統(tǒng)，提高采摘機(jī)器人的通用性。只要改變機(jī)器人的機(jī)械本體和末端執(zhí)行器，用一套控制系統(tǒng)就能完成不同果蔬的采摘， 從而提高控制系統(tǒng)的利用率、降低成本。

3.結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前果蔬采摘機(jī)器人的研究正處于由試驗(yàn)階段向?qū)嵱猛茝V階段的過(guò)渡時(shí)期，我國(guó)在這方面的研究更是只處于起步階段。要想讓采摘機(jī)器人真正造福于人，必須進(jìn)行更深入廣泛的研究，改進(jìn)目前采摘機(jī)器人存在的問(wèn)題與不足，研究開(kāi)發(fā)采摘機(jī)器人的新功能新特點(diǎn)。另外，將開(kāi)放式控制系統(tǒng)應(yīng)用于采摘機(jī)器人是采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)之一。未來(lái)的采摘機(jī)器人將真正做到一機(jī)多用，不僅可以采摘多種果蔬還可以實(shí)現(xiàn)多種用途。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]熊俊濤，鄒湘軍，王紅軍，彭紅星，朱夢(mèng)思，林桂潮.基于Retinex圖像增強(qiáng)的不同光照條件下的成熟荔枝識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，12：170-178.

[2]楊慶華，王燕，高峰，鮑官軍，荀一，錢(qián)少明，張立彬.基于擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的黃瓜采摘機(jī)器人終端滑模軌跡跟蹤控制[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，05：94-99.