溫室采摘機器人技術研究進展分析

劉繼展

(江蘇大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術教育部重點實驗室， 鎮(zhèn)江 212013)

引言

世界上廣泛應用溫室進行設施栽培，20 世紀后期以來設施農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)得到了大規(guī)模迅猛發(fā)展。設施農(nóng)業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，其中鮮食果蔬的收獲又是占用勞動力最多[1-2]且最難以實現(xiàn)機械化作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)。即使發(fā)達國家的設施農(nóng)業(yè)作業(yè)已達到了高度自動化，但采摘環(huán)節(jié)仍依賴大量人工來完成，實現(xiàn)采摘作業(yè)的自動化已成為設施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的現(xiàn)實需求。因此，國內(nèi)外針對溫室采摘機器人技術開展了大量研究并取得了重要成果。

中國現(xiàn)有設施農(nóng)業(yè)面積超過400萬hm2，占世界設施園藝總面積的85%。近幾十年來中國的設施農(nóng)業(yè)借助農(nóng)業(yè)勞動力資源豐富的優(yōu)勢實現(xiàn)了超高速發(fā)展，但是農(nóng)業(yè)勞動力急缺、農(nóng)業(yè)勞動力成本驟升和居民對設施蔬果品質(zhì)要求的提高，已使我國設施農(nóng)業(yè)遇到了發(fā)展的瓶頸。解決關鍵采摘環(huán)節(jié)的勞動力替代問題，使我國采摘機器人技術快速發(fā)展成為必然。

番茄、草莓和黃瓜、甜椒、茄子是全球生產(chǎn)和消費最為廣泛的鮮食菜果，也是采摘機器人研究最為活躍、研發(fā)成果最為豐富的領域。本文針對上述果蔬采摘機器人的研究現(xiàn)狀進行闡述，進而總結溫室采摘機器人發(fā)展的技術關鍵與歷史特征，并對其未來發(fā)展趨勢進行展望。

1 番茄采摘機器人技術

1.1 鮮食番茄及其機器人采摘

番茄是全球最廣泛種植和廣受歡迎的蔬果之一，盡管發(fā)達國家的加工番茄所占比重較大，但鮮食番茄仍占全球番茄產(chǎn)量的近80%，而中國鮮食番茄比重更高達90%。與加工番茄已普遍實現(xiàn)機械化收獲相比，鮮食番茄的收獲仍完全依賴人工，因而其機器人選擇性采摘研究較早得到全球研究者的重視并產(chǎn)生了諸多成果。

同時，番茄具有成串生長特性，但針對番茄成熟的差異及鮮食番茄市場的需要，目前除了KONDO等[3-5]進行了成串番茄采摘機器人的開發(fā)研究以外(圖1)，絕大多數(shù)研究均面對番茄的單果采摘。番茄的成串生長造成果實之間貼碰與重疊遮擋嚴重，番茄果實的生長方位差異極大，使番茄亦被公認為機器人收獲難度最大的蔬果之一。

圖1 KONDO等開發(fā)的番茄成穗采摘機器人Fig.1 Tomato cluster harvesting robot developed by KONDO

1.2 日本的番茄采摘機器人研究成果

日本早在20世紀80年代初即開始了番茄采摘機器人的研究，數(shù)十年來京都大學、岡山大學、島根大學、神奈川技術學院、大阪州立大學等高校以及武豊町設施生產(chǎn)部等均推出了番茄采摘機器人樣機，近藤直、門田充司等專家引領了番茄采摘機器人技術的研究方向。

1.2.1番茄果實的逐個采摘

京都大學的川村登等較早進行了番茄采摘機器人的開發(fā)[6-7](圖2)，樣機采用0.52、0.25 m/s的雙速電動輪式底盤、5自由度關節(jié)式機械臂和兩指夾持器，利用單相機相對于底盤的位姿移動檢測實現(xiàn)對果實的定位。盡管限于當時的技術條件，樣機的結構與性能尚不夠完善，但已構成了移動式番茄采摘機器人的基本實現(xiàn)原理和框架。

圖2 京都大學開發(fā)的番茄采摘機器人Fig.2 Tomato harvesting robot of Kyoto University

KONDO等也參與了上述研究，并隨后進行了番茄采摘機器人的系統(tǒng)開發(fā)[8-13](圖3)，采用輪式底盤和7自由度冗余機械臂，使機械臂的工作空間和姿態(tài)多樣性能夠有效滿足番茄果實采摘的避障與到達要求。先后研發(fā)了兩指和柔性四指末端執(zhí)行器[13-15]，均安裝了真空吸持系統(tǒng)并采用了相似的動作原理，即首先由吸盤吸持拉動果實將目標果實從果穗中相鄰果實間隔離出來，再夾持果實，通過扭斷或折斷果梗的方式實現(xiàn)采摘。該研究對全球番茄采摘機器人的發(fā)展具有重要的影響。

圖3 KONDO等開發(fā)的番茄采摘機器人Fig.3 Tomato harvesting robot developed by KONDO

圖4 針對單架逆生栽培模式的番茄采摘機器人Fig.4 Harvesting robot for single truss upside down tomato production

KONDO和門田充司等進而針對單架逆生番茄栽培模式提出了不同的機器人結構[16-17](圖4)。該模式中番茄根部生在上部的移動水培槽內(nèi)，而果串下垂生長，枝葉修剪后機器人能夠更容易發(fā)現(xiàn)和到達果串。因而僅由平面直角坐標機械臂配置與圖4相同的柔性四指末端執(zhí)行器即可滿足采摘動作需要。試驗證實末端執(zhí)行器對果實的采摘總成功率為78%，其中過成熟果實會造成夾持的滑脫而無法施加彎折，并由于果梗開始木質(zhì)化而難以順利折斷；而由于未成熟果實的離層發(fā)育不充分，折斷率也受到影響。

HAYASHI等[18]開發(fā)的番茄采摘機器人(圖5a)，由雙目視覺進行成熟果實的識別與定位，采用了2 900 mm×1 400 mm的履帶式底盤和三菱5自由度垂直多關節(jié)型機械臂，其末端執(zhí)行器通過真空吸盤將果實吸持拉動一定距離后，兩指夾持住果實后扭斷或切斷果梗(圖5b)。試驗前先通過人工摘除葉子和未成熟果實，進行了環(huán)境簡化，試驗結果表明單果的采摘周期為41 s，其中成熟果實的識別耗時和正確識別率分別為7s和92.5%，其中83.8%能采下，但其中1/3出現(xiàn)果皮破裂等損傷，因而總的成功采摘率僅為56.8%。對于番茄采收而言，該機尺寸偏大，末端夾持分離方式的損傷率偏高，同時復雜實際環(huán)境的作業(yè)效果尚待證實。

圖5 HAYASHI開發(fā)的番茄采摘機器人Fig.5 Tomato harvesting robot developed by HAYASHI

YASUKAWA等[19]以單架栽培番茄為對象，開發(fā)了簡易的軌道式番茄采摘機器人樣機(圖6)，包括商用6自由度串聯(lián)式機械臂和末端執(zhí)行器，并由Kinect V2體感攝像頭的彩色與紅外信息融合實現(xiàn)果實的識別。該樣機尚需進行室內(nèi)與田間的試驗驗證。

圖6 YASUKAWA設計的番茄采摘機器人Fig.6 Tomato harvesting robot developed by YASUKAWA

圖7 YAGUCHI研制的番茄采摘機器人Fig.7 Tomato harvesting robot developed by YAGUCHI

東京大學YAGUCHI等[20]利用電動輪式全方位底盤、UR5通用6關節(jié)機械臂、Sony的PS4雙目立體相機，并配備夾持扭轉式兩自由度末端執(zhí)行器組成的番茄采摘機器人(圖7a)，可實現(xiàn)自然光下溫室淺通道內(nèi)的采摘作業(yè)，經(jīng)過優(yōu)化使每果的識別采摘周期從85 s下降為23 s，作業(yè)中會出現(xiàn)夾持失敗、花萼受損和夾持多果而采摘失敗的現(xiàn)象。

該研究組還開發(fā)了仿人型雙臂式番茄采摘機器人(圖7b)[21]，該機器人裝備了全方位底盤，并在頭部和腕部分別安裝Xtion和Carmine體感攝像頭，每臂有7個自由度，并安裝夾剪一體式末端執(zhí)行器。該機器人完成了室內(nèi)懸掛番茄的采摘試驗，目前僅能由人發(fā)送命令來完成采摘，證實了仿人作業(yè)的可行性，但識別定位和作業(yè)中均有待完善和改進。

1.2.2櫻桃番茄果實的逐個采摘

KONDO等[22-24]開發(fā)的櫻桃番茄采摘機器人，采用了電動4輪底盤和與普通番茄單果采摘相同的7自由度冗余度機械臂，開發(fā)了針對櫻桃番茄的吸入-切斷-軟管回收式末端執(zhí)行器，通過真空將櫻桃番茄吸入軟管，并由鉗子合攏夾斷果梗，番茄經(jīng)軟管輸送到果箱中(圖8)。這類末端執(zhí)行器通常只適用于櫻桃番茄、草莓等小果實的采摘，且軟管必須經(jīng)過精心設計，以避免果實的損傷[23]。通過底盤上單相機的水平與豎直移動獲得兩幅圖像，從而實現(xiàn)目標果實定位。試驗發(fā)現(xiàn)采摘成功率為70%，對于較短和較粗果梗的果實，吸入環(huán)節(jié)出現(xiàn)困難。該機器人對單架栽培櫻桃番茄具有較好的采摘效果，而對于有兩個以上長梗的多架栽培，由于會出現(xiàn)果串定位錯誤，初期試驗成功率僅23%[22]。

圖8 KONDO開發(fā)的櫻桃番茄采摘機器人Fig.8 Cherry tomato harvesting robot developed by KONDO

大阪府立大學的TANIGAKI等[25]認為，植株的種植模式對機器人采摘的性能影響很大。對傳統(tǒng)的杯型種植，果實非常分散，機器人需要很大的工作空間，同時枝干的空間分布使采摘作業(yè)非常困難，而單枝栽培模式由于葉柄很短，果實識別大大簡化。針對單枝栽培櫻桃番茄開發(fā)的采摘機器人(圖9)，采用3維視覺傳感器，并設計了4自由度關節(jié)式機械臂和吸-夾-折斷式末端執(zhí)行器。 試驗發(fā)現(xiàn)，果實識別成功率為59%，盡管通過調(diào)整傳感器方向可以檢測出部分隱藏的果實，但仍有很多被遮擋果實不能檢出。單果的采摘時間約為14 s，盡管該末端執(zhí)行器兩指上都加裝了半環(huán)型橡膠板，但相鄰的番茄和障礙物仍然可能進入兩指間，從而造成手指不能正確夾持目標果實的果梗，并可能造成果實損傷。

圖9 大阪府立大學設計的櫻桃番茄采摘機器人Fig.9 Cherry tomato harvesting robot developed by Osaka Prefecture University

圖10 FUJIURA等開發(fā)的櫻桃番茄采摘機器人Fig.10 Cherry tomato harvesting robot developed by FUJIURA

FUJIURA等[26-27]針對45° 傾斜水培櫻桃番茄進行了采摘機器人的開發(fā)(圖10)。該模式中番茄植株以45 cm間隔定植，由麻繩45° 傾斜吊蔓，被采果實在均勻高度范圍內(nèi)。開發(fā)的樣機采用四驅(qū)電動輪式底盤，配置4自由度直角坐標機械臂，在末端執(zhí)行器前部安裝近紅外立體視覺傳感器，初期采用軟管吸入折斷和回收方式，后改為通過吸持-擺動剪斷并由開口布袋回收入果箱。在大阪南區(qū)農(nóng)家溫室的試驗表明，135粒果實的收獲成功率為85%，其中花萼未受損率為92%，完成22粒果實收獲的總時間為252 s。而在其校內(nèi)栽培設施內(nèi)進行的試驗中，129粒果實的收獲成功率為81%，其中花萼未受損率達到了98%。

FUJIURA等[28-29]進而將該果實識別定位與技術應用于移動型栽培櫻桃番茄，因而機器人可以不用移動底盤而以臺式完成工作。田間試驗證實其單果采摘周期約為12 s，采摘成功率達到了81%，其中98%的果實的花萼保持了完整。

1.3 中國的番茄采摘機器人研究進展

中國開展番茄采摘機器人研究的時間較晚，但目前科研力量的投入和成果數(shù)量已進入世界前列。中國農(nóng)業(yè)大學李偉團隊開發(fā)的機型[30-31](圖11)，以商用履帶式平底盤為基礎，開發(fā)了4自由度關節(jié)型機械臂和夾剪一體式兩指氣動式末端執(zhí)行器，并配置了雙目視覺系統(tǒng)。試驗結果表明，每一果實采摘平均耗時為28 s，采摘成功率為86%，其中陰影、亮斑、遮擋對識別效果造成影響，且在茂盛冠層間機械臂會刮蹭到莖葉并造成果實偏移，同時末端執(zhí)行器可能會無法實施夾持，較粗果梗無法剪斷或拉拽過程中果實掉落。

圖11 李偉團隊設計的番茄采摘機器人Fig.11 Tomato harvesting robot developed by LI Wei team of China Agricultural University

國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心馮青春等[32-33]針對吊線栽培番茄開發(fā)的采摘機器人(圖12)，采用軌道式移動升降平臺，配置4自由度關節(jié)式機械臂，并設計了吸持拉入套筒、氣囊夾緊進而旋擰分離的末端執(zhí)行器結構，并配置了線激光視覺系統(tǒng)，分別由CCD相機和激光豎直掃描實現(xiàn)果實的識別和定位。試驗結果發(fā)現(xiàn)，番茄單果的采摘作業(yè)耗時約24 s，在強光和弱光下的采摘成功率分別達83.9%和79.4%。

圖12 馮青春等設計的番茄采摘機器人Fig.12 Tomato harvesting robot developed by FENG Qingchun

上海交通大學ZHAO等[34]為提高作業(yè)效率，開發(fā)了雙臂式番茄采摘機器人(圖13)，利用溫室內(nèi)的加熱管作為底盤行進軌道，安裝了2只3自由度PRR式機械臂，并分別開發(fā)了帶傳動滾刀式末端執(zhí)行器和吸盤筒式末端執(zhí)行器，利用雙目立體視覺系統(tǒng)實現(xiàn)果實的識別與定位。

圖13 上海交通大學ZHAO等設計的番茄采摘機器人Fig.13 Tomato harvesting robot developed by ZHAO et al. from Shanghai Jiaotong University

江蘇大學劉繼展等[35-37]圍繞番茄采摘機器人技術開展了持續(xù)研究。所開發(fā)的新型末端執(zhí)行器(圖14a)，具備多維力位感知能力，配置了真空吸盤裝置和由光纖激光器、聚焦透鏡及微型電機系統(tǒng)構成的果梗激光切割裝置，并以此為平臺先后開展了果實夾持碰撞與快速柔順采摘[38-42]、果梗激光切割[43-44]、真空吸持拉動建模與控制[37,45-46]、手臂協(xié)調(diào)控制等研究[47-48](圖14b)。隨后針對番茄果實空間分布和快速避障作業(yè)的需要，通過對24種構型的比較優(yōu)選，開發(fā)了4轉動、2直動的伸縮式 PRRRPR 型機械臂[37,49]，進而開發(fā)成功配置輪式底盤、夾剪一體末端執(zhí)行器和雙目視覺系統(tǒng)的移動式番茄采摘機器人樣機(圖14c)和與之協(xié)同作業(yè)的溫室果實接運機器人(圖14d)，實現(xiàn)番茄采摘、現(xiàn)場分級、收集、運輸和卸果的全程自動化作業(yè)[37]。

圖14 江蘇大學劉繼展等設計的番茄采摘機器人及配套接運機器人Fig.14 Tomato harvesting robot and cooperated transport robot developed by LIU Jizhan et al. from Jiangsu University

臺灣國立宜蘭大學CHIU等[50-53]開發(fā)的番茄采摘機器人(圖15)，將三菱5自由度關節(jié)式機械臂和剪叉式升降移動底盤相結合，并加裝了電磁鐵驅(qū)動的四指欠驅(qū)動末端執(zhí)行器，并通過單CCD相機的位置移動對目標果實進行識別和定位。樣機的總體尺寸為1 650 mm×700 mm×1 350 mm，質(zhì)量為219 kg。采摘成功率為73.3%，采摘中未出現(xiàn)損傷，主要失敗原因是吸盤不能對其果實完成吸持，以及果梗無法扭斷。采摘的平均耗時達74.6 s。

圖15 臺灣國立宜蘭大學CHIU研制的番茄采摘機器人Fig.15 Tomato harvesting robot developed by National Ilan University

此外，美國也開展了番茄采摘機器人的研究。美國俄亥俄州立大學LING等[54]開發(fā)的番茄采摘機器人，采用了液壓底盤和商用的安川6自由度機械臂，開發(fā)了配置掌心相機的柔性四指末端執(zhí)行器(圖16)，通過真空吸盤吸持將目標果實拉離果束，進而由四指包絡和拉斷果梗完成采摘。

圖16 俄亥俄州立大學開發(fā)的番茄采摘機器人Fig.16 Tomato harvesting robot developed by Ohio State University

2 草莓采摘機器人技術研究進展

2.1 日本的草莓采摘機器人研究進展

日本是草莓生產(chǎn)和銷售大國，近幾十年來其年產(chǎn)量一直居于世界前列[55]，其草莓采摘機器人研究水平也遙遙領先，先后推出了多種樣機。根據(jù)草莓種植的地面栽培、高壟栽培、架式栽培等不同模式，其識別與采摘機構的原理與結構差異極大，不同研究者提出了形式各異的機器人裝備。

2.1.1高壟栽培的草莓采摘機器人

在日本，傳統(tǒng)地面栽培已逐漸被高壟栽培和高架栽培所替代。高壟栽培將作物種在20～30 cm高的壟上，通過抬高栽培行，增強通風、節(jié)省用水、擴大土壤表面積、防止污染果實，從而有效提高了產(chǎn)量和品質(zhì)。同時，高壟間留下的過道大大方便了田間管理作業(yè)的實施。

日本的高壟栽培分為外培和內(nèi)培兩大類，外培是在高壟上種植兩行草莓，使果實垂在壟地兩側斜面上生長；內(nèi)培是使果實生長在壟內(nèi)即壟地水平面上[56]。由于內(nèi)培的果實結在高壟的水平面上，更適合機器行進采收。目前也主要針對內(nèi)培發(fā)展了各類采摘機器人，并針對梗-果的平躺生長方式多采用豎直向下采摘作業(yè)。

KONDO等[57]針對高壟內(nèi)培草莓開發(fā)的第一代采摘機器人樣機，在龍門式移動平臺上安裝3自由度直角坐標機械臂，并開發(fā)了吸入旋轉切斷式末端執(zhí)行器(圖17)。作業(yè)時，由末端執(zhí)行器上安裝的超聲傳感器測量到高壟面的豎直距離，并由彩色CCD相機檢測果實，進而機械臂移動使末端的吸筒對準果實并下行吸持果實，直到3對光電開關檢測到果實。最后內(nèi)筒轉動將果梗切斷，果實被移送到果盤內(nèi)。試驗發(fā)現(xiàn)，吸持方式對較小果實非常有效，但34%的果實不能被吸持或不能切斷果梗。

圖17 KONDO等開發(fā)的第一代內(nèi)培草莓采摘機器人Fig.17 The first generation harvesting robot for strawberry grown on annual hill top developed by KONDO

ARIMA和KONDO等又開發(fā)了多功能作業(yè)機器人，采摘仍采用龍門行走、直角坐標機械臂和彩色CCD相機，但改用了“勾取切斷式”末端執(zhí)行器[58](圖18)，采摘時鉤子接近并勾住目標果實的果梗，并上提將目標果實拉離附近果實，然后手指夾住果梗，切刀將果梗切斷。對該末端執(zhí)行器的采摘效果未見試驗方面的報道。

圖18 KONDO等改進的內(nèi)培草莓采摘機器人Fig.18 Improved harvesting robot for strawberry grown on annual hill top developed by KONDO

KONDO等[59-61]隨后開發(fā)了第二代采摘機器人樣機，其在第一代基礎上主要改進了末端執(zhí)行器結構 (圖19)，該末端執(zhí)行器利用真空系統(tǒng)將草莓吸入吸頭內(nèi)，吸頭轉動切斷果梗。為增加分離成功率，又增加了張合爪勾住果梗將之切斷。這類末端執(zhí)行器可以認為是吸入旋轉切斷式[57]和勾取切斷式末端執(zhí)行器[58]的結合，可以有效提高采摘成功的幾率，但相應結構復雜性也有所增加。對于果實嬌嫩、果梗柔軟細長的草莓等果實，吸持和勾取可能比夾持的獲取方式更為可行。田間試驗結果發(fā)現(xiàn)單果采摘周期約為7s，果實幾乎能全部成功采下，但臨近的果實可能會隨同目標果實被吸入。

圖19 KONDO等開發(fā)的第二代內(nèi)培草莓采摘機器人Fig.19 The second generation harvesting robot for strawberry grown on annual hill top developed by KONDO

日本宮崎大學的NAGATA、CUI等開發(fā)的采摘機器人(圖20a)，則由3自由度直角坐標機械臂帶動末端執(zhí)行器豎直向下夾持并剪斷果梗[62-65]。首先以氣動平行夾持器為基礎開發(fā)了夾剪一體式末端執(zhí)行器[65](圖20b)，進而又開發(fā)了以氣動平行夾持器帶動的剪刀式夾剪一體末端執(zhí)行器，并配備了光纖傳感器的觸地安全保護(圖22c)。該機器人配置了固定-移動雙相機，在白色或黑色塑料膜背景上進行果實的識別與定位。在該作業(yè)條件下，識別定位與采摘作業(yè)的難度都顯著降低，試驗表明該機器人識別與采摘的平均耗時分別為1 s和6 s，果梗檢測成功率達93%，部分由于遮擋而檢測失敗。在黑色膜上的采摘成功率達96%，不存在誤采但出現(xiàn)少量漏采。在白色膜上由于出現(xiàn)反射亮斑而影響檢測，成熟度較低的果實無法采到，但成功率也超過了90%。

圖20 宮崎大學研制的內(nèi)培草莓采摘機器人Fig.20 Harvesting robot for strawberry grown on annual hill top developed by Miyazaki University

2.1.2高架栽培的草莓采摘機器人

高架栽培是近年來發(fā)展的一種新型栽培模式，通過樹立支撐或懸掛使栽培床離開地面，果實在栽培床兩側懸垂式生長。由于其具有省力、潔凈、高產(chǎn)等優(yōu)勢，得到了迅速發(fā)展和推廣。高架栽培對機器人采摘極其有利：果實懸掛生長，果、葉分離[56]；果梗較長且姿態(tài)簡單；果、葉、梗間的交雜、遮擋很少。高架栽培的大規(guī)模普及為采摘機器人應用提供了條件[56]，相關研究也產(chǎn)生了諸多成果。

愛媛大學ARIMA等[66]針對懸掛式栽培床開發(fā)的草莓采摘機器人 (圖21)，采用4輪獨立驅(qū)動式電動底盤，由于機械臂不需躲避障礙物且控制簡單，因而開發(fā)了5自由度極坐標機械臂，由單CCD相機得到果實的2維信息，而近似認為果實在相同床側豎直平面內(nèi)。開發(fā)了配備光電開關的氣動水平吸持扭轉切斷式末端執(zhí)行器和儲果盤。試驗表明機器人能夠無損采下所有果實，但部分未成熟果實也被采下。單果采摘的平均耗時為14～20 s。同時，研究認為因為高架栽培大大方便了機器人采摘，因而機器人的結構和控制算法可以大大簡化。

圖21 ARIMA等初期開發(fā)的高架草莓采摘機器人Fig.21 Early model of harvesting robot for strawberry grown on table top culture earlier developed by ARIMA et al

ARIMA、KONDO在上述研究基礎上，對機器人結構進行了簡化改進，在栽培床下安裝3坐標平動和1轉動直角坐標機械臂，并沿用“吸入切斷式”末端執(zhí)行器結構，由真空泵產(chǎn)生真空，吸頭將果實吸入末端執(zhí)行器，由3個光電傳感器確定果實的位置，腕部轉動將果梗引導進入切割位置將之切斷[60,67](圖22)。機器人仍由單CCD相機進行果實的識別和定位。試驗發(fā)現(xiàn)果實能夠無損采下，但仍存在臨近的未成熟果實容易隨同目標果實被一同吸入采下的不足。由于結構和控制算法的簡化，每果的采摘耗時縮短到10 s左右[60,67-70]。

圖22 KONDO等改進的高架草莓采摘機器人Fig.22 Improved harvesting robot for strawberry grown on table top culture developed by KONDO et al

圖23 KONDO與農(nóng)研機構聯(lián)合開發(fā)的第二代高架草莓采摘機器人樣機Fig.23 Second generation harvesting robot for strawberry grown on table top culture developed by KONDO and BRAIN

KONDO與農(nóng)研機構HAYASHI等聯(lián)合開發(fā)的第二代采摘機器人樣機(圖23)，在導軌移動平臺上安裝龍門式橫移、上下直動和水平旋轉3自由度直角坐標機械臂，并用5個120粒發(fā)光二極管式LED光源和3個相機構成機器視覺單元，兩側相機用來對果實識別和定位，而中心相機則用于識別果梗和判斷其傾角。開發(fā)的“吸持-夾持切斷式”草莓采摘機器人末端執(zhí)行器[2, 60,71]，在夾剪一體夾持器的基礎上，增加了吸持裝置[2,60,71-72]，用以補償由于草莓尺寸、形狀和環(huán)境差異造成的3維位置誤差[2, 60,71-72]。試驗發(fā)現(xiàn)果梗檢測成功率為60%，有無吸盤時的采摘成功率分別為41.3%和34.9%，每果采摘的平均耗時為11.5 s。失敗主要源自左右相機圖像的匹配失敗，而吸盤對采摘成功率的影響不顯著，僅有助于采后移送中防止晃動，同時存在盡管果梗未被檢出仍成功采摘的情況和未成熟果實被誤采的情況。

HAYASHI等在此第二代樣機基礎上改進推出了第三代和第四代樣機(圖24、25)，第三代樣機沿用了二代樣機的視覺系統(tǒng)結構、軌道移動平臺和龍門式機械臂，但末端執(zhí)行器根據(jù)第二代樣機試驗結果去除了吸盤裝置，并由透射式光電傳感器確認果實的存在[73]。第四代樣機則在沿用軌道移動平臺和龍門式機械臂的基礎上，進行了輕量化設計，并改用長條形LED點陣光源和3個相機構成機器視覺單元，將末端執(zhí)行器上的透射式光電傳感器改為反射式光電傳感器，整機質(zhì)量從第三代樣機的345 kg縮減為245 kg[73]。試驗表明第三代樣機的采摘成功率和平均耗時分別為60.0%～65.6%和8.8 s，第四代樣機通過去除等待時間而使采摘平均耗時下降為6.3 s，但采摘成功率僅有52.6%，其中存在多次作業(yè)完成采摘的情況[73]。失敗絕大多數(shù)來自于被部分遮擋的果實的無法成功檢測，少量來自于果梗檢測誤差造成的切斷失敗，并存在未成熟果實被誤采的情況[55,73]。采摘成功率的下降主要是由于新光源的光照不均勻性，需進一步對光源排列和機器視覺算法進行優(yōu)化[73]。

圖24 農(nóng)研機構第三代高架草莓采摘機器人樣機Fig.24 The third generation harvesting robot for strawberry grown on table top culture developed by BRAIN

圖25 農(nóng)研機構第四代高架草莓采摘機器人樣機Fig.25 The fourth generation harvesting robot for strawberry grown on table top culture of BRAIN

圖26 農(nóng)研機構的移動高架草莓配套臺式采摘機器人Fig.26 Stationary harvesting robot for strawberry grown on movable bench unit developed by BRAIN

YAMAMOTO和HAYASHI還針對沿軌道的移動栽培床系統(tǒng)，開發(fā)了基座固定的草莓采摘機器人[74-76](圖26a)，采用了由下向上檢測和采摘的方式。該機器人配置了7自由度工業(yè)機械臂，開發(fā)了吸-吹-夾-拉式末端執(zhí)行器(圖26b)，首先從下部接近并由吸盤吸住果實，由噴嘴吹開相鄰果、葉，進而兩指包住果實，最后傾斜一定角度將果實拉下。試驗發(fā)現(xiàn)采摘成功率達67.1%，相鄰果實會造成影響，存在果實損傷、相鄰果實被采下和未成熟果實被采下的情況，每果的采摘平均耗時為31.5 s。

YAMAMOTO和HAYASHI還將3自由度關節(jié)式機械臂與軌道移動平臺相結合，構成從懸掛架式栽培床下方進行兩側機器人采摘的作業(yè)模式[77](圖27)。田間試驗結果發(fā)現(xiàn)采摘成功率達89.1%，平均采摘周期為22.2 s。當果實較密集時機器人可能誤選擇果梗，同時手指容易和相鄰果梗相碰并出現(xiàn)夾持失敗。

圖27 農(nóng)研機構研制的高架下部雙側草莓采摘機器人Fig.27 Strawberry double-sided harvesting robot worked below hanging bench developed by BRAIN

前川制作所YAMASHITA等和農(nóng)研機構YAMAMOTO等還針對懸掛架式栽培合作開發(fā)了M-3型草莓采摘機器人[78-79](圖28a)，采用軌道式移動平臺和3轉動關節(jié)機械臂，并配置了掌心相機和雙目立體視覺系統(tǒng)，開發(fā)了夾剪一體雙刀對稱型末端執(zhí)行器(圖28b)，可以實現(xiàn)對兩側高架草莓的收獲。試驗表明，紅頰草莓的識別和采摘成功率分別為68.7%和50.6%，而天乙女草莓識別和采摘成功率則分別達到75.0%和63.0%，平均采摘耗時超過37 s。

圖28 M-3型高架草莓采摘機器人Fig.28 M-3 harvesting robot for strawberry grown on elevated substrate bed

2.2 中國的草莓采摘機器人研究進展

中國的草莓機器人收獲研究也起步較早，并在多家機構得到持續(xù)開展。

中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中團隊最早開展了草莓采摘機器人的研究，分別對壟作和高架草莓栽培推出了不同樣機。針對壟作草莓推出的機器人采摘系統(tǒng)[80](圖29a)，由3直動直角坐標機械臂配置夾持剪切式末端執(zhí)行器，并分別在機架和臂上安裝CCD相機構成視覺系統(tǒng)。針對高架草莓推出的采摘機器人“采摘童1號”樣機[81](圖29b)，采用微型履帶底盤，配置3直動的直角坐標機械臂和夾剪一體式末端執(zhí)行器，末端執(zhí)行器下方安裝攝像頭用以檢測果實并判斷位置偏差，爪上安裝光纖傳感器用以檢測果柄的存在。試驗結果采摘成功率達88%，單果采摘平均耗時為18.54 s。該“采摘童1號”樣機在第七屆世界草莓大會進行了展示。該團隊還提出了壟作栽培的沿行空中軌道與并聯(lián)機構組合的采摘機器人方案[82-83](圖29c)。

圖29 中國農(nóng)業(yè)大學研制的草莓采摘機器人Fig.29 Strawberry harvesting robot developed by China Agricultural University

國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心馮青春等[84-85]針對高架栽培草莓開發(fā)的采摘機器人 (圖30)，采用聲納導航四輪自主移動平臺，6自由度關節(jié)式工業(yè)機械臂和雙目視覺系統(tǒng)，并開發(fā)了由吸盤吸持拉動、兩指夾持果梗，進而通過電熱絲燒斷果梗的末端執(zhí)行器。整機尺寸為1 500 mm×700 mm×1 600 mm。100個草莓樣本的試驗表明，所有果實都被成功檢測出，但通過121次作業(yè)僅成功采下86粒果實，每次采摘平均耗時為22.3 s，而每次成功采摘的耗時為31.3 s。其中采摘失敗主要源于吸持失敗和采后掉落。該機器人樣機也在多類展覽會上進行了展示。

圖30 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心研制的高架草莓采摘機器人Fig.30 Strawberry harvesting robot of National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture of China

其他國家也開展了少量針對草莓的采摘機器人研發(fā)工作，如韓國農(nóng)科院HAN等[86]也構建了針對高架栽培的機器人采摘系統(tǒng)(圖31a)，采用軌道式行進，機械臂由3直角坐標附加1轉動關節(jié)構成，從而使機器人可對兩側草莓進行采摘作業(yè)。為縮小動作占用空間，其末端執(zhí)行器的夾剪頭與后置電機間采用了軟軸傳動(圖31b)。該機器人分別配置雙目立體視覺系統(tǒng)進行果實成熟度判斷，由激光掃描測距儀進行草莓與末端執(zhí)行器間的距離測量，并由掌上相機進行更精確的果梗追蹤。其平均采摘周期約為7 s。

圖31 韓國農(nóng)科院研制的高架草莓采摘機器人Fig.31 Strawberry harvesting robot for bench-type cultivation developed by National Academy of Agricultural Science, Korea

3 其他蔬果的采摘機器人技術

此外，各國研究人員還相繼開展了黃瓜、甜椒、茄子等各類蔬果的機器人采摘研究。

黃瓜是全球最受歡迎和產(chǎn)量最大的菜果品類之一。目前黃瓜采摘機器人的研究也主要在荷蘭、日本和中國得到重點開展。日本東京大學早在20世紀80年代就開發(fā)了黃瓜采摘機器人的末端執(zhí)行器樣機[87](圖32a)，KONDO等針對黃瓜的V型架栽培開發(fā)了采摘機器人[88-91](圖34b)。荷蘭瓦格寧根大學VAN HENTEN等[92-93]對黃瓜的機器人收獲進行了長期和深入研究(圖34c)。中國農(nóng)業(yè)大學和浙江工業(yè)大學等開發(fā)了黃瓜采摘機器人[30,94-96](圖32d)。由于黃瓜的顏色與葉片相近，雙波長視覺傳感器[88-91]、雙波長CCD濾波[92-93]、近紅外圖像[30,94-96]等方法分別被應用于黃瓜果實的識別，同時在機械式切割之外還成功實現(xiàn)了果梗的熱切割[92-93]。

圖32 黃瓜采摘機器人Fig.32 Cucumber harvesting robot

目前全球干、鮮辣椒總產(chǎn)量已超過6 000萬t，成為世界上僅次于豆類、番茄的第三大蔬菜作物。其中甜椒作為重要的鮮食蔬菜，在歐美、亞洲、大洋洲等均受到廣泛的歡迎。甜椒的機器人收獲研究在日本及歐盟得到了更多的推動。日本高知技術大學針對甜椒的機器人收獲開展了持續(xù)的研究，首先開發(fā)了3直角坐標機械臂和剪刀式末端執(zhí)行器的移動采摘機器人[97-101](圖33a)，隨后又針對V型架式栽培甜椒開發(fā)了關節(jié)臂式采摘機器人[102-104](圖33b)。歐盟2010—2014年間啟動了大型CROPS項目，其中瓦格寧根大學研究中心的溫室園藝研究所領導了甜椒采摘機器人的開發(fā)工作，采用軌道式移動平臺和復雜的9關節(jié)機械臂、ToF相機與彩色CCD組合視覺系統(tǒng)，并配置了兩類不同結構的末端執(zhí)行器[105-106](圖33c)。澳大利亞昆士蘭科技大學[107](圖33d)和以色列本古里安大學[108]等也進行了新型甜椒采摘機器人的開發(fā)，并應用小型體感攝像頭實現(xiàn)果實的識別和定位。在甜椒摘取中雙電極熱切割技術的可行性也得到了證實[102-104]。

圖33 甜椒采摘機器人Fig.33 Sweet-pepper harvesting robot

茄子原產(chǎn)于亞洲熱帶，目前茄子的種植和消費集中在亞洲，產(chǎn)量超過全球的90%，茄子的機器人收獲技術研究也主要在亞洲的日本、中國等國家得到開展。愛知縣野菜茶葉研究所HAYASHI等[109-110]開發(fā)了針對V型架栽培茄子的采摘機器人 (圖34a)，采用履帶式底盤和工業(yè)5自由度機械臂，并設計了配備掌心相機、真空吸盤、尺寸判斷機構的復雜四柔性指夾持-果梗切斷式末端執(zhí)行器，在實驗室內(nèi)人為去除枝葉遮擋后進行的非移動采摘試驗成功率為62.5%，平均采摘耗時達64.1 s。HAYASHI等[111-112]在此基礎上進行了改進，主要將末端執(zhí)行器改為果梗夾剪一體式結構，并在保留掌心相機的同時增加超聲距離傳感器，同時將機械臂自由度增加到7個。溫室現(xiàn)場試驗表明，其采摘成功率僅為29.1%，單果采摘平均耗時43.2 s (圖34b)。此外濰坊學院和中國農(nóng)業(yè)大學等也開展了開放式茄子采摘機械手臂系統(tǒng)的設計[113-115]。

圖34 茄子采摘機器人Fig.34 Eggplant harvesting robot

4 采摘機器人技術的發(fā)展分析

4.1 溫室采摘機器人技術發(fā)展的關鍵

(1)復雜非結構環(huán)境的適應能力

高度復雜與未知的作物植株環(huán)境對采摘機器人的感知和作業(yè)均帶來極大的挑戰(zhàn)，盡管學者針對溫室行間路徑搜尋與導航[116-120]、重疊遮擋條件下的果實識別[121-126]、復雜冠層環(huán)境內(nèi)的路徑規(guī)劃與避障[127-129]、果梗尺寸與姿態(tài)大差異性下的摘取[2,22,37]等課題已開展了諸多研究，但溫室生產(chǎn)現(xiàn)場的采摘機器人作業(yè)仍難以達到環(huán)境人為簡化后的理想試驗效果[62,109,130-131]。機器人對復雜非結構環(huán)境的感知和作業(yè)適應能力，仍然成為影響采摘機器人技術走向成熟和生產(chǎn)應用的瓶頸問題。

(2)復雜機器人系統(tǒng)的融合能力

采摘機器人是本體各移動底盤、機械臂、末端執(zhí)行器和導航、果實探測單元構成的復雜系統(tǒng)，采摘機器人的性能不僅取決于各單元、更決定于系統(tǒng)的有機融合能力。目前盡管在手臂協(xié)調(diào)[54,132]、身手協(xié)調(diào)[133]、手眼協(xié)調(diào)[134]、臂眼協(xié)調(diào)[135-139]、身-眼協(xié)調(diào)[140]等開展了若干研究，但距離實際應用的性能需要仍有一定距離。如視覺伺服控制仍以開環(huán)和依賴于精確建模的“先看后動”模式為主[141]；而導航-果實檢測、手-臂-底盤的精確位姿補償和動作并行交互等問題，仍需深入研究和逐步攻克。

4.2 溫室采摘機器人技術發(fā)展的歷史特征

(1)栽培模式對技術特征的決定性

作物栽培模式對機器人結構方案、技術難度和性能具有決定性的影響。傳統(tǒng)的杯型種植中番茄果實非常分散，機器人需要很大的工作空間，同時枝干的空間分布使采摘作業(yè)非常困難；而單枝栽培和吊蔓栽培模式[25,32,51](圖35)，支柱和繩索支撐在與地面垂直的方向栽培，數(shù)個果實成串懸掛生長，果實識別和作業(yè)均大大簡化，采摘作業(yè)性能得到了有效保證[56]。

圖35 番茄的單枝栽培和吊蔓栽培模式Fig.35 Single trunk and high-wire cultivation modes

對草莓的地面、高壟和高架不同栽培模式，由于草莓分布、果梗方位、果葉關系、檢測背景等的顯著差異，采摘機器人方案截然不同。其中高架栽培不僅作為新型的省力化模式而受到歡迎，更因其突出的果葉分離、果實分布二維化和果梗豎直化、背景單一化優(yōu)勢[56]，不僅果實檢測過程大大簡化[62,66]，同時可以通過更簡單高效直角坐標和水平夾剪機械結構來實現(xiàn)作業(yè)[2,60,67,71,73,81]，使采摘成功率和效率均大大提高。

同時，與多數(shù)需借助底盤移動實現(xiàn)作業(yè)的采摘機器人不同，針對各類地面或空中的移動式栽培設施，可以實現(xiàn)采摘機器人底座固定的臺式作業(yè)[16-17,28,74-76](圖36)，從而有效簡化機器人系統(tǒng)復雜性和操控難度，也成為其發(fā)展的重要方向。

圖36 移動栽培設施Fig.36 Movable cultivation units

(2)機電革命對技術突破的推動性

采摘機器人技術的高度復雜性造成其開發(fā)周期長、成本高昂、性能和可靠性不佳，從而大大影響了其技術進步和應用推廣進程。可喜的是，機械、電子技術的高速發(fā)展使采摘機器人技術的研究大大加速，開發(fā)周期縮短的同時機器人結構也更加精細。隨著機械臂、底盤等關鍵模塊技術快速成熟并實現(xiàn)定制化、商業(yè)化，距離、視覺、力覺等傳感器和電機系統(tǒng)不斷小型化，3D光場相機[142-143](圖37a)和RealSense深度攝像頭[107](圖37b)等民用化的多信息先進傳感技術使低成本的實時可靠果實識別定位成為可能，RFID射頻識別[144-145]、激光切割[43,146]、熱切割[147]等新技術快速引入并運用于機器人導航與果實的摘取等環(huán)節(jié)，圖像處理與機器人運動求解等算法和工具的成熟模塊化使檢測與控制的實施得到簡化，采摘機器人技術將得到有力推動而不斷迎來新的突破。

圖37 先進傳感器件Fig.37 Advanced sensors

(3)社會經(jīng)濟條件對技術應用的急迫性

一種技術的大面積推廣，一方面取決于其技術的成熟程度，另一方面也需要外界條件的成熟。在發(fā)達國家，由于勞動力數(shù)量、勞動力成本的限制和對鮮食果蔬、鮮切花卉品質(zhì)的需要，采摘機器人技術得以較早開展。特別是日本，受其較小規(guī)模精品化種植和農(nóng)產(chǎn)品高檔化策略的影響，機器人采摘技術得到了高度重視，大大推動了該技術的發(fā)展水平。

中國的采摘機器人技術起步較晚，但隨著人口紅利的消失，勞動力緊缺問題已快速成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展、特別是勞動密集型的果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，采摘機器人技術已從前瞻性研究開始成為現(xiàn)實需求。進入21世紀以來，中國農(nóng)業(yè)機器人技術研究的投入和成果呈幾何級增長態(tài)勢。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展和勞動力成本的快速提高，中國的采摘機器人技術必將更加快速的發(fā)展。

4.3 溫室采摘機器人技術發(fā)展的趨勢

(1)環(huán)境工廠化

作業(yè)環(huán)境的高度非結構化、對象個體的大差異化對采摘機器人的作業(yè)帶來了極大挑戰(zhàn)，一直是制約采摘機器人技術作業(yè)性能提高與推廣應用的關鍵瓶頸。而農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展的實踐亦表明，農(nóng)業(yè)領域中更接近結構化和標準化的擠奶[148]、嫁接[149]、果品分選[150]等作業(yè)領域，由于技術要求大大降低而率先實現(xiàn)了機器人技術的實際應用。采摘機器人技術的發(fā)展亦必須以規(guī)?；a(chǎn)為前提，和作業(yè)環(huán)境與栽培模式的結構化、生產(chǎn)管理的工廠化有機結合，并以更專一化的高效生產(chǎn)代替繁雜果蔬類別的頻繁更換，從而為實現(xiàn)機器人采摘作業(yè)破除關鍵制約和障礙。

(2)結構標準化

拖拉機、精密播種機、聯(lián)合收獲機等農(nóng)業(yè)機械，無不實現(xiàn)了整機結構和部件的標準化，從而實現(xiàn)了全球范圍的大批量生產(chǎn)和大規(guī)模應用。采摘機器人技術的發(fā)展目前仍處于原理、結構各異的競相探索階段，其成熟和應用亦客觀要求通過學界與業(yè)界、裝備與農(nóng)藝的深度結合，共同推動逐步形成按模式與品種大類的結構標準，進一步通過機器人作業(yè)的溫室生產(chǎn)模式示范反推農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的配套和標準化，從而有效解決目前果蔬種類和環(huán)境繁雜、采摘機器人原理結構龐雜卻無力推動生產(chǎn)應用的困局。

(3) 多機共融化

機器人采摘作業(yè)應用于實際生產(chǎn)時，不僅在采摘環(huán)節(jié)需完成摘取、放果的不同動作，同時在采摘之外還必須完成果蔬的生產(chǎn)現(xiàn)場運輸和卸果任務，甚至在工廠化生產(chǎn)中還會進一步完成分選、清洗和包裝等作業(yè)。即使不考慮農(nóng)產(chǎn)品的現(xiàn)場采后處理，依靠單臺機器人完成采摘、運送和卸放的生產(chǎn)效率勢必非常低下，因而考慮多手[151]、多臂[34,152-153]、多臺采摘機器人[154]的并行作業(yè)，以及采摘機器人與運送機器人或行間輸送線的協(xié)同作業(yè)[155-156]，將是機器人采摘技術發(fā)展的必然。將大大推進采摘機器人技術發(fā)展與推廣應用的步伐。

(4) 人機共融化

真正實現(xiàn)果蔬的機器人采摘作業(yè)，除識別定位和采摘動作以外，還存在放果、導航、換行、移運等多個環(huán)節(jié)與裝備的充電、維護等處理，以完全無人化的自主決策完成全部流程的難度極大。但目前所提出的全程遙控[157-158]或體感操控[159-160]等人機共融技術，很難滿足高效、省勞力和省力化采摘作業(yè)的需要。如將大部分定位和采摘等強度大和精確操作的任務交由機器人完成，而僅將極少數(shù)機器人自主決策復雜而人能夠輕松完成操縱的多機協(xié)同、換行或續(xù)接作業(yè)等任務進行人為介入[161]，實現(xiàn)合理的人機共融，將顯著降低自主作業(yè)的復雜性，加速實現(xiàn)其實際應用。

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