荔枝采摘機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

祝前峰，陸榮鑑，魯 峻，李奉順

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

荔枝是我國(guó)“南國(guó)四大果品”之一，無(wú)論是種植面積還是產(chǎn)量，我國(guó)荔枝均居全球首位。2017年我國(guó)大陸地區(qū)荔枝種植面積占全球種植面積的52.60%，而產(chǎn)量則占全球總產(chǎn)量的61.34%；2018年荔枝總產(chǎn)量首次突破300萬(wàn)t大關(guān)，較2017年增幅 54.82%；2020年荔枝種植面積約54.03萬(wàn)hm2，荔枝總產(chǎn)量255.35萬(wàn)t，較2019年增幅38.15%。受限于荔枝對(duì)溫度和濕度等環(huán)境的要求，我國(guó)荔枝種植主要集中在廣東、廣西、海南、福建、四川和云南六個(gè)省份，其中廣東和廣西無(wú)論是種植規(guī)模還是產(chǎn)量占全國(guó)的比重均超過(guò)20%。另外經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，荔枝的品種不斷得到改良，妃子笑和黑葉種植居多，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳厚彬研究員和蘇鉆賢技術(shù)員等人通過(guò)大量調(diào)查分析而成的我國(guó)荔枝產(chǎn)量與主要荔枝產(chǎn)區(qū)分布情況如圖1所示。由此可見荔枝已經(jīng)成為我國(guó)南方重要的經(jīng)濟(jì)作物，每年的產(chǎn)量均在200萬(wàn)t以上，僅種植環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的直接產(chǎn)值就可以達(dá)到280多億元，而從事荔枝產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員人數(shù)更是超過(guò)100多萬(wàn)，尤其是廣東、廣西和海南等欠發(fā)達(dá)縣市的農(nóng)戶依靠荔枝種植實(shí)現(xiàn)了脫貧致富、鄉(xiāng)村振興[1-8]。

圖1 我國(guó)荔枝產(chǎn)量與主要荔枝產(chǎn)區(qū)分布

荔枝采摘期較短，如果成熟荔枝得不到及時(shí)采摘，荔枝的含水量將逐漸下降，表皮發(fā)生褐變。因此，對(duì)成熟荔枝的及時(shí)、無(wú)損、高效地采收至關(guān)重要，其對(duì)后續(xù)荔枝的冷藏、運(yùn)輸、加工和銷售都有直接影響[9]。現(xiàn)今人工采摘仍是荔枝采收的主要形式，果農(nóng)依靠雙手或者借助輔助工具完成采摘，但隨著城鎮(zhèn)化的不斷發(fā)展，越來(lái)越多人選擇進(jìn)城務(wù)工，造成了農(nóng)忙時(shí)節(jié)勞動(dòng)力匱乏的現(xiàn)象，人工成本急劇增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)采摘支出約占生產(chǎn)總成本的50%～70%，因此發(fā)展機(jī)械化采收具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。機(jī)械化采收克服了傳統(tǒng)采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、人工成本高、采摘效率低、工作環(huán)境差等缺陷，是將來(lái)果實(shí)采摘的發(fā)展趨勢(shì)[10-13]。

1 現(xiàn)有荔枝的主要采摘形式

1.1 人工采摘

我國(guó)最主要的荔枝采摘方式仍是人工采摘，人工采摘依靠果農(nóng)雙手折斷或者用剪刀剪斷荔枝的結(jié)果母枝，實(shí)現(xiàn)果實(shí)串與樹枝的分離進(jìn)而完成采摘，而高處的果實(shí)常常需要借助梯子或輔助裝置完成采摘，具有一定的危險(xiǎn)性，如圖2所示。

圖2 人工采摘荔枝

為了降低從業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，科研人員設(shè)計(jì)一些輔助人工采摘裝置，如電動(dòng)式修枝機(jī)和氣動(dòng)式修枝機(jī)在果實(shí)采摘中的應(yīng)用[14-15]，自動(dòng)修枝機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示，按下開關(guān)內(nèi)部構(gòu)件驅(qū)動(dòng)動(dòng)刀片旋轉(zhuǎn)，而定刀片不動(dòng)，果枝剪斷后復(fù)位。剪枝機(jī)在果柄是枝干類的水果如荔枝、龍眼等果類的應(yīng)用大大降低了果農(nóng)剪切結(jié)果母枝時(shí)體力的消耗，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率。例如，楊鑫霖等設(shè)計(jì)了一種可伸縮同步剪夾式荔枝采摘裝置如圖3(b)所示(專利號(hào)為201822026676.4)[16]，該設(shè)計(jì)適用于采摘高處的荔枝，將采摘桿伸長(zhǎng)至結(jié)果母枝下，按下活動(dòng)把手通過(guò)牽引裝置實(shí)現(xiàn)夾緊機(jī)構(gòu)和剪切機(jī)構(gòu)同時(shí)工作，在夾緊的同時(shí)進(jìn)行剪切，待到剪切完成后果實(shí)串仍被夾住，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)損采摘；再如李曉星等設(shè)計(jì)了一種荔枝采摘器如圖3(c)所示(專利號(hào)為2018206453 36.7)[17]，活動(dòng)把手與拉繩相連，拉繩通過(guò)兩個(gè)定滑輪，拉繩末端與左旋轉(zhuǎn)刀片尾部相連，而右刀片固連在支撐架上，按下活動(dòng)把手實(shí)現(xiàn)左右刀片的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成荔枝果串采摘，刀具下設(shè)有網(wǎng)兜兜住被剪切下的荔枝串。

圖3 人工采摘荔枝輔助裝置

1.2 機(jī)械式采摘

傳統(tǒng)人工采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大、人工成本高、采摘效率低、工作環(huán)境差，在一定程度上限制了荔枝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。對(duì)荔枝高效、無(wú)損采摘的需求推動(dòng)了機(jī)械式采摘的不斷發(fā)展，許多研究人員發(fā)明設(shè)計(jì)了多款荔枝采摘機(jī)械，其動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)、汽油機(jī)或柴油機(jī)提供。

姜焰鳴等[18]研發(fā)設(shè)計(jì)了一種滾筒梳剪式荔枝采摘機(jī)，如圖4所示。該采摘機(jī)由汽油機(jī)提供動(dòng)力源，通過(guò)傳動(dòng)裝置控制空心套筒的旋轉(zhuǎn)，而套筒上對(duì)稱分布有4個(gè)齒形部件，如圖4(b)所示，每個(gè)齒形部件又由齒形板和橡膠板構(gòu)成，如圖4(c)所示。在圖4(c)中1為齒形板，其齒形兩側(cè)皆開有刀刃，2為橡膠板。采摘時(shí)，果農(nóng)雙手持此機(jī)構(gòu)靠近果實(shí)串，驅(qū)動(dòng)開關(guān)套筒旋轉(zhuǎn)，橡膠板將較粗的枝條彈離梳理裝置，使得較細(xì)的枝條和結(jié)有果實(shí)的枝條進(jìn)入橡膠板的齒間，隨著套筒的進(jìn)一步旋轉(zhuǎn)，無(wú)果細(xì)枝進(jìn)一步被梳理出去而有果枝條經(jīng)過(guò)齒形板的齒間被刀刃切割，果實(shí)落入下方的收集裝置，完成整套采摘流程。該采摘機(jī)械在一定程度上會(huì)對(duì)周邊枝葉產(chǎn)生破壞且難以保證果實(shí)的完好率，其結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改善。

圖4 滾筒梳剪式荔枝采摘機(jī)

李競(jìng)、岑光杜等[19-20]研發(fā)設(shè)計(jì)了機(jī)電一體荔枝采收機(jī)，如圖5所示。該機(jī)可前后移動(dòng)和上下升降，通過(guò)垂直旋轉(zhuǎn)軸可實(shí)現(xiàn)夾持、剪切和傳送結(jié)構(gòu)在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)控制夾持、剪切和傳送結(jié)構(gòu)在豎直面內(nèi)的俯仰運(yùn)動(dòng)，整機(jī)工作范圍較廣。設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)如圖5(b)所示，由電動(dòng)機(jī)、夾具、連桿、絲杠、絲杠螺母副和定位板構(gòu)成，電機(jī)和夾具固連在定位板上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動(dòng)絲杠螺母副前后運(yùn)動(dòng)，絲杠螺母副上裝有連桿，連桿驅(qū)動(dòng)夾具實(shí)現(xiàn)夾具的夾緊和松開；設(shè)計(jì)的剪切機(jī)構(gòu)如圖5(c)所示，該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電機(jī)組成，一個(gè)通過(guò)帶傳動(dòng)控制刀具的旋轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)與絲杠相連，絲杠上裝有絲杠螺母副，絲杠螺母副與刀具移動(dòng)架相連，通過(guò)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制刀具的前后移動(dòng)；設(shè)計(jì)的傳送機(jī)構(gòu)如圖5(d)所示，傳送機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、收集框、支撐臂、滑輪、拉繩和滑塊等組成，滑塊與收集框焊接在一起，通過(guò)一對(duì)滑輪和滑塊實(shí)現(xiàn)收集框的升降。整機(jī)工作流程是先調(diào)整采收機(jī)位置靠近果串，夾持機(jī)構(gòu)夾住結(jié)果母枝，然后驅(qū)動(dòng)剪切結(jié)構(gòu)完成切斷果梗，傳送機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置，夾持機(jī)構(gòu)松開，果實(shí)落入采收框中，完成采摘。

圖5 機(jī)電一體荔枝采收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

李斌等[21]基于荔枝樹枝能量傳遞特性設(shè)計(jì)了一款去梗式振動(dòng)荔枝采摘機(jī)，如圖6所示。該機(jī)由背持架、汽油機(jī)、軟軸、手持桿和末端采摘器等組成，如圖6(a)所示，末端采摘器由定梳排、動(dòng)梳排和偏心裝置組成，如圖6(b)所示。當(dāng)汽油機(jī)啟動(dòng)后經(jīng)過(guò)離合器，將運(yùn)動(dòng)傳遞給軟軸，軟軸帶動(dòng)偏心裝置偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)梳排的左右擺動(dòng)，而定梳排對(duì)果實(shí)串起到定位限位作用，動(dòng)梳排的左右擺動(dòng)擊打果實(shí)串，當(dāng)果實(shí)串的慣性力大于與果梗相脫離的阻力時(shí)實(shí)現(xiàn)果-梗分離，完成采摘。經(jīng)試驗(yàn)調(diào)整相應(yīng)的工作參數(shù)、定梳排間距和動(dòng)梳排擺角，荔枝的采摘效率可以達(dá)到 4.1 kg/min，破損率為 5.05%。

圖6 動(dòng)-定梳排組合式荔枝采摘機(jī)構(gòu)

李斌、李君等[22-23]在之前振動(dòng)荔枝采摘機(jī)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新型梳排振動(dòng)式荔枝采摘機(jī)，如圖7所示。該機(jī)由動(dòng)力供應(yīng)裝置、移動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)等組成，其采摘機(jī)構(gòu)由曲柄雙搖桿和柔性交錯(cuò)梳排組成。機(jī)器啟動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)曲柄雙搖桿結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，兩搖桿左右往復(fù)擺動(dòng)，帶動(dòng)安裝于左右軸上的柔性交錯(cuò)梳排組運(yùn)動(dòng)，在一定擺動(dòng)頻率和力的作用下完成枝條與果梗分離，實(shí)現(xiàn)荔枝采摘。李斌等經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)得到最優(yōu)參數(shù)下荔枝采摘的效率為1.94 kg/min，破損率為3.14%。

圖7 交錯(cuò)梳排式荔枝采摘機(jī)

1.3 機(jī)器人采摘

機(jī)械式采摘仍是半自動(dòng)化采摘，只不過(guò)人不是采摘的主力，動(dòng)力源由機(jī)器提供，但果農(nóng)仍要花費(fèi)大量精力投入其中，如機(jī)器依靠人眼進(jìn)行識(shí)別定位、人手持或驅(qū)動(dòng)機(jī)器到達(dá)采摘點(diǎn)、依靠人完成果實(shí)的收集和搬運(yùn)等等，因此需要研制更加自動(dòng)化、智能化的采摘機(jī)器人，進(jìn)一步把果農(nóng)從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)?，F(xiàn)在荔枝采摘機(jī)器人的研究主要集中在機(jī)器人機(jī)器視覺的研究、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和末端執(zhí)行器的研究與設(shè)計(jì)等方面[24-25]。

荔枝采摘機(jī)器人采摘的關(guān)鍵是準(zhǔn)確識(shí)別出荔枝串并給機(jī)械手提供精確的采摘點(diǎn)空間位置，機(jī)器視覺承擔(dān)了此項(xiàng)重要任務(wù)[26]。大量的研究人員不斷改進(jìn)視覺識(shí)別定位算法，加入神經(jīng)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)等以期降低內(nèi)在和外在因素的干擾，提高識(shí)別的準(zhǔn)確性、響應(yīng)速度和定位的精確性。熊俊濤等[27]針對(duì)荔枝采摘過(guò)程中產(chǎn)生的擾動(dòng)設(shè)計(jì)了振動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬采摘時(shí)因機(jī)械手本身或自然環(huán)境產(chǎn)生振動(dòng)機(jī)器視覺對(duì)擾動(dòng)荔枝的識(shí)別定位，研究人員對(duì)雙目攝像機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，定時(shí)采集圖像，0.25 s采集一次共采集10次，將所有采集的照片由RGB顏色空間轉(zhuǎn)化為HSI顏色空間，采用FCM法分割出荔枝的果梗與果實(shí)，利用Hough變化直線擬合確定荔枝果梗采摘區(qū)域，最后確定距離果梗上端點(diǎn)1/3處為采摘點(diǎn)，計(jì)算同一串果實(shí)所有圖像采摘點(diǎn)的平均值，最后三維重建確定采摘點(diǎn)空間坐標(biāo)，研究人員通過(guò)大量試驗(yàn)分析此方法空間定位的深度誤差小于 6 cm。陳燕等[28]提出了荔枝采摘機(jī)器人在大視場(chǎng)下對(duì)荔枝果實(shí)的識(shí)別和預(yù)定位，所謂大視場(chǎng)即雙目相機(jī)的可視范圍大大增加，不局限于單串荔枝的識(shí)別定位，研究人員想要實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人在工作時(shí)識(shí)別多串荔枝的空間位置信息用來(lái)指導(dǎo)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，尋找最優(yōu)采摘路徑，大大提高采摘的效率；陳燕等在他人研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了具有34層密集卷積層的荔枝串檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)YOLOv3-DenseNet34，以左目相機(jī)的識(shí)別結(jié)果作為模板，在右目相機(jī)識(shí)別的圖像上做荔枝串的模板匹配工作，將得分最高的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)，由于計(jì)算量巨大且容易出現(xiàn)匹配錯(cuò)誤，提出了同行順序一致性約束的匹配方法，最后根據(jù)雙目機(jī)器視覺系統(tǒng)三角測(cè)量的原理來(lái)計(jì)算出荔枝串的空間坐標(biāo)；陳燕等經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)分析得出機(jī)器人在3 m的檢測(cè)距離下，其預(yù)定位與實(shí)際位置的最大絕對(duì)誤差為36.602 mm，其與實(shí)際位置的平均絕對(duì)誤差為23.007 mm，與實(shí)際位置平均相對(duì)誤差為0.836%，基本滿足預(yù)定位要求。莫宇達(dá)等[29]基于 Sylvester 方程變形將Eye-in-Hand眼手標(biāo)定法應(yīng)用于荔枝采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺中，由于受到外界環(huán)境、機(jī)械臂本身和前一次采摘完產(chǎn)生的擾動(dòng)等多因素干擾，實(shí)際采摘點(diǎn)將發(fā)生變化不會(huì)停留在圖像采集時(shí)的瞬間，莫宇達(dá)采用Eye-in-Hand眼手標(biāo)定可在大范圍搜索荔枝串，在一定距離內(nèi)實(shí)時(shí)測(cè)量荔枝串采摘點(diǎn)的空間位置，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)荔枝串采摘成功率為 76%，在視覺系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別并定位采摘點(diǎn)后的成功率為92.3%。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)已緊密地與機(jī)器視覺相關(guān)聯(lián)，機(jī)器視覺為軌跡規(guī)劃提供目標(biāo)，軌跡規(guī)劃在一定程度上依賴于機(jī)器視覺。采摘對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制提出了快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)、高效的要求，許多研究人員朝著這個(gè)方向不斷努力。趙慶波等[30]將模糊PID算法引入采摘機(jī)器人機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度的調(diào)整，從而提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。滕舉元等[31]針對(duì)六自由度采摘機(jī)器人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和仿真，基于SimMechancis運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng)進(jìn)行了擺線軌跡規(guī)劃的仿真，首先在Solidworks三維建模導(dǎo)入MATLAB中得到仿真模型，利用Simulink的S函數(shù)來(lái)編寫相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法和軌跡規(guī)劃算法，經(jīng)過(guò)大量仿真，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)沖擊，運(yùn)動(dòng)特性較好。陳姍姍等[32]基于磁引導(dǎo)開展了采摘機(jī)器人的行走運(yùn)動(dòng)控制研究，以磁引導(dǎo)傳感器為導(dǎo)航，行進(jìn)的速度和轉(zhuǎn)角采用雙PID控制法，試驗(yàn)表明采摘機(jī)器人可快速定位到預(yù)設(shè)路線，跟蹤誤差與預(yù)設(shè)定路線相比在±30 mm以內(nèi)，而在穩(wěn)定狀態(tài)下的直線段誤差僅在±5 mm 以內(nèi)。張翔等[33]基于六自由度采摘機(jī)器人展開軌跡規(guī)劃的研究，他們分別對(duì)比了三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式、4-3-4多項(xiàng)式等軌跡規(guī)劃法的位移、速度、加速度等特性，分析各自運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、平穩(wěn)性，經(jīng)過(guò)對(duì)比五次多項(xiàng)式的軌跡規(guī)劃方法最優(yōu)。

末端執(zhí)行器是與果實(shí)或果實(shí)串直接接觸的機(jī)構(gòu)，末端采摘器的設(shè)計(jì)直接決定了果實(shí)的品相，因此末端采摘器的利用率和采摘后手爪對(duì)果實(shí)的損傷程度都是限制采摘機(jī)械大規(guī)模使用的主要原因[34]。無(wú)損采摘是末端執(zhí)行器所面臨的首要難題，其次需要滿足適用范圍廣、采摘效率高、環(huán)境影響小等要求，目前大量研究人員深入研究末端執(zhí)行器和軟體機(jī)械手以期實(shí)現(xiàn)上述要求[35]。陳燕等[36-38]設(shè)計(jì)的一款?yuàn)A剪一體式荔枝末端采摘器如圖8(a)所示，其將末端采摘器安裝于6自由度機(jī)械臂末端，測(cè)試機(jī)器人和采摘器的工作特性。該末端采摘器由單電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下左右兩齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與齒輪相連的左右擺桿運(yùn)動(dòng)，擺桿滾子壓迫左右刀背閉合實(shí)現(xiàn)果梗的剪切，同時(shí)刀片的下部設(shè)有兩手指，其中剛性手指設(shè)有凹槽，柔性手指為平面，有利于更好地夾持，在一定程度上可降低果實(shí)的損傷率。采摘完成后電機(jī)反轉(zhuǎn)齒輪帶動(dòng)擺桿恢復(fù)到初始位置，而左右刀片在復(fù)位扭簧的回彈力作用下復(fù)位，左右兩手指松開果實(shí)串。葉敏等[39]設(shè)計(jì)的末端采摘器如圖8(b)所示，其同樣分為柔性指和剛性指，剛性指內(nèi)側(cè)有V型槽，這樣與結(jié)果母枝接觸時(shí)，形成了3個(gè)有效接觸點(diǎn)，可看做3指夾持。葉敏等經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，夾持力為15 N時(shí)，夾持成功率可達(dá)到100%。談建豪等設(shè)計(jì)的圓盤鋸片式荔枝采摘末端執(zhí)行器如圖8(c)所示，其夾持電機(jī)帶動(dòng)軸端錐齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)一對(duì)錐齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠上兩機(jī)械手依靠螺紋副與絲杠相連，絲杠的正反轉(zhuǎn)控制兩手指的開與合，待到手指夾住荔枝串，切割電動(dòng)機(jī)工作帶動(dòng)圓盤鋸片開始旋轉(zhuǎn)，電磁鐵立即通電通過(guò)拉桿拉動(dòng)采摘手支撐架向刀具方向移動(dòng)切斷母枝，果-梗分離后切割電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，同時(shí)電磁鐵立即斷電，采摘手支撐架復(fù)位，末端執(zhí)行器移動(dòng)到相應(yīng)的回收位置，夾持電機(jī)反轉(zhuǎn)兩手指反向運(yùn)動(dòng)果實(shí)串落入回收裝置，完成整個(gè)采摘過(guò)程。

圖8 形式多樣的荔枝末端采摘器

2 荔枝采摘機(jī)械存在的問(wèn)題

2.1 輔助采摘機(jī)械功能單一

輔助采摘機(jī)械在一定程度上降低了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采摘效率，但這也僅局限于人手可觸及的工作范圍，在采摘高處的果實(shí)時(shí)采用伸縮桿，人眼識(shí)別定位荔枝串結(jié)果母枝的空間位置，按下活動(dòng)手把等驅(qū)動(dòng)末端采摘器完成夾剪，手動(dòng)收回伸縮桿，松開夾具將果實(shí)放入回收筐中完成采摘。末端采摘器的工作原理類似于“剪刀”，其剪切力的大小沒有被進(jìn)行過(guò)理論性研究分析，有的輔助裝置可實(shí)現(xiàn)夾剪一體但是細(xì)長(zhǎng)的支撐桿能承受多重的果實(shí)串沒有相應(yīng)的理論分析，同時(shí)每采摘一次都要將采摘的果實(shí)放入收集裝置，循環(huán)往復(fù)，在一定程度上不如使用云梯等設(shè)備的采摘效率高，所以為了追求高效，果農(nóng)不惜冒著危險(xiǎn)攀爬果樹，靠雙手或近距離設(shè)備如電動(dòng)剪枝機(jī)等完成高處荔枝的采摘，鮮有使用伸縮桿等較繁雜的輔助裝置。因此，為了滿足荔枝采摘的具體實(shí)際需求，輔助采摘裝置仍需不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，豐富功能。

2.2 采摘識(shí)別和定位不準(zhǔn)確

荔枝果串的準(zhǔn)確識(shí)別和精準(zhǔn)定位是荔枝采摘機(jī)器人面臨的一大難題。首先擾動(dòng)是影響識(shí)別定位的一大重要因素，擾動(dòng)分為外在環(huán)境擾動(dòng)和機(jī)器本身擾動(dòng)兩種，外在擾動(dòng)如自然界的風(fēng)、雨等，而內(nèi)在擾動(dòng)如機(jī)械臂本身運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振動(dòng)和前一次采摘完對(duì)果樹產(chǎn)生的擾動(dòng)，這些擾動(dòng)使得荔枝串采摘點(diǎn)的空間坐標(biāo)發(fā)生改變，而不是圖片采樣時(shí)果串所停留的瞬時(shí)位置，這樣勢(shì)必會(huì)造成識(shí)別定位不準(zhǔn)確[40-41]；其次自然環(huán)境的影響，采摘時(shí)天氣的陰晴、自然光線的強(qiáng)弱、迎光還是背光、周圍景物與荔枝果梗的相似度等等都對(duì)識(shí)別產(chǎn)生較大的影響，需要不斷改進(jìn)算法予以優(yōu)化[42-43]；另外果實(shí)和果樹自身的影響，其中果實(shí)由于受光照不同而著色不均勻、荔枝表面褐變和存在傷疤、荔枝串成熟度不一致、果實(shí)串之間的遮擋等等，還有荔枝樹枝葉茂密對(duì)果實(shí)串的遮擋、枝葉在果實(shí)串留下陰影、果實(shí)被枝葉覆蓋等等，這些因素都加劇了識(shí)別的難度[44-47]。而定位是否準(zhǔn)確高度依賴于機(jī)器視覺識(shí)別精度，所以仍需對(duì)機(jī)器視覺進(jìn)行大量研究，才能實(shí)現(xiàn)快速、有效、精準(zhǔn)抓取荔枝果串。

2.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有待改進(jìn)

無(wú)論是采摘機(jī)械還是更加智能化的采摘機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都存有一些設(shè)計(jì)缺陷或考慮不足，行走機(jī)構(gòu)不能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的荔枝果園，荔枝主要種植地區(qū)為山地、丘陵等地貌，對(duì)行走機(jī)構(gòu)提出了平穩(wěn)、快速的要求，行走機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)性直接影響機(jī)器視覺的識(shí)別精度和定位的準(zhǔn)確性；其次末端采摘器，其動(dòng)力源一般有兩個(gè)，一個(gè)為夾持電機(jī)，另一個(gè)為切割電機(jī)，造成了不必要的動(dòng)力源浪費(fèi)，同時(shí)增加了機(jī)械振動(dòng)從而造成了定位誤差，還有末端采摘器設(shè)計(jì)欠考慮，大多采用圓鋸片或者梳排式對(duì)周圍的環(huán)境造成一定損傷，對(duì)果實(shí)的完好率也有一定影響[48]；機(jī)械臂較為復(fù)雜，為了獲得較大的工作空間和范圍采用多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)和復(fù)位時(shí)間占總采摘時(shí)間50%以上[49]，同時(shí)基于莫宇達(dá)等的研究表明相機(jī)空間立體定位的精度與機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)次數(shù)的增加有關(guān)，最終影響采摘點(diǎn)的空間位置；回收裝置要么沒有設(shè)計(jì)要么就十分草率，沒有進(jìn)行系統(tǒng)化、理論化的設(shè)計(jì)，忽視了回收裝置對(duì)果實(shí)完好率的影響。綜上所述，我國(guó)荔枝采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需不斷優(yōu)化和改進(jìn)，以滿足荔枝的發(fā)展和果農(nóng)的生產(chǎn)需求。

2.4 荔枝無(wú)損采摘難以實(shí)現(xiàn)

之所以將無(wú)損采摘單獨(dú)敘述，是因?yàn)楣麑?shí)的完好性直接決定了后期的儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、加工和銷售，決定了農(nóng)戶辛勤勞作的回報(bào)。荔枝富含水分，若發(fā)生采摘損傷會(huì)造成果皮褐變和水分流失。而在整個(gè)采摘過(guò)程中對(duì)荔枝損傷可能出現(xiàn)在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：夾持過(guò)程中沒有控制夾緊力的大小，夾具夾持力過(guò)大使結(jié)果母枝的植物組織發(fā)生破壞，影響結(jié)果母枝后續(xù)的發(fā)芽生長(zhǎng)；荔枝成熟度不一，機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別率不高盲目地將未成熟荔枝采摘，會(huì)造成減產(chǎn)；末端執(zhí)行器采用圓鋸片或梳排式會(huì)對(duì)荔枝產(chǎn)生一定的機(jī)械損傷和振動(dòng)沖擊損傷；機(jī)械臂回收過(guò)程中與枝干等發(fā)生劃擦和碰撞；然而最容易忽視的是收集過(guò)程，采摘器夾具松開，果實(shí)下落的高度以及下落接觸的材料對(duì)果實(shí)的完好率有著重要的影響。這些都是需要注意和未來(lái)需要改進(jìn)的方向，這是實(shí)現(xiàn)高效、無(wú)損荔枝采摘的關(guān)鍵。

3 荔枝采摘機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不斷完善

為了適應(yīng)丘陵、山地、平原等非結(jié)構(gòu)化的荔枝果園，采摘機(jī)械整體應(yīng)朝著小型化的方向發(fā)展；機(jī)械臂應(yīng)滿足“夠用原則”，并非自由度越多其采摘效率就越高[50-51]；合理布置電機(jī)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少電機(jī)數(shù)目，一方面降低機(jī)器能耗負(fù)擔(dān)，另一方面降低電機(jī)對(duì)識(shí)別定位的擾動(dòng)影響。末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要，末端采摘器應(yīng)不局限于對(duì)單一水果進(jìn)行采摘，其通用性與實(shí)用性不斷增強(qiáng)，如成亮等[52]基于欠驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)的自適應(yīng)、多功能水果采摘末端執(zhí)行器；末端執(zhí)行器與傳感器技術(shù)相結(jié)合控制夾持力的大小，如葉敏等設(shè)計(jì)的擬人指夾持結(jié)構(gòu)；末端執(zhí)行器應(yīng)不斷降低對(duì)環(huán)境的影響，末端執(zhí)行器的切割機(jī)構(gòu)應(yīng)由旋切式逐步轉(zhuǎn)為剪切式，如陳燕等設(shè)計(jì)的夾剪一體式荔枝采摘器。另外科研人員也開始注重回收裝置的設(shè)計(jì)和材料的選用，蔣志林[53]開展了不同下落高度和不同接觸材料對(duì)荔枝損傷和保鮮的影響。由此可以看出荔枝采摘機(jī)械不斷追求各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化以謀求整體結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效、無(wú)損采摘。

3.2 控制系統(tǒng)自動(dòng)化智能化

控制系統(tǒng)分為機(jī)器視覺系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，兩者具有不可分割的關(guān)系，機(jī)器視覺系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)提供目標(biāo)和方向，兩系統(tǒng)快速、穩(wěn)定地配合是高效、無(wú)損采摘的關(guān)鍵一環(huán)。機(jī)械視覺不斷朝著高效率、高精度、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展，陳燕等展開了大視場(chǎng)多串荔枝的預(yù)定位研究，設(shè)計(jì)了34層密集卷積層的神經(jīng)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)YOLOv3-DenseNet34應(yīng)用于視覺識(shí)別，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入大大提高了檢測(cè)識(shí)別的能力和速度；郭艾俠等[54]將Harris與SIFT算法相融合用于荔枝采摘點(diǎn)的識(shí)別定位；熊俊濤等[55]選用YIQ 顏色模型在夜間識(shí)別荔枝果串，把Otsu 與 FCM 算法結(jié)合實(shí)現(xiàn)夜間荔枝串的識(shí)別，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，其成功率可達(dá)到95.3%；孫寶霞等[56]將機(jī)器視覺引入采后荔枝的品質(zhì)檢測(cè)，為果實(shí)分級(jí)提供依據(jù)；熊俊濤等[57]利用機(jī)器視覺在識(shí)別定位的同時(shí)對(duì)荔枝品質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)；方華麗等[58]將無(wú)線傳感技術(shù)和機(jī)器視覺相結(jié)合，機(jī)器視覺既承擔(dān)導(dǎo)航作用又承擔(dān)果實(shí)的識(shí)別定位等等。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)同樣朝著高度自動(dòng)化、快速響應(yīng)、智能避障等方向發(fā)展，孫賢鋼等[59]基于機(jī)械視覺研究開發(fā)的采摘機(jī)器人可自動(dòng)導(dǎo)航到達(dá)目的地完成采摘工作；何捷[60]將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)結(jié)合來(lái)規(guī)劃行走路徑，采用PID算法提高導(dǎo)航的精度；黃軼文等[61]將蟻群算法應(yīng)用到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制達(dá)到了運(yùn)動(dòng)平滑、可靠性高和穩(wěn)定性強(qiáng)的效果；司艷偉等[62]基于5次B樣條函數(shù)進(jìn)行采摘機(jī)器人軌跡規(guī)劃，并和七次樣條插值軌跡比較進(jìn)行不斷優(yōu)化，優(yōu)化后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間縮短了6.62 s，各關(guān)節(jié)的振動(dòng)沖擊也明顯減??；仲崇迪等[63]開展了采摘機(jī)器人避障控制系統(tǒng)的研究，將機(jī)械臂連桿和果實(shí)簡(jiǎn)化為圓柱與球碰撞，將機(jī)械臂連桿與樹枝樹干的碰撞簡(jiǎn)化為圓柱與圓柱的碰撞，分析產(chǎn)生碰撞的條件和規(guī)避的方法等等。由此可以看出控制系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化程度在不斷地提高，深度學(xué)習(xí)和人工智能將開啟荔枝采摘的新篇章。

3.3 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相協(xié)調(diào)發(fā)展

隨著我國(guó)對(duì)農(nóng)業(yè)的不斷重視，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝都得到長(zhǎng)足的發(fā)展，大量的研究人員投入到各個(gè)領(lǐng)域開展農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。就荔枝而言，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室展開了全局性、深層次、高技術(shù)的研究，但是距離正式商用化、民用化、普及化仍具有較大的差距，機(jī)器工作的不穩(wěn)定性、不可靠性和不確定性仍待解決，不能滿足科研人員和果農(nóng)的相關(guān)要求，所以目前中國(guó)的荔枝果園仍采用較傳統(tǒng)的人工采摘模式。另一方面機(jī)器工作的不穩(wěn)定性、不可靠性和不確定性來(lái)源于果園的非結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，果園內(nèi)地勢(shì)起伏不一、園內(nèi)品種繁雜、種植雜亂無(wú)規(guī)則和樹形不一等等都給機(jī)械化采收帶來(lái)困難，因此需要對(duì)農(nóng)藝提出相關(guān)要求，合理安排種植排數(shù)、間距，并對(duì)荔枝樹進(jìn)行合理的修剪，人為將果實(shí)分散有利于機(jī)器視覺識(shí)別與定位和機(jī)械臂的采收，如澳大利亞科學(xué)家K.Johansen和 T.Raharjo[64]的研究表明對(duì)荔枝果樹進(jìn)行修剪可促進(jìn)新枝芽生長(zhǎng)，對(duì)荔枝的結(jié)果有積極作用，減少了遮光影響增加了荔枝產(chǎn)量，同時(shí)使摘果更加容易，K.Johansen和 T.Raharjo利用無(wú)人機(jī)和多光譜RPAS圖像來(lái)評(píng)估荔枝人工林樹形結(jié)構(gòu)從而指導(dǎo)修剪工作，值得國(guó)內(nèi)農(nóng)藝借鑒。因此，在一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)的農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相協(xié)調(diào)發(fā)展是一個(gè)必然趨勢(shì)，只有因地制宜、結(jié)合實(shí)際才能發(fā)揮機(jī)械化采收的巨大魅力。

4 總結(jié)

我國(guó)荔枝無(wú)論是產(chǎn)量和還是種植面積均居全球首位，需要機(jī)械化采收來(lái)滿足荔枝產(chǎn)業(yè)高效、無(wú)損的采摘需求。自動(dòng)化、智能化的采收裝備可大大降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，甚至在不久的將來(lái)能實(shí)現(xiàn)無(wú)人化采收。目前受限于農(nóng)藝和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，荔枝采摘機(jī)械仍存在結(jié)構(gòu)功能單一、穩(wěn)定性與可靠性差、識(shí)別和定位不準(zhǔn)確以及無(wú)損采摘難以實(shí)現(xiàn)等缺點(diǎn)，但是大量研究人員朝著這些方向不斷努力，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)和軟件算法的不斷優(yōu)化，荔枝采摘機(jī)械必將朝著小型化、自動(dòng)化、智能化、高精度、高效率、低成本等方向發(fā)展，達(dá)到降低人工成本、改善作業(yè)環(huán)境、提高采摘效率、提高荔枝品質(zhì)、增加果園收入等目標(biāo)前進(jìn)，為鄉(xiāng)村振興助力。