采摘機器人在農(nóng)業(yè)中的應用分析

孟 丹，張 亮，李 磊，王美玲

（常州先進制造技術研究所，江蘇 常州 213164）

果實采摘具有季節(jié)性、勞動強度大的特點，可以說是整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中最費時費力的環(huán)節(jié)。果實采摘的效率和成本直接關系著農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，人工采摘方式不僅成本高而且效率低，不利于農(nóng)業(yè)的大機械化生產(chǎn)。為了確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠適時采收，降低農(nóng)民的勞動強度和采摘成本，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)漸漸朝著機械化、智能化的方向發(fā)展，采摘機器人被逐漸應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1 采摘機器人概述

采摘機器人集多種前沿科技于一身，其中涵蓋了圖像識別技術、監(jiān)測技術以及傳感技術等。采摘機器人的工作對象是農(nóng)作物，不同的農(nóng)作物種植方式不同，果實形態(tài)各異，生長環(huán)境也不盡相同，所以采摘機器人具有較強的針對性，只有這樣才能切實提高采摘的效率。在設計采摘機器人時應該考慮到作業(yè)對象的特點及其生長環(huán)境，能夠根據(jù)不同的地理環(huán)境自動調(diào)整作業(yè)質(zhì)量，通過改變機器人的程序指令，就可以改變機器人的作業(yè)動作。

2 采摘機器人的特點

2.1 操作的便捷性

農(nóng)民是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體，采摘機器人是為了提高農(nóng)業(yè)采摘效率發(fā)明的，所以在設計上應該要考慮到農(nóng)民群體的特點，操作上必須要更加便捷、實用，同時還需兼顧農(nóng)民群體的經(jīng)濟實力，采摘機器人的價格應該在使用者的承受范圍內(nèi)。只有兼顧價格和操作方式，才能在農(nóng)民群體中廣泛應用，真正實現(xiàn)大機械化生產(chǎn)，減輕農(nóng)民的負擔。

2.2 環(huán)境的高適應性

農(nóng)作物生長的自然環(huán)境是采摘機器人的作業(yè)環(huán)境，農(nóng)作物的生長環(huán)境受到天氣、溫度以及地形地質(zhì)條件的影響，所以，采摘機器人要具有環(huán)境的高適應性，才能針對作物的不同環(huán)境開展作業(yè)。

2.3 作業(yè)的不確定性

農(nóng)作物比較脆弱，而且因為發(fā)育程度不同，生長情況各異，采摘機器人在作業(yè)時要設定合適的力度，才不會損壞農(nóng)作物。

3 采摘機器人在農(nóng)業(yè)中的應用

3.1 黃瓜采摘機器人

早在20世紀90年代，荷蘭就開始研究黃瓜采摘機器人，實驗采用的是溫室環(huán)境，黃瓜是按照高掛線纏繞方式吊掛生產(chǎn)。采摘作業(yè)主要由機器人的末端執(zhí)行器進行，末端執(zhí)行器由機械手和切割器組成，機械手的定位服務由行走車提供，機器人無需人工干預就可以工作，但是由于速度太慢無法商用推廣。日本研制的黃瓜采摘機器人采用了更加先進的視覺系統(tǒng)，可以根據(jù)黃瓜的光譜反射特性來分辨黃瓜的果實和莖葉，采摘作業(yè)時，機械手先抓住黃瓜，然后果梗探測器尋找黃瓜果梗，最后由切割器切斷果梗，采摘流程完成。

3.2 番茄采摘機器人

番茄采摘機器人的構成與黃瓜采摘機器人類似，移動機構負責行走，視覺傳感器尋找果實，末端執(zhí)行器負責采摘。番茄的成熟期不盡相同而且生長位置沒有明確的規(guī)律性，果實經(jīng)常隱藏在枝葉后，采摘時要求機器人機械手能有較大的活動范圍并且能夠避開障礙物。采摘作業(yè)時，移動機構向前行走，視覺系統(tǒng)自動檢測番茄是否在采摘范圍內(nèi)，判斷果實與機械手的相對位置，如在收獲范圍內(nèi)則機械手逐漸靠近并抓住果實，通過旋轉(zhuǎn)方式將果實擰下。

韓國對番茄采摘機器人有一定的研究并初步取得了成果。機器人的視覺系統(tǒng)通過果實的顏色判斷番茄的成熟度，有選擇性采摘果實，但是這種采摘機器人反應過慢，動作靈活性較低，所以還未量化生產(chǎn)。

3.3 蘑菇采摘機器人

蘑菇采摘機器人可以自動檢測蘑菇的位置和大小，進行選擇性采摘。視覺傳感器設計在機器人頂部以便準確確定蘑菇的位置和大小，蘑菇機械化采摘的成功概率主要取決于蘑菇的生產(chǎn)形態(tài)，如果蘑菇傾斜生長就容易采摘失敗。未來蘑菇采摘機器人的重點在于如何根據(jù)圖像信息快速準確調(diào)整機器人機械手的姿態(tài)動作，提高采摘成功率。

3.4 柑橘采摘機器人

柑橘采摘機器人的設計采用人機協(xié)作理念，尋找、定位采摘果實以及機器人的導航功能由人力來完成，采摘機器人的運動規(guī)劃和末端執(zhí)行器的作業(yè)由機器人系統(tǒng)完成。操作人員發(fā)現(xiàn)成熟的柑橘后使用激光測距儀獲得果實的坐標，并將坐標存入數(shù)據(jù)存儲區(qū)，機器人在數(shù)據(jù)存儲區(qū)中讀取果實坐標，末端執(zhí)行器根據(jù)果實坐標規(guī)劃最優(yōu)的采摘路徑并達到坐標位置。人機協(xié)作理念有效降低了機器人系統(tǒng)的復雜程度和設計成本，同時提高了機器人處理突發(fā)事件的水平和采摘成功率，未來有很大的產(chǎn)業(yè)化空間。

4 采摘機器人的發(fā)展趨勢

采摘機器人的作業(yè)對象具有單一性的特點，作業(yè)范圍一旦受到農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的限制，就無法達到最初的預期效果。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化生產(chǎn)要求不斷改善采摘技術以提高采摘效率，降低采摘作業(yè)成本，讓采摘機器人更好地為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務。根據(jù)目前采摘機器人的研究現(xiàn)狀，未來機器人的發(fā)展主要在以下幾個方面：

4.1 提高識別率和采摘率

識別和確定果實的位置主要是顏色識別法，顏色識別法主要基于果實光譜反射特性，但是由于機器人圖像系統(tǒng)識別時存在各種外界干擾信息，有時候效果不是特別好。再加上果實和枝葉生長沒有規(guī)律，果實如果被枝葉遮擋住，機器人就無法準確識別果實的位置。為了精確定位果實的位置，提高采摘成功率，采摘機器人的視覺傳感器技術和圖像處理算法應該繼續(xù)改進，開發(fā)目標智能識別技術，不管果實的形狀和大小如何，機器人的機械手都可以準確抓住成熟果實。

4.2 完善結構設計，降低制造成本

考慮到采摘機器人的使用對象是我國數(shù)量龐大的農(nóng)民群體，文化水平普遍有限，設計團隊要在滿足采摘機器人基本性能的前提下，融合現(xiàn)代智能技術，盡量簡化機器人結構設計，讓其更加簡便和輕巧，提高采摘機器人作業(yè)的靈活性，減少設備操作過程中的復雜流程。由于采摘機器人作業(yè)環(huán)境的多樣性和復雜性，所以其制造成本要比普通的工業(yè)機器人更高一些，但是因為農(nóng)民群體經(jīng)濟條件有限，如果市場價格過高勢必會降低采摘機器人的使用率，因此，設計和制造團隊應該盡量降低采摘機器人的設計和制造成本。

5 結語

農(nóng)業(yè)屬于第一產(chǎn)業(yè)，是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)需要非常多的勞動力，耗時費力，效率低下。隨著科學技術的發(fā)展，農(nóng)業(yè)中也逐漸應用先進技術來實行大機械化生產(chǎn)。采摘機器人的設計核心應該圍繞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，目標是操作簡便精準、采摘效率高，市場價格低。將科學技術與經(jīng)濟效益緊密結合在一起，研制出農(nóng)民群體能夠操作、價格也在承受范圍內(nèi)的采摘機器人。就目前采摘機器人的研究發(fā)展情況來看，開放式結構思想已經(jīng)普遍應用到設計中，開放式結構采摘機器人具有非常多的優(yōu)勢，諸如適應性強、研發(fā)周期短、成本低、作業(yè)效率高等，操作起來也比較方便，一旦技術成熟就可以大面積推廣使用，為未來我國采摘技術的不斷成熟和農(nóng)業(yè)的長遠發(fā)展提供良好條件。