軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)質(zhì)量測(cè)試方法

陳興和， 李丹陽， 任巧琳

（1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)機(jī)械化總站，北京 100021； 2. 新疆新研牧神科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

“十三五”以來，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化取得了顯著成績(jī)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)入了機(jī)械化為主導(dǎo)的新階段。2021 年，我國(guó)主要農(nóng)作物耕種收綜合機(jī)械化率已超過72%。受作物品種、種植制度、農(nóng)藝要求制約，水果、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的機(jī)械化率仍然較低。2020 年，我國(guó)果蔬種 植 總 面 積達(dá)3 413.1 萬hm2，水 果 產(chǎn) 量 達(dá)28 692 萬t，但設(shè)施農(nóng)業(yè)和水果生產(chǎn)的機(jī)械化率僅為40.53%和25.59%[1]。在果蔬生產(chǎn)各環(huán)節(jié)中，果蔬采收是季節(jié)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、采收質(zhì)量要求高的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)階段，果蔬采收仍以人工為主，工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且造成的果蔬損傷率高。近年來，農(nóng)業(yè)機(jī)器人作為一種高效、智能的農(nóng)業(yè)機(jī)械，憑借其自動(dòng)化、智能化、精細(xì)程度高、能夠克服苛刻的自然條件等優(yōu)勢(shì)，在種苗生長(zhǎng)管理、農(nóng)產(chǎn)品收獲加工和畜產(chǎn)健康養(yǎng)殖等方面發(fā)揮著重要作用[2]。果蔬采摘機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)于解放勞動(dòng)力、降低農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本、提高新鮮果蔬品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益等方面有重要意義。

果蔬采摘機(jī)器人的研究可以追溯到20 世紀(jì)中期。20 世紀(jì)60 年代，美國(guó)研究出機(jī)械振動(dòng)和氣動(dòng)兩種搖式果蔬采摘機(jī)器人；80 年代以來，美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)和荷蘭等發(fā)達(dá)國(guó)家相繼試驗(yàn)成功番茄、草莓、蘋果、柑橘、甜椒和葡萄等多種采摘機(jī)器人[3-9]。我國(guó)果蔬采摘機(jī)器人的研究起步較晚，始于20 世紀(jì)90 年代，上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)和北京工業(yè)大學(xué)等多所高校及科研院所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人的研究。通過跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)采摘點(diǎn)識(shí)別方法、采摘臂結(jié)構(gòu)參數(shù)、末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)等進(jìn)行優(yōu)化，提高機(jī)器人采摘效率、降低果實(shí)損傷率，進(jìn)一步提高采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量，在采摘機(jī)器人的研究領(lǐng)域取得了初步成果[9-14]。

按照行走和移動(dòng)方式，果蔬采摘機(jī)器人可分為輪式、履帶式、人形行走機(jī)構(gòu)和軌道式等類型。按照驅(qū)動(dòng)動(dòng)力源，主要分為內(nèi)燃機(jī)和電機(jī)兩種。輪式和履帶式采摘機(jī)器人采用自走式行走機(jī)構(gòu)，行動(dòng)路線較靈活，常用于露天果園采摘。人形行走機(jī)構(gòu)適用于西瓜、葡萄等行走空間狹小，輪式、履帶式行走機(jī)構(gòu)不適用的作業(yè)環(huán)境。軌道式采摘機(jī)器人需將搭載的移動(dòng)升降平臺(tái)架設(shè)在作物行間的固定軌道上，作業(yè)時(shí)沿軌道移動(dòng)，多用于設(shè)施農(nóng)業(yè)中。果蔬采摘機(jī)器人主要由機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)及控制系統(tǒng)兩大部分組成，包括果實(shí)識(shí)別視覺單元、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、果實(shí)收集裝置及承載平臺(tái)，具備自主導(dǎo)航、果實(shí)識(shí)別定位、作業(yè)規(guī)劃和采摘?jiǎng)幼骺刂频裙δ躘15]。果實(shí)的識(shí)別定位是采摘機(jī)器人需要解決的首要問題，其識(shí)別定位能力取決于所匹配的視覺傳感器及應(yīng)用的識(shí)別算法。末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的核心部件之一，其型式?jīng)Q定了果蔬的摘取方式，常見的末端執(zhí)行器型式有仿形手式、剪切式和抓握式，可完成搖動(dòng)、扭斷、剪切或抓取動(dòng)作[12]。

果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)質(zhì)量是機(jī)具的關(guān)鍵指標(biāo)，決定了果蔬采摘的作業(yè)效率、果蔬完整度等，本文對(duì)軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量測(cè)試方法進(jìn)行研究，旨在提供一種適用于設(shè)施溫室種植大果番茄采收的機(jī)器人作業(yè)質(zhì)量測(cè)試方法，并通過分析作業(yè)質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品提出改進(jìn)及優(yōu)化建議，推動(dòng)果蔬采摘機(jī)器人的研發(fā)及推廣應(yīng)用。

1 測(cè)試方法確定

1.1 果蔬采摘作業(yè)過程

果蔬采摘作業(yè)前，首先將移動(dòng)平臺(tái)連同機(jī)器人一起安裝架設(shè)在平移軌道上進(jìn)行通電調(diào)試，調(diào)整平臺(tái)至適宜采收高度，行走、識(shí)別、抓取等動(dòng)作應(yīng)流暢、準(zhǔn)確，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在自動(dòng)模式下作業(yè)時(shí)，平臺(tái)搭載采摘機(jī)器人沿軌道平移，通過雙目攝像頭獲取到成熟番茄信息時(shí)平臺(tái)停止移動(dòng)，并將其位置坐標(biāo)等信息傳遞給控制系統(tǒng)，接受控制系統(tǒng)滑移位置、曲度和高度指令后，柔性機(jī)械臂自動(dòng)到達(dá)目標(biāo)果實(shí)位置下方，手爪向上托舉果實(shí)，手爪彈指受果實(shí)壓力作用向內(nèi)收回，待果實(shí)完全落入籠狀手爪內(nèi)時(shí)，彈性手指自動(dòng)回位，完成果實(shí)套取。此時(shí)感應(yīng)器觸發(fā)機(jī)械臂收縮回位，手爪拉住果實(shí)使果柄與藤蔓分離完成采摘，被摘下果實(shí)沿機(jī)械臂內(nèi)柔性管道滾動(dòng)至集果箱中。

1.2 測(cè)試條件確定

1.2.1 作物條件

作物條件的確定需綜合考慮作物的種植生長(zhǎng)特性和采摘機(jī)器人的作業(yè)能力。軌道平移式采摘機(jī)器人在電力驅(qū)動(dòng)下可沿軌道進(jìn)行雙向移動(dòng)，通過攝像頭和機(jī)械手爪進(jìn)行成熟果實(shí)的識(shí)別和采摘。試驗(yàn)作物品種為設(shè)施溫室吊槽式種植模式下的大果番茄，番茄的種植生長(zhǎng)情況直接影響作業(yè)效果。對(duì)軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量測(cè)試主要考慮株距、行距、結(jié)果區(qū)主藤直徑和藤蔓高度、成熟果實(shí)結(jié)果高度范圍、果實(shí)質(zhì)量和果實(shí)尺寸等作物條件。

1.2.2 試驗(yàn)地條件

軌道平移式采摘機(jī)器人需在鋪設(shè)好軌道的設(shè)施溫室內(nèi)工作，采收作業(yè)前需依據(jù)采摘機(jī)器人的作業(yè)能力參數(shù)做好準(zhǔn)備工作。光照條件對(duì)采摘機(jī)器人的果蔬識(shí)別效果產(chǎn)生一定影響，應(yīng)保證溫室內(nèi)光照充足，溫度、濕度適宜。軌道距離與采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的輪距調(diào)整一致，確保設(shè)備正常行走。受機(jī)器人識(shí)別及采摘高度范圍限制，軌道高度及種植槽高度、平臺(tái)高度決定了采摘所需的落蔓高度。因此，對(duì)軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量測(cè)試主要考慮軌道高度、軌距、種植槽高度，以及環(huán)境溫度、濕度等條件。

1.3 作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)確定

采摘機(jī)器人的性能指標(biāo)主要包括作業(yè)能力、作業(yè)質(zhì)量?jī)蓚€(gè)方面。采摘時(shí)間是體現(xiàn)采摘作業(yè)能力的重要指標(biāo)；采摘果實(shí)尺寸范圍及抓握輸出力決定了能夠被成功采收的果實(shí)的尺寸和質(zhì)量范圍；成功抓取率（漏采率）是機(jī)器人經(jīng)過成熟果實(shí)時(shí)，能夠準(zhǔn)確識(shí)別并成功完成采摘的幾率，是反映機(jī)器人作業(yè)能力的主要參數(shù)；果實(shí)破損率反映機(jī)器對(duì)果實(shí)的損傷程度，反映機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量。因此，將采摘機(jī)器人的采摘時(shí)間（效率）、采摘果實(shí)尺寸范圍、抓握輸出力、抓取成功率及果實(shí)破損率確定為作業(yè)質(zhì)量測(cè)試指標(biāo)。

采摘機(jī)器人作業(yè)時(shí)，將機(jī)械臂完成自啟動(dòng)伸展、抓取果實(shí)、收縮歸位動(dòng)作所用時(shí)間作為一個(gè)采摘周期，即單次采摘時(shí)間，該時(shí)間不包含機(jī)器人行走及機(jī)械臂移動(dòng)的時(shí)間。計(jì)算1 min 平均采摘個(gè)數(shù)，即采摘效率。將機(jī)械臂手爪彈指全部收回開度最大時(shí)手指均布區(qū)相對(duì)兩彈指最小間距及彈指復(fù)位后開度最小時(shí)手指均布區(qū)平均相鄰指間距，確定為采摘果實(shí)尺寸范圍。

抓握輸出力定義為機(jī)械臂在抓取并牽拉果實(shí)使果柄與藤蔓分離過程中可輸出的最大抓取力。本研究歸納利用倒拖阻力測(cè)量法和重力測(cè)量法測(cè)定機(jī)械臂的最大可輸出抓握力。方法一：倒拖阻力測(cè)量法。將數(shù)顯式拉力計(jì)一側(cè)與機(jī)械臂固定，另一側(cè)與加載機(jī)構(gòu)連接。測(cè)試時(shí)，啟動(dòng)機(jī)械臂回縮并通過加載機(jī)構(gòu)對(duì)拉力計(jì)施加不同的恒定倒拖阻力，測(cè)定機(jī)械臂最大可輸出的抓握力，單位以“N”記。方法二：重力測(cè)量法。利用定滑輪原理，將定滑輪安裝在剛性支架上，滑輪上曲面高度固定在機(jī)械臂伸縮移動(dòng)中心線延長(zhǎng)線上，將掛在定滑輪上的繩索一端與機(jī)械臂連接，通過在另一端掛接不同質(zhì)量的砝碼，測(cè)定砝碼的重力即機(jī)械臂的輸出抓握力。試驗(yàn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂回縮并牽引砝碼做提升運(yùn)動(dòng)，若砝碼能在機(jī)械臂拉力的作用下被順利提起，則認(rèn)定本次試驗(yàn)有效，此時(shí)砝碼的重力即機(jī)械臂的可輸出抓握力，單位以“N”記。兩種方法相比較，方法一在機(jī)械臂負(fù)載回縮移動(dòng)時(shí)，向拉力計(jì)施加恒定倒拖阻力需使用專門的加載裝置，較為復(fù)雜且不易實(shí)現(xiàn)；方法二中施加的砝碼重力即為機(jī)械臂所輸出的拉力值，即F=G，如圖1 所示。此方法簡(jiǎn)單易行且測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確，故選擇方法二進(jìn)行試驗(yàn)。

圖1 重力測(cè)量法測(cè)試抓握力Fig. 1 Measurement of grip force by gravimetry

測(cè)試時(shí)，調(diào)整設(shè)備為調(diào)試/手動(dòng)模式，機(jī)械臂處于自然伸直狀態(tài)，在機(jī)械臂施力中心線反方向施加阻力（牽引砝碼）情況下，收縮機(jī)械臂，若收縮自如，則其牽引砝碼的重力即為機(jī)械臂本次成功抓握輸出力。試驗(yàn)在施加多種不同阻力（牽引砝碼）情況下進(jìn)行，取機(jī)械臂成功抓握輸出力最大值。初次施加牽引砝碼質(zhì)量不小于1 kg，第2 次、第3 次增加牽引砝碼質(zhì)量均不小于0.5 kg，以后逐次增加牽引砝碼質(zhì)量均為0.1 kg。設(shè)定本項(xiàng)試驗(yàn)在機(jī)械臂能正常工作前提下，持續(xù)加載試驗(yàn)進(jìn)行到可輸出的抓握力達(dá)到2.5 kg 左右時(shí)結(jié)束。

抓取成功率是評(píng)價(jià)機(jī)器人作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)。機(jī)器人完成從識(shí)別、抓取到成功采收番茄的一個(gè)過程記為成功抓取一次，未成功識(shí)別或未成功抓取番茄記為失敗一次。抓取成功率計(jì)算方法為

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的FHR-2 型柔性果蔬采摘機(jī)器人（圖2）屬于軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人，外形尺寸及單臂作業(yè)空間（基于單臂初始位置）設(shè)計(jì)值如表1 所示，搭載雙目攝像頭、雙機(jī)械臂及可升降移動(dòng)平臺(tái)，末端執(zhí)行器由7 個(gè)橡膠彈性指組成，其中6 指均勻分布。試驗(yàn)在北京市大興區(qū)某設(shè)施溫室進(jìn)行，作物品種為吊槽式種植模式下生長(zhǎng)的大果番茄。

表1 FHR-2 型采摘機(jī)器人參數(shù)Tab. 1 Parameters of FHR-2 type picking robot

圖2 FHR-2 型果蔬柔性采摘機(jī)器人Fig. 2 FHR-2 type fruit and vegetable flexible picking robot

2.2 試驗(yàn)過程

2.2.1 試驗(yàn)條件測(cè)定

在測(cè)區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取20 株番茄，測(cè)定株距、行距、藤蔓高度、結(jié)果高度、果實(shí)直徑、單果質(zhì)量等作物條件，種植槽離地高度、軌距等試驗(yàn)地條件，以及試驗(yàn)過程中溫度、濕度等環(huán)境條件。

2.2.2 作業(yè)質(zhì)量測(cè)試

機(jī)器人采摘作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行3 個(gè)行程測(cè)試。測(cè)試前，隨機(jī)劃定3 個(gè)長(zhǎng)度為25 m 的測(cè)區(qū)，清點(diǎn)記錄每個(gè)測(cè)區(qū)中成熟果實(shí)總數(shù)，要求每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)成熟番茄總數(shù)不少于100 個(gè)。測(cè)試時(shí)，機(jī)器人按自動(dòng)模式進(jìn)入測(cè)區(qū)進(jìn)行采摘作業(yè)。每個(gè)行程隨機(jī)測(cè)定5 次單個(gè)果實(shí)采摘時(shí)間，計(jì)算采摘效率；記錄每個(gè)行程采摘番茄總數(shù)、一次成功抓取總次數(shù)及破損果實(shí)數(shù)，計(jì)算成功抓取率和果實(shí)破損率，取平均值。

作業(yè)能力測(cè)試在非工作狀態(tài)下進(jìn)行。通過測(cè)定機(jī)械手爪彈指間距離測(cè)定機(jī)器人所能采摘果實(shí)的尺寸范圍。按重力測(cè)量法，在機(jī)械臂施力中心線反方向施加阻力（牽引砝碼）測(cè)定機(jī)械臂抓握輸出力最大值，采摘機(jī)器人試驗(yàn)場(chǎng)景如圖3 所示。

圖3 采摘機(jī)器人試驗(yàn)場(chǎng)景Fig. 3 Test scenario of picking robot

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)條件測(cè)定結(jié)果

試驗(yàn)條件測(cè)定結(jié)果如表2 所示，試驗(yàn)作物品種為設(shè)施溫室吊槽式種植模式下生長(zhǎng)的大果番茄，已人工完成枝葉清理。作業(yè)前對(duì)種植吊槽進(jìn)行了固定，保證吊槽及藤蔓的穩(wěn)定性，以降低吊槽及藤蔓因受力擺動(dòng)對(duì)采摘作業(yè)造成不利影響。依據(jù)機(jī)器人可識(shí)別和采摘范圍對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)的所有番茄進(jìn)行了落蔓處理，把成熟果實(shí)的坐標(biāo)位置控制在機(jī)器人適收范圍內(nèi)。同時(shí)，對(duì)作業(yè)區(qū)內(nèi)成熟番茄藤蔓上的枝葉進(jìn)行齊藤修剪，使果實(shí)上方藤蔓無留茬，保證機(jī)械臂適收高度范圍內(nèi)成熟果實(shí)無枝葉遮擋。測(cè)得結(jié)果區(qū)高度范圍1 300～1 500 mm，機(jī)器人手臂高度范圍850～1900 mm，基于初始位置的單臂作業(yè)高度范圍0～200 mm，結(jié)果區(qū)高度被機(jī)器人作業(yè)高度范圍覆蓋。果實(shí)直徑60～80 mm、單果質(zhì)量100～200 g 等作物條件均在機(jī)器人采摘能力范圍內(nèi)。

表2 試驗(yàn)條件測(cè)定結(jié)果Tab. 2 Measurement results of test conditions

3.2 作業(yè)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)方法對(duì)FHR-2 型柔性果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量測(cè)試，測(cè)定結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，采摘機(jī)器人的平均采摘時(shí)間為7 s/個(gè)，采摘效率為8 個(gè)/min，與現(xiàn)有番茄采摘機(jī)器人相近。機(jī)械臂的采摘果實(shí)尺寸范圍、抓握輸出力均能滿足設(shè)施大果番茄采摘要求，成功抓取率為72.9%。分析表明，雖然已按要求對(duì)試驗(yàn)區(qū)植株的枝葉進(jìn)行預(yù)處理，但是機(jī)器人在作業(yè)過程中仍出現(xiàn)漏采現(xiàn)象，這與機(jī)器人的圖像識(shí)別能力及復(fù)雜光線條件有關(guān)，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人圖像系統(tǒng)的識(shí)別與處理能力。測(cè)得果實(shí)破損率為0，得益于彈指式手爪的柔性設(shè)計(jì)和充分的前期準(zhǔn)備。FHR-2 型柔性果蔬采摘機(jī)器人對(duì)采摘部件做了柔性設(shè)計(jì)與處理，對(duì)手指采取纏繞海綿等措施，在增大果實(shí)與機(jī)器接觸面積的同時(shí)，降低了彈指對(duì)果實(shí)產(chǎn)生的擠壓損傷。同時(shí)，中空機(jī)械臂圓形管道內(nèi)壁采用軟簾布材料制作，果實(shí)沿著中空機(jī)械臂圓形管道滾落時(shí)，最大限度降低管壁對(duì)果皮的磕碰損傷。另外，采收前對(duì)成熟果實(shí)周圍藤蔓上的枝葉進(jìn)行充分清理，有效避免抓取時(shí)藤蔓上枝杈殘茬刺傷果皮，降低果實(shí)破損率。

表3 作業(yè)質(zhì)量測(cè)試結(jié)果Tab. 3 Measurement results of working quality

4 結(jié)論

（1）建立了軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人性能指標(biāo)測(cè)試方法，針對(duì)設(shè)施溫室吊槽式種植模式下生長(zhǎng)的大果番茄，測(cè)定采摘時(shí)間（效率）、成功抓取率、果實(shí)破損率等作業(yè)質(zhì)量，以及機(jī)器人采摘果實(shí)尺寸范圍、抓握輸出力等作業(yè)能力。提出的方法能夠完成對(duì)軌道平移式果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量測(cè)試。

（2）對(duì)FHR-2 型柔性果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量測(cè)試，結(jié)果表明，溫室吊槽式種植模式下生產(chǎn)的番茄和試驗(yàn)地條件優(yōu)良，適宜軌道平移式采摘機(jī)器人采收作業(yè)，產(chǎn)品的采摘時(shí)間（效率）、抓握輸出力及采摘果實(shí)尺寸范圍等滿足作業(yè)能力要求，果實(shí)破損率滿足作業(yè)質(zhì)量要求。成功抓取率受果實(shí)識(shí)別能力、抓取時(shí)果實(shí)擺動(dòng)等因素影響，出現(xiàn)未被識(shí)別和抓取失敗等情況。FHR-2 型柔性果蔬采摘機(jī)器人還需進(jìn)一步優(yōu)化算法，加強(qiáng)多角度果實(shí)識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)，降低漏采果實(shí)數(shù)量，提高抓取成功率，適時(shí)推出采前無需進(jìn)行人工枝葉清理的機(jī)器人。

現(xiàn)階段，我國(guó)大田無人農(nóng)機(jī)已能夠替代人工，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)決策等操作，而設(shè)施農(nóng)業(yè)類機(jī)械尤其是智能果蔬收獲機(jī)械雖能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高作業(yè)效率，卻由于其高昂的制造成本和銷售價(jià)格，農(nóng)民只能望機(jī)興嘆，很難大范圍推廣應(yīng)用。走產(chǎn)學(xué)研推相結(jié)合之路，聯(lián)合科研院所、生產(chǎn)企業(yè)、社會(huì)化服務(wù)組織融合發(fā)展，從栽培方式宜機(jī)化、標(biāo)準(zhǔn)化起步，積極推進(jìn)果蔬生產(chǎn)機(jī)械化。通過金融創(chuàng)新，采取設(shè)備租賃、收獲期托管等經(jīng)營(yíng)方式，推進(jìn)果蔬采收機(jī)器人推廣應(yīng)用。