蔬果采摘機(jī)械在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望

陳旭昊 喻耘 蘇航 劉恩澤

(重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，重慶 404020)

引言

蔬果類的采摘在農(nóng)作物生產(chǎn)過程中消耗勞動力最大，也是難以推進(jìn)機(jī)械化的重要環(huán)節(jié)。隨著經(jīng)濟(jì)社會不斷發(fā)展，蔬果種植的種類和規(guī)模不斷增長。與此同時，中國城鎮(zhèn)化率不斷上升，農(nóng)村適齡勞動人口比重下降，蔬果采摘的工作成本不斷攀升[1]。而中國現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)面積超過400萬hm2，占世界設(shè)施園藝總面積的85%[2]。因此，破解蔬果采摘環(huán)節(jié)的勞動力短缺問題，新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的推廣和新技術(shù)的開發(fā)是大勢所趨，采摘機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用亦成為主流發(fā)展方向。

采摘機(jī)器人集中多種前沿科技，其技術(shù)內(nèi)容包括視覺識別技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等[3]。各類蔬果類農(nóng)作物在種植方式、果實(shí)形態(tài)、生長環(huán)境等都有較大差異，因此為提升采摘效率，研究者對采摘機(jī)器人的設(shè)計具有針對性，使之具備有自主工作能力并通過信息技術(shù)來實(shí)現(xiàn)在不同工作環(huán)境下自動收獲。采摘機(jī)器人的應(yīng)用可減輕種植戶勞動強(qiáng)度，緩解勞動力短缺問題，提高生產(chǎn)效率。隨著采摘機(jī)器人技術(shù)的成熟，不斷保證采收效率，提升蔬果果品質(zhì)量。

1 國內(nèi)外果蔬采摘機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀

收獲作業(yè)方向的機(jī)器人研究始于20世紀(jì)60年代的北美，主要方式為機(jī)械震搖式與氣動震搖式[4]。初期采摘果實(shí)損耗率高，且無法依據(jù)果實(shí)成熟程度進(jìn)行收獲。20世紀(jì)末，歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家依靠這一時期圖像處理和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)迅猛發(fā)展，研究者對采摘機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行大量的研究。進(jìn)入21世紀(jì)以后，我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)投入快速增長，研究成果呈幾何級增長。

1.1 國內(nèi)外采摘機(jī)械臂的研究

采摘機(jī)器人中機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要，機(jī)械臂的選用影響著果實(shí)采摘的損耗率和采摘工作時作業(yè)效率[5]。機(jī)械臂的自由度是采摘靈活度的體現(xiàn)，影響著末端執(zhí)行器可到達(dá)的空間范圍。

對于四自由度機(jī)械臂的研究，王燕等[6]設(shè)計四自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械手采摘黃瓜，其采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)的設(shè)計并采用直流電機(jī)驅(qū)動將機(jī)械手移至目標(biāo)點(diǎn)位，其末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘。E J Van Henten等[7]研究用于溫室黃瓜自主收獲的機(jī)械手運(yùn)動結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使用四自由度的四連桿型機(jī)械手，執(zhí)行從初始位置到目標(biāo)位置的無碰撞運(yùn)動。

對于五自由度機(jī)械臂的研究，邵堃[8]研究了五自由度機(jī)械臂的番茄智能采摘機(jī)器人，考慮到采摘精度，五自由度方式設(shè)計機(jī)械手保證采摘的靈活性，通過碳纖維的機(jī)械手臂材料降低自身重量，并通過對機(jī)械臂建模，求解目標(biāo)中心坐標(biāo)和各關(guān)節(jié)角度關(guān)系，提高該機(jī)械臂控制精度。Zhao De-An等[9]研究了具有五自由度結(jié)構(gòu)的機(jī)械手經(jīng)過幾何優(yōu)化以提供準(zhǔn)線性行為并簡化控制策略，設(shè)計出帶有氣動夾持器的勺形末端執(zhí)行器。

對于六自由度機(jī)械臂的研究，邱立琦等[10]研究六自由度機(jī)械臂的火龍果采收機(jī)，機(jī)械臂根據(jù)采摘需要進(jìn)行移動轉(zhuǎn)動，利用伺服電機(jī)將電信號轉(zhuǎn)換為軸角位移和角速度，并進(jìn)行關(guān)鍵部位參數(shù)設(shè)計，保證復(fù)雜環(huán)境中采收作業(yè)質(zhì)量。Boaz Arad等[11]研究一種采摘彩椒機(jī)器人采用六自由度型工業(yè)機(jī)械臂，通過以更高的速度運(yùn)行機(jī)器人機(jī)械手。

1.2 國內(nèi)外采摘機(jī)器人視覺研究進(jìn)展

蔬果種植環(huán)境較為復(fù)雜，快速對采摘對象識別和精準(zhǔn)定位是采摘機(jī)器人提高作業(yè)效率的關(guān)鍵因素。從環(huán)境中識別出果實(shí)的準(zhǔn)確空間位置，為后續(xù)機(jī)械臂運(yùn)動提供技術(shù)參數(shù)[12]。近年來，研究者不斷優(yōu)化視覺系統(tǒng)的精度和速度來實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的高效運(yùn)作。

劉德兒等[13]研究基于RGB-D相機(jī)的臍橙實(shí)時識別定位與分級方法，研究者使用深度相機(jī)采集果實(shí)RGB-D數(shù)據(jù)，改進(jìn)YOLACT算法進(jìn)行模型分割，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)識別時精度和速度的平衡，達(dá)到果實(shí)檢測和定位。張曉亮等[14]研究了基于VR技術(shù)的采摘機(jī)器人采摘環(huán)境仿真，構(gòu)建了采摘時黃瓜生長的虛擬環(huán)境以及對采摘機(jī)器人進(jìn)行虛擬建模，提高了機(jī)器人系統(tǒng)控制精確性。周浩等[15]在采摘機(jī)器人的視覺感知中引入深度學(xué)習(xí)技術(shù)，利用雙目相機(jī)采集左右圖像和檢測網(wǎng)絡(luò)YOLOv4提取區(qū)域，根據(jù)視差計算出油茶果實(shí)參考采摘點(diǎn)，對采摘機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下快速進(jìn)行果實(shí)檢測提供技術(shù)參考。葉強(qiáng)強(qiáng)等[16]基于ROS系統(tǒng)并利用激光雷達(dá)技術(shù)構(gòu)建格柵地圖對機(jī)器人進(jìn)行重定位，通過局部路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人自動導(dǎo)航和巡航，提升機(jī)器人的穩(wěn)健性。A Gongal等[17]研究行間視覺系統(tǒng)評估作物負(fù)荷，設(shè)計出集成隧道結(jié)構(gòu)跨型平臺的傳感器采集并處理蘋果兩側(cè)圖像，蘋果在三維空間中的位置用于消除從樹冠兩側(cè)的相機(jī)可見的蘋果重復(fù)計數(shù)，降低樹冠、樹葉遮擋對識別造成的影響，精準(zhǔn)預(yù)估果園中蘋果。Stephen Nuske等[18]通過紋理、顏色和形狀這些突出的視覺線索來處理圖像，可以快速區(qū)分出相似顏色果實(shí)和葡萄樹葉子，優(yōu)化圖像測量和產(chǎn)量之間的關(guān)系來最大化產(chǎn)量估計的空間和整體精度。

2 采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)

蔬果采收作業(yè)的勞動過程耗費(fèi)大量人力和時間，采摘機(jī)器人可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。采摘機(jī)器人隨著傳感技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、人工智能技術(shù)、圖像識別技術(shù)等發(fā)展不斷進(jìn)步，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有積極意義[19]。采摘機(jī)器人與其他工業(yè)機(jī)器人相比具有自身特點(diǎn)。

2.1 操作便捷化

傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸較為龐大，應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的難度較高。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體對象是農(nóng)民，采摘機(jī)器人相對簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計和便捷操作，方便廣大農(nóng)民的使用。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍處于較低利潤，采摘機(jī)器人的售價需控制在生產(chǎn)活動者可承受范圍之內(nèi)，利于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣，加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的生產(chǎn)。

2.2 作業(yè)季節(jié)性因素

采摘機(jī)器人的工作環(huán)境在溫室大棚或田間，受季節(jié)變換和極端天氣的影響因素較大[20]，采摘機(jī)器人的設(shè)計有防水、抗風(fēng)、防漏電等防護(hù)措施，具有較高的適應(yīng)性。不同蔬果生長和成熟也有季節(jié)性，采摘機(jī)器人采摘結(jié)束后長時間閑置，影響使用壽命。

2.3 作業(yè)環(huán)境因素

采摘機(jī)器人進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，受到地理?xiàng)l件的影響，其會遇到穿梭的行走路線復(fù)雜、地勢起伏等狀況。采摘機(jī)器人具有減震的設(shè)計，可保證蔬果采摘和運(yùn)輸時果實(shí)的低損耗。快速精準(zhǔn)的視覺識別系統(tǒng)縮短采摘機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)動和采摘時間，提高收獲作業(yè)效率。

2.4 果實(shí)收獲完整度

采摘機(jī)器人的工作對象大多是蔬菜和水果等易損耗果實(shí)，各類果實(shí)的形狀和大小并不一致，因此需對采摘機(jī)器人的機(jī)械臂機(jī)構(gòu)設(shè)計有靈活性，對末端執(zhí)行器的執(zhí)行方式也更加定制化。考慮到果實(shí)的生長位置和成熟度并不一致的情況，采摘機(jī)器人通過加入視覺識別系統(tǒng)和各類算法并通過機(jī)器深度學(xué)習(xí)，保證采收果蔬的作業(yè)效率和果實(shí)的完整度。

3 采摘機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，仍有許多類型采摘機(jī)器人受到作業(yè)對象的限制，作業(yè)范圍受到農(nóng)作物生長環(huán)境的限制，并未達(dá)到設(shè)計效果。為促進(jìn)采摘機(jī)器人更有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，其未來發(fā)展有以下幾個方面。

3.1 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合發(fā)展

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，機(jī)械化的應(yīng)用使現(xiàn)代生產(chǎn)模式與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式發(fā)生本質(zhì)區(qū)別，傳統(tǒng)農(nóng)藝技術(shù)已無法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的適應(yīng)、協(xié)調(diào)和融合十分必要，采摘機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮到不同果實(shí)力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)，考慮到不同作物生長環(huán)境干擾，可設(shè)計出與之匹配的末端執(zhí)行器，保證果實(shí)質(zhì)量。采摘機(jī)械與農(nóng)藝相融合，才能發(fā)揮農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化的價值和作用，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效。

3.2 控制系統(tǒng)智能化

目前，采摘機(jī)器人還存在對果實(shí)識別率和采摘率低等問題。在客觀條件上，因田間作業(yè)過程中，果樹的枝葉和果實(shí)的生長存在不確定性，采摘機(jī)器人存在無法準(zhǔn)確識別果實(shí)位置的情況。在硬件上，采摘機(jī)器人的圖像識別系統(tǒng)多采用顏色識別法，易受到外界信息干擾?？赏ㄟ^優(yōu)化智能化圖像處理算法，不斷改進(jìn)視覺傳感器技術(shù)和智能識別技術(shù)，提高采摘對象的智能化識別和定位。

4 小結(jié)

我國作為農(nóng)業(yè)大國，開展農(nóng)業(yè)機(jī)械化的意義十分重大。農(nóng)業(yè)機(jī)械化作為保障農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要條件，能轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，為農(nóng)業(yè)提供新的動能和發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，采摘機(jī)器人的研究多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室階段，商業(yè)化應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域較少，依然有許多問題亟待解決。在未來，采摘機(jī)器人的研究應(yīng)不斷與農(nóng)藝發(fā)展相融合，不斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高控制系統(tǒng)的智能化水平，使采摘機(jī)器人和智慧農(nóng)業(yè)相結(jié)合，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展。研究采摘機(jī)器人具有重要的實(shí)用價值，其推廣應(yīng)用可大力提高作業(yè)效率，緩解勞動力資源緊張的局面，產(chǎn)出客觀的經(jīng)濟(jì)價值，為我國農(nóng)業(yè)的良好發(fā)展夯實(shí)基礎(chǔ)。