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摘要:果蔬全程機(jī)械化生產(chǎn)過程中采摘作業(yè)是目前最難實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)步入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，采摘機(jī)器人技術(shù)也得到了持續(xù)的提升。本文闡述了國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及水平，為后續(xù)果蔬采摘機(jī)器人的研究提供參考。

關(guān)鍵詞: 果蔬；采摘；機(jī)器人

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新技術(shù)的應(yīng)用和普及，機(jī)器人技術(shù)日漸逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，促使現(xiàn)代農(nóng)業(yè)走向裝備機(jī)械化、生產(chǎn)智能化道路。農(nóng)業(yè)機(jī)器人大致可以分為果蔬采摘機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、果蔬分選機(jī)器人以及農(nóng)田作業(yè)機(jī)器人。而果蔬采摘機(jī)器人一般在非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中作業(yè)，其研發(fā)難度遠(yuǎn)大于其它類型的機(jī)器人。

采摘機(jī)器人是一類針對(duì)水果或蔬菜收獲作業(yè)，具有感知系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)械收獲裝備，是集機(jī)械、電子信息、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、農(nóng)業(yè)及生命科學(xué)等多學(xué)科于一體的交叉性邊緣科學(xué)，其涉及本體結(jié)構(gòu)、傳感技術(shù)、視覺圖像處理、機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)、控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及信息處理等多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。相對(duì)于在結(jié)構(gòu)性環(huán)境下工作的工業(yè)機(jī)器人，在進(jìn)行采摘機(jī)器人等農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究中，要充分考慮機(jī)器人作業(yè)對(duì)象的自身特征和外界的生長(zhǎng)環(huán)境等諸多因素，對(duì)作業(yè)對(duì)象進(jìn)行充分了解。

1 國(guó)外果蔬采摘機(jī)器人

1968年，美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown最早提出應(yīng)用機(jī)器技術(shù)進(jìn)行果蔬收獲的理念，被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人研究的開端。但最初采摘機(jī)器研制采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，其自動(dòng)化和智能化程度不高。1987年，學(xué)者Sistler在總結(jié)果蔬收獲機(jī)器人領(lǐng)域研究進(jìn)展時(shí)指明，當(dāng)時(shí)研發(fā)的收獲機(jī)器人一般都需要人員參與協(xié)調(diào)，因此嚴(yán)格來講其只能被認(rèn)為是半自動(dòng)化收獲裝備。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的土地利用型農(nóng)業(yè)將逐漸形成以作物栽培技術(shù)為基礎(chǔ)、以生物技術(shù)為先導(dǎo)、集機(jī)械化作業(yè)、自動(dòng)化培育設(shè)施和人工可控環(huán)境等尖端科技的現(xiàn)代新型產(chǎn)業(yè)。而果蔬采摘機(jī)器人就是主要作業(yè)任務(wù)為實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的農(nóng)業(yè)機(jī)器人。目前，許多國(guó)家都相繼開展了果蔬收獲機(jī)器人領(lǐng)域的研究工作。涉及到的研究對(duì)象主要包括橙子、蘋果、柑橘、番茄、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、甜瓜、葡萄、甘藍(lán)、菊花、草莓、蘑菇、甜椒等。

自20世紀(jì)80年代中葉，基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、視覺和圖形處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)日益成熟，歐美、日本等國(guó)相繼立項(xiàng)開展了多種果蔬采摘機(jī)器人研究。

1.1日本果蔬采摘機(jī)器人

1984年日本京都大學(xué)的川村等人基于番茄采摘的研究，研制出一臺(tái)5自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人，標(biāo)志著第一臺(tái)嚴(yán)格意義上的采摘機(jī)器人在日本誕生。此后，自20世紀(jì)90年代起，日本學(xué)者近藤直等人在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域做了大量研究，其1993年研制的番茄采摘機(jī)器人在當(dāng)時(shí)影響很大。該機(jī)器人機(jī)械本體主要由一具有SDOF的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂、能前后、上下移動(dòng)的2DOF笛卡爾直動(dòng)關(guān)節(jié)及移動(dòng)承載平臺(tái)組成，之后其也以SCARA機(jī)器人為主體設(shè)計(jì)了另一款番茄采摘機(jī)器人。日本宇都宮大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)研制了針對(duì)草莓的傳統(tǒng)土培模式和高架栽培模式研制了相應(yīng)的采摘機(jī)器人。日本岡山大學(xué)也研制了葡萄、黃瓜等機(jī)器人，并為了提高機(jī)器人使用率，為其配置了相應(yīng)的末端執(zhí)行器，并可經(jīng)過改進(jìn)后能完成噴灑、套袋和修枝等作業(yè)。日本著名農(nóng)機(jī)公司久保田集團(tuán)成功研制柑橘采摘機(jī)器人，該機(jī)器人移動(dòng)機(jī)架上安裝升降懸臂，懸臂前端的底座上安裝有3DOF垂直多關(guān)節(jié)機(jī)械臂。日本蔬菜茶葉研究所與中央農(nóng)研院研制了茄子采摘機(jī)器人。日本松下公司研發(fā)的大棚番茄采摘機(jī)器人能完好無損地摘取果實(shí)，并搬運(yùn)至推車，自動(dòng)更換新的收獲箱，旨在通過實(shí)現(xiàn)夜間自動(dòng)采摘以減少白天的工作量。日本 Monta 等開發(fā)了基于激光測(cè)距儀的葡萄采摘機(jī)器人，采用激光測(cè)距的掃描方式獲得葡萄串的空間位置。同時(shí)，該機(jī)器人更換末端執(zhí)行器后還可以進(jìn)行其他的葡萄園管理作業(yè)。

1.2歐洲果蔬采摘機(jī)器人

1996年，由荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG）研制出一款應(yīng)用于大棚作業(yè)的黃瓜采摘機(jī)器人，目標(biāo)作物為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。其搭載7DOF垂直多關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，移動(dòng)機(jī)構(gòu)沿行進(jìn)方向滑行，并能在更換末端執(zhí)行器后能實(shí)現(xiàn)摘葉功能。2010年10月以瓦赫寧根大學(xué)為主的歐盟團(tuán)隊(duì)開始研制甜椒采摘機(jī)器人，其為歐盟第七框架計(jì)劃項(xiàng)目（FP7），該機(jī)器人包括采摘機(jī)械臂、導(dǎo)軌壓縮機(jī)、控制電路、工控機(jī)、末端執(zhí)行器及移動(dòng)載運(yùn)平臺(tái)等。該團(tuán)隊(duì)于2014年9月完成最終的機(jī)器人樣機(jī)與研究。荷蘭的 Henten 等研制的黃瓜采摘機(jī)器人，適合對(duì)斜拉線模式種植、沒有葉片遮擋干擾的0.8~1.5m高度范圍黃瓜進(jìn)行采摘。該機(jī)器人以溫室供熱管道為軌道，行駛速度達(dá)0.8m/s。機(jī)器人通過單目相機(jī)在不同位置采集850nm和970nm黃瓜近紅外圖像形成立體視覺，實(shí)現(xiàn)對(duì)黃瓜的目標(biāo)識(shí)別和果梗采摘點(diǎn)定位。采摘機(jī)械臂采用三菱6自由度工業(yè)機(jī)械臂，采用夾持方式夾緊果實(shí)后，用高壓電極燒斷果梗，有利于防止細(xì)菌感染。采摘成功率約80%，單根黃瓜采摘平均耗時(shí)45s。

2 國(guó)內(nèi)果蔬采摘機(jī)器人

我國(guó)在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期，隨著20多年的陸續(xù)研究，也取得了一些可喜的成果。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李偉^[1]團(tuán)隊(duì)開發(fā)了4自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂和夾剪一體式兩指氣動(dòng)式末端執(zhí)行器，并配置了雙目視覺系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，每一果實(shí)采摘平均耗時(shí)為28s，采摘成功率為86%，其中陰影、亮斑、遮擋對(duì)識(shí)別效果造成影響，且在茂盛冠層間機(jī)械臂會(huì)刮蹭到莖葉并造成果實(shí)偏移，同時(shí)末端執(zhí)行器可能會(huì)無法實(shí)施夾持，較粗果梗無法剪斷或拉拽過程中果實(shí)掉落。國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心馮青春^[2]等,針對(duì)吊線栽培番茄開發(fā)的采摘機(jī)器人采用軌道式移動(dòng)升降平臺(tái)，配置4自由度關(guān)節(jié)式機(jī)械臂，并設(shè)計(jì)了吸力拉入套筒、氣囊夾緊進(jìn)而旋擰分離的末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)，并配置了線激光視覺系統(tǒng)，分別由CCD相機(jī)和激光豎直掃描實(shí)現(xiàn)果實(shí)的識(shí)別和定位。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，番茄單果的采摘作業(yè)耗時(shí)約24s，在強(qiáng)光和弱光下的采摘成功率分別達(dá)83.9% 和79.4%。江蘇大學(xué)劉繼展^[3]等，圍繞番茄采摘機(jī)器人技術(shù)開展了持續(xù)研究。所開發(fā)的新型末端執(zhí)行器，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(jī)系統(tǒng)構(gòu)成的果梗激光切割裝置，并以此為平臺(tái)先后開展了果實(shí)夾持碰撞與快速柔順采摘、果梗激光切割、真空吸持拉動(dòng)建模與控制、手臂協(xié)調(diào)控制等研究。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中^[4]團(tuán)隊(duì)最早開展了草莓采摘機(jī)器人的研究，分別對(duì)壟作和高架草莓栽培推出了不同樣機(jī)。針對(duì)壟作草莓推出的機(jī)器人采摘系統(tǒng)，由3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂配置夾持剪切式末端執(zhí)行器，并分別在機(jī)架和臂上安裝 CCD相機(jī)構(gòu)成視覺系統(tǒng)。針對(duì)高架草莓推出的采摘機(jī)器人“采摘童1號(hào)”樣機(jī)，采用微型履帶底盤，配置3直動(dòng)的直角坐標(biāo)機(jī)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(cè)果實(shí)并判斷位置偏差，爪上安裝光纖傳感器用以檢測(cè)果柄的存在。試驗(yàn)結(jié)果采摘成功率達(dá)88%，單果采摘平均耗時(shí)為18.54s。

3 采摘機(jī)器人存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

中國(guó)的采摘機(jī)器人技術(shù)起步較晚，但隨著人口紅利的消失，勞動(dòng)力緊缺問題已快速成為制約農(nóng)業(yè)發(fā)展、特別是勞動(dòng)密集型的果蔬產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸，采摘機(jī)器人技術(shù)已從前瞻性研究開始成為現(xiàn)實(shí)需求。但是果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)行了20多年，鮮有合適的機(jī)器人推出，缺乏成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品，其原因如下：第一，采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采摘效率較人工相對(duì)偏低；其二，對(duì)于鮮食果蔬，采摘機(jī)器人機(jī)械臂采摘時(shí)容易將果實(shí)表皮破損，影響鮮食果蔬的商品化，且存在漏采現(xiàn)象；其三，果蔬機(jī)器人零部件價(jià)格高，整機(jī)價(jià)格昂貴，而果蔬價(jià)格相對(duì)便宜，經(jīng)濟(jì)性不高；其四，果蔬的種植方式及生產(chǎn)模式較多，果園建設(shè)、果樹種植標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，不適合采摘機(jī)器人作業(yè)，制約著采摘機(jī)器人推廣應(yīng)用。

未來采摘機(jī)器人發(fā)展的趨勢(shì)在于以下四個(gè)方面：第一，多種視覺與超聲波傳感器融合的果蔬快速定位識(shí)別方法；第二，針對(duì)不同果蔬，專業(yè)化、輕型化、柔性采摘機(jī)械臂的研發(fā)；第三，采摘后果蔬放置、導(dǎo)航、移運(yùn)等多環(huán)節(jié)裝備的研究；第四，果蔬種植環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)化，果蔬種植標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、專一化、工廠化，將有利于減少采摘作業(yè)的復(fù)雜因素，提高果蔬采摘機(jī)器人的工作效率， 有利于采摘機(jī)器人與運(yùn)送機(jī)器人及換行機(jī)器人多機(jī)協(xié)同的作業(yè)，有利于采摘機(jī)器人未來推廣及規(guī)?；瘧?yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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