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摘要:果蔬全程機械化生產過程中采摘作業(yè)是目前*難實現機械化作業(yè)的關鍵環(huán)節(jié)。隨著人工智能的發(fā)展，機器人技術步入農業(yè)生產領域，采摘機器人技術也得到了持續(xù)的提升。本文闡述了國內外果蔬采摘機器人的研究現狀及水平，為后續(xù)果蔬采摘機器人的研究提供參考。

關鍵詞: 果蔬；采摘；機器人

0 引言

隨著計算機和自動化技術的快速發(fā)展、農業(yè)高新技術的應用和普及，機器人技術日漸逐步進入農業(yè)生產領域中，促使現代農業(yè)走向裝備機械化、生產智能化道路。農業(yè)機器人大致可以分為果蔬采摘機器人、蔬菜嫁接機器人、果蔬分選機器人以及農田作業(yè)機器人。而果蔬采摘機器人一般在非結構性環(huán)境中作業(yè)，其研發(fā)難度遠大于其它類型的機器人。

采摘機器人是一類針對水果或蔬菜收獲作業(yè)，具有感知系統的自動化機械收獲裝備，是集機械、電子信息、計算機科學、人工智能、農業(yè)及生命科學等多學科于一體的交叉性邊緣科學，其涉及本體結構、傳感技術、視覺圖像處理、機器人正逆運動學與動力學、控制驅動技術以及信息處理等多學科領域知識。相對于在結構性環(huán)境下工作的工業(yè)機器人，在進行采摘機器人等農業(yè)機器人研究中，要充分考慮機器人作業(yè)對象的自身特征和外界的生長環(huán)境等諸多因素，對作業(yè)對象進行充分了解。

1 國外果蔬采摘機器人

1968年，美國學者Schertz和Brown*早提出應用機器技術進行果蔬收獲的理念，被學術界認為是農業(yè)采摘機器人研究的開端。但*初采摘機器研制采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式，其自動化和智能化程度不高。1987年，學者Sistler在總結果蔬收獲機器人領域研究進展時指明，當時研發(fā)的收獲機器人一般都需要人員參與協調，因此嚴格來講其只能被認為是半自動化收獲裝備。隨著科學技術的不斷發(fā)展，傳統的土地利用型農業(yè)將逐漸形成以作物栽培技術為基礎、以生物技術為先導、集機械化作業(yè)、自動化培育設施和人工可控環(huán)境等*科技的現代新型產業(yè)。而果蔬采摘機器人就是主要作業(yè)任務為實現果蔬采摘的農業(yè)機器人。目前，許多國家都相繼開展了果蔬收獲機器人領域的研究工作。涉及到的研究對象主要包括橙子、蘋果、柑橘、番茄、櫻桃番茄、蘆筍、黃瓜、甜瓜、葡萄、甘藍、菊花、草莓、蘑菇、甜椒等。

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

1.1日本果蔬采摘機器人

1984年日本京都大學的川村等人基于番茄采摘的研究，研制出一臺5自由度關節(jié)型機器人，標志著*臺嚴格意義上的采摘機器人在日本誕生。此后，自20世紀90年代起，日本學者近藤直等人在農業(yè)機器人領域做了大量研究，其1993年研制的番茄采摘機器人在當時影響很大。該機器人機械本體主要由一具有SDOF的關節(jié)型機械臂、能前后、上下移動的2DOF笛卡爾直動關節(jié)及移動承載平臺組成，之后其也以SCARA機器人為主體設計了另一款番茄采摘機器人。日本宇都宮大學等研究機構研制了針對草莓的傳統土培模式和高架栽培模式研制了相應的采摘機器人。日本岡山大學也研制了葡萄、黃瓜等機器人，并為了提高機器人使用率，為其配置了相應的末端執(zhí)行器，并可經過改進后能完成噴灑、套袋和修枝等作業(yè)。日本*農機公司久保田集團成功研制柑橘采摘機器人，該機器人移動機架上安裝升降懸臂，懸臂前端的底座上安裝有3DOF垂直多關節(jié)機械臂。日本蔬菜茶葉研究所與中央農研院研制了茄子采摘機器人。日本松下公司研發(fā)的大棚番茄采摘機器人能完好無損地摘取果實，并搬運至推車，自動更換新的收獲箱，旨在通過實現夜間自動采摘以減少白天的工作量。日本 Monta 等開發(fā)了基于激光測距儀的葡萄采摘機器人，采用激光測距的掃描方式獲得葡萄串的空間位置。同時，該機器人更換末端執(zhí)行器后還可以進行其他的葡萄園管理作業(yè)。

1.2歐洲果蔬采摘機器人

1996年，由荷蘭農業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG）研制出一款應用于大棚作業(yè)的黃瓜采摘機器人，目標作物為高拉線纏繞方式吊掛生長。其搭載7DOF垂直多關節(jié)型機械臂，移動機構沿行進方向滑行，并能在更換末端執(zhí)行器后能實現摘葉功能。2010年10月以瓦赫寧根大學為主的歐盟團隊開始研制甜椒采摘機器人，其為歐盟第七框架計劃項目（FP7），該機器人包括采摘機械臂、導軌壓縮機、控制電路、工控機、末端執(zhí)行器及移動載運平臺等。該團隊于2014年9月完成*終的機器人樣機與研究。荷蘭的 Henten 等研制的黃瓜采摘機器人，適合對斜拉線模式種植、沒有葉片遮擋干擾的0.8~1.5m高度范圍黃瓜進行采摘。該機器人以溫室供熱管道為軌道，行駛速度達0.8m/s。機器人通過單目相機在不同位置采集850nm和970nm黃瓜近紅外圖像形成立體視覺，實現對黃瓜的目標識別和果梗采摘點定位。采摘機械臂采用三菱6自由度工業(yè)機械臂，采用夾持方式夾緊果實后，用高壓電極燒斷果梗，有利于防止細菌感染。采摘成功率約80%，單根黃瓜采摘平均耗時45s。

2 國內果蔬采摘機器人

我國在農業(yè)采摘機器人方面的研究始于20世紀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。中國農業(yè)大學李偉^[1]團隊開發(fā)了4自由度關節(jié)型機械臂和夾剪一體式兩指氣動式末端執(zhí)行器，并配置了雙目視覺系統。試驗結果表明，每一果實采摘平均耗時為28s，采摘成功率為86%，其中陰影、亮斑、遮擋對識別效果造成影響，且在茂盛冠層間機械臂會刮蹭到莖葉并造成果實偏移，同時末端執(zhí)行器可能會無法實施夾持，較粗果梗無法剪斷或拉拽過程中果實掉落。國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心馮青春^[2]等,針對吊線栽培番茄開發(fā)的采摘機器人采用軌道式移動升降平臺，配置4自由度關節(jié)式機械臂，并設計了吸力拉入套筒、氣囊夾緊進而旋擰分離的末端執(zhí)行器結構，并配置了線激光視覺系統，分別由CCD相機和激光豎直掃描實現果實的識別和定位。試驗結果發(fā)現，番茄單果的采摘作業(yè)耗時約24s，在強光和弱光下的采摘成功率分別達83.9% 和79.4%。江蘇大學劉繼展^[3]等，圍繞番茄采摘機器人技術開展了持續(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系統構成的果梗激光切割裝置，并以此為平臺先后開展了果實夾持碰撞與快速柔順采摘、果梗激光切割、真空吸持拉動建模與控制、手臂協調控制等研究。中國農業(yè)大學張鐵中^[4]團隊*早開展了草莓采摘機器人的研究，分別對壟作和高架草莓栽培推出了不同樣機。針對壟作草莓推出的機器人采摘系統，由3直動直角坐標機械臂配置夾持剪切式末端執(zhí)行器，并分別在機架和臂上安裝 CCD相機構成視覺系統。針對高架草莓推出的采摘機器人“采摘童1號”樣機，采用微型履帶底盤，配置3直動的直角坐標機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果實并判斷位置偏差，爪上安裝光纖傳感器用以檢測果柄的存在。試驗結果采摘成功率達88%，單果采摘平均耗時為18.54s。

3 采摘機器人存在問題及發(fā)展趨勢

中國的采摘機器人技術起步較晚，但隨著人口紅利的消失，勞動力緊缺問題已快速成為制約農業(yè)發(fā)展、特別是勞動密集型的果蔬產業(yè)發(fā)展的瓶頸，采摘機器人技術已從前瞻性研究開始成為現實需求。但是果蔬采摘機器人研究進行了20多年，鮮有合適的機器人推出，缺乏成熟的市場化產品，其原因如下：*，采摘機器人結構復雜，采摘效率較人工相對偏低；其二，對于鮮食果蔬，采摘機器人機械臂采摘時容易將果實表皮破損，影響鮮食果蔬的商品化，且存在漏采現象；其三，果蔬機器人零部件價格高，整機價格昂貴，而果蔬價格相對便宜，經濟性不高；其四，果蔬的種植方式及生產模式較多，果園建設、果樹種植標準化程度較低，不適合采摘機器人作業(yè)，制約著采摘機器人推廣應用。

未來采摘機器人發(fā)展的趨勢在于以下四個方面：*，多種視覺與超聲波傳感器融合的果蔬快速定位識別方法；第二，針對不同果蔬，專業(yè)化、輕型化、柔性采摘機械臂的研發(fā)；第三，采摘后果蔬放置、導航、移運等多環(huán)節(jié)裝備的研究；第四，果蔬種植環(huán)境的標準化，果蔬種植標準化、規(guī)?；Ｒ换?、工廠化，將有利于減少采摘作業(yè)的復雜因素，提高果蔬采摘機器人的工作效率， 有利于采摘機器人與運送機器人及換行機器人多機協同的作業(yè)，有利于采摘機器人未來推廣及規(guī)模化應用。

參考文獻

[1]馮青春,紀超,張俊雄,李偉.黃瓜采摘機械臂結構優(yōu)化與運動分析[J].農業(yè)機械學報,2010,41(S1):244-248.

[2]王曉楠,伍萍輝,馮青春,王國華.番茄采摘機器人系統設計與試驗[J].農機化研究,2016,38(04):94-98.

[3]劉繼展.溫室采摘機器人技術研究進展分析[J].農業(yè)機械學報,2017,48(12):1-18.

[4]張凱良,楊麗,王糧局,張麗霞,張鐵中.高架草莓采摘機器人設計與試驗[J].農業(yè)機械學報,2012,43(09):165-172.