淺談采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

岳建榮，郭 輝，2，張學(xué)軍，楊宛章，周艷生

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆　烏魯木齊　830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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淺談采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

岳建榮1，郭 輝1，2，張學(xué)軍1，楊宛章1，周艷生1

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

摘要：采摘機(jī)器人技術(shù)處于農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究的前沿領(lǐng)域，一些發(fā)達(dá)國家已取得了較大的成果。文中對(duì)國外采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，列舉了國內(nèi)采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展，并分析了國內(nèi)外采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵 詞：采摘機(jī)器人；現(xiàn)狀；趨勢(shì)

1　前言

果實(shí)的采摘是生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高，因此保證農(nóng)產(chǎn)品適時(shí)采收、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑［1］。目前，國內(nèi)多數(shù)果蔬采用人工采摘，采摘費(fèi)用約占成本的50%～70%，采摘機(jī)器人的作用在于降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證農(nóng)產(chǎn)品的適時(shí)采收，因而具有很大發(fā)展?jié)摿?，是未來智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展方向。

2　國內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究與應(yīng)用

2.1國外研究現(xiàn)狀

2.1.1西紅柿采摘機(jī)器人

日本Kondo-N等人研制的西紅柿采摘機(jī)器人由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成［2］。由于西紅柿的成熟期不同，且生長位置沒有規(guī)律，采摘目標(biāo)容易被枝葉遮擋，收獲時(shí)要求機(jī)械手活動(dòng)范圍大，且能避開障礙物。Kondo-N等人對(duì)

韓國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究部門也對(duì)西紅柿采摘機(jī)器人進(jìn)行了研究，并取得一定成果。研究人員以顏色判別為設(shè)計(jì)原理，以果實(shí)紅色的深淺差別分辨西紅柿的成熟度，有選擇地摘取成熟果實(shí)，但由于這種機(jī)器人的反應(yīng)較慢，動(dòng)作笨拙，尚未形成產(chǎn)品。

2.1.2黃瓜采摘機(jī)器人

日本Kondo-N等人研制的黃瓜采摘機(jī)器人采用6自由度的機(jī)械手，能在專門為機(jī)械化采摘而設(shè)計(jì)的傾斜棚支架下工作。黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè)，便于黃瓜與莖葉分離，使檢測(cè)與采摘更容易［3］。為了分辨黃瓜與莖葉，該機(jī)器人視覺系統(tǒng)采用在攝像機(jī)前安置濾波片的方式，根據(jù)黃瓜的光譜反射特性來識(shí)別黃瓜與莖葉。其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測(cè)器、切割器和機(jī)械手指。采摘時(shí)，當(dāng)機(jī)械手指抓住黃瓜后，由果梗探測(cè)器尋找果梗，然后由切割器切斷果梗。

1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所開始研制一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人。該研究在荷蘭2 hm2的溫室中進(jìn)行，黃瓜按標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并使其按照高掛線纏繞方式吊掛生長。該黃瓜采摘機(jī)器人由行走車、機(jī)械手、視覺系統(tǒng)和末梢執(zhí)行器4部分組成。采摘作業(yè)由機(jī)械手與切割器構(gòu)成的末端執(zhí)行器來完成，末端執(zhí)行器安裝在行走車上，行走車為機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)的初步定位服務(wù)。整個(gè)系統(tǒng)無需人工干預(yù)就能在溫室工作。該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中效果良好，工作速度為54 s/根，但是還不能滿足商用的各種要求。

2.1.3蘑菇采摘機(jī)器人

英國Silsoe研究院研制的蘑菇采摘機(jī)器人可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性的采摘和修剪［4］。它的機(jī)械手包括2個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，視覺傳感器采用Z'V攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右，蘑菇傾斜生長是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī)器手姿態(tài)動(dòng)作、提高成功率和采用多個(gè)末端執(zhí)行器是有待解決的主要問題。

2.1.4草莓采摘機(jī)器人

日本近藤等人根據(jù)現(xiàn)代溫室栽培模式的特點(diǎn)，研制出適用于高架栽培的草莓采摘機(jī)器人［5］。該機(jī)器人采用5自由度機(jī)械手，視覺系統(tǒng)與其他果蔬采摘機(jī)器人相似，采用真空氣吸式刀片切割器的末端執(zhí)行器。收獲時(shí)，首先由機(jī)器視覺系統(tǒng)定位成熟草莓的空間位置，隨后機(jī)械手移動(dòng)到指定位置，末端執(zhí)行器接近目標(biāo)直到把成熟草莓目標(biāo)吸住。由三對(duì)光電開關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適的采摘位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，果柄進(jìn)入指定位置，切割器切斷果梗，完成一次采摘。

Hatou等人針對(duì)傳統(tǒng)栽培模式研制出的草莓采摘機(jī)器人采用直角坐標(biāo)采摘機(jī)械手，視覺系統(tǒng)包括CCD攝像機(jī)、距離傳感器和計(jì)算機(jī)。該視覺系統(tǒng)根據(jù)CCD攝像機(jī)采集的彩色圖像進(jìn)行果實(shí)成熟度檢測(cè)，距離傳感器檢測(cè)出果實(shí)的方向及距離，由計(jì)算機(jī)對(duì)二維信息進(jìn)行分析，最后得到果實(shí)的三維信息，控制直角坐標(biāo)機(jī)器人采摘草莓。為了更好地識(shí)別草莓果實(shí)，該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)建立了包括成熟果實(shí)、未成熟果實(shí)等數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)庫。

美國弗羅里達(dá)大學(xué)對(duì)草莓采摘機(jī)器人也進(jìn)行了研究，該采摘機(jī)器人采用雙目視覺與激光陣列相結(jié)合的空間定位方式，能夠有效的分辨重疊草莓。

2.1.5人機(jī)協(xié)作型柑橘采摘機(jī)器人

人機(jī)協(xié)作型設(shè)計(jì)思想是由人力來完成采摘機(jī)器人尋找、定位采摘目標(biāo)以及機(jī)器人導(dǎo)航的任務(wù)，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)以及末端執(zhí)行器的控制等任務(wù)由機(jī)器人控制系統(tǒng)完成。西班牙工業(yè)自動(dòng)化研究所基于人機(jī)協(xié)作思想開發(fā)的柑橘采摘機(jī)器人Agribot由操作臺(tái)、輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、末端執(zhí)行器、激光測(cè)距儀和控制系統(tǒng)等組成［6］。操作人員發(fā)現(xiàn)待采摘果實(shí)后，利用操作手柄操縱移動(dòng)，使激光測(cè)距儀的激光束對(duì)準(zhǔn)果實(shí)，獲取待采摘果實(shí)的坐標(biāo)，并將其放入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)?？刂葡到y(tǒng)從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)中讀取坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并和機(jī)械手末端執(zhí)行器的當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行比較，規(guī)劃最優(yōu)采摘路徑的同時(shí)控制關(guān)節(jié)處電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手末端執(zhí)行器到達(dá)指定位置。

合理的人機(jī)分工與協(xié)作不僅增強(qiáng)了智能機(jī)器人處理突發(fā)事件的能力和系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性，還可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的前提下，提高采摘成功率。人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，它不僅提高了采摘機(jī)器人的采摘效率和成功率，還能大幅度降低系統(tǒng)成本，有利于盡早實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在自動(dòng)化采摘技術(shù)領(lǐng)域的研究尚處于起步階段。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英等人運(yùn)用雙目立體視覺技術(shù)，對(duì)果實(shí)的二維圖進(jìn)行腐蝕、膨脹、除雜等處理，用擬合曲線完成彩色圖像的分割，進(jìn)而分離果實(shí)，而后將二維圖像恢復(fù)成三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)番茄定位［7］。

浙江大學(xué)應(yīng)義斌等人以植株上成熟的番茄作為試驗(yàn)對(duì)象，利用立體攝像機(jī)獲取不同距離的成熟番茄的立體圖像，并經(jīng)過復(fù)雜的處理后獲得番茄的三維位置信息，用于指導(dǎo)果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘［8］。

浙江大學(xué)梁喜鳳等人對(duì)采摘機(jī)器人的機(jī)械手進(jìn)行了研究［9］，提出了評(píng)價(jià)采摘機(jī)械手工作性能的指標(biāo)：工作空間、可操作度、避障能力、冗余空間與姿態(tài)多樣性。

上海交通大學(xué)曹其新等人和日本宮崎大學(xué)合作對(duì)草莓果實(shí)圖像分割做出了研究，研究設(shè)計(jì)了草莓采摘和果實(shí)分級(jí)裝置［10］。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英等人在HIS顏色空間里，采用基于人眼視覺特性技術(shù)對(duì)色彩相似的草莓圖像進(jìn)行了分割，取得較好成果。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中教授等人針對(duì)我國常見的溫室栽培草莓，建立了草莓采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)制作出了“采摘童1號(hào)”草莓采摘機(jī)器人［11］。該采摘機(jī)器人采用雙目視覺等圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了草莓的識(shí)別和定位，并對(duì)草莓的生物特性、成熟度、多個(gè)草莓遮擋等實(shí)際情況進(jìn)行了研究。在采摘時(shí)，經(jīng)過識(shí)別與定位，機(jī)械手抓住果梗，由安裝在機(jī)械手前端的刀片切斷果梗，完成采摘。

3　國內(nèi)外采摘機(jī)器人研究問題分析

根據(jù)對(duì)國內(nèi)外已有的采摘機(jī)器人以及正在研究中的機(jī)器人的分析，目前采摘機(jī)器人待解決的問題主要有以下幾個(gè)：

（1）識(shí)別率與采摘率不高。目前識(shí)別和確定果實(shí)位置的方法主要有顏色色度法和幾何形狀法。其中，基于果實(shí)光譜反射特性的顏色色度法由于圖像中存在各種干擾信息，效果略差。由于植物果實(shí)以及葉子的生長不規(guī)律，果實(shí)被其他干擾物遮擋，造成采摘目標(biāo)不具備完整的邊界條件，這使得確定果實(shí)形狀難以準(zhǔn)確實(shí)施。果實(shí)識(shí)別過程中需要進(jìn)行灰度值臨域分析，該過程耗時(shí)較長，往往無法滿足重復(fù)和快速預(yù)處理的要求。

（2）采摘時(shí)間長。實(shí)際生產(chǎn)過程中的采摘作業(yè)要求機(jī)器人不僅要能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，而且更應(yīng)該具有很高的采摘效率，但目前果實(shí)收獲機(jī)器人由于圖像處理速度慢，控制系統(tǒng)不完善等諸多因素的制約，大多數(shù)采摘機(jī)器人的效率都達(dá)不到預(yù)期效果。

（3）制造成本高。由于采摘機(jī)器人工作環(huán)境的復(fù)雜性，要求其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，與工業(yè)機(jī)器人相比，其制造成本更高。由于采摘目標(biāo)的收獲具有季節(jié)性與收獲時(shí)間短等特點(diǎn)，使得采摘機(jī)器人利用率低，對(duì)于將復(fù)雜光機(jī)電集于一體的采摘機(jī)器人而言，設(shè)備的使用與維護(hù)都需要高技術(shù)和高昂費(fèi)用。

4　采摘機(jī)器人的研究趨勢(shì)

各類采摘機(jī)器人的研究與生產(chǎn)都將推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及生產(chǎn)力的發(fā)展，提高生產(chǎn)效率。但由于采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象的單一性，機(jī)器人的作業(yè)范圍受到目標(biāo)種類的約束，不能達(dá)到人們所預(yù)期的效果?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展要求不斷完善和改進(jìn)現(xiàn)有采摘機(jī)器人的制造技術(shù)，以達(dá)到農(nóng)業(yè)機(jī)器人更好地為人類服務(wù)的目的。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，在今后的研究中應(yīng)從以下幾方面得到突破：

（1）機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足采摘機(jī)器人的功用和性能的前提下，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械構(gòu)件，使機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)盡可能的輕巧、簡單、緊湊，從而達(dá)到采摘機(jī)器人更強(qiáng)的靈活性和可靠性以及減少控制系統(tǒng)復(fù)雜性的目的。

（2）目標(biāo)智能識(shí)別與精確定位。采摘機(jī)器人在采摘果實(shí)時(shí)，光照條件不確定性及果實(shí)部分或完全被遮擋會(huì)導(dǎo)致采摘率較低。為進(jìn)一步提高采摘的成功率，需要研究人員對(duì)視覺傳感器技術(shù)、視覺與非視覺傳感器技術(shù)融合、圖像獲取和圖像處理的算法等方面進(jìn)行更深入的研究。

（3）良好的適應(yīng)性。采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，因此采摘機(jī)器人應(yīng)具有良好的適應(yīng)性以適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境。同時(shí)，采摘機(jī)器人還應(yīng)具有根據(jù)作業(yè)環(huán)境的變化進(jìn)行自我適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)作業(yè)對(duì)象的生長狀況選擇合適作業(yè)方式的能力。

（4）開放式采摘機(jī)器人的研究。開放式結(jié)構(gòu)的思想已經(jīng)被逐漸應(yīng)用到采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)中。開放式結(jié)構(gòu)采摘機(jī)器人系統(tǒng)不僅具有良好的擴(kuò)展性、通用性，還具有柔性作業(yè)的能力。開放式結(jié)構(gòu)的采摘機(jī)器人開發(fā)周期短、成本低、利用率高、性價(jià)比高、有利于推廣使用。開放式結(jié)構(gòu)軟件體系為實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)協(xié)作、人機(jī)協(xié)同等新理論提供了理想平臺(tái)。

5　總結(jié)

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域諸多作業(yè)項(xiàng)目如蔬菜、水果的采摘等都是勞動(dòng)力密集型的工作，隨著農(nóng)業(yè)人口向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)忙時(shí)節(jié)勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象也會(huì)越來越明顯。我國采摘機(jī)器人的發(fā)展需要圍繞實(shí)際生產(chǎn)中的各個(gè)環(huán)節(jié)，選準(zhǔn)作業(yè)對(duì)象、瞄準(zhǔn)關(guān)鍵，以作業(yè)量大、操作簡易精準(zhǔn)、生產(chǎn)收益高的農(nóng)業(yè)作業(yè)為切入點(diǎn)，把先進(jìn)性、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性緊密結(jié)合，研制出農(nóng)民能用得起的機(jī)器才能有所突破和作為。目前，研究與制造低價(jià)與高效并存的采摘機(jī)器人仍需做出很大的努力，但可以預(yù)計(jì)采摘機(jī)器人將逐步為市場(chǎng)所接受，并為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

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doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.010

中圖分類號(hào):TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1007-7782（2016）01-0031-04

收稿日期：2015-12-16

通訊作者：郭輝SCORBOT-ER工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了改造，并成功設(shè)計(jì)出一種7自由度的采摘機(jī)器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘。該機(jī)器人采用彩色攝像機(jī)作為視覺傳感器來尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位，移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用前驅(qū)四輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動(dòng)行走。采摘時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一定距離后進(jìn)行圖像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測(cè)出果實(shí)相對(duì)機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi)。若可以收獲，機(jī)械手靠近果實(shí)，用吸盤吸住果實(shí)后，用機(jī)械手指抓住果實(shí)，最后機(jī)械手通過旋轉(zhuǎn)腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。

Application of Harvesting Robot in Agriculture

YUE Jian-rong1，GUO Hui1，2，ZHANG Xue-jun1，YANG Wan-zhang1，ZHOU Yan-sheng1
（1.College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，XinJiang，China；2.The Key Lab of agricultural Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design）

Abstract:The technology ofharvesting robot isstay in the frontier field ofagricultural mechanization research，some achievements have been obtained in several developed countries.In this paper，F(xiàn)ive kinds of harvesting robot from abroad and the research progress of robot in home are summarized，the research status and development trend of the robot from home and abroad isanalyzed.

Key words:Harvesting robot；Present situation；Trend