果蔬采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與發(fā)展

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摘要：新型城鎮(zhèn)化建設(shè)不斷加快和農(nóng)村生產(chǎn)勞動(dòng)力的不足，致使果蔬產(chǎn)業(yè)中人工成本占比較大。為此，研究果蔬采摘機(jī)器人以減少果蔬生產(chǎn)成本和降低勞動(dòng)力的依賴性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。課題組通過介紹果蔬采摘機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)目前果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)時(shí)存在的問題進(jìn)行了分析，提出了增強(qiáng)采摘機(jī)器人的可靠性、提高識(shí)別率和定位精度、擴(kuò)展設(shè)備的通用性以及降低維護(hù)和生產(chǎn)成本等發(fā)展趨勢(shì)，為果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：果蔬采摘機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

農(nóng)業(yè)作為我國重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)支柱，其發(fā)展的道路上存在著眾多的問題。在城鎮(zhèn)化不斷推進(jìn)和人口老齡化現(xiàn)象日益嚴(yán)重以及大量青年人外出務(wù)工等的驅(qū)動(dòng)下，農(nóng)村嚴(yán)重缺乏生產(chǎn)勞動(dòng)力，而缺乏生產(chǎn)勞動(dòng)力是農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨的主要問題之一[1]。目前，我國果蔬等農(nóng)作物采摘方式以人工采摘方式為主，由于勞動(dòng)力的不足，大量的人工成本嚴(yán)重影響了果蔬生產(chǎn)效益。因此，隨著國家的發(fā)展，農(nóng)業(yè)的發(fā)展逐漸從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智能化、智慧化農(nóng)業(yè)發(fā)展，因而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普及智能化設(shè)備、降低成本、提高工作效率，將成為未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，研發(fā)制造適用于果蔬等農(nóng)作物采摘的機(jī)器人，代替人工進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)于推進(jìn)農(nóng)業(yè)智能化和現(xiàn)代化進(jìn)程具有重要意義[2]。

1果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)特性分析

1.1采摘對(duì)象多樣化，生長環(huán)境差異化

果蔬的種類繁多，其大小、形狀、顏色、重量以及堅(jiān)硬度都有很大的差別，對(duì)于堅(jiān)硬度不高的果蔬采摘時(shí)容易造成損壞，所以在作業(yè)時(shí)，采摘機(jī)器人需要根據(jù)果蔬的大小去調(diào)整末端執(zhí)行器以及控制抓取力度。由于果蔬的生長受到環(huán)境因素的影響很大，而環(huán)境也存在著很大的差異性，所以采摘機(jī)器人的采摘作業(yè)環(huán)境也就大不相同，進(jìn)而對(duì)其提出了更高的要求。

1.2采摘作業(yè)的不確定性和不均勻性

由于果蔬生長的位置分布不均勻，而且很容易受到枝葉的遮擋，在這種作業(yè)環(huán)境下，采摘機(jī)器人具有很多的不確定性，這就要求采摘機(jī)器人在準(zhǔn)確識(shí)別、精準(zhǔn)定位、采摘控制等方面具有更好的自適應(yīng)能力和更高的智能化水平。

1.3采摘機(jī)器人的通用性與可更換性

由于采摘機(jī)器人采摘目標(biāo)果實(shí)的多樣化，進(jìn)而對(duì)于不同種類的果蔬，采摘機(jī)器人都要能夠進(jìn)行采摘作業(yè)，這就要求采摘機(jī)器人具有良好的通用性。機(jī)器人在進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，其末端執(zhí)行器直接與果蔬進(jìn)行接觸，而對(duì)于不同的果蔬其末端執(zhí)行器也就不同，所以要求采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有可更換性。

2果蔬采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀

采摘機(jī)器人最早出現(xiàn)在1968年，受到當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的限制，出現(xiàn)的采摘機(jī)器人以機(jī)械式結(jié)構(gòu)為主，但是這種以單一的機(jī)械式結(jié)構(gòu)為主的采摘機(jī)器人工作效率不高；隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像和機(jī)器學(xué)習(xí)的逐步發(fā)展，采摘機(jī)器人也迎來了新的革命[3]。

2.1國外研究現(xiàn)狀

日本的近藤直（NaoshiKondo）等[4-5]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機(jī)器人，具有7個(gè)自由度。在采摘環(huán)境中，該機(jī)器人通過雙目視覺系統(tǒng)識(shí)別和定位已經(jīng)成熟的果實(shí)，采摘機(jī)器人通過腕關(guān)節(jié)將果實(shí)與果柄分離后，具有軟襯墊的末端執(zhí)行器通過吸入的方式采摘果實(shí)。但當(dāng)該采摘機(jī)器人位于枝葉茂密的環(huán)境中，則無法避開障礙完成采摘作業(yè)，影響采摘成功率。該采摘機(jī)器人采摘單個(gè)果實(shí)平均耗時(shí)15s，采摘成功率為70%。美國佛羅里達(dá)大學(xué)的MichaelW.Hannan等[6]研發(fā)制造出用于采摘柑橘的采摘機(jī)器人，具有7個(gè)自由度，如圖1所示。該采摘機(jī)器人利用攝像機(jī)和超聲波傳感器對(duì)目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，根據(jù)得到的位置信息，采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)以球形坐標(biāo)為坐標(biāo)系，通過末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行采摘。其視覺系統(tǒng)處理時(shí)間為15ms~80ms，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)速度最高為508mm/s。日本的KanaeTanigaki等[7]研發(fā)制造出用于采摘櫻桃的采摘機(jī)器人，具有4個(gè)自由度，如圖2所示。該機(jī)器人有視覺伺服系統(tǒng)、采摘機(jī)械臂機(jī)構(gòu)、工控機(jī)等部分，視覺系統(tǒng)用來對(duì)目標(biāo)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別與定位，機(jī)械臂機(jī)構(gòu)通過移動(dòng)關(guān)節(jié)增大末端執(zhí)行器的采摘作業(yè)范圍。該采摘機(jī)器人主要以吸入式方式進(jìn)行采摘，可以將果實(shí)和果梗一起采摘下來。美國的HemanthSarabu等[8]研發(fā)了一種具有6自由度的雙臂協(xié)同蘋果采摘機(jī)器人，如圖3所示。其中雙臂分別為抓取臂和搜索臂，搜索臂沒有安裝末端執(zhí)行器。該采摘機(jī)器人創(chuàng)新與配備了協(xié)同機(jī)械臂（搜索臂），其搜索臂主要針對(duì)抓取臂未識(shí)別的蘋果果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，并且通過自身算法進(jìn)行路徑規(guī)劃以實(shí)現(xiàn)搜索臂可行的路徑方案。通過對(duì)該蘋果采摘機(jī)器人的仿真和采摘實(shí)驗(yàn)分析得出，該雙臂協(xié)同蘋果采摘機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)蘋果果實(shí)的定位與采摘作業(yè)。英國的BoazArad等[9]研發(fā)了具有6自由度的甜椒采摘機(jī)器人，如圖4所示。該采摘機(jī)器人主要由自動(dòng)行駛智能平臺(tái)和平臺(tái)上的機(jī)械臂以及視覺系統(tǒng)等組成。其機(jī)械臂末端配備攝像頭對(duì)甜椒植株進(jìn)行3D攝影，得到的圖像通過圖形處理單元形成三維高清影像從而精準(zhǔn)定位甜椒果實(shí)。該采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器通過定端的震動(dòng)刀片將桔梗與主干連接處分離，最終實(shí)現(xiàn)甜椒采摘機(jī)器人的采摘作業(yè)。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

江蘇大學(xué)的趙德安等[10]研發(fā)了一種具有5自由度的蘋果采摘機(jī)器人，如圖5所示。該采摘機(jī)器人有視覺伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采摘機(jī)械臂機(jī)構(gòu)等部分，其末端執(zhí)行器配備視覺傳感器等，進(jìn)而采摘機(jī)器人能夠?qū)δ繕?biāo)果實(shí)進(jìn)行定位，通過新分類算法識(shí)別果實(shí)，根據(jù)識(shí)別到的蘋果果實(shí)位姿進(jìn)行逆解計(jì)算，結(jié)合伺服控制系統(tǒng)使得機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到逆解所示位姿，以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。該蘋果采摘機(jī)器人采摘單個(gè)蘋果平均耗時(shí)15s，采摘成功率為77%，可用于戶外采摘作業(yè)。北京工業(yè)大學(xué)的王麗麗[11]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機(jī)器人，如圖6所示。該采摘機(jī)器人具有4輪獨(dú)立轉(zhuǎn)向行走運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過激光導(dǎo)航系統(tǒng)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，利用識(shí)別與定位技術(shù)確定目標(biāo)果實(shí)的位置，使其靈巧型4自由度機(jī)械臂在空間較小的蔬菜大棚環(huán)境下進(jìn)行采摘作業(yè)，機(jī)械手手指末端套上硅膠指套，手掌部位墊上柔軟的硅膠襯墊，實(shí)現(xiàn)了番茄果實(shí)的無損采摘。該采摘機(jī)器人采摘單個(gè)番茄平均耗時(shí)15s，采摘成功率超過86.7%。江蘇大學(xué)的高楊等[12]研發(fā)制造出適用于矮化密植環(huán)境下的采摘機(jī)器人，其具有4個(gè)自由度，如圖7所示。該采摘機(jī)器人具有4條履帶式的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其平臺(tái)上搭載有剪叉式升降機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、果箱和視覺傳感器等部件。通過視覺系統(tǒng)定位目標(biāo)果實(shí)，對(duì)于位置偏高的果實(shí)通過剪叉式升降機(jī)構(gòu)抬高機(jī)械臂進(jìn)行采摘，將采摘的果實(shí)直接存于果箱中。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張帆等[13]研發(fā)制造出用于采摘黃瓜的采摘機(jī)器人，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)無損抓取目標(biāo)果實(shí)，如圖8所示。其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)由夾持、剪切、葉片推擋以及導(dǎo)軌滑臺(tái)等機(jī)構(gòu)組成，夾持機(jī)構(gòu)由兩個(gè)氣動(dòng)柔性手指構(gòu)成，手指兼顧柔性與剛度的要求。該采摘機(jī)器人通過移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行初次定位，再利用推擋機(jī)構(gòu)將遮擋果實(shí)的葉片推開，通過紅外傳感器進(jìn)行次定位。夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行抓取并采用切刀切斷果柄的方式進(jìn)行采摘作業(yè)。該機(jī)器人采摘成功率大于85%，采摘速度約為8s/根，其視覺系統(tǒng)定位的最大誤差為-7mm，果實(shí)識(shí)別率大于95%。沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的于豐華等[14]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機(jī)器人，其具有6個(gè)自由度，如圖9所示。該采摘機(jī)器人適用于日光溫室下進(jìn)行采摘作業(yè)，利用具有4個(gè)麥克納姆輪的平臺(tái)搭載采摘機(jī)械臂，機(jī)械臂的末端執(zhí)行器配備薄膜壓力傳感器。該采摘機(jī)器人通過視覺識(shí)別和STM32控制器對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的采摘。

3果蔬采摘機(jī)器人存在的問題

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)果蔬采摘機(jī)器人進(jìn)行了大量的研究，分別對(duì)采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式、視覺定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器進(jìn)行了深入的探索和研究，并取得了一定的成果。但是大部分果蔬采摘機(jī)器人尚處于實(shí)驗(yàn)和研究階段，未能達(dá)到替代人工進(jìn)行采摘的要求，仍有以下問題。

3.1果蔬采摘機(jī)器人的識(shí)別率和定位精度不高果蔬采摘機(jī)器人作業(yè)對(duì)象為生長的果實(shí)，其顏色和大小各不相同，而且作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，采摘機(jī)器人受環(huán)境因素影響非常明顯。即使目前的人工智能、大數(shù)據(jù)以及深度學(xué)習(xí)等算法使采摘機(jī)器人對(duì)果實(shí)的識(shí)別率有所提高，但是其視覺傳感器等受到光照和遮擋等環(huán)境干擾時(shí)仍然存在較大的識(shí)別誤差，進(jìn)而影響采摘機(jī)器人對(duì)目標(biāo)果實(shí)的定位精度。

3.2果蔬機(jī)器人的采摘效率較低且損傷率較高實(shí)際工作過程中，采摘機(jī)器人所處的作業(yè)環(huán)境具有很大的差異性，又由于機(jī)器人的視覺、控制系統(tǒng)的識(shí)別與定位精度不高，導(dǎo)致采摘機(jī)器人的采摘效率不高。果蔬機(jī)器人模仿人的動(dòng)作進(jìn)行采摘作業(yè)，但是與果蔬直接接觸的末端執(zhí)行器大部分為剛性結(jié)構(gòu)，所以或多或少會(huì)對(duì)果實(shí)造成不同程度的損傷。

3.3果蔬機(jī)器人的避障性和通用性不足果蔬采摘機(jī)器人在進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)處于作業(yè)環(huán)境多變的情況，比如采摘目標(biāo)果實(shí)被枝葉遮擋以及果實(shí)之間的重疊性等，故采摘機(jī)器人需要在采摘的路徑規(guī)劃中具有避障功能?，F(xiàn)有的采摘機(jī)器人只針對(duì)于某些特定的果蔬而研發(fā)，不同的果蔬之間不能通用，即通用性較差。

3.4果蔬機(jī)器人的維修和制造成本較高果蔬采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境不像工業(yè)機(jī)器人那樣單一，所以其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等更加復(fù)雜，因而研發(fā)周期長、制作成本高，并且果蔬采摘機(jī)器人作為智能農(nóng)業(yè)裝備，其設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)費(fèi)用相對(duì)而言也就更高。

4果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上述研究可知，果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展過程存在一些亟待解決的問題，故結(jié)合采摘機(jī)器人未來的發(fā)展方向提出幾點(diǎn)見解。

1）增強(qiáng)采摘機(jī)器人的可靠性。機(jī)械結(jié)構(gòu)直接影響著采摘機(jī)器人的可靠性，在滿足采摘作業(yè)的情況下，利用虛擬仿真、創(chuàng)新優(yōu)化等設(shè)計(jì)手段，使其機(jī)械結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡單。特別是針對(duì)采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，應(yīng)改變其目前的剛性結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)末端執(zhí)行器的柔順性和靈巧性。

2）提高采摘機(jī)器人的識(shí)別率和定位精度。研發(fā)一種視覺傳感器，其能夠穿過遮擋物來確定目標(biāo)果實(shí)的具體位置，再結(jié)合自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力和圖像處理算法，提高采摘機(jī)器人定位精度和辨識(shí)率。

3）擴(kuò)展設(shè)備的通用性。研發(fā)可以采摘外觀形狀相似的目標(biāo)果實(shí)的機(jī)械手，對(duì)采摘機(jī)器人采用開放式系統(tǒng)以使采摘機(jī)器人可以采摘多種果蔬，進(jìn)而增強(qiáng)其通用性，同時(shí)提高利用率。

4）降低維護(hù)和生產(chǎn)成本。目前采摘機(jī)器人的制造成本很高，其維修和維護(hù)費(fèi)用也很高，因此，可以通過研發(fā)新型材料以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)來降低成本。

5總結(jié)

目前，我國的果蔬采摘機(jī)器人尚處于研究探索階段，多數(shù)果蔬機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行采摘作業(yè)實(shí)驗(yàn)，距離實(shí)用化和商業(yè)化還有一段研究路程，故存在許多亟待解決的問題。隨著國家大力發(fā)展智能化、智慧化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，果蔬采摘機(jī)器人終會(huì)從實(shí)驗(yàn)室走向果蔬生產(chǎn)基地，推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

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作者:張鵬 唐秋宇 陳靈方 秦翠蘭 王磊元 單位:新疆理工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院