徐銘辰 牛媛媛 余永昌

摘要概述了國(guó)內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)目前比較典型的幾種果蔬采摘機(jī)器人的工作情況分析研究，總結(jié)出目前果蔬采摘機(jī)器人在研發(fā)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，同時(shí)對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的研究趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)。

關(guān)鍵詞機(jī)器人；采摘；果蔬；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)S225文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2014）31-11024-04

Review of Research on Picking Robots of Fruits and Vegetables

XU Mingchen， NIU Yuanyuan， YU Yongchang* （Henan Agricultural University， Zhengzhou， Henan 450002）

Abstract The research status of fruit and vegetable picking robot at home and abroad was summarized. By analysis of several typical picking robots working condition， the main problems of the current fruit and vegetable picking robot in the process of research and development were reviewed， and the research trend of harvesting robot was predicted.

Key words Robot； Picking； Fruits and vegetables； Research progress

果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最耗時(shí)耗力的一個(gè)部分，需要大量的勞動(dòng)力的投入，目前國(guó)內(nèi)果蔬采摘作業(yè)基本上還是靠手工完成，其成本高、季節(jié)性強(qiáng)，自動(dòng)化程度仍然很低。而且在高強(qiáng)度的勞動(dòng)過(guò)程中種植者為了追求收獲的效率，往往會(huì)忽略采摘的質(zhì)量，這直接影響了果蔬的儲(chǔ)存、加工和銷售，最終影響農(nóng)民的收入。所以用機(jī)器人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)果蔬采摘的自動(dòng)化和智能化，是解決上述問(wèn)題的最好方式。研發(fā)果蔬收獲機(jī)器人對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)等方面都有著重要的意義[1-3]。

1國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

20世紀(jì)60年代美國(guó)開始了機(jī)器人及收獲自動(dòng)化的研究，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式，但是收獲效率不高，果實(shí)易損傷，特別是無(wú)法進(jìn)行選擇性的收獲[1-2]。80年代開始，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速發(fā)展，促進(jìn)了果蔬采摘機(jī)器人在圖像處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)方面的迅速發(fā)展。其中，日本、荷蘭、美國(guó)、意大利、英國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家在采摘機(jī)器人的研究上開展大量的工作，主要是以番茄、甜橙、蘋果、蘆筍、黃瓜、西瓜、葡萄、草莓等為研究對(duì)象，成功地研制出了多種采摘機(jī)器人樣機(jī)。

1.1國(guó)外研究進(jìn)展

1.1.1番茄采摘機(jī)器人。 圖1為日本KNODO等研制的番茄采摘機(jī)器人。它采用三菱RH6SH5520型4個(gè)自由度的工業(yè)機(jī)器人，是在單個(gè)果實(shí)采摘機(jī)器人的基礎(chǔ)上研制的。該機(jī)器人只能進(jìn)行串番茄的采摘，最大的承重為6 kg，采用光電傳感器對(duì)果梗進(jìn)行定位，利用機(jī)械手的末端執(zhí)行器，把一整串果實(shí)剪下來(lái)。該番茄采摘機(jī)器人適合在高密度種植的綠色溫室大棚使用，采摘單串番茄需要15 s，而且成功率只有50%，采摘成功率較低。該機(jī)器人存在的主要問(wèn)題：①末端執(zhí)行器對(duì)花梗的加緊力度不夠；②末端執(zhí)行器偏大，無(wú)法

在密集的環(huán)境中準(zhǔn)確地夾持，所示該機(jī)還處于研究階段，無(wú)法商業(yè)化[4]。

1.1.2櫻桃采摘機(jī)器人。圖2為日本Kanae等研制的櫻桃收獲機(jī)器人。它主要由4自由度機(jī)械手、視覺(jué)傳感器、末端執(zhí)行器和計(jì)算機(jī)組成。機(jī)械手的1個(gè)軸可上下移動(dòng)，另外3軸可左右移動(dòng)，這樣機(jī)械手可以在櫻桃樹干四周運(yùn)動(dòng)，確保末端執(zhí)行器能夠到達(dá)樹干四周進(jìn)行采摘。三維視覺(jué)傳感器安裝在機(jī)械臂上，可以隨著機(jī)械手一起移動(dòng)，從而減小視覺(jué)死角。在視覺(jué)傳感器獲得果實(shí)位置后，末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)至果實(shí)所在位置，真空吸塵器通過(guò)管道向末端執(zhí)行器提供一定的負(fù)壓，將櫻桃吸附在真空管口，末端執(zhí)行器機(jī)械指夾住果梗，果實(shí)連同果梗一起從樹上摘下，送至集果箱，完成一次收獲[5]。

1.1.3草莓采摘機(jī)器人。圖3為日本Hayashi等開發(fā)的3自由度草莓收獲機(jī)器人。它主要由1個(gè)極坐標(biāo)式機(jī)械手、機(jī)器視覺(jué)、末端執(zhí)行器和移動(dòng)平臺(tái)組成。機(jī)器視覺(jué)單元由1個(gè)二極管和電荷耦合器件攝像機(jī)組成，兩側(cè)的攝像機(jī)用來(lái)確定成熟果實(shí)在三維空間的位置和果實(shí)的成熟度，中間的攝像機(jī)用來(lái)檢測(cè)梗位置和傾斜度。末端執(zhí)行器包括1個(gè)夾持器切梗和反射式光電傳感器，緩沖材料粘貼到手指的接觸面以使它能夠同時(shí)夾持和切梗。該機(jī)的平均收獲成功率為54.9%。采摘成功率較低的原因：①收獲過(guò)程中容易被其他草莓遮擋而難以實(shí)現(xiàn)單個(gè)草莓的采摘；②視覺(jué)系統(tǒng)不能準(zhǔn)確識(shí)別，最終導(dǎo)致機(jī)器人不能成功地采摘草莓[6-7]。

1.1.4西瓜（瓜類）收獲機(jī)器人。圖4為日本Kyoto 大學(xué)研制的一個(gè)名叫“STORK”的西瓜收獲機(jī)器人。它包括機(jī)器手、視覺(jué)傳感器和行走裝置[8]。該機(jī)器人采用立體圖像方法識(shí)別水果的相對(duì)位置，同時(shí)采用3重水果形狀的真空吸盤來(lái)提起西瓜。在試驗(yàn)過(guò)程中由于真空吸盤的位置偏差，以及提供的吸力不足，導(dǎo)致采摘成功率為66.7%。

1.1.5黃瓜采摘機(jī)器人。圖5為荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研制出的一種多功能黃瓜收獲機(jī)器人。該機(jī)器人包括自治車輛、機(jī)械手、末端執(zhí)行器、兩個(gè)計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。采用三菱公RV—E2的6自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)變成7個(gè)自由度的機(jī)器人。同時(shí)采用近紅外視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)，探測(cè)它的位置，然后通過(guò)機(jī)械手末端執(zhí)行器只收獲成熟的黃瓜，而不損傷其他未成熟的黃瓜。試驗(yàn)時(shí)無(wú)人干擾，機(jī)器人自行采摘，成功率80%，平均45 s采摘1根黃瓜[9]。

圖1日本的番茄采摘機(jī)器人

1.1.6柑橘采摘機(jī)器人。圖6所示為佛羅里達(dá)大學(xué)的Mehta等研制的7自由度柑橘采摘機(jī)器人。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，可進(jìn)行及時(shí)反饋，同時(shí)采用雙攝像頭，一個(gè)安裝位置固定，另一個(gè)安裝在末端執(zhí)行器的中心位置，隨機(jī)械手移動(dòng)。機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)柑橘進(jìn)行隨機(jī)的采摘試驗(yàn)，采摘成功率達(dá)到95%。但是該采摘機(jī)器人只適用于采摘大中型品種的柑橘，對(duì)小品種的柑橘采摘效果不太好[10]。

1.1.7菊苣采摘機(jī)器人。圖7為巴里理工大學(xué)與萊切大學(xué)合作研制的菊苣收獲機(jī)器人。該機(jī)器人整體安裝在拖拉機(jī)上，該機(jī)是由一個(gè)雙四桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)系統(tǒng)組成。電荷耦合攝像機(jī)安裝在腕關(guān)節(jié)盤下方，基于智能彩色濾波算法和圖像形態(tài)學(xué)操作來(lái)確定菊苣的位置。兩機(jī)械臂和末端執(zhí)行器采用氣動(dòng)式。在工作時(shí)末端執(zhí)行器從地下約10 mm處削減根莖，夾持輸送到最底部的托盤，確保適當(dāng)?shù)漠a(chǎn)品儲(chǔ)放。該機(jī)的定位準(zhǔn)確率達(dá)到了93.7%，一個(gè)完整的采伐作業(yè)時(shí)間大約需6.5 s 。但是如果菊苣被葉片完全遮蔽，那么視覺(jué)系統(tǒng)將無(wú)法識(shí)別，直接影響采摘效果[11]。

圖2日本的櫻桃采摘機(jī)器人

圖3日本的草莓采摘機(jī)器人

圖4日本的西瓜收獲機(jī)器人

圖5荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人

圖6柑橘采摘機(jī)器人

圖7菊苣采摘機(jī)器人

1.1.8蘋果采摘機(jī)器人。韓國(guó)Kyungpook大學(xué)研制出了蘋果采摘機(jī)器人。該機(jī)器人具有4 自由度，包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)嵌有壓力傳感器，用以避免損傷蘋果。利用CCD攝像機(jī)和光電傳感器對(duì)蘋果進(jìn)行識(shí)別，從樹冠外部識(shí)別蘋果時(shí)的識(shí)別率達(dá)85%，速度達(dá)5個(gè)/s。該機(jī)器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實(shí)收集袋，縮短了從摘取到放置的時(shí)間，提高了采摘速度。由于只有4個(gè)自由度，所以在工作過(guò)程中無(wú)法繞過(guò)障礙物摘取蘋果[12]。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年

1.1.9萵苣收獲機(jī)器人。韓國(guó)Cho等研發(fā)出3個(gè)自由度的機(jī)器人用于收獲萵苣。該機(jī)器人基于機(jī)器視覺(jué)和模糊邏輯控制原理，包括3個(gè)自由度的機(jī)械手、末端執(zhí)行器、萵苣傳送帶、吹送風(fēng)機(jī)、機(jī)器視覺(jué)裝置、6個(gè)光電傳感器以及模糊邏輯控制器等。工作時(shí)由視覺(jué)系統(tǒng)獲取萵苣的圖像，光電高度傳感器測(cè)量萵苣高度，當(dāng)末端執(zhí)行器靠近萵苣時(shí)，風(fēng)機(jī)吹起下垂的葉片便于識(shí)別和收獲，同時(shí)機(jī)械手在氣缸作用下，線性向前和向后移動(dòng)收獲萵苣。該機(jī)器人的收獲成功率為94.12%，平均收獲周期為5 s/個(gè)[13]。

1.2國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀。

我國(guó)在果蔬采摘機(jī)器人方面的研究相對(duì)發(fā)達(dá)的國(guó)家起步較晚，但是國(guó)內(nèi)不少的高校及研究所也開展了大量的研究。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制出了林木球果采摘機(jī)器人（圖8）。該機(jī)器人主要由6自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，最大采集高度14.0 m，最大作業(yè)半徑6.8 m。采摘時(shí)，機(jī)器人停在距離母樹3.0～5.0 m處，機(jī)械手對(duì)準(zhǔn)母樹。機(jī)械手大小臂在單片機(jī)控制系統(tǒng)控制下同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采摘爪張開，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，使采摘爪沿著樹枝生長(zhǎng)方向趨近1.5～2.0 m，然后通過(guò)采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。這種機(jī)器人效率是500 kg/d，是人工的30～50倍，而且該機(jī)器人工作時(shí)對(duì)母樹的破壞較小，采凈率高[14]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的崔永杰研制的4自由度的直角坐標(biāo)草莓采摘機(jī)器人有2個(gè)彩色攝像機(jī)、機(jī)械手、光纖傳感器、移動(dòng)控制單元4個(gè)部分組成，一個(gè)攝像機(jī)識(shí)別果實(shí)，同時(shí)決定收獲的順序，另一個(gè)攝像機(jī)估計(jì)果實(shí)成熟程度和花梗的位置，這樣起到了很好的識(shí)別和定位作用[15]。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的串番茄收獲機(jī)器人，采用顏色分量運(yùn)算和彩色空間轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)圖像閾值分割和目標(biāo)特征提取，同時(shí)對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了串番茄的采摘[16]。中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的王海峰等設(shè)計(jì)的菠蘿采摘機(jī)械手為田間菠蘿采摘機(jī)器人關(guān)鍵部件研發(fā)提供參考[17]。江蘇大學(xué)的李萍萍等主要是對(duì)番茄末端執(zhí)行器以及番茄的力學(xué)特性進(jìn)行了深入的研究[18-19]。

圖8林木球果采摘機(jī)器人

2存在的問(wèn)題

很多國(guó)家對(duì)采摘機(jī)器人的研究都進(jìn)行了大量的工作并且取得了一定的成果，但是有些作物的采摘機(jī)器人仍然處于研究的階段。例如，番茄、茄子、菊苣、黃瓜等作物上，并沒(méi)有達(dá)到商業(yè)化水平，仍存在以下問(wèn)題需要改進(jìn)。

2.1果實(shí)的識(shí)別率、定位精度不高目前識(shí)別果實(shí)主要有灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。其中，前兩者主要基于果實(shí)的光譜反射特性，但在自然光照情況下，由于圖像中存在噪聲和各種干擾信息，效果并不是很好。采用形狀定位方式，要求目標(biāo)具有完整的邊界條件，由于水果和葉子等往往容易重疊在一起，很難真正區(qū)別出果實(shí)的具體形狀，這就會(huì)給機(jī)器手抓取果實(shí)增加難度，進(jìn)而影響果實(shí)的采摘成功率。

2.2采摘環(huán)境復(fù)雜給采摘帶來(lái)困難果蔬是在自然環(huán)境條件下生長(zhǎng)，大部分果實(shí)被其葉片遮掩，這樣機(jī)器人就無(wú)法識(shí)別；有些果實(shí)即使能識(shí)別出來(lái)，但是在采摘過(guò)程中仍然需要機(jī)器人能夠成功地避障，這樣也直接地增加了采摘的難度。

2.3果實(shí)的損傷率較大機(jī)器人采摘果實(shí)的過(guò)程一般是擰斷、剪斷，都是模仿人們?cè)谧匀坏貤l件下采摘，機(jī)器人雖然是智能控制，但是也不可避免地會(huì)對(duì)果實(shí)造成內(nèi)部的擠壓變形以及表面的劃傷。

2.4果實(shí)平均采摘周期較長(zhǎng)、效率低果蔬采摘機(jī)器人在實(shí)際工作過(guò)程中，由于自然條件的多變以及果實(shí)識(shí)別和定位率不高，都會(huì)影響果實(shí)的采摘時(shí)間，因此目前大多采摘機(jī)器人的效率不高。例如，采摘1個(gè)黃瓜需要45 s，1串番茄需要15 s，可見提高采摘效率確實(shí)是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

2.5采摘機(jī)器人的制造及維修費(fèi)用高果實(shí)采摘機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人相比較，其結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，制造成本更高；果蔬采摘機(jī)器人使用的季節(jié)性比較強(qiáng)，使用周期短，經(jīng)濟(jì)性不好；由于其用到了機(jī)電一體化技術(shù)，在維護(hù)時(shí)費(fèi)用比較高。

3果蔬采摘機(jī)器人研究趨勢(shì)

3.1可靠性更強(qiáng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣直接決定機(jī)器人可靠性，因此，果蔬采摘機(jī)器人在滿足功用和性能的前提下，要利用仿真分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等手段，使機(jī)器人機(jī)械構(gòu)件盡可能簡(jiǎn)單、輕巧，可靠性更強(qiáng)；另外，果蔬采摘機(jī)器人不僅作業(yè)對(duì)象復(fù)雜多變，而且作業(yè)環(huán)境更加惡劣。設(shè)備經(jīng)常是在高溫高濕環(huán)境下作業(yè)，因此，果蔬采摘機(jī)器人必須具有良好的可靠性。

3.2降低操作難度及生產(chǎn)成本果蔬采摘機(jī)器人的操作者，大多是沒(méi)有受過(guò)專業(yè)教育的農(nóng)民，所以操作起來(lái)一定要簡(jiǎn)單方便；另外，由于農(nóng)民的收入很有限，在研發(fā)的時(shí)候一定要考慮到成本的問(wèn)題，生產(chǎn)出來(lái)的機(jī)器人能在農(nóng)民接收的范圍內(nèi)。

3.3開放式結(jié)構(gòu)應(yīng)用于果蔬采摘機(jī)器人采用開放式的控制系統(tǒng)，提高采摘機(jī)器人的通用性，只要簡(jiǎn)單更換機(jī)械手的末端執(zhí)行器和軟件，就可改變果蔬采摘機(jī)器人的用途，提高利用效率，降低使用成本。例如，溫室大棚里的機(jī)器人通過(guò)更換不同的末端執(zhí)行器就能完成不同果蔬的采摘以及施肥等作業(yè)。

4結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)果蔬采摘機(jī)器人仍處于研究階段，果蔬采摘機(jī)器人尚不能商業(yè)化，還有很多的問(wèn)題需要解決。未來(lái)研究應(yīng)該著眼于努力降低機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)成本，提高采摘機(jī)器人的工作效率和工作質(zhì)量。加上農(nóng)業(yè)工廠化經(jīng)營(yíng)模式的推廣，相信采摘機(jī)器人最終能走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備技術(shù)精細(xì)化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。研究采摘機(jī)器人不僅具有巨大的實(shí)用價(jià)值，而且具有深遠(yuǎn)的理論意義。

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