孟 丹，張 亮，李 磊，王美玲

（常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇 常州 213164）

果實(shí)采摘具有季節(jié)性、勞動(dòng)強(qiáng)度大的特點(diǎn)，可以說(shuō)是整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中最費(fèi)時(shí)費(fèi)力的環(huán)節(jié)。果實(shí)采摘的效率和成本直接關(guān)系著農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，人工采摘方式不僅成本高而且效率低，不利于農(nóng)業(yè)的大機(jī)械化生產(chǎn)。為了確保農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠適時(shí)采收，降低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)漸漸朝著機(jī)械化、智能化的方向發(fā)展，采摘機(jī)器人被逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1 采摘機(jī)器人概述

采摘機(jī)器人集多種前沿科技于一身，其中涵蓋了圖像識(shí)別技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)以及傳感技術(shù)等。采摘機(jī)器人的工作對(duì)象是農(nóng)作物，不同的農(nóng)作物種植方式不同，果實(shí)形態(tài)各異，生長(zhǎng)環(huán)境也不盡相同，所以采摘機(jī)器人具有較強(qiáng)的針對(duì)性，只有這樣才能切實(shí)提高采摘的效率。在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人時(shí)應(yīng)該考慮到作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)及其生長(zhǎng)環(huán)境，能夠根據(jù)不同的地理環(huán)境自動(dòng)調(diào)整作業(yè)質(zhì)量，通過(guò)改變機(jī)器人的程序指令，就可以改變機(jī)器人的作業(yè)動(dòng)作。

2 采摘機(jī)器人的特點(diǎn)

2.1 操作的便捷性

農(nóng)民是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主體，采摘機(jī)器人是為了提高農(nóng)業(yè)采摘效率發(fā)明的，所以在設(shè)計(jì)上應(yīng)該要考慮到農(nóng)民群體的特點(diǎn)，操作上必須要更加便捷、實(shí)用，同時(shí)還需兼顧農(nóng)民群體的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，采摘機(jī)器人的價(jià)格應(yīng)該在使用者的承受范圍內(nèi)。只有兼顧價(jià)格和操作方式，才能在農(nóng)民群體中廣泛應(yīng)用，真正實(shí)現(xiàn)大機(jī)械化生產(chǎn)，減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。

2.2 環(huán)境的高適應(yīng)性

農(nóng)作物生長(zhǎng)的自然環(huán)境是采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境，農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境受到天氣、溫度以及地形地質(zhì)條件的影響，所以，采摘機(jī)器人要具有環(huán)境的高適應(yīng)性，才能針對(duì)作物的不同環(huán)境開(kāi)展作業(yè)。

2.3 作業(yè)的不確定性

農(nóng)作物比較脆弱，而且因?yàn)榘l(fā)育程度不同，生長(zhǎng)情況各異，采摘機(jī)器人在作業(yè)時(shí)要設(shè)定合適的力度，才不會(huì)損壞農(nóng)作物。

3 采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

3.1 黃瓜采摘機(jī)器人

早在20世紀(jì)90年代，荷蘭就開(kāi)始研究黃瓜采摘機(jī)器人，實(shí)驗(yàn)采用的是溫室環(huán)境，黃瓜是按照高掛線纏繞方式吊掛生產(chǎn)。采摘作業(yè)主要由機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行，末端執(zhí)行器由機(jī)械手和切割器組成，機(jī)械手的定位服務(wù)由行走車提供，機(jī)器人無(wú)需人工干預(yù)就可以工作，但是由于速度太慢無(wú)法商用推廣。日本研制的黃瓜采摘機(jī)器人采用了更加先進(jìn)的視覺(jué)系統(tǒng)，可以根據(jù)黃瓜的光譜反射特性來(lái)分辨黃瓜的果實(shí)和莖葉，采摘作業(yè)時(shí)，機(jī)械手先抓住黃瓜，然后果梗探測(cè)器尋找黃瓜果梗，最后由切割器切斷果梗，采摘流程完成。

3.2 番茄采摘機(jī)器人

番茄采摘機(jī)器人的構(gòu)成與黃瓜采摘機(jī)器人類似，移動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)行走，視覺(jué)傳感器尋找果實(shí)，末端執(zhí)行器負(fù)責(zé)采摘。番茄的成熟期不盡相同而且生長(zhǎng)位置沒(méi)有明確的規(guī)律性，果實(shí)經(jīng)常隱藏在枝葉后，采摘時(shí)要求機(jī)器人機(jī)械手能有較大的活動(dòng)范圍并且能夠避開(kāi)障礙物。采摘作業(yè)時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)向前行走，視覺(jué)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)番茄是否在采摘范圍內(nèi)，判斷果實(shí)與機(jī)械手的相對(duì)位置，如在收獲范圍內(nèi)則機(jī)械手逐漸靠近并抓住果實(shí)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)方式將果實(shí)擰下。

韓國(guó)對(duì)番茄采摘機(jī)器人有一定的研究并初步取得了成果。機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)果實(shí)的顏色判斷番茄的成熟度，有選擇性采摘果實(shí)，但是這種采摘機(jī)器人反應(yīng)過(guò)慢，動(dòng)作靈活性較低，所以還未量化生產(chǎn)。

3.3 蘑菇采摘機(jī)器人

蘑菇采摘機(jī)器人可以自動(dòng)檢測(cè)蘑菇的位置和大小，進(jìn)行選擇性采摘。視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)在機(jī)器人頂部以便準(zhǔn)確確定蘑菇的位置和大小，蘑菇機(jī)械化采摘的成功概率主要取決于蘑菇的生產(chǎn)形態(tài)，如果蘑菇傾斜生長(zhǎng)就容易采摘失敗。未來(lái)蘑菇采摘機(jī)器人的重點(diǎn)在于如何根據(jù)圖像信息快速準(zhǔn)確調(diào)整機(jī)器人機(jī)械手的姿態(tài)動(dòng)作，提高采摘成功率。

3.4 柑橘采摘機(jī)器人

柑橘采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用人機(jī)協(xié)作理念，尋找、定位采摘果實(shí)以及機(jī)器人的導(dǎo)航功能由人力來(lái)完成，采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和末端執(zhí)行器的作業(yè)由機(jī)器人系統(tǒng)完成。操作人員發(fā)現(xiàn)成熟的柑橘后使用激光測(cè)距儀獲得果實(shí)的坐標(biāo)，并將坐標(biāo)存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，機(jī)器人在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中讀取果實(shí)坐標(biāo)，末端執(zhí)行器根據(jù)果實(shí)坐標(biāo)規(guī)劃最優(yōu)的采摘路徑并達(dá)到坐標(biāo)位置。人機(jī)協(xié)作理念有效降低了機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)成本，同時(shí)提高了機(jī)器人處理突發(fā)事件的水平和采摘成功率，未來(lái)有很大的產(chǎn)業(yè)化空間。

4 采摘機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)

采摘機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象具有單一性的特點(diǎn)，作業(yè)范圍一旦受到農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境的限制，就無(wú)法達(dá)到最初的預(yù)期效果?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)要求不斷改善采摘技術(shù)以提高采摘效率，降低采摘作業(yè)成本，讓采摘機(jī)器人更好地為農(nóng)業(yè)發(fā)展服務(wù)。根據(jù)目前采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，未來(lái)機(jī)器人的發(fā)展主要在以下幾個(gè)方面：

4.1 提高識(shí)別率和采摘率

識(shí)別和確定果實(shí)的位置主要是顏色識(shí)別法，顏色識(shí)別法主要基于果實(shí)光譜反射特性，但是由于機(jī)器人圖像系統(tǒng)識(shí)別時(shí)存在各種外界干擾信息，有時(shí)候效果不是特別好。再加上果實(shí)和枝葉生長(zhǎng)沒(méi)有規(guī)律，果實(shí)如果被枝葉遮擋住，機(jī)器人就無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別果實(shí)的位置。為了精確定位果實(shí)的位置，提高采摘成功率，采摘機(jī)器人的視覺(jué)傳感器技術(shù)和圖像處理算法應(yīng)該繼續(xù)改進(jìn)，開(kāi)發(fā)目標(biāo)智能識(shí)別技術(shù)，不管果實(shí)的形狀和大小如何，機(jī)器人的機(jī)械手都可以準(zhǔn)確抓住成熟果實(shí)。

4.2 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低制造成本

考慮到采摘機(jī)器人的使用對(duì)象是我國(guó)數(shù)量龐大的農(nóng)民群體，文化水平普遍有限，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)要在滿足采摘機(jī)器人基本性能的前提下，融合現(xiàn)代智能技術(shù)，盡量簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，讓其更加簡(jiǎn)便和輕巧，提高采摘機(jī)器人作業(yè)的靈活性，減少設(shè)備操作過(guò)程中的復(fù)雜流程。由于采摘機(jī)器人作業(yè)環(huán)境的多樣性和復(fù)雜性，所以其制造成本要比普通的工業(yè)機(jī)器人更高一些，但是因?yàn)檗r(nóng)民群體經(jīng)濟(jì)條件有限，如果市場(chǎng)價(jià)格過(guò)高勢(shì)必會(huì)降低采摘機(jī)器人的使用率，因此，設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該盡量降低采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造成本。

5 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)屬于第一產(chǎn)業(yè)，是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)需要非常多的勞動(dòng)力，耗時(shí)費(fèi)力，效率低下。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)中也逐漸應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)來(lái)實(shí)行大機(jī)械化生產(chǎn)。采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)核心應(yīng)該圍繞在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)，目標(biāo)是操作簡(jiǎn)便精準(zhǔn)、采摘效率高，市場(chǎng)價(jià)格低。將科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟(jì)效益緊密結(jié)合在一起，研制出農(nóng)民群體能夠操作、價(jià)格也在承受范圍內(nèi)的采摘機(jī)器人。就目前采摘機(jī)器人的研究發(fā)展情況來(lái)看，開(kāi)放式結(jié)構(gòu)思想已經(jīng)普遍應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，開(kāi)放式結(jié)構(gòu)采摘機(jī)器人具有非常多的優(yōu)勢(shì)，諸如適應(yīng)性強(qiáng)、研發(fā)周期短、成本低、作業(yè)效率高等，操作起來(lái)也比較方便，一旦技術(shù)成熟就可以大面積推廣使用，為未來(lái)我國(guó)采摘技術(shù)的不斷成熟和農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展提供良好條件。