張文翔，張兵園，貢宇，任妮

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學院信息中心，南京市，210014)

0 引言

果蔬采摘是一個需要使用大量勞動力的環(huán)節(jié)[1]。隨著我國人口老齡化的加劇以及青壯勞動力往城市工廠聚集，導致勞動力成本日益提高，傳統(tǒng)的完全依靠人工的果蔬采摘方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要。因此實現(xiàn)果蔬采摘的自動化和智能化將是未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。

自從美國學者Schertz等[3]于1968年提出將機器人用于果蔬采摘后，各國投入了大量研究人員到采摘機器人的研究中。其中，日本、美國、西班牙和荷蘭等發(fā)達國家位于農(nóng)業(yè)機器人研究的前列，且已經(jīng)研究出針對不同果蔬的采摘機器人原型機；我國對于農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究起步較晚，但是近些年發(fā)展十分迅速，也取得了豐碩的成果[4-5]。

采摘機器人機械臂的選取直接影響果實采摘的作業(yè)效率和成功率。而機械臂的自由度是影響末端執(zhí)行器可達空間以及采摘靈活度的重要因素。本文按照機械臂自由度的類型歸納整理了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)采摘機器人的機械臂研究現(xiàn)狀，并對未來的研究重點進行了展望。

1 國內(nèi)外采摘機械臂的研究進展

1.1 三自由度采摘機械臂

1.1.1 國外三自由度采摘機械臂研究成果

日本岡山大學農(nóng)學部的Kondo等[6]針對溫室高壟內(nèi)培的草莓設計了三自由度直角坐標機械臂。該機械臂X軸和Y軸的運動通過串行接口和驅(qū)動器進行控制，定位精度為0.01 mm；Z軸通過并行接口利用減速器、直流電動機以及齒輪的配合實現(xiàn)直線運動，定位精度為0.6 mm。

日本神奈川工科大學的Takahashi等[7]為了方便老年人采摘自家果園中的番茄設計了一種三維運動機械臂。該機械臂可在三個正交方向上移動，其中X、Y、Z方向的運動行程分別約為0.4 m、1.6 m和0.8 m，采用直流電機驅(qū)動。

科威特的Taqi等[8]為家庭和溫室設計了一種采摘小番茄的三自由度機械臂。機械臂上有兩個連桿齒輪，用于控制左右和上下運動，齒輪由鋁制成，前后運動通過線性制動器伺服馬達控制，線性制動器伺服馬達固定在內(nèi)螺紋上，進而與垂直齒輪固定在一起。

日本農(nóng)業(yè)機械研究所的Hayashi等[9]為高架基質(zhì)床栽培的草莓采摘設計了一種三自由度圓柱型機械臂。機械臂通過旋轉(zhuǎn)制動器旋轉(zhuǎn)，使其面向兩側(cè)；使用線性制動器垂直移動和水平移動。旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器以懸掛方式安裝，以在末端執(zhí)行器下方留出空間。

新西蘭的Williams等[10]針對涼棚式種植的獼猴桃研制了一種三自由度旋轉(zhuǎn)機械臂。機械臂由3個旋轉(zhuǎn)軸組成：軸1繞垂直軸旋轉(zhuǎn)；軸2限制在垂直方向旋轉(zhuǎn)；軸3限制在水平方向旋轉(zhuǎn)，通過四連桿機構(gòu)從臂的底部驅(qū)動，第二個四連桿機構(gòu)用于保持前臂部分垂直。機械臂由鋁板制成，通過工業(yè)伺服電機配合標準工業(yè)伺服控制器進行控制。

1.1.2 國內(nèi)三自由度采摘機械臂研究成果

中國農(nóng)業(yè)大學的陳利兵[11]設計了一種三自由度直角坐標機械臂用于草莓采摘。機械臂的直線運動采用伺服電機驅(qū)動直線導軌來實現(xiàn)。其中，X軸為滾珠絲杠導軌，位置重復精度為±0.02 mm；Y軸為齒形帶導軌，位置重復精度為±0.05 mm；Z軸采用自行設計的絲杠傳動直線導軌。

南京農(nóng)業(yè)大學的張杰等[12]設計了一種三自由度機械臂用于蘋果采摘。機械臂旋轉(zhuǎn)軸由一個伺服電機通過減速機帶動整個機械本體進行旋轉(zhuǎn)；水平軸采用一個伺服電機通過行星減速機帶動齒輪齒條而運動；垂直軸由一個伺服電機通過同步帶輪帶動滾珠絲桿的運行而運動。

1.2 四自由度采摘機械臂

1.2.1 國外四自由度采摘機械臂研究成果

日本的Kondo等[13]設計了四自由度番茄采摘機器人，機械臂采用RH-6SH5520型工業(yè)機器人。該機械臂在水平面上的操作空間的半徑為550 mm，高度為200 mm，最大速度為1 000 mm/s，最大承重6 kg。

日本大阪府立大學的Tanigaki等[14]研制了一種四自由度鉸接式機械臂用于櫻桃采摘。機械臂上下橫移的軸使用交流伺服馬達和螺桿機構(gòu)驅(qū)動；第一和第二個左右轉(zhuǎn)動軸由小型交流伺服電機和諧波減速齒輪驅(qū)動；第三個左右轉(zhuǎn)動軸由一個帶減速齒輪的小型直流電機驅(qū)動。

韓國國家農(nóng)業(yè)科學院的Han等[15]研制了一種用于收獲臺式培養(yǎng)草莓的四自由度機械臂。該機械臂在笛卡爾式連桿結(jié)構(gòu)的基礎上，額外設計了一個轉(zhuǎn)動軸，使得采摘機器人可以兩邊工作，提升了采摘效率。

1.2.2 國內(nèi)四自由度采摘機械臂研究成果

中國科學技術(shù)大學的周舟等[16-17]針對番茄的特點及其植株的生長分布，設計了具有平行結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)的四自由度機械臂。第一個關(guān)節(jié)用于機械臂自身的旋轉(zhuǎn)；第二個關(guān)節(jié)為可以生成兩個方向運動的平行連桿機構(gòu)；第三個關(guān)節(jié)為移動關(guān)節(jié), 該關(guān)節(jié)實現(xiàn)末端執(zhí)行器的伸縮運動；第四個關(guān)節(jié)用于旋轉(zhuǎn)手腕。

西北農(nóng)林科技大學的Cui[18]和日本研究人員合作設計了一種笛卡爾型四自由度草莓采摘機器人。機械臂采摘安裝在鋁制矩形框架中，采摘運動由三個互相垂直的直線運動以及一個旋轉(zhuǎn)運動復合而成。

桂林電子科技大學的伍錫如等[19]研制了一款采摘蘋果的四自由度柔性機械臂。為了提高機械臂的運動軌跡精度和采摘成功率，選擇電機、諧波減速器以及編碼器的組合來精確控制機械臂的運動。

江蘇大學的杜金財?shù)柔槍h架式栽培的葡萄，設計了一種基于中空走線的關(guān)節(jié)型四自由度機械臂。機械臂采用雙連桿薄壁結(jié)構(gòu)，一側(cè)驅(qū)動，另一側(cè)走線，并對每個關(guān)節(jié)進行穿線孔設計，電機電源線與數(shù)據(jù)線及末端執(zhí)行器電機和傳感器的電源線與數(shù)據(jù)線均從中心穿線孔穿過。

中國農(nóng)業(yè)大學的宋健等[20]根據(jù)茄子生長的空間分布，開發(fā)了四自由度關(guān)節(jié)式采摘機械臂。腰關(guān)節(jié)、小臂和腕部均采用交流伺服電動機串接諧波減速器結(jié)合齒輪機構(gòu)的傳動方式；肩關(guān)節(jié)采用齒輪和蝸輪蝸桿二級減速機構(gòu)，由交流伺服電動機驅(qū)動。

中國農(nóng)業(yè)大學的張凱良等[21]設計了一款針對高架栽培模式的草莓采摘機械臂。直動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機搭配增量式編碼器，實現(xiàn)X、Y、Z方向的精確平動；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動電機搭配絕對式編碼器，帶動絲杠導軌連同末端執(zhí)行器一同在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

浙江大學的王燕等[22]研制了四自由度的關(guān)節(jié)型果蔬采摘機械臂。關(guān)節(jié)運動采用直流力矩電動機串接諧波減速器的傳動方式。底座及各連桿設計為薄壁結(jié)構(gòu), 在保證剛度和強度的前提下, 底座和各關(guān)節(jié)均采用鋁合金材料, 而各連桿則選用輕質(zhì)高強的碳纖維管。

1.3 五自由度采摘機械臂

1.3.1 國外五自由度采摘機械臂研究成果

日本岡山大學農(nóng)學部的Monta等[23]針對棚架栽培模式的葡萄，開發(fā)了一種五自由度機械臂。該機械臂具有腰部、肩部和腕部的四個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，還有一個移動關(guān)節(jié)，以便通過簡單的控制方法實現(xiàn)機械手的高速工作。

日本愛媛大學農(nóng)學部的Arima等[24]針對高架臺式栽培的草莓開發(fā)了一種五自由度機械臂。由于機器人在栽培床下進行采摘作業(yè)，因而機械臂末端連桿設計成一個U型結(jié)構(gòu)。

1.3.2 國內(nèi)五自由度采摘機械臂研究成果

江蘇大學的趙德安等[25-26]研制一種果樹采摘機械臂。第一個自由度為升降自由度，主要起抬升機械臂的作用；中間三個自由度為旋轉(zhuǎn)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)末端操作器在工作空間中轉(zhuǎn)向任意方向；第五個自由度為棱柱關(guān)節(jié)，將末端操作器送到目標果實的位置。機械臂運動采用交流伺服系統(tǒng)進行控制。

臺灣宜蘭大學的Chiu等[27]開發(fā)了一個溫室番茄采摘機器人。其中機械臂為三菱RV-M1，它是一個五自由度的垂直關(guān)節(jié)機器人手臂，由上臂、前臂和腕節(jié)組成，長度分別為250 mm、160 mm和72 mm。

江蘇省物聯(lián)網(wǎng)應用技術(shù)重點建設實驗室的馮鮮等[28]設計了一種關(guān)節(jié)型五自由度水蜜桃采摘機械臂。機械臂運動分為腰部轉(zhuǎn)動、大臂搖擺、小臂二次搖擺、腕部俯仰及旋轉(zhuǎn)，各關(guān)節(jié)運動采用伺服電機控制。

1.4 六自由度采摘機械臂

1.4.1 國外六自由度采摘機械臂研究成果

日本立命館大學的Onishi等[29]設計了一個自動化水果采摘機器人，其機械臂采用UR3型機器人。這種緊湊型協(xié)作式機器人重量只有11 kg，但有效載荷可達3 kg，所有手腕關(guān)節(jié)均可實現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，末端關(guān)節(jié)可無限旋轉(zhuǎn)。

以色列本·古里安大學的Arad等[30]開發(fā)了用于溫室大棚采摘甜椒的機器人，采用六自由度Fanuc LR Mate 200iD型工業(yè)機械臂。該機械臂具有近似于人手臂的大小和觸及范圍，作業(yè)半徑可達717 mm，最大承載量可達7 kg。

菲律賓德拉薩大學的Almendral等[31]研制了一種采摘橙色水果的自動收獲機器人，采用六自由度機械臂[32]，六個關(guān)節(jié)分別是底座旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕部上下轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、腕部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器關(guān)節(jié)。機械臂運動通過Arduino微控制器控制伺服電機驅(qū)動。

1.4.2 國內(nèi)六自由度采摘機械臂研究成果

國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心的馮青春等針對高架栽培草莓設計了自動采摘機器人。該機器人使用小型關(guān)節(jié)型六自由度機械臂，其最大運動半徑為650 mm，最大有效載荷5 kg，點位往復運動時間最快0.4 s，重復定位精度±0.02 mm，滿足了狹小空間作業(yè)要求。

南京農(nóng)業(yè)大學的顧寶興等[33]設計了一種智能移動水果采摘機器人。選用日本的MOTOMAN-SSF2000型工業(yè)機器人作為采摘機械臂。采摘機械臂額定負載6 kg，重復精度±0.03 mm，采摘半徑為1 378 mm，垂直伸展高度為2 403 mm，機械臂底座距離地面高度為1 200 mm。

東北農(nóng)業(yè)大學的寧志超等設計了一種六自由度采摘機械臂。機械臂的設計采用模塊化的方法，由鋁制合金結(jié)構(gòu)支架和底座組合而成。各關(guān)節(jié)運動通過伺服電機控制。

廊坊職業(yè)技術(shù)學院的趙玲亞等[34]設計了關(guān)節(jié)串聯(lián)的空間開鏈機構(gòu)的六自由度采摘機械臂。采摘時通過液壓馬達驅(qū)動舉升液壓缸、伸縮臂以及腕部的翻轉(zhuǎn)液壓缸來調(diào)整末端執(zhí)行器的采摘姿態(tài)和弧形手抓的開合角度，以達到對不同生長環(huán)境下圓形水果的采摘。

天津農(nóng)學院的鄭爽爽等[35]為蘋果采摘機器人設計了一種六自由度關(guān)節(jié)型機械臂。底座通過舵機帶動傳動系統(tǒng)實現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)，其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機驅(qū)動螺旋絲桿來實現(xiàn)。

1.5 其他類型采摘機械臂

1.5.1 國外其他類型采摘機械臂研究成果

比利時林堡天主教大學學院的Baeten等[36]設計了一種蘋果采摘機器人，選擇松下VR006L型機械臂作為采摘機械臂，為了擴大機械臂的作業(yè)范圍，增加了第七個外部垂直軸。

美國華盛頓州立大學的Silwal等[37]針對V型格種植的蘋果研制了七自由度冗余機械臂。機械臂采用模塊化設計，選擇Dynamixel Pro執(zhí)行器作為全旋轉(zhuǎn)臂，兩個連桿框架由鋁板制成，旋轉(zhuǎn)機械臂固定在一個基座上，基座安裝在線性導軌上，基座的執(zhí)行器是雙極步進電機。

澳大利亞昆士蘭科技大學的Lehnert等[38]為在平面格狀結(jié)構(gòu)中種植的甜椒開發(fā)了新型采摘機器人。機器人采用UR5型機械臂，該機械臂最大工作半徑850 mm，最大有效載荷5 kg。為了增加作業(yè)范圍，機械臂安裝在一個柱形提升關(guān)節(jié)上。

荷蘭農(nóng)業(yè)與環(huán)境工程研究所的Henten等[39]設計了一種用于溫室采摘黃瓜的機器人。為了增加采摘速度和避免碰撞，機械臂采用三菱RV-E2型機械臂結(jié)合線性滑道的七自由度設計方案。RV-E2型機械臂由直流電動機和伺服控制器結(jié)合絕對編碼器驅(qū)動，線性滑道由直流電動機和伺服控制器結(jié)合增量解碼器驅(qū)動，機械臂的總體穩(wěn)態(tài)精度為±0.2×10-3m。

日本岡山大學農(nóng)學部的Kondo等[40]根據(jù)番茄的物理特性和生長環(huán)境，研制了一個由兩個移動關(guān)節(jié)和五個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的七自由度冗余機械臂。上臂和前臂長度分別為250mm和200 mm，移動關(guān)節(jié)的行程分別為200 mm(水平方向)和300 mm(垂直方向)。

比利時魯汶大學的Nguyen等[41]開發(fā)了一種蘋果采摘機器人，該機器人采用九自由度冗余模塊化多功能農(nóng)業(yè)采摘機械臂[42]。關(guān)節(jié)q1用于舉起整個機械臂，以便采摘高處果實；關(guān)節(jié)q2使機械臂相對于采摘方向向兩側(cè)移動；關(guān)節(jié)q3～q5使機械臂向前和向后移動，從而可以到達更深的樹冠內(nèi)部并進行避障；關(guān)節(jié)q6～q8可在與目標的近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)高靈活性；關(guān)節(jié)q9將末端執(zhí)行器旋轉(zhuǎn)至正確的抓握方向。各關(guān)節(jié)采用電機配合高減速器驅(qū)動。

1.5.2 國內(nèi)其他類型采摘機械臂研究成果

湖南農(nóng)業(yè)大學的王韌[43]開發(fā)了一種用于果蔬采摘的冗余七自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型機械臂。基座是一個鋁制的整體的鑄件，立柱為薄壁鋁管制成；大臂由內(nèi)部鋁制的整體鑄件骨架與外表面很薄的鋁板殼相互膠接而成。驅(qū)動裝置選擇直流伺服電機作為主要關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，而小臂伸縮裝置選擇兩級伸縮雙作用液壓缸作為驅(qū)動器。

上海交通大學的Zhao等[44]設計了一種用于溫室的模塊化雙臂番茄收獲機器人。該機器人有2個三自由度的機械臂，每個機械臂具有1個移動關(guān)節(jié)和2個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，以保證適當?shù)墓ぷ骺臻g。兩個機械臂安裝有不同的末端執(zhí)行器，一個用于抓握番茄，另一個用于切割番茄莖部，通過兩個機械臂的配合完成番茄采摘工作。

中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室的劉小寬等[45]設計出了高效靈活的枸杞智能采摘雙臂機器人。夾持機械臂設計為四自由度：分別為腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)。采摘機械臂設計為六自由度：肩部為球關(guān)節(jié)，具有3個自由度；肘部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有1個自由度；腕部為正交關(guān)節(jié)，具有2個自由度。最終通過兩個機械臂的配合完成枸杞采摘工作。

1.6 小結(jié)

經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)沉淀，果蔬采摘機器人的研究取得了長足的發(fā)展。國內(nèi)外研究學者針對不同栽培模式的果蔬，研究出了很多不同類型的采摘機器人。但是，無論國內(nèi)還是國外，采摘機器人基本還是處在實驗室階段，真正讓其走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化階段，還有很長的一段路要走。

針對不同作物栽培模式以及各作物的生長習性，國內(nèi)外在采摘機械臂的研究方向上趨于一致。對于壟式栽培的地表作物，國內(nèi)外一般采用笛卡爾機械臂進行采摘作業(yè)；對于低矮以及遮擋較少的果實，國內(nèi)外一般采用商業(yè)應用成熟的關(guān)節(jié)型機械臂進行采摘作業(yè)；對于高大冠層以及果實遮擋嚴重的作物，國內(nèi)外一般采用關(guān)節(jié)型加移動型的高自由度組合型機械臂或者多臂協(xié)同進行采摘作業(yè)。

對于采摘機械臂的研究，國外的研究起步較早，由于當時的機械制造以及電子技術(shù)的發(fā)展制約，商業(yè)化的機械臂還未成熟，因而采摘機械臂大多采用自行設計加工的方式，隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化、定制化的機械臂逐步成為采摘機械臂的首選。國內(nèi)采摘機械臂的研究起步較晚，但是正好趕上了機械臂技術(shù)的快速發(fā)展期，機械臂的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，因而采摘機械臂基本上采用技術(shù)成熟的機械臂。

不同自由度的采摘機械臂存在著各自的特性。通過對各自由度采摘機械臂研究現(xiàn)狀的總結(jié)與分析，總結(jié)了各自由度采摘機械臂的優(yōu)缺點以及適用范圍，如表1所示。

表1 不同自由度采摘機械臂的優(yōu)缺點以及適用范圍Tab. 1 Advantages and disadvantages of picking robotic arms with different degrees of freedom and the scope of application

2 存在問題

1) 與農(nóng)藝結(jié)合不緊密。采摘機械臂進行自由度和構(gòu)型的確定時需要考慮到作物莖稈和葉子的遮擋等問題，由于在農(nóng)事操作上的差異性，導致就算對于相同栽培模式下同一果蔬，研究學者們在采摘機械臂構(gòu)型的選擇上更多的根據(jù)自身主觀認識來確定，缺少一定的客觀標準作為參考，最終使得針對相同栽培模式下同一果蔬的采摘機械臂出現(xiàn)多種自由度和構(gòu)型方案，分散了相關(guān)研究的人力和物力。

2) 剛性本體難適應采摘環(huán)境。采摘機械臂工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，需要機械臂有更好的靈活性和較高的安全性。當前采摘機械臂基本上采用金屬制的剛性機械臂，普遍存在靈活性受限、質(zhì)量大、驅(qū)動復雜以及制造成本較高等缺點，同時使用工業(yè)機械臂需要在較高的安全防護等級下進行工作，而在采摘環(huán)境下難以實現(xiàn)，使得采摘作業(yè)的危險性增加。

3) 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式單一。常用的機械臂驅(qū)動方式有步進電機、交流伺服電機、液壓伺服電機和直流伺服電機四種，這四種驅(qū)動方式在成本、控制精度和穩(wěn)定性等方面存在著各自的優(yōu)缺點。在采摘機械臂的研究中，往往會為所有關(guān)節(jié)選擇相同的驅(qū)動方式，導致不同功能的關(guān)節(jié)不能使用各自的最優(yōu)驅(qū)動方式，影響采摘效率和成功率。

3 展望

3.1 加強采摘機械臂與農(nóng)藝的融合

對于相同栽培模式下同一果蔬，形成采摘機械臂自由度和構(gòu)型選擇的標準化是未來加快采摘機器人產(chǎn)業(yè)應用研究的重要一步，而其中的關(guān)鍵是農(nóng)事操作上的標準化。通過剪枝打杈等一系列標準化的農(nóng)事操作，可以減少很多采摘機械臂自由度和構(gòu)型選擇時所要考慮的果實遮擋等問題，使得自由度和構(gòu)型選擇上趨于一致，進而形成一定的標準化方案，讓研究人員可以集中資源進行產(chǎn)業(yè)化研究。

3.2 推進采摘機械臂本體的柔性設計研究

隨著材料和控制等學科的快速發(fā)展，出現(xiàn)了靈活度高，結(jié)構(gòu)簡單，自適應度高，驅(qū)動和控制單元簡潔單一，制造成本相對較低，控制模型便攜的柔性設計的機械臂[46-47]。由于柔性機械臂存在的諸多優(yōu)點，在以后的采摘機器人研究中采用柔性設計機械臂將會提高采摘機器人對采摘環(huán)境的適應程度。

3.3 創(chuàng)新采摘機械臂驅(qū)動方式的組合使用

采摘機械臂每個關(guān)節(jié)有著各自的特殊作用，比如直動關(guān)節(jié)用于機械臂整體升降或者伸縮，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于局部調(diào)整姿態(tài)，對于不同的關(guān)節(jié)功能，驅(qū)動方式有著各自的最優(yōu)選擇。采用最優(yōu)驅(qū)動方式的組合使用完成采摘機械臂的運動控制，可以提高采摘機器人的采摘效率和成功率。