王思玉，牛成強，李 釗，史文杰，樊桂菊,2,3※

（1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室 3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室）

0 引言

近年來，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能化農(nóng)業(yè)裝備正逐步被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各領(lǐng)域，其中智能農(nóng)業(yè)機器人的推廣和應(yīng)用尤為顯著。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，果蔬產(chǎn)業(yè)已成為我國農(nóng)村經(jīng)濟重要支柱和農(nóng)民收入主要來源。果蔬產(chǎn)業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在果蔬生產(chǎn)過程中，采摘約占整個作業(yè)量的40%[1]，是果蔬生產(chǎn)中作業(yè)要求較高的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有季節(jié)性強和勞動密集的特點。但現(xiàn)階段我國果蔬采摘環(huán)節(jié)的綜合機械化水平較低，大多數(shù)作業(yè)以人工為主，勞動生產(chǎn)率亟需提高。同時，隨著城鎮(zhèn)化進程的不斷推進和人口老齡化現(xiàn)象的日益加重，農(nóng)村勞動力逐年下降，果蔬采摘人工成本逐年提高，嚴(yán)重影響果蔬產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?；诖?，研究和開發(fā)果蔬采摘收獲機器人對于提高果蔬采摘收獲質(zhì)量、降低人工勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本和增加社會經(jīng)濟效益具有重要意義。

1 果蔬采摘特性分析

1.1 作業(yè)對象的復(fù)雜性和差異性

典型果蔬具有品種繁多，果實形狀復(fù)雜，生長發(fā)育程度不一的特性。即使是同一品種，同一棵植株，果實的形狀也不同，相互之間差異較大且易被枝葉遮擋。這就要求采摘機器人具有良好的識別、定位與避障系統(tǒng)。

1.2 作業(yè)對象的隨機性和非結(jié)構(gòu)性

典型果蔬的果實生長位置無規(guī)律，分布比較隨機，生長環(huán)境易受季節(jié)、天氣等自然條件影響。這就要求采摘機器人能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的果蔬種植環(huán)境，具有高度的自動化和智能化，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)判斷，避免對作業(yè)對象造成誤傷，以便其能夠更為有效地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

1.3 作業(yè)對象的脆弱性和易損傷性

典型果蔬的果實表皮組織由許多細(xì)胞組成，比較柔軟，具有脆弱易傷的特點，必須仔細(xì)輕柔地對待和處理。這就要求采摘機器人末端執(zhí)行器能夠與目標(biāo)果蔬柔性接觸，盡可能避免接觸損傷。

1.4 良好的可靠性和通用性

典型果蔬采摘機器人的作業(yè)對象具有復(fù)雜性和差異性，這就要求采摘機器人只需通過較為簡單的改變，即可滿足多種作業(yè)要求，具有良好的可靠性、可編程性和通用性。例如，同一采摘機器人針對不同品種果蔬的采摘、施肥和噴藥等作業(yè)需求，只需使用與之配套的末端執(zhí)行器即可完成相應(yīng)作業(yè)，既能增加采摘機器人的通用性，又能提高其有效利用率。

1.5 操作對象和價格的特殊性

果蔬采摘機器人的操作者大多是未受過專業(yè)教育的果農(nóng)，因此要求其使用方法必須簡單易懂，易于操作，另外，國內(nèi)果蔬產(chǎn)業(yè)大多以個體經(jīng)營為主，研發(fā)時要考慮成本問題，價格應(yīng)在果農(nóng)接受范圍內(nèi)，否則難以推廣。

2 國內(nèi)外研究進展

國外在果蔬采摘類機械方面的研制起步較早，從20世紀(jì)80年代中期開始，歐美和日本等發(fā)達國家就在果蔬采摘機械方面開展了廣泛的研究。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，國外果蔬采摘機械化程度不斷提高，試制成功了多種自動化程度較高的果蔬采摘機器人，如蘋果、柑橘、葡萄、草莓、茄子、番茄和黃瓜采摘機器人等，使果蔬采摘質(zhì)量與采摘效率得到明顯提升。目前，國外果蔬采摘機械已經(jīng)具有較高的水平[2]。

國內(nèi)在果蔬采摘類機械方面的研究始于20世紀(jì)90年代中期，雖與國外頂尖水平仍存在一定的差距，但近些年隨著互聯(lián)網(wǎng)信息化水平和機械化程度的不斷提高，國內(nèi)在果蔬采摘類機械方面的研究已有較大進步。

2.1 蘋果采摘機器人

蘋果采摘機器人涉及領(lǐng)域較廣，包含機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算機科學(xué)與技術(shù)、農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)等，綜合性較強。其通常由行走機構(gòu)、執(zhí)行機械臂、運動控制系統(tǒng)、機器視覺系統(tǒng)和末端執(zhí)行器等組成，用來采收成熟的蘋果[3]。日本北海道大學(xué)Duke M.Bulanon等[4-6]研制的采用二指夾持式末端執(zhí)行器的蘋果采摘機器人采用CCD攝像機和激光傳感器進行果實識別，采用二指夾持果梗，雖避免了末端執(zhí)行器與果實間的接觸損傷，但對果梗較短的果實會出現(xiàn)加持失敗，發(fā)生果實掉落現(xiàn)象。韓國慶北大學(xué)Jang等[7,8]研制的四自由度蘋果采摘機器人具有末端執(zhí)行器夾持力可控且工作范圍廣的特點，但因受自由度限制，無法繞過障礙物摘取果實。江蘇大學(xué)趙德安等[9-11]研制的智能蘋果采摘設(shè)備采用多種形式傳感器與PRRRP結(jié)構(gòu)機械臂配合，使其能夠有效避障，一定程度上提高了采摘機器人的靈活性和適用性，但該機器人的采摘成功率還有待提高。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)姬長英等[12-14]設(shè)計研發(fā)的自走式智能蘋果采摘機器人采用六自由度工業(yè)機械臂作為采摘機械臂，具有雙目視覺系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)，能夠完成自主導(dǎo)航、采摘及蘋果裝箱作業(yè)（圖1）。該采摘機器人智能化及自動化程度較高，但整機體積較大，靈活性較差，對傳統(tǒng)密植型果園的適用性較差。

圖1 智能移動蘋果采摘機器人

2.2 草莓采摘機器人

由于草莓的栽培模式具有多樣性，例如地面栽培模式、高架栽培模式和壟作栽培模式等，同時生產(chǎn)經(jīng)營規(guī)模各不相同，因此其采摘裝置的差異性也較為明顯。目前針對高架栽培模式研制的草莓采摘機械較多，而地面栽培模式和壟作栽培模式種植的草莓因其植株距離地面較近，使機械采摘難度增加，因此現(xiàn)有機械采摘設(shè)備較少。西班牙AGROBOT Robotics公司研發(fā)的基于高架栽培的草莓采摘機器人[15]（圖2）通過多個裝有傳感器和圖像處理單元的機械臂相互協(xié)同工作進行采摘作業(yè)，采用末端執(zhí)行器斷莖加持的方式收獲草莓，能夠自主識別、定位并無損傷采摘高架栽培模式下的成熟草莓。但該機器人是針對高架栽培模式草莓研制的，專用性較強，對其他栽培模式草莓適配性較差，因此其通用性有待提高。西北農(nóng)林科技大學(xué)張曼等針對自然條件下高架栽培模式種植的草莓通過搭建遠(yuǎn)—近景組合視覺定位系統(tǒng)，并結(jié)合D-H法建立的機械臂各連桿間的關(guān)系式，設(shè)計了一種草莓采摘末端執(zhí)行器，既提高了采摘定位的精準(zhǔn)度，又在一定程度上避免了對草莓造成的損傷。目前國內(nèi)外草莓采摘機器人尚存在一些問題：一是設(shè)備普遍只適配特定種植模式或特定品種的草莓，專用性較強，通用性有待提高；二是設(shè)備整機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較為龐大，通過性較差，對草莓種植密度的合理性提出更高的要求；三是草莓的自然生長環(huán)境復(fù)雜多變且其生長位置及形狀各異，設(shè)備在識別草莓果實時易受多種因素干擾，導(dǎo)致設(shè)備定位精準(zhǔn)度下降，出現(xiàn)漏摘或損傷果實的現(xiàn)象。

圖2 基于高架栽培的草莓采摘機器人

2.3 葡萄采摘機器人

葡萄與草莓同屬于漿果類水果，外果皮為一到數(shù)層薄壁細(xì)胞，肉質(zhì)具有柔軟多汁的特點。葡萄果實形狀各異，且在不同成熟度下顏色復(fù)雜多樣，這對葡萄采摘機器人的研究提出了更高的要求。日本岡山大學(xué)Monta等[16]針對棚架種植模式研制出一種具有多種作業(yè)功能的葡萄采摘裝置，采用激光掃描方式對葡萄簇進行識別、定位及果實成熟度判斷。該裝置配套有多種類型的末端執(zhí)行器，在葡萄整個生長周期中，可根據(jù)實際作業(yè)需求對末端執(zhí)行器進行更換，以滿足修剪、噴藥和收獲等作業(yè)需求。針對現(xiàn)有葡萄采摘機器人自主導(dǎo)航性能普遍較差的問題，郭素娜等[17]設(shè)計出一款利用RSSI無線傳感器定位導(dǎo)航的葡萄采摘機器人。該機器人采用視覺傳感器對成熟葡萄進行定位，通過機械臂上柔軟的執(zhí)行末端對葡萄進行柔性抓取，既提升了設(shè)備的自主導(dǎo)航行能力，又完成了葡萄果實的無損采摘。歐洲研究團隊研制的自走式葡萄園智能管理設(shè)備借助立體視覺技術(shù)對葡萄藤及葡萄果實的生長狀況進行實時監(jiān)控，有助于管理者準(zhǔn)確判斷葡萄果實的成熟度，輔助人工進行葡萄采摘作業(yè)。目前，葡萄采摘機器人的研發(fā)與應(yīng)用過程仍存在采摘環(huán)境復(fù)雜、果實識別率低、果實損傷率高、采摘周期長、設(shè)備制造維修成本高等難點與制約因素，未來將在智能化、開放性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進一步提高。

2.4 番茄采摘機器人

國外對番茄采摘機器人的研究已經(jīng)有很多年的歷史，并取得了一定的研究成果。90年代初，日本研制出一款具有自主導(dǎo)航功能的七自由度番茄采摘機器人，該機器人采摘系統(tǒng)由關(guān)節(jié)型機械臂和末端執(zhí)行器兩部分組成，其中末端執(zhí)行器安裝有橡膠墊和壓力傳感器，可以有效降低果實的接觸損傷。2004年，美國加利福尼亞機械公司推出的全自動番茄收獲機可將番茄蔓藤切割后送入分選倉，利用光譜特征識別出成熟番茄果實，從而將成熟番茄和未成熟番茄分開，并將番茄枝葉粉碎[18]。2008年，日本岡山大學(xué)田充司等研發(fā)出一款鋼軌行走式番茄采摘機器人。在進行番茄采摘作業(yè)時，該機器人行走在預(yù)設(shè)鋼軌上，同時利用視覺系統(tǒng)對番茄果實進行探測，若發(fā)現(xiàn)成熟果實，則控制系統(tǒng)控制四指型末端執(zhí)行器采摘目標(biāo)果實。由于該機器人工作時需要預(yù)設(shè)軌道，因此增加了管理者成本的投入，此外還要求具有合理的種植模式，因此，該機器人存在對傳統(tǒng)密植型的番茄種植模式適配性較差和使用成本較高的問題。2017年北京工業(yè)大學(xué)王麗麗等針對棚架式種植園作業(yè)環(huán)境，以成熟番茄為采摘對象，研制出一款自走式多功能智能番茄采摘機器人系統(tǒng)。該機器人采用四輪結(jié)構(gòu)型式的行走機構(gòu)，既能用于溫室種植環(huán)境，也能用于開放的田間種植環(huán)境，具有通用性強的特點。該機器人采用四自由度關(guān)節(jié)型機械臂，通過更換不同末端執(zhí)行器即可采摘其他果蔬，提高了設(shè)備的通用性，具有操作靈活、控制方便的特點。目前，對番茄采摘機器人的研究雖然已在圖像識別與定位、自主導(dǎo)航等方面取得階段性進展，但從整體上來看，其智能化程度還未達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。此外，還存在機器人行走底盤通用性差，采摘機械臂成本高、體積大、控制較復(fù)雜以及現(xiàn)有生產(chǎn)模式規(guī)范性不足的問題。為適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境并最終實現(xiàn)高效無損采摘，番茄采摘機器人的實用性亟需提高。

2.5 黃瓜采摘機器人

黃瓜是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要作物之一，收獲過程枯燥、繁重，為減輕工人勞動負(fù)擔(dān)、提高采摘效率，開展對黃瓜采收作業(yè)機器人的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。然而，黃瓜果實成熟度難以簡單地通過顏色信息進行判斷。黃瓜果實具有脆嫩和分布隨機的特點，因此存在因黃瓜果實與植株顏色相近而難以識別的情況，進而導(dǎo)致采摘成功率下降。因此，近色系果實目標(biāo)識別與柔性抓取成為黃瓜采收作業(yè)機械亟需解決的難點問題之一。日本的Kondo等[19-20]研制的黃瓜采收裝置采用六自由度機械臂構(gòu)成執(zhí)行機構(gòu)，采用CCD攝像頭實時采集圖像信息，利用反射光原理區(qū)分出黃瓜和莖葉，采摘成功率受顏色和形狀的影響較大，約為60%。為提高采摘成功率和作業(yè)速度，需對黃瓜采摘機器人的結(jié)構(gòu)、路徑規(guī)劃方法、采摘方式等方面進行改進。荷蘭的Van Henten等[21,22]研發(fā)的智能溫室軌道黃瓜采收機器人可在溫室預(yù)設(shè)的軌道上實現(xiàn)整機的移動，在末端執(zhí)行器將黃瓜果實夾緊后，采用高壓電極將果梗切斷的方式進行黃瓜采收作業(yè)，采摘成功率約為80%。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張帆等[23]針對黃瓜采摘環(huán)境光照復(fù)雜多變和近色系果實識別問題，提出基于光譜圖像的近色系黃瓜識別方法，設(shè)計了一種溫室黃瓜采摘機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種適用于溫室非結(jié)構(gòu)環(huán)境下黃瓜采收的自動化系統(tǒng)，通過結(jié)合多傳感器技術(shù)，使機器人具備了自主導(dǎo)航、果實成熟度判斷和自主采摘等功能。目前，雖然大部分的黃瓜采收作業(yè)機械已具備最基本的采摘作業(yè)功能，但在一些方面仍存在著明顯不足，需要加以優(yōu)化與改進。

3 采摘機器人存在的問題

目前，各國對果蔬采摘機器人都進行了大量的研究并且取得了一定的成果，但大部分果蔬采摘機器人還處于研究階段，離實用化和商品化還有一定的距離，仍存在以下問題：

（1）末端執(zhí)行器采摘準(zhǔn)確率有待提高。在采摘過程中，機器人視覺系統(tǒng)對果蔬的識別、定位及機械臂的路徑規(guī)劃存在誤差，導(dǎo)致果實的采摘成功率下降。

（2）采摘設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性較差。在自然環(huán)境下生長的果實易被葉片遮掩，導(dǎo)致采摘設(shè)備的視覺系統(tǒng)對果實識別較為困難。此外，復(fù)雜的環(huán)境使采摘設(shè)備的避障性能面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（3）采摘對象損傷率較高。在采摘過程中，機器人末端執(zhí)行器夾持果實時易對其造成表面劃傷及內(nèi)部擠壓變形，或者抓取不穩(wěn)導(dǎo)致其脫落造成損傷。

（4）平均采摘周期較長，采摘效率不夠高。機器人工作環(huán)境復(fù)雜，視覺系統(tǒng)對果實識別及定位率較低。另外，自然條件多變也增加了圖像處理的難度。

（5）機器人通用性較差。現(xiàn)有機器人多數(shù)是針對某種特定果蔬而研制的，不同種類果蔬之間不能通用，專用性較強，但通用性較差。

（6）機器人制造成本及維修費用較高。果蔬采摘機器人不同于工業(yè)機器人，其作業(yè)環(huán)境更為復(fù)雜，作業(yè)要求更高，制造成本更高且使用周期較短，使用季節(jié)性較強，維護費用較高，經(jīng)濟性較差。

4 未來發(fā)展趨勢

（1）優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)。研發(fā)適用于典型果蔬采摘的執(zhí)行器、傳感器、材料和軟體機械，降低采摘過程中的果蔬損傷，提高末端執(zhí)行器的靈巧性和柔順性。

（2）開發(fā)智能化的果實識別與定位技術(shù)以及圖像處理算法，降低復(fù)雜環(huán)境對機器人視覺系統(tǒng)的干擾，提高果實識別與定位的準(zhǔn)確性和快速性。

（3）優(yōu)化自動控制系統(tǒng)。研發(fā)自適應(yīng)強、魯棒性好和路徑算法最優(yōu)的智能化自動控制系統(tǒng)，提高采摘機器人的可靠性和采摘效率。

（4）增強設(shè)備的通用性。開發(fā)適用于形狀相近果蔬采摘的末端執(zhí)行器，采用開放式的控制系統(tǒng)，研制可采摘多種果蔬的采摘機器人，增強設(shè)備的通用性，提高設(shè)備利用效率。

（5）降低設(shè)備操作難度及生產(chǎn)成本。設(shè)計操作簡單方便，經(jīng)濟性好，制造和維修費用較低的設(shè)備。

5 結(jié)論

隨著經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)勞動力逐漸向社會其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致勞動力資源日趨緊張，果蔬采摘機器人正越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)采摘中。但果蔬品種多樣，農(nóng)藝不一，采摘收獲環(huán)節(jié)較為復(fù)雜。目前典型果蔬采摘機器人大多專用性較強，但通用性較差，且平均采摘周期較長，易對采摘對象造成損傷，成為制約其應(yīng)用推廣的嚴(yán)重阻礙。為促進果蔬采摘機器人的實用化和商業(yè)化，還需要在優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、開發(fā)智能化果實識別定位技術(shù)、優(yōu)化智能控制系統(tǒng)、增強設(shè)備通用性及降低設(shè)備操作難度等方面加以改進。