淺談采摘機器人在農業中的應用

岳建榮，郭 輝，2，張學軍，楊宛章，周艷生

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆　烏魯木齊　830052；2.新疆農業工程裝備創新設計重點實驗室）

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淺談采摘機器人在農業中的應用

岳建榮1，郭 輝1，2，張學軍1，楊宛章1，周艷生1

（1.新疆農業大學機械交通學院，新疆烏魯木齊830052；2.新疆農業工程裝備創新設計重點實驗室）

摘要：采摘機器人技術處于農業機械化研究的前沿領域，一些發達國家已取得了較大的成果。文中對國外采摘機器人的研究現狀進行了綜述，列舉了國內采摘機器人的研究進展，并分析了國內外采摘機器人的發展趨勢。

關鍵 詞：采摘機器人；現狀；趨勢

1　前言

果實的采摘是生產鏈中最耗時、費力的一個環節。采摘作業季節性強、勞動強度大、費用高，因此保證農產品適時采收、降低收獲作業費用是農業增收的重要途徑［1］。目前，國內多數果蔬采用人工采摘，采摘費用約占成本的50%～70%，采摘機器人的作用在于降低工人勞動強度和生產費用、提高勞動生產率和產品質量、保證農產品的適時采收，因而具有很大發展潛力，是未來智能農業機械的發展方向。

2　國內外采摘機器人的研究與應用

2.1國外研究現狀

2.1.1西紅柿采摘機器人

日本Kondo-N等人研制的西紅柿采摘機器人由機械手、末端執行器、視覺傳感器和移動機構等組成［2］。由于西紅柿的成熟期不同，且生長位置沒有規律，采摘目標容易被枝葉遮擋，收獲時要求機械手活動范圍大，且能避開障礙物。Kondo-N等人對

韓國農業機械化研究部門也對西紅柿采摘機器人進行了研究，并取得一定成果。研究人員以顏色判別為設計原理，以果實紅色的深淺差別分辨西紅柿的成熟度，有選擇地摘取成熟果實，但由于這種機器人的反應較慢，動作笨拙，尚未形成產品。

2.1.2黃瓜采摘機器人

日本Kondo-N等人研制的黃瓜采摘機器人采用6自由度的機械手，能在專門為機械化采摘而設計的傾斜棚支架下工作。黃瓜果實在傾斜棚的下側，便于黃瓜與莖葉分離，使檢測與采摘更容易［3］。為了分辨黃瓜與莖葉，該機器人視覺系統采用在攝像機前安置濾波片的方式，根據黃瓜的光譜反射特性來識別黃瓜與莖葉。其末端執行器上裝有果梗探測器、切割器和機械手指。采摘時，當機械手指抓住黃瓜后，由果梗探測器尋找果梗，然后由切割器切斷果梗。

1996年，荷蘭農業環境工程研究所開始研制一種多功能黃瓜收獲機器人。該研究在荷蘭2 hm2的溫室中進行，黃瓜按標準的園藝技術種植并使其按照高掛線纏繞方式吊掛生長。該黃瓜采摘機器人由行走車、機械手、視覺系統和末梢執行器4部分組成。采摘作業由機械手與切割器構成的末端執行器來完成，末端執行器安裝在行走車上，行走車為機械手的操作和采摘系統的初步定位服務。整個系統無需人工干預就能在溫室工作。該系統在實驗室中效果良好，工作速度為54 s/根，但是還不能滿足商用的各種要求。

2.1.3蘑菇采摘機器人

英國Silsoe研究院研制的蘑菇采摘機器人可以自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性的采摘和修剪［4］。它的機械手包括2個氣動移動關節和一個步進電機驅動的旋轉關節組成，末端執行器是帶有軟襯墊的吸引器，視覺傳感器采用Z'V攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右，蘑菇傾斜生長是采摘失敗的主要原因。如何根據圖像信息調整機器手姿態動作、提高成功率和采用多個末端執行器是有待解決的主要問題。

2.1.4草莓采摘機器人

日本近藤等人根據現代溫室栽培模式的特點，研制出適用于高架栽培的草莓采摘機器人［5］。該機器人采用5自由度機械手，視覺系統與其他果蔬采摘機器人相似，采用真空氣吸式刀片切割器的末端執行器。收獲時，首先由機器視覺系統定位成熟草莓的空間位置，隨后機械手移動到指定位置，末端執行器接近目標直到把成熟草莓目標吸住。由三對光電開關檢測草莓的位置，當草莓位于合適的采摘位置時，腕關節轉動，果柄進入指定位置，切割器切斷果梗，完成一次采摘。

Hatou等人針對傳統栽培模式研制出的草莓采摘機器人采用直角坐標采摘機械手，視覺系統包括CCD攝像機、距離傳感器和計算機。該視覺系統根據CCD攝像機采集的彩色圖像進行果實成熟度檢測，距離傳感器檢測出果實的方向及距離，由計算機對二維信息進行分析，最后得到果實的三維信息，控制直角坐標機器人采摘草莓。為了更好地識別草莓果實，該設計團隊建立了包括成熟果實、未成熟果實等數據信息的數據庫。

美國弗羅里達大學對草莓采摘機器人也進行了研究，該采摘機器人采用雙目視覺與激光陣列相結合的空間定位方式，能夠有效的分辨重疊草莓。

2.1.5人機協作型柑橘采摘機器人

人機協作型設計思想是由人力來完成采摘機器人尋找、定位采摘目標以及機器人導航的任務，機器人的運動軌跡規劃、關節以及末端執行器的控制等任務由機器人控制系統完成。西班牙工業自動化研究所基于人機協作思想開發的柑橘采摘機器人Agribot由操作臺、輪式移動機構、機械手、末端執行器、激光測距儀和控制系統等組成［6］。操作人員發現待采摘果實后，利用操作手柄操縱移動，使激光測距儀的激光束對準果實，獲取待采摘果實的坐標，并將其放入動態數據區。控制系統從動態數據區中讀取坐標數據，并和機械手末端執行器的當前坐標進行比較，規劃最優采摘路徑的同時控制關節處電機的運動，使機械手末端執行器到達指定位置。

合理的人機分工與協作不僅增強了智能機器人處理突發事件的能力和系統的機動性，還可以在不增加系統復雜程度和成本的前提下，提高采摘成功率。人機協作型采摘機器人的研究具有現實意義，它不僅提高了采摘機器人的采摘效率和成功率，還能大幅度降低系統成本，有利于盡早實現采摘機器人的產業化。

2.2國內研究現狀

我國在自動化采摘技術領域的研究尚處于起步階段。

南京農業大學姬長英等人運用雙目立體視覺技術，對果實的二維圖進行腐蝕、膨脹、除雜等處理，用擬合曲線完成彩色圖像的分割，進而分離果實，而后將二維圖像恢復成三維坐標，實現番茄定位［7］。

浙江大學應義斌等人以植株上成熟的番茄作為試驗對象，利用立體攝像機獲取不同距離的成熟番茄的立體圖像，并經過復雜的處理后獲得番茄的三維位置信息，用于指導果蔬采摘機器人進行采摘［8］。

浙江大學梁喜鳳等人對采摘機器人的機械手進行了研究［9］，提出了評價采摘機械手工作性能的指標：工作空間、可操作度、避障能力、冗余空間與姿態多樣性。

上海交通大學曹其新等人和日本宮崎大學合作對草莓果實圖像分割做出了研究，研究設計了草莓采摘和果實分級裝置［10］。南京農業大學姬長英等人在HIS顏色空間里，采用基于人眼視覺特性技術對色彩相似的草莓圖像進行了分割，取得較好成果。

中國農業大學張鐵中教授等人針對我國常見的溫室栽培草莓，建立了草莓采摘機器人實驗系統，并設計制作出了“采摘童1號”草莓采摘機器人［11］。該采摘機器人采用雙目視覺等圖像處理技術，實現了草莓的識別和定位，并對草莓的生物特性、成熟度、多個草莓遮擋等實際情況進行了研究。在采摘時，經過識別與定位，機械手抓住果梗，由安裝在機械手前端的刀片切斷果梗，完成采摘。

3　國內外采摘機器人研究問題分析

根據對國內外已有的采摘機器人以及正在研究中的機器人的分析，目前采摘機器人待解決的問題主要有以下幾個：

（1）識別率與采摘率不高。目前識別和確定果實位置的方法主要有顏色色度法和幾何形狀法。其中，基于果實光譜反射特性的顏色色度法由于圖像中存在各種干擾信息，效果略差。由于植物果實以及葉子的生長不規律，果實被其他干擾物遮擋，造成采摘目標不具備完整的邊界條件，這使得確定果實形狀難以準確實施。果實識別過程中需要進行灰度值臨域分析，該過程耗時較長，往往無法滿足重復和快速預處理的要求。

（2）采摘時間長。實際生產過程中的采摘作業要求機器人不僅要能夠減輕勞動強度，而且更應該具有很高的采摘效率，但目前果實收獲機器人由于圖像處理速度慢，控制系統不完善等諸多因素的制約，大多數采摘機器人的效率都達不到預期效果。

（3）制造成本高。由于采摘機器人工作環境的復雜性，要求其結構和控制系統更加復雜，與工業機器人相比，其制造成本更高。由于采摘目標的收獲具有季節性與收獲時間短等特點，使得采摘機器人利用率低，對于將復雜光機電集于一體的采摘機器人而言，設備的使用與維護都需要高技術和高昂費用。

4　采摘機器人的研究趨勢

各類采摘機器人的研究與生產都將推動農業機械化及生產力的發展，提高生產效率。但由于采摘機器人作業對象的單一性，機器人的作業范圍受到目標種類的約束，不能達到人們所預期的效果。現代化農業及科學技術的發展要求不斷完善和改進現有采摘機器人的制造技術，以達到農業機器人更好地為人類服務的目的。為實現這一目標，在今后的研究中應從以下幾方面得到突破：

（1）機器人結構優化設計。在滿足采摘機器人的功用和性能的前提下，運用現代設計手段優化設計機械構件，使機械構件設計盡可能的輕巧、簡單、緊湊，從而達到采摘機器人更強的靈活性和可靠性以及減少控制系統復雜性的目的。

（2）目標智能識別與精確定位。采摘機器人在采摘果實時，光照條件不確定性及果實部分或完全被遮擋會導致采摘率較低。為進一步提高采摘的成功率，需要研究人員對視覺傳感器技術、視覺與非視覺傳感器技術融合、圖像獲取和圖像處理的算法等方面進行更深入的研究。

（3）良好的適應性。采摘機器人的作業環境復雜，因此采摘機器人應具有良好的適應性以適應不同的作業環境。同時，采摘機器人還應具有根據作業環境的變化進行自我適應調整，根據作業對象的生長狀況選擇合適作業方式的能力。

（4）開放式采摘機器人的研究。開放式結構的思想已經被逐漸應用到采摘機器人的設計中。開放式結構采摘機器人系統不僅具有良好的擴展性、通用性，還具有柔性作業的能力。開放式結構的采摘機器人開發周期短、成本低、利用率高、性價比高、有利于推廣使用。開放式結構軟件體系為實現機機協作、人機協同等新理論提供了理想平臺。

5　總結

農業領域諸多作業項目如蔬菜、水果的采摘等都是勞動力密集型的工作，隨著農業人口向城市轉移，農忙時節勞動力不足的現象也會越來越明顯。我國采摘機器人的發展需要圍繞實際生產中的各個環節，選準作業對象、瞄準關鍵，以作業量大、操作簡易精準、生產收益高的農業作業為切入點，把先進性、實用性和經濟性緊密結合，研制出農民能用得起的機器才能有所突破和作為。目前，研究與制造低價與高效并存的采摘機器人仍需做出很大的努力，但可以預計采摘機器人將逐步為市場所接受，并為我國農業現代化發展做出重要貢獻。

參考文獻：

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［9］梁喜鳳，苗香雯.番茄收獲機器人技術研究進展［J］.農機化研究，2003（4）:1～4.

［10］曹其新.日本蔬菜和水果揀選機器人的發展狀況［J］.機械設計與研究，1998（4）：9～11.

［11］張鐵中，楊麗，陳兵旗，等.農業機器人技術研究進展［J］.中國科學，2010，40:71～87.

doi:10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.01.010

中圖分類號:TP242.6

文獻標識碼：A

文章編號：1007-7782（2016）01-0031-04

收稿日期：2015-12-16

通訊作者：郭輝SCORBOT-ER工業機器人進行了改造，并成功設計出一種7自由度的采摘機器人，能夠形成指定的采摘姿態進行采摘。該機器人采用彩色攝像機作為視覺傳感器來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位，移動機構采用前驅四輪結構，能在壟間自動行走。采摘時，移動機構行走一定距離后進行圖像采集，利用視覺系統檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內。若可以收獲，機械手靠近果實，用吸盤吸住果實后，用機械手指抓住果實，最后機械手通過旋轉腕關節擰下果實。

Application of Harvesting Robot in Agriculture

YUE Jian-rong1，GUO Hui1，2，ZHANG Xue-jun1，YANG Wan-zhang1，ZHOU Yan-sheng1
（1.College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agriculture University，Urumqi 830052，XinJiang，China；2.The Key Lab of agricultural Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design）

Abstract:The technology ofharvesting robot isstay in the frontier field ofagricultural mechanization research，some achievements have been obtained in several developed countries.In this paper，Five kinds of harvesting robot from abroad and the research progress of robot in home are summarized，the research status and development trend of the robot from home and abroad isanalyzed.

Key words:Harvesting robot；Present situation；Trend