農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析

謝穎佳，常萍萍，樊小霞

（洛陽科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471822）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化、自動(dòng)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，而各種農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的投入使用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要技術(shù)手段。目前，農(nóng)業(yè)種植環(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度相對(duì)較高，是農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，但采摘環(huán)節(jié)仍需要大量的勞動(dòng)力，自動(dòng)化程度較低，嚴(yán)重制約著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。隨著我國農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益匱乏、勞動(dòng)力成本不斷增加，發(fā)展農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化設(shè)備，即農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人，已是當(dāng)務(wù)之急。自1968年美國學(xué)者Schertz和Brown首次提出將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于果蔬采摘以來，各種農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人不斷涌現(xiàn)[1-2]，雖然研究人員對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)不斷地進(jìn)行完善、改進(jìn)，但受制于復(fù)雜的采摘外部環(huán)境限制，較為成熟的產(chǎn)品目前市場上還少見，因此有必要對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行更加深入的分析。

1 農(nóng)業(yè)采摘特點(diǎn)分析

1.1 采摘流程及要求

當(dāng)采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，首先要到達(dá)采摘位置，然后由機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別出成熟的果實(shí)并發(fā)出相關(guān)指令，繼而采摘手執(zhí)行一系列動(dòng)作，包括夾持農(nóng)產(chǎn)品、使果實(shí)與果梗分離、將果實(shí)放入收集容器中，完成單次果實(shí)采摘；而后采摘手復(fù)位，等待下次采摘指令；當(dāng)前位置所有待采摘果實(shí)完成采摘后，采摘機(jī)器人進(jìn)入下一采摘位，重復(fù)上述操作。農(nóng)業(yè)采摘過程具有非結(jié)構(gòu)化或半結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)，導(dǎo)致其場景復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)環(huán)境[3-4]，因此對(duì)采摘機(jī)械算法的魯棒性以及機(jī)械的穩(wěn)定性都提出了較高的要求，采摘過程中應(yīng)能充分識(shí)別出成熟的果實(shí)，不能損傷果實(shí)，同時(shí)采摘機(jī)械的服務(wù)對(duì)象大多是農(nóng)業(yè)人員，因此采摘機(jī)械還要具有工作可靠、操作簡單的特點(diǎn)。

1.2 采摘農(nóng)業(yè)環(huán)境

1.2.1 地形復(fù)雜化

采摘機(jī)器人工作地形主要為溫室內(nèi)和戶外[5]，溫室內(nèi)的地形相對(duì)平整些，但不論何種地形，均以凹凸土地為主，較為顛簸，需要充分考慮路面不平引起的振動(dòng)問題。采摘機(jī)器人在移動(dòng)過程中還需避讓種植面積相對(duì)密集的果蔬植被，以果蔬植被為中心運(yùn)動(dòng)，采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑十分受限。

1.2.2 果實(shí)差異性

采摘果實(shí)在形態(tài)、大小、成熟表現(xiàn)色、生長特性、果梗強(qiáng)度等方面均具有較大的差異性，如成熟表現(xiàn)色，西紅柿、草莓等以紅色為成熟色，黃瓜、青椒等以綠色為成熟色；果實(shí)生長特性，葡萄、櫻桃等為成串生長，蘋果、梨等為單個(gè)生長。果實(shí)的差異性使不同采摘機(jī)器人的識(shí)別系統(tǒng)、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有較大的差異，直接導(dǎo)致采摘機(jī)器人的通用性降低，影響采摘機(jī)器人的推廣。同時(shí)果實(shí)還具有不定期成熟的特性，需要不定時(shí)地進(jìn)行判斷和收獲，規(guī)律性差。

1.2.3 采摘位置多樣化

果實(shí)的生長位置可分為地下生長和地上生長，采摘機(jī)器人主要關(guān)注于地上生長果實(shí)的采摘。地上生長果實(shí)按與地面之間的高度又可分為地面生長、藤蔓生長、果樹生長等，果實(shí)生長高度的不同對(duì)采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及末端執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的影響。并且同一類果實(shí)甚至于同一棵樹上的果實(shí)生長位置也具有較大隨機(jī)性，且易被葉子遮擋。

目前主流的采摘果實(shí)目標(biāo)為蘋果、草莓、茄子、柑橘等[6-7]，這類果實(shí)具有體積較小、顏色鮮艷、生長位置適合機(jī)械化采摘的特點(diǎn)，采摘機(jī)器人識(shí)別和采摘較為便利。但無論何種果實(shí)，設(shè)計(jì)者都必須針對(duì)不同的采摘目標(biāo)和采摘場景進(jìn)行分析，量身定做地設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人。對(duì)于采摘機(jī)器人，其關(guān)鍵技術(shù)主要集中于采摘手的設(shè)計(jì)與采摘識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。

2 采摘手設(shè)計(jì)

采摘手即采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器，用來完成與目標(biāo)果實(shí)的對(duì)接與果實(shí)采摘?jiǎng)幼鱗8-9]，按與作用對(duì)象的對(duì)接方式不同可分為夾持式采摘手和包裹式采摘手。

2.1 夾持式采摘手

夾持式采摘手不與果實(shí)直接接觸，其作用對(duì)象為果實(shí)的果梗，一般由左右夾持手直接夾持果梗并切斷，然后通過夾持果梗將果實(shí)放入收集容器中，如圖1所示。夾持式采摘手一般適用于小果實(shí)采摘，如果果實(shí)較大應(yīng)增加相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。由于果梗較為纖細(xì)、短小、顏色與樹木相近且易被葉子、其他果實(shí)遮擋，因此對(duì)于果梗的識(shí)別和定位難度較高，但由于其不直接作用于果實(shí)本身，采摘過程中不會(huì)對(duì)果實(shí)造成損傷。

圖1 夾持式采摘手結(jié)構(gòu)

2.2 包裹式采摘手

包裹式采摘手的作用對(duì)象為果實(shí)外表面，可根據(jù)與果實(shí)接觸面積的類型選用三點(diǎn)式接觸包裹、三線式接觸包裹、雙面式接觸包裹等，如圖2所示，在包裹果實(shí)后通過拉斷或扭斷果梗，完成果實(shí)分離。由于果實(shí)體積相對(duì)較大、顏色鮮艷，識(shí)別和定位較為容易，但部分果實(shí)質(zhì)地柔軟，包裹果實(shí)時(shí)易產(chǎn)生瘀傷，因此包裹式采摘手須嚴(yán)格控制包裹力的大小，設(shè)計(jì)難度增加，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。

圖2 包裹式采摘手結(jié)構(gòu)

另外，果實(shí)作為一種生物質(zhì)材料，也可以從果實(shí)生物力學(xué)角度考慮采摘手的設(shè)計(jì)。采摘對(duì)象的生物力學(xué)特性主要包括果實(shí)硬度、果梗斷裂力（拉斷、切斷、扭斷），其力學(xué)特性與傳統(tǒng)材料有很大區(qū)別，可以對(duì)果實(shí)生物力學(xué)進(jìn)行更加深入的研究，充分了解果實(shí)特性，以更好地設(shè)計(jì)采摘機(jī)械手。同時(shí)，采摘手結(jié)構(gòu)又可分為剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用較廣的為剛性結(jié)構(gòu)采摘手，由剛性材料制成，為避免對(duì)果實(shí)的損傷，采摘手會(huì)增加一些緩沖材料；而柔性結(jié)構(gòu)采摘手發(fā)展迅速，其施力部分完全采用柔性軟體材料，對(duì)果實(shí)損傷較小，抓合面更加符合果實(shí)外形，采摘效果更好。

3 采摘識(shí)別系統(tǒng)

采摘識(shí)別系統(tǒng)采用機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)，機(jī)器視覺可以賦予機(jī)器人類眼睛一樣的視覺功能，是涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理技術(shù)、信號(hào)分析與檢測(cè)等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科[10]，主要包括圖像采集、圖像分析、智能決策與執(zhí)行三個(gè)模塊，目前機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。采摘識(shí)別系統(tǒng)是基于視覺識(shí)別和空間幾何計(jì)算，即通過對(duì)果軸、質(zhì)心或采摘點(diǎn)等特征的識(shí)別，結(jié)合幾何計(jì)算得到目標(biāo)的位置和姿態(tài)，繼而對(duì)采摘手發(fā)出指令。但是由于果實(shí)特性差異性較大，每一種果實(shí)幾乎都要單獨(dú)設(shè)定一套算法，增加了運(yùn)行成本。

3.1 系統(tǒng)組成

3.1.1 硬件部分

硬件部分包括光源、相機(jī)、圖像采集卡、處理器等，其中相機(jī)是核心感光元件，其本質(zhì)是借助CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）圖像傳感器將光電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，獲取目標(biāo)二維圖像，相機(jī)數(shù)量可以根據(jù)識(shí)別系統(tǒng)的算法進(jìn)行選擇。

3.1.2 軟件部分

主要指的是圖像處理與分析算法，是識(shí)別系統(tǒng)的核心，也是研究人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容[11-12]，包括圖像處理算法、模式識(shí)別算法、深度學(xué)習(xí)算法等。在單目視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展出了基于視差原理的雙目立體視覺，利用成像設(shè)備從不同的位置獲取目標(biāo)兩幅圖像，再通過計(jì)算圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的位置偏差可獲取目標(biāo)三維幾何信息，充分模擬了人類雙眼的視覺原理，具有較好的識(shí)別定位效果，當(dāng)下已成為了國內(nèi)外研究人員的研究熱點(diǎn)之一。

3.2 識(shí)別流程

采摘識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別流程如圖3所示，首先對(duì)目標(biāo)對(duì)象的圖像信息進(jìn)行采集，運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的樣本圖像進(jìn)行處理，以提高圖像質(zhì)量；然后將目標(biāo)對(duì)象從圖像背景中分割出來，運(yùn)用相關(guān)特征計(jì)算方法提取特征信息，如顏色、輪廓等；最后定位果實(shí)及采摘點(diǎn)的三維空間位置，并將位置信息發(fā)送給采摘手。

圖3 識(shí)別流程

圖像處理主要是為了除去圖像上的噪聲以提高圖像的清晰度，所使用的包括均值濾波、中值濾波、維納濾波和形態(tài)學(xué)方法等去噪方法；圖像分割是指將圖像中具有特殊意義的不同區(qū)域劃分開來，這些區(qū)域互不相交，每一個(gè)區(qū)域滿足灰度、紋理、色彩等某種特征的相似性準(zhǔn)則，方法有基于固定閾值、區(qū)域生長、邊緣或地形地貌的圖像分割等；當(dāng)圖像被成功地分割出來后，就需要對(duì)圖像進(jìn)行特征匹配處理，找出從一幅圖像到另一幅圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的最佳變換位置，主要采取基于灰度值相關(guān)方法和特征提取方法；定位功能目前主要使用雙目立體視覺從不同角度獲取目標(biāo)的兩幅圖像，并基于視差原理獲取物體三維幾何信息，同時(shí)獲得圖像的深度信息并進(jìn)行測(cè)距，得到三維坐標(biāo)。

4 結(jié)論

農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，但由于農(nóng)業(yè)產(chǎn)品本身及農(nóng)業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，真正能夠較大規(guī)模投入使用的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人還很少見。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人在未來的發(fā)展中一定要提高其通用性及可靠性，采摘手應(yīng)能適應(yīng)多種農(nóng)產(chǎn)品的采摘作業(yè)且柔性化程度要好，減少對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的損傷，兼具一定的防遮擋功能；識(shí)別系統(tǒng)同樣應(yīng)能識(shí)別多種農(nóng)產(chǎn)品，識(shí)別精度、識(shí)別率要高，識(shí)別速度、決策速度要快。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)除不斷追求技術(shù)創(chuàng)新外，更重要的是要結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出真正能夠投入使用具有一定市場價(jià)值的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人。