采摘機器人在農業中的應用分析

孟 丹，張 亮，李 磊，王美玲

（常州先進制造技術研究所，江蘇 常州 213164）

果實采摘具有季節性、勞動強度大的特點，可以說是整個農業生產活動中最費時費力的環節。果實采摘的效率和成本直接關系著農業產量，人工采摘方式不僅成本高而且效率低，不利于農業的大機械化生產。為了確保農業生產能夠適時采收，降低農民的勞動強度和采摘成本，農業生產已經漸漸朝著機械化、智能化的方向發展，采摘機器人被逐漸應用到農業生產中。

1 采摘機器人概述

采摘機器人集多種前沿科技于一身，其中涵蓋了圖像識別技術、監測技術以及傳感技術等。采摘機器人的工作對象是農作物，不同的農作物種植方式不同，果實形態各異，生長環境也不盡相同，所以采摘機器人具有較強的針對性，只有這樣才能切實提高采摘的效率。在設計采摘機器人時應該考慮到作業對象的特點及其生長環境，能夠根據不同的地理環境自動調整作業質量，通過改變機器人的程序指令，就可以改變機器人的作業動作。

2 采摘機器人的特點

2.1 操作的便捷性

農民是農業生產的主體，采摘機器人是為了提高農業采摘效率發明的，所以在設計上應該要考慮到農民群體的特點，操作上必須要更加便捷、實用，同時還需兼顧農民群體的經濟實力，采摘機器人的價格應該在使用者的承受范圍內。只有兼顧價格和操作方式，才能在農民群體中廣泛應用，真正實現大機械化生產，減輕農民的負擔。

2.2 環境的高適應性

農作物生長的自然環境是采摘機器人的作業環境，農作物的生長環境受到天氣、溫度以及地形地質條件的影響，所以，采摘機器人要具有環境的高適應性，才能針對作物的不同環境開展作業。

2.3 作業的不確定性

農作物比較脆弱，而且因為發育程度不同，生長情況各異，采摘機器人在作業時要設定合適的力度，才不會損壞農作物。

3 采摘機器人在農業中的應用

3.1 黃瓜采摘機器人

早在20世紀90年代，荷蘭就開始研究黃瓜采摘機器人，實驗采用的是溫室環境，黃瓜是按照高掛線纏繞方式吊掛生產。采摘作業主要由機器人的末端執行器進行，末端執行器由機械手和切割器組成，機械手的定位服務由行走車提供，機器人無需人工干預就可以工作，但是由于速度太慢無法商用推廣。日本研制的黃瓜采摘機器人采用了更加先進的視覺系統，可以根據黃瓜的光譜反射特性來分辨黃瓜的果實和莖葉，采摘作業時，機械手先抓住黃瓜，然后果梗探測器尋找黃瓜果梗，最后由切割器切斷果梗，采摘流程完成。

3.2 番茄采摘機器人

番茄采摘機器人的構成與黃瓜采摘機器人類似，移動機構負責行走，視覺傳感器尋找果實，末端執行器負責采摘。番茄的成熟期不盡相同而且生長位置沒有明確的規律性，果實經常隱藏在枝葉后，采摘時要求機器人機械手能有較大的活動范圍并且能夠避開障礙物。采摘作業時，移動機構向前行走，視覺系統自動檢測番茄是否在采摘范圍內，判斷果實與機械手的相對位置，如在收獲范圍內則機械手逐漸靠近并抓住果實，通過旋轉方式將果實擰下。

韓國對番茄采摘機器人有一定的研究并初步取得了成果。機器人的視覺系統通過果實的顏色判斷番茄的成熟度，有選擇性采摘果實，但是這種采摘機器人反應過慢，動作靈活性較低，所以還未量化生產。

3.3 蘑菇采摘機器人

蘑菇采摘機器人可以自動檢測蘑菇的位置和大小，進行選擇性采摘。視覺傳感器設計在機器人頂部以便準確確定蘑菇的位置和大小，蘑菇機械化采摘的成功概率主要取決于蘑菇的生產形態，如果蘑菇傾斜生長就容易采摘失敗。未來蘑菇采摘機器人的重點在于如何根據圖像信息快速準確調整機器人機械手的姿態動作，提高采摘成功率。

3.4 柑橘采摘機器人

柑橘采摘機器人的設計采用人機協作理念，尋找、定位采摘果實以及機器人的導航功能由人力來完成，采摘機器人的運動規劃和末端執行器的作業由機器人系統完成。操作人員發現成熟的柑橘后使用激光測距儀獲得果實的坐標，并將坐標存入數據存儲區，機器人在數據存儲區中讀取果實坐標，末端執行器根據果實坐標規劃最優的采摘路徑并達到坐標位置。人機協作理念有效降低了機器人系統的復雜程度和設計成本，同時提高了機器人處理突發事件的水平和采摘成功率，未來有很大的產業化空間。

4 采摘機器人的發展趨勢

采摘機器人的作業對象具有單一性的特點，作業范圍一旦受到農作物生產環境的限制，就無法達到最初的預期效果。現代農業機械化生產要求不斷改善采摘技術以提高采摘效率，降低采摘作業成本，讓采摘機器人更好地為農業發展服務。根據目前采摘機器人的研究現狀，未來機器人的發展主要在以下幾個方面：

4.1 提高識別率和采摘率

識別和確定果實的位置主要是顏色識別法，顏色識別法主要基于果實光譜反射特性，但是由于機器人圖像系統識別時存在各種外界干擾信息，有時候效果不是特別好。再加上果實和枝葉生長沒有規律，果實如果被枝葉遮擋住，機器人就無法準確識別果實的位置。為了精確定位果實的位置，提高采摘成功率，采摘機器人的視覺傳感器技術和圖像處理算法應該繼續改進，開發目標智能識別技術，不管果實的形狀和大小如何，機器人的機械手都可以準確抓住成熟果實。

4.2 完善結構設計，降低制造成本

考慮到采摘機器人的使用對象是我國數量龐大的農民群體，文化水平普遍有限，設計團隊要在滿足采摘機器人基本性能的前提下，融合現代智能技術，盡量簡化機器人結構設計，讓其更加簡便和輕巧，提高采摘機器人作業的靈活性，減少設備操作過程中的復雜流程。由于采摘機器人作業環境的多樣性和復雜性，所以其制造成本要比普通的工業機器人更高一些，但是因為農民群體經濟條件有限，如果市場價格過高勢必會降低采摘機器人的使用率，因此，設計和制造團隊應該盡量降低采摘機器人的設計和制造成本。

5 結語

農業屬于第一產業，是勞動密集型產業，傳統的農業需要非常多的勞動力，耗時費力，效率低下。隨著科學技術的發展，農業中也逐漸應用先進技術來實行大機械化生產。采摘機器人的設計核心應該圍繞在農業生產的各個環節，目標是操作簡便精準、采摘效率高，市場價格低。將科學技術與經濟效益緊密結合在一起，研制出農民群體能夠操作、價格也在承受范圍內的采摘機器人。就目前采摘機器人的研究發展情況來看，開放式結構思想已經普遍應用到設計中，開放式結構采摘機器人具有非常多的優勢，諸如適應性強、研發周期短、成本低、作業效率高等，操作起來也比較方便，一旦技術成熟就可以大面積推廣使用，為未來我國采摘技術的不斷成熟和農業的長遠發展提供良好條件。