果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械臂研究現(xiàn)狀與展望*

張文翔，張兵園，貢宇，任妮

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息中心，南京市，210014)

0 引言

果蔬采摘是一個(gè)需要使用大量勞動(dòng)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(dòng)力往城市工廠聚集，導(dǎo)致勞動(dòng)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(shí)現(xiàn)果蔬采摘的自動(dòng)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(xué)者Schertz等[3]于1968年提出將機(jī)器人用于果蔬采摘后，各國投入了大量研究人員到采摘機(jī)器人的研究中。其中，日本、美國、西班牙和荷蘭等發(fā)達(dá)國家位于農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究的前列，且已經(jīng)研究出針對(duì)不同果蔬的采摘機(jī)器人原型機(jī)；我國對(duì)于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)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(jī)器人機(jī)械臂的選取直接影響果實(shí)采摘的作業(yè)效率和成功率。而機(jī)械臂的自由度是影響末端執(zhí)行器可達(dá)空間以及采摘靈活度的重要因素。本文按照機(jī)械臂自由度的類型歸納整理了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的機(jī)械臂研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來的研究重點(diǎn)進(jìn)行了展望。

1 國內(nèi)外采摘機(jī)械臂的研究進(jìn)展

1.1 三自由度采摘機(jī)械臂

1.1.1 國外三自由度采摘機(jī)械臂研究成果

日本岡山大學(xué)農(nóng)學(xué)部的Kondo等[6]針對(duì)溫室高壟內(nèi)培的草莓設(shè)計(jì)了三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂。該機(jī)械臂X軸和Y軸的運(yùn)動(dòng)通過串行接口和驅(qū)動(dòng)器進(jìn)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(dòng)機(jī)以及齒輪的配合實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，定位精度為0.6 mm。

日本神奈川工科大學(xué)的Takahashi等[7]為了方便老年人采摘自家果園中的番茄設(shè)計(jì)了一種三維運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂。該機(jī)械臂可在三個(gè)正交方向上移動(dòng)，其中X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)行程分別約為0.4 m、1.6 m和0.8 m，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

科威特的Taqi等[8]為家庭和溫室設(shè)計(jì)了一種采摘小番茄的三自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂上有兩個(gè)連桿齒輪，用于控制左右和上下運(yùn)動(dòng)，齒輪由鋁制成，前后運(yùn)動(dòng)通過線性制動(dòng)器伺服馬達(dá)控制，線性制動(dòng)器伺服馬達(dá)固定在內(nèi)螺紋上，進(jìn)而與垂直齒輪固定在一起。

日本農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所的Hayashi等[9]為高架基質(zhì)床栽培的草莓采摘設(shè)計(jì)了一種三自由度圓柱型機(jī)械臂。機(jī)械臂通過旋轉(zhuǎn)制動(dòng)器旋轉(zhuǎn)，使其面向兩側(cè)；使用線性制動(dòng)器垂直移動(dòng)和水平移動(dòng)。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(duì)涼棚式種植的獼猴桃研制了一種三自由度旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂。機(jī)械臂由3個(gè)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(jī)構(gòu)從臂的底部驅(qū)動(dòng)，第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)用于保持前臂部分垂直。機(jī)械臂由鋁板制成，通過工業(yè)伺服電機(jī)配合標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)伺服控制器進(jìn)行控制。

1.1.2 國內(nèi)三自由度采摘機(jī)械臂研究成果

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的陳利兵[11]設(shè)計(jì)了一種三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂用于草莓采摘。機(jī)械臂的直線運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)直線導(dǎo)軌來實(shí)現(xiàn)。其中，X軸為滾珠絲杠導(dǎo)軌，位置重復(fù)精度為±0.02 mm；Y軸為齒形帶導(dǎo)軌，位置重復(fù)精度為±0.05 mm；Z軸采用自行設(shè)計(jì)的絲杠傳動(dòng)直線導(dǎo)軌。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張杰等[12]設(shè)計(jì)了一種三自由度機(jī)械臂用于蘋果采摘。機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)軸由一個(gè)伺服電機(jī)通過減速機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械本體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；水平軸采用一個(gè)伺服電機(jī)通過行星減速機(jī)帶動(dòng)齒輪齒條而運(yùn)動(dòng)；垂直軸由一個(gè)伺服電機(jī)通過同步帶輪帶動(dòng)滾珠絲桿的運(yùn)行而運(yùn)動(dòng)。

1.2 四自由度采摘機(jī)械臂

1.2.1 國外四自由度采摘機(jī)械臂研究成果

日本的Kondo等[13]設(shè)計(jì)了四自由度番茄采摘機(jī)器人，機(jī)械臂采用RH-6SH5520型工業(yè)機(jī)器人。該機(jī)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(xué)的Tanigaki等[14]研制了一種四自由度鉸接式機(jī)械臂用于櫻桃采摘。機(jī)械臂上下橫移的軸使用交流伺服馬達(dá)和螺桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)；第一和第二個(gè)左右轉(zhuǎn)動(dòng)軸由小型交流伺服電機(jī)和諧波減速齒輪驅(qū)動(dòng)；第三個(gè)左右轉(zhuǎn)動(dòng)軸由一個(gè)帶減速齒輪的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

韓國國家農(nóng)業(yè)科學(xué)院的Han等[15]研制了一種用于收獲臺(tái)式培養(yǎng)草莓的四自由度機(jī)械臂。該機(jī)械臂在笛卡爾式連桿結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，額外設(shè)計(jì)了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使得采摘機(jī)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(jī)械臂研究成果

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的周舟等[16-17]針對(duì)番茄的特點(diǎn)及其植株的生長分布，設(shè)計(jì)了具有平行結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)的四自由度機(jī)械臂。第一個(gè)關(guān)節(jié)用于機(jī)械臂自身的旋轉(zhuǎn)；第二個(gè)關(guān)節(jié)為可以生成兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的平行連桿機(jī)構(gòu)；第三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié), 該關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的伸縮運(yùn)動(dòng)；第四個(gè)關(guān)節(jié)用于旋轉(zhuǎn)手腕。

西北農(nóng)林科技大學(xué)的Cui[18]和日本研究人員合作設(shè)計(jì)了一種笛卡爾型四自由度草莓采摘機(jī)器人。機(jī)械臂采摘安裝在鋁制矩形框架中，采摘運(yùn)動(dòng)由三個(gè)互相垂直的直線運(yùn)動(dòng)以及一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成。

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

江蘇大學(xué)的杜金財(cái)?shù)柔槍?duì)籬架式栽培的葡萄，設(shè)計(jì)了一種基于中空走線的關(guān)節(jié)型四自由度機(jī)械臂。機(jī)械臂采用雙連桿薄壁結(jié)構(gòu)，一側(cè)驅(qū)動(dòng)，另一側(cè)走線，并對(duì)每個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行穿線孔設(shè)計(jì)，電機(jī)電源線與數(shù)據(jù)線及末端執(zhí)行器電機(jī)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(xué)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(jī)械臂。腰關(guān)節(jié)、小臂和腕部均采用交流伺服電動(dòng)機(jī)串接諧波減速器結(jié)合齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式；肩關(guān)節(jié)采用齒輪和蝸輪蝸桿二級(jí)減速機(jī)構(gòu)，由交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張凱良等[21]設(shè)計(jì)了一款針對(duì)高架栽培模式的草莓采摘機(jī)械臂。直動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭配增量式編碼器，實(shí)現(xiàn)X、Y、Z方向的精確平動(dòng)；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)搭配絕對(duì)式編碼器，帶動(dòng)絲杠導(dǎo)軌連同末端執(zhí)行器一同在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

浙江大學(xué)的王燕等[22]研制了四自由度的關(guān)節(jié)型果蔬采摘機(jī)械臂。關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)采用直流力矩電動(dòng)機(jī)串接諧波減速器的傳動(dòng)方式。底座及各連桿設(shè)計(jì)為薄壁結(jié)構(gòu), 在保證剛度和強(qiáng)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(qiáng)的碳纖維管。

1.3 五自由度采摘機(jī)械臂

1.3.1 國外五自由度采摘機(jī)械臂研究成果

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

日本愛媛大學(xué)農(nóng)學(xué)部的Arima等[24]針對(duì)高架臺(tái)式栽培的草莓開發(fā)了一種五自由度機(jī)械臂。由于機(jī)器人在栽培床下進(jìn)行采摘作業(yè)，因而機(jī)械臂末端連桿設(shè)計(jì)成一個(gè)U型結(jié)構(gòu)。

1.3.2 國內(nèi)五自由度采摘機(jī)械臂研究成果

江蘇大學(xué)的趙德安等[25-26]研制一種果樹采摘機(jī)械臂。第一個(gè)自由度為升降自由度，主要起抬升機(jī)械臂的作用；中間三個(gè)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(gè)自由度為棱柱關(guān)節(jié)，將末端操作器送到目標(biāo)果實(shí)的位置。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)采用交流伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。

臺(tái)灣宜蘭大學(xué)的Chiu等[27]開發(fā)了一個(gè)溫室番茄采摘機(jī)器人。其中機(jī)械臂為三菱RV-M1，它是一個(gè)五自由度的垂直關(guān)節(jié)機(jī)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(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的馮鮮等[28]設(shè)計(jì)了一種關(guān)節(jié)型五自由度水蜜桃采摘機(jī)械臂。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分為腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂搖擺、小臂二次搖擺、腕部俯仰及旋轉(zhuǎn)，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)采用伺服電機(jī)控制。

1.4 六自由度采摘機(jī)械臂

1.4.1 國外六自由度采摘機(jī)械臂研究成果

日本立命館大學(xué)的Onishi等[29]設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)化水果采摘機(jī)器人，其機(jī)械臂采用UR3型機(jī)器人。這種緊湊型協(xié)作式機(jī)器人重量只有11 kg，但有效載荷可達(dá)3 kg，所有手腕關(guān)節(jié)均可實(shí)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(xué)的Arad等[30]開發(fā)了用于溫室大棚采摘甜椒的機(jī)器人，采用六自由度Fanuc LR Mate 200iD型工業(yè)機(jī)械臂。該機(jī)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(dá)717 mm，最大承載量可達(dá)7 kg。

菲律賓德拉薩大學(xué)的Almendral等[31]研制了一種采摘橙色水果的自動(dòng)收獲機(jī)器人，采用六自由度機(jī)械臂[32]，六個(gè)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(dòng)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)通過Arduino微控制器控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

1.4.2 國內(nèi)六自由度采摘機(jī)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(duì)高架栽培草莓設(shè)計(jì)了自動(dòng)采摘機(jī)器人。該機(jī)器人使用小型關(guān)節(jié)型六自由度機(jī)械臂，其最大運(yùn)動(dòng)半徑為650 mm，最大有效載荷5 kg，點(diǎn)位往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間最快0.4 s，重復(fù)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(xué)的顧寶興等[33]設(shè)計(jì)了一種智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人。選用日本的MOTOMAN-SSF2000型工業(yè)機(jī)器人作為采摘機(jī)械臂。采摘機(jī)械臂額定負(fù)載6 kg，重復(fù)精度±0.03 mm，采摘半徑為1 378 mm，垂直伸展高度為2 403 mm，機(jī)械臂底座距離地面高度為1 200 mm。

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的寧志超等設(shè)計(jì)了一種六自由度采摘機(jī)械臂。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)通過伺服電機(jī)控制。

廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院的趙玲亞等[34]設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)串聯(lián)的空間開鏈機(jī)構(gòu)的六自由度采摘機(jī)械臂。采摘時(shí)通過液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dá)到對(duì)不同生長環(huán)境下圓形水果的采摘。

天津農(nóng)學(xué)院的鄭爽爽等[35]為蘋果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)了一種六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。底座通過舵機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)部分之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，其中的各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。

1.5 其他類型采摘機(jī)械臂

1.5.1 國外其他類型采摘機(jī)械臂研究成果

比利時(shí)林堡天主教大學(xué)學(xué)院的Baeten等[36]設(shè)計(jì)了一種蘋果采摘機(jī)器人，選擇松下VR006L型機(jī)械臂作為采摘機(jī)械臂，為了擴(kuò)大機(jī)械臂的作業(yè)范圍，增加了第七個(gè)外部垂直軸。

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

澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)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(jī)器人。機(jī)器人采用UR5型機(jī)械臂，該機(jī)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(jī)械臂安裝在一個(gè)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(shè)計(jì)了一種用于溫室采摘黃瓜的機(jī)器人。為了增加采摘速度和避免碰撞，機(jī)械臂采用三菱RV-E2型機(jī)械臂結(jié)合線性滑道的七自由度設(shè)計(jì)方案。RV-E2型機(jī)械臂由直流電動(dòng)機(jī)和伺服控制器結(jié)合絕對(duì)編碼器驅(qū)動(dòng)，線性滑道由直流電動(dòng)機(jī)和伺服控制器結(jié)合增量解碼器驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂的總體穩(wěn)態(tài)精度為±0.2×10-3m。

日本岡山大學(xué)農(nóng)學(xué)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(gè)由兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和五個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成的七自由度冗余機(jī)械臂。上臂和前臂長度分別為250mm和200 mm，移動(dòng)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(shí)魯汶大學(xué)的Nguyen等[41]開發(fā)了一種蘋果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人采用九自由度冗余模塊化多功能農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂[42]。關(guān)節(jié)q1用于舉起整個(gè)機(jī)械臂，以便采摘高處果實(shí)；關(guān)節(jié)q2使機(jī)械臂相對(duì)于采摘方向向兩側(cè)移動(dòng)；關(guān)節(jié)q3～q5使機(jī)械臂向前和向后移動(dòng)，從而可以到達(dá)更深的樹冠內(nèi)部并進(jìn)行避障；關(guān)節(jié)q6～q8可在與目標(biāo)的近距離范圍內(nèi)實(shí)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(jī)配合高減速器驅(qū)動(dòng)。

1.5.2 國內(nèi)其他類型采摘機(jī)械臂研究成果

湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jī)械臂。基座是一個(gè)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(dòng)裝置選擇直流伺服電機(jī)作為主要關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，而小臂伸縮裝置選擇兩級(jí)伸縮雙作用液壓缸作為驅(qū)動(dòng)器。

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

中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的劉小寬等[45]設(shè)計(jì)出了高效靈活的枸杞智能采摘雙臂機(jī)器人。夾持機(jī)械臂設(shè)計(jì)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(jī)械臂設(shè)計(jì)為六自由度：肩部為球關(guān)節(jié)，具有3個(gè)自由度；肘部為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，具有1個(gè)自由度；腕部為正交關(guān)節(jié)，具有2個(gè)自由度。最終通過兩個(gè)機(jī)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(jī)器人的研究取得了長足的發(fā)展。國內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)不同栽培模式的果蔬，研究出了很多不同類型的采摘機(jī)器人。但是，無論國內(nèi)還是國外，采摘機(jī)器人基本還是處在實(shí)驗(yàn)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(duì)不同作物栽培模式以及各作物的生長習(xí)性，國內(nèi)外在采摘機(jī)械臂的研究方向上趨于一致。對(duì)于壟式栽培的地表作物，國內(nèi)外一般采用笛卡爾機(jī)械臂進(jìn)行采摘作業(yè)；對(duì)于低矮以及遮擋較少的果實(shí)，國內(nèi)外一般采用商業(yè)應(yīng)用成熟的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂進(jìn)行采摘作業(yè)；對(duì)于高大冠層以及果實(shí)遮擋嚴(yán)重的作物，國內(nèi)外一般采用關(guān)節(jié)型加移動(dòng)型的高自由度組合型機(jī)械臂或者多臂協(xié)同進(jìn)行采摘作業(yè)。

對(duì)于采摘機(jī)械臂的研究，國外的研究起步較早，由于當(dāng)時(shí)的機(jī)械制造以及電子技術(shù)的發(fā)展制約，商業(yè)化的機(jī)械臂還未成熟，因而采摘機(jī)械臂大多采用自行設(shè)計(jì)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(jī)械臂逐步成為采摘機(jī)械臂的首選。國內(nèi)采摘機(jī)械臂的研究起步較晚，但是正好趕上了機(jī)械臂技術(shù)的快速發(fā)展期，機(jī)械臂的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟，因而采摘機(jī)械臂基本上采用技術(shù)成熟的機(jī)械臂。

不同自由度的采摘機(jī)械臂存在著各自的特性。通過對(duì)各自由度采摘機(jī)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(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，如表1所示。

表1 不同自由度采摘機(jī)械臂的優(yōu)缺點(diǎn)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(jī)械臂進(jìn)行自由度和構(gòu)型的確定時(shí)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(dǎo)致就算對(duì)于相同栽培模式下同一果蔬，研究學(xué)者們?cè)诓烧獧C(jī)械臂構(gòu)型的選擇上更多的根據(jù)自身主觀認(rèn)識(shí)來確定，缺少一定的客觀標(biāo)準(zhǔn)作為參考，最終使得針對(duì)相同栽培模式下同一果蔬的采摘機(jī)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(yīng)采摘環(huán)境。采摘機(jī)械臂工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，需要機(jī)械臂有更好的靈活性和較高的安全性。當(dāng)前采摘機(jī)械臂基本上采用金屬制的剛性機(jī)械臂，普遍存在靈活性受限、質(zhì)量大、驅(qū)動(dòng)復(fù)雜以及制造成本較高等缺點(diǎn)，同時(shí)使用工業(yè)機(jī)械臂需要在較高的安全防護(hù)等級(jí)下進(jìn)行工作，而在采摘環(huán)境下難以實(shí)現(xiàn)，使得采摘作業(yè)的危險(xiǎn)性增加。

3) 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式單一。常用的機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式有步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)、液壓伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)四種，這四種驅(qū)動(dòng)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(diǎn)。在采摘機(jī)械臂的研究中，往往會(huì)為所有關(guān)節(jié)選擇相同的驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)致不同功能的關(guān)節(jié)不能使用各自的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)方式，影響采摘效率和成功率。

3 展望

3.1 加強(qiáng)采摘機(jī)械臂與農(nóng)藝的融合

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

3.2 推進(jìn)采摘機(jī)械臂本體的柔性設(shè)計(jì)研究

隨著材料和控制等學(xué)科的快速發(fā)展，出現(xiàn)了靈活度高，結(jié)構(gòu)簡單，自適應(yīng)度高，驅(qū)動(dòng)和控制單元簡潔單一，制造成本相對(duì)較低，控制模型便攜的柔性設(shè)計(jì)的機(jī)械臂[46-47]。由于柔性機(jī)械臂存在的諸多優(yōu)點(diǎn)，在以后的采摘機(jī)器人研究中采用柔性設(shè)計(jì)機(jī)械臂將會(huì)提高采摘機(jī)器人對(duì)采摘環(huán)境的適應(yīng)程度。

3.3 創(chuàng)新采摘機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)方式的組合使用

采摘機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)有著各自的特殊作用，比如直動(dòng)關(guān)節(jié)用于機(jī)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(duì)于不同的關(guān)節(jié)功能，驅(qū)動(dòng)方式有著各自的最優(yōu)選擇。采用最優(yōu)驅(qū)動(dòng)方式的組合使用完成采摘機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制，可以提高采摘機(jī)器人的采摘效率和成功率。