果蔬采摘機器人研究現(xiàn)狀與進展分析*

張 鵬 ，唐秋宇 ，陳靈方 ，秦翠蘭 ，王磊元

（新疆理工學院機電工程學院，新疆 阿克蘇 843000）

農業(yè)作為我國重要的經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)支柱，其發(fā)展的道路上存在著眾多的問題。在城鎮(zhèn)化不斷推進和人口老齡化現(xiàn)象日益嚴重以及大量青年人外出務工等的驅動下，農村嚴重缺乏生產(chǎn)勞動力，而缺乏生產(chǎn)勞動力是農業(yè)發(fā)展面臨的主要問題之一[1]。目前，我國果蔬等農作物采摘方式以人工采摘方式為主，由于勞動力的不足，大量的人工成本嚴重影響了果蔬生產(chǎn)效益。因此，隨著國家的發(fā)展，農業(yè)的發(fā)展逐漸從傳統(tǒng)農業(yè)向智能化、智慧化農業(yè)發(fā)展，因而在農業(yè)生產(chǎn)中普及智能化設備、降低成本、提高工作效率，將成為未來農業(yè)發(fā)展的必然趨勢，研發(fā)制造適用于果蔬等農作物采摘的機器人，代替人工進行農業(yè)生產(chǎn)，對于推進農業(yè)智能化和現(xiàn)代化進程具有重要意義[2]。

1 果蔬采摘機器人的作業(yè)特性分析

1.1 采摘對象多樣化，生長環(huán)境差異化

果蔬的種類繁多，其大小、形狀、顏色、重量以及堅硬度都有很大的差別，對于堅硬度不高的果蔬采摘時容易造成損壞，所以在作業(yè)時，采摘機器人需要根據(jù)果蔬的大小去調整末端執(zhí)行器以及控制抓取力度。由于果蔬的生長受到環(huán)境因素的影響很大，而環(huán)境也存在著很大的差異性，所以采摘機器人的采摘作業(yè)環(huán)境也就大不相同，進而對其提出了更高的要求。

1.2 采摘作業(yè)的不確定性和不均勻性

由于果蔬生長的位置分布不均勻，而且很容易受到枝葉的遮擋，在這種作業(yè)環(huán)境下，采摘機器人具有很多的不確定性，這就要求采摘機器人在準確識別、精準定位、采摘控制等方面具有更好的自適應能力和更高的智能化水平。

1.3 采摘機器人的通用性與可更換性

由于采摘機器人采摘目標果實的多樣化，進而對于不同種類的果蔬，采摘機器人都要能夠進行采摘作業(yè)，這就要求采摘機器人具有良好的通用性。機器人在進行采摘作業(yè)時，其末端執(zhí)行器直接與果蔬進行接觸，而對于不同的果蔬其末端執(zhí)行器也就不同，所以要求采摘機器人的末端執(zhí)行器具有可更換性。

2 果蔬采摘機器人研究現(xiàn)狀

采摘機器人最早出現(xiàn)在1968年，受到當時科學技術的限制，出現(xiàn)的采摘機器人以機械式結構為主，但是這種以單一的機械式結構為主的采摘機器人工作效率不高；隨著工業(yè)機器人技術、計算機圖像和機器學習的逐步發(fā)展，采摘機器人也迎來了新的革命[3]。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

日本的近藤直（Naoshi Kondo）等[4-5]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機器人，具有7 個自由度。在采摘環(huán)境中，該機器人通過雙目視覺系統(tǒng)識別和定位已經(jīng)成熟的果實，采摘機器人通過腕關節(jié)將果實與果柄分離后，具有軟襯墊的末端執(zhí)行器通過吸入的方式采摘果實。但當該采摘機器人位于枝葉茂密的環(huán)境中，則無法避開障礙完成采摘作業(yè)，影響采摘成功率。該采摘機器人采摘單個果實平均耗時15 s，采摘成功率為70%。

美國佛羅里達大學的Michael W. Hannan 等[6]研發(fā)制造出用于采摘柑橘的采摘機器人，具有7 個自由度，如圖1 所示。該采摘機器人利用攝像機和超聲波傳感器對目標果實進行識別和定位，根據(jù)得到的位置信息，采摘機器人進行采摘作業(yè)時以球形坐標為坐標系，通過末端執(zhí)行機構夾持目標果實進行采摘。其視覺系統(tǒng)處理時間為15 ms~80 ms，末端執(zhí)行機構速度最高為508 mm/s。

圖1 柑橘采摘機器人

日本的Kanae Tanigaki 等[7]研發(fā)制造出用于采摘櫻桃的采摘機器人，具有4 個自由度，如圖2 所示。該機器人有視覺伺服系統(tǒng)、采摘機械臂機構、工控機等部分，視覺系統(tǒng)用來對目標果實進行識別與定位，機械臂機構通過移動關節(jié)增大末端執(zhí)行器的采摘作業(yè)范圍。該采摘機器人主要以吸入式方式進行采摘，可以將果實和果梗一起采摘下來。

圖2 櫻桃采摘機器人

美國的Hemanth Sarabu等[8]研發(fā)了一種具有6 自由度的雙臂協(xié)同蘋果采摘機器人，如圖3 所示。其中雙臂分別為抓取臂和搜索臂，搜索臂沒有安裝末端執(zhí)行器。該采摘機器人創(chuàng)新與配備了協(xié)同機械臂（搜索臂），其搜索臂主要針對抓取臂未識別的蘋果果實進行識別和定位，并且通過自身算法進行路徑規(guī)劃以實現(xiàn)搜索臂可行的路徑方案。通過對該蘋果采摘機器人的仿真和采摘實驗分析得出，該雙臂協(xié)同蘋果采摘機器人可以實現(xiàn)蘋果果實的定位與采摘作業(yè)。

圖3 蘋果采摘機器人

英國的Boaz Arad 等[9]研發(fā)了具有6 自由度的甜椒采摘機器人，如圖4 所示。該采摘機器人主要由自動行駛智能平臺和平臺上的機械臂以及視覺系統(tǒng)等組成。其機械臂末端配備攝像頭對甜椒植株進行3D攝影，得到的圖像通過圖形處理單元形成三維高清影像從而精準定位甜椒果實。該采摘機器人末端執(zhí)行器通過定端的震動刀片將桔梗與主干連接處分離，最終實現(xiàn)甜椒采摘機器人的采摘作業(yè)。

圖4 甜椒采摘機器人

2.2 國內研究現(xiàn)狀

江蘇大學的趙德安等[10]研發(fā)了一種具有5 自由度的蘋果采摘機器人，如圖5 所示。該采摘機器人有視覺伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采摘機械臂機構等部分，其末端執(zhí)行器配備視覺傳感器等，進而采摘機器人能夠對目標果實進行定位，通過新分類算法識別果實，根據(jù)識別到的蘋果果實位姿進行逆解計算，結合伺服控制系統(tǒng)使得機械臂各個關節(jié)轉動到逆解所示位姿，以實現(xiàn)對果實的采摘。該蘋果采摘機器人采摘單個蘋果平均耗時15 s，采摘成功率為77%，可用于戶外采摘作業(yè)。

圖5 蘋果采摘機器人

北京工業(yè)大學的王麗麗[11]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機器人，如圖6 所示。該采摘機器人具有4 輪獨立轉向行走運動機構，通過激光導航系統(tǒng)控制機器人的運動，利用識別與定位技術確定目標果實的位置，使其靈巧型4 自由度機械臂在空間較小的蔬菜大棚環(huán)境下進行采摘作業(yè)，機械手手指末端套上硅膠指套，手掌部位墊上柔軟的硅膠襯墊，實現(xiàn)了番茄果實的無損采摘。該采摘機器人采摘單個番茄平均耗時15 s，采摘成功率超過86.7%。

圖6 番茄采摘機器人

江蘇大學的高楊等[12]研發(fā)制造出適用于矮化密植環(huán)境下的采摘機器人，其具有4 個自由度，如圖7所示。該采摘機器人具有4 條履帶式的運動機構，其平臺上搭載有剪叉式升降機構、機械臂、果箱和視覺傳感器等部件。通過視覺系統(tǒng)定位目標果實，對于位置偏高的果實通過剪叉式升降機構抬高機械臂進行采摘，將采摘的果實直接存于果箱中。

圖7 矮化密植環(huán)境下采摘機器人

中國農業(yè)大學的張帆等[13]研發(fā)制造出用于采摘黃瓜的采摘機器人，該機器人可以實現(xiàn)無損抓取目標果實，如圖8 所示。其末端執(zhí)行機構由夾持、剪切、葉片推擋以及導軌滑臺等機構組成，夾持機構由兩個氣動柔性手指構成，手指兼顧柔性與剛度的要求。該采摘機器人通過移動平臺進行初次定位，再利用推擋機構將遮擋果實的葉片推開，通過紅外傳感器進行二次定位。夾持機構進行抓取并采用切刀切斷果柄的方式進行采摘作業(yè)。該機器人采摘成功率大于85%，采摘速度約為8 s/根，其視覺系統(tǒng)定位的最大誤差為-7 mm，果實識別率大于95%。

圖8 黃瓜采摘機器人

沈陽農業(yè)大學的于豐華等[14]研發(fā)制造出用于采摘番茄的采摘機器人，其具有6 個自由度，如圖9 所示。該采摘機器人適用于日光溫室下進行采摘作業(yè)，利用具有4 個麥克納姆輪的平臺搭載采摘機械臂，機械臂的末端執(zhí)行器配備薄膜壓力傳感器。該采摘機器人通過視覺識別和STM32 控制器對機械臂進行控制，以實現(xiàn)對果實的采摘。

圖9 番茄采摘機器人

3 果蔬采摘機器人存在的問題

目前，國內外學者對果蔬采摘機器人進行了大量的研究，分別對采摘機器人的運動結構方式、視覺定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及末端執(zhí)行器進行了深入的探索和研究，并取得了一定的成果。但是大部分果蔬采摘機器人尚處于實驗和研究階段，未能達到替代人工進行采摘的要求，仍有以下問題。

3.1 果蔬采摘機器人的識別率和定位精度不高

果蔬采摘機器人作業(yè)對象為生長的果實，其顏色和大小各不相同，而且作業(yè)環(huán)境復雜多變，采摘機器人受環(huán)境因素影響非常明顯。即使目前的人工智能、大數(shù)據(jù)以及深度學習等算法使采摘機器人對果實的識別率有所提高，但是其視覺傳感器等受到光照和遮擋等環(huán)境干擾時仍然存在較大的識別誤差，進而影響采摘機器人對目標果實的定位精度。

3.2 果蔬機器人的采摘效率較低且損傷率較高

實際工作過程中，采摘機器人所處的作業(yè)環(huán)境具有很大的差異性，又由于機器人的視覺、控制系統(tǒng)的識別與定位精度不高，導致采摘機器人的采摘效率不高。果蔬機器人模仿人的動作進行采摘作業(yè)，但是與果蔬直接接觸的末端執(zhí)行器大部分為剛性結構，所以或多或少會對果實造成不同程度的損傷。

3.3 果蔬機器人的避障性和通用性不足

果蔬采摘機器人在進行采摘作業(yè)時處于作業(yè)環(huán)境多變的情況，比如采摘目標果實被枝葉遮擋以及果實之間的重疊性等，故采摘機器人需要在采摘的路徑規(guī)劃中具有避障功能。現(xiàn)有的采摘機器人只針對于某些特定的果蔬而研發(fā)，不同的果蔬之間不能通用，即通用性較差。

3.4 果蔬機器人的維修和制造成本較高

果蔬采摘機器人的作業(yè)環(huán)境不像工業(yè)機器人那樣單一，所以其結構系統(tǒng)等更加復雜，因而研發(fā)周期長、制作成本高，并且果蔬采摘機器人作為智能農業(yè)裝備，其設備的維護和保養(yǎng)費用相對而言也就更高。

4 果蔬采摘機器人的發(fā)展趨勢

根據(jù)上述研究可知，果蔬采摘機器人的發(fā)展過程存在一些亟待解決的問題，故結合采摘機器人未來的發(fā)展方向提出幾點見解。

1）增強采摘機器人的可靠性。機械結構直接影響著采摘機器人的可靠性，在滿足采摘作業(yè)的情況下，利用虛擬仿真、創(chuàng)新優(yōu)化等設計手段，使其機械結構更加緊湊、簡單。特別是針對采摘機器人的末端執(zhí)行器，應改變其目前的剛性結構，增強末端執(zhí)行器的柔順性和靈巧性。

2）提高采摘機器人的識別率和定位精度。研發(fā)一種視覺傳感器，其能夠穿過遮擋物來確定目標果實的具體位置，再結合自適應學習能力和圖像處理算法，提高采摘機器人定位精度和辨識率。

3）擴展設備的通用性。研發(fā)可以采摘外觀形狀相似的目標果實的機械手，對采摘機器人采用開放式系統(tǒng)以使采摘機器人可以采摘多種果蔬，進而增強其通用性，同時提高利用率。

4）降低維護和生產(chǎn)成本。目前采摘機器人的制造成本很高，其維修和維護費用也很高，因此，可以通過研發(fā)新型材料以及優(yōu)化結構來降低成本。

5 總結

目前，我國的果蔬采摘機器人尚處于研究探索階段，多數(shù)果蔬機器人在實驗室環(huán)境下進行采摘作業(yè)實驗，距離實用化和商業(yè)化還有一段研究路程，故存在許多亟待解決的問題。隨著國家大力發(fā)展智能化、智慧化現(xiàn)代農業(yè)，果蔬采摘機器人終會從實驗室走向果蔬生產(chǎn)基地，推進現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展。