浅析国内外果蔬采摘机器人研究现状及水平【开云网址】

本文摘要：概要:果蔬全程机械化生产过程中采收作业是目前*无以构建机械化作业的关键环节。

概要:果蔬全程机械化生产过程中采收作业是目前*无以构建机械化作业的关键环节。随着人工智能的发展，机器人技术步入农业生产领域，采收机器人技术也获得了持续的提高。本文阐释了国内外果蔬采收机器人的研究现状及水平，为先前果蔬采收机器人的研究获取参照。

关键词:果蔬；采收；机器人0章节随着计算机和自动化技术的较慢发展、农业高新技术的应用于和普及，机器人技术日益逐步转入农业生产领域中，促成现代农业南北装备机械化、生产智能化道路。农业机器人大体可以分成果蔬采收机器人、蔬菜选育机器人、果蔬分选机器人以及农田作业机器人。而果蔬采收机器人一般在非结构性环境中作业，其研发可玩性远大于其它类型的机器人。

采收机器人是一类针对水果或蔬菜进账作业，具备感官系统的自动化机械进账装备，是集机械、电子信息、计算机科学、人工智能、农业及生命科学等多学科于一体的交叉性边缘科学，其牵涉到本体结构、传感技术、视觉图像处理、机器人于是以逆运动学与动力学、掌控驱动技术以及信息处理等多学科领域科学知识。相对于在结构性环境下工作的工业机器人，在展开采收机器人等农业机器人研究中，要充分考虑机器人作业对象的自身特征和外界的生长环境等诸多因素，对作业对象展开充份理解。1国外果蔬采收机器人1968年，美国学者Schertz和Brown*早于明确提出应用于机器技术展开果蔬进账的理念，被学术界指出是农业采收机器人研究的开端。

但*初采收机器研制使用的进账方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其自动化和智能化程度不低。1987年，学者Sistler在总结果蔬进账机器人领域研究进展时说明，当时研发的进账机器人一般都必须人员参予协商，因此严苛来讲其不能被指出是半自动化进账装备。随着科学技术的大大发展，传统的土地利用型农业将渐渐构成以作物栽培技术为基础、以生物技术为先导、集机械化作业、自动化培育设施和人工高效率环境等尖端科技的现代新型产业。

而果蔬采收机器人就是主要作业任务为构建果蔬采收的农业机器人。目前，许多国家都陆续积极开展了果蔬进账机器人领域的研究工作。牵涉到到的研究对象主要还包括橙子、苹果、柑橘、番茄、樱桃番茄、芦笋、黄瓜、甜瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇、甜椒等。自20世纪80年代中叶，基于工业机器人技术、视觉和图形处理技术以及人工智能技术日益成熟期，欧美、日本等国陆续立项积极开展了多种果蔬采收机器人研究。

1.1日本果蔬采收机器人1984年日本京都大学的川村等人基于番茄采收的研究，研制出一台5维度关节型机器人，标志着*台严苛意义上的采收机器人在日本问世。此后，自20世纪90年代起，日本学者近藤平等人在农业机器人领域做到了大量研究，其1993年研制的番茄采收机器人在当时影响相当大。该机器人机械本体主要由一具备SDOF的关节型机械臂、能前后、上下移动的2DOF笛卡尔直动关节及移动支撑平台构成，之后其也以SCARA机器人为主体设计了另一款番茄采收机器人。

日本宇都宫大学等研究机构研制了针对草莓的传统土奎模式和高架栽培模式研制了适当的采收机器人。日本冈山大学也研制了葡萄、黄瓜等机器人，并为了提升机器人使用率，为其配备了适当的末端执行器，并可经过改良后能已完成倾倒、套袋和修枝等作业。日本知名农机公司久保田集团顺利研制柑橘采收机器人，该机器人移动机架上加装乘载悬臂，悬臂前端的底座上加装有3DOF横向多关节机械臂。

日本蔬菜茶叶研究所与中央农研院研制了茄子采收机器人。日本松下公司研发的大棚番茄采收机器人能完好无损地摘浆果，并运送至手推车，自动替换新的进账箱，目的通过构建夜间自动采收以增加白天的工作量。

日本Monta等研发了基于激光测距仪的葡萄采收机器人，使用激光测距的扫瞄方式取得葡萄串的空间方位。同时，该机器人替换末端执行器后还可以展开其他的葡萄园管理作业。

1.2欧洲果蔬采收机器人1996年，由荷兰农业环境工程研究所（IMAG）研制出一款应用于大棚作业的黄瓜采收机器人，目标作物为低拉线卷曲方式载运生长。其配备7DOF横向多关节型机械臂，移动机构沿前进方向减速，能够在替换末端执行器后能构建摘叶功能。2010年10月以瓦赫宁根大学居多的欧盟团队开始研制甜椒采收机器人，其为欧盟第七框架计划项目（FP7），该机器人还包括采收机械臂、导轨压缩机、控制电路、工控机、末端执行器及移动载运平台等。该团队于2014年9月已完成*终的机器人样机与研究。

荷兰的Henten等研制的黄瓜采收机器人，合适对斜拉线模式栽种、没叶片遮盖阻碍的0.8~1.5m高度范围黄瓜展开采收。该机器人以温室供热管道为轨道，行经速度约0.8m/s。机器人通过单目照相机在有所不同方位收集850nm和970nm黄瓜近红外图像构成立体视觉，构建对黄瓜的目标辨识和果梗采收点定位。

采收机械臂使用三菱6维度工业机械臂，使用夹持方式夹紧浆果后，用高压电极烧断果梗，不利于避免细菌感染。采收成功率大约80%，单根黄瓜采收平均值耗时45s。

2国内果蔬采收机器人我国在农业采收机器人方面的研究始自20世纪90年代中期，随着20多年的相继研究，也获得了一些尚之信的成果。中国农业大学李伟[1]团队研发了4维度关节型机械臂和夹剪一体式两指气动式末端执行器，并配备了双目视觉系统。试验结果表明，每一浆果采收平均值耗时为28s，采收成功率为86%，其中阴影、亮斑、遮盖对辨识效果导致影响，且在繁茂冠层间机械臂不会风吹蹭到茎叶并导致浆果位移，同时末端执行器可能会无法实行夹持，较粗果梗无法绑或拉拽过程中浆果掉下来。

国家农业智能装备工程技术研究中心冯青春[2]等,针对吊线栽培番茄研发的采收机器人使用轨道式移动乘载平台，配备4维度关节式机械臂，并设计了吸力拖入套筒、气囊夹紧进而复把手分离出来的末端执行器结构，并配备了线激光视觉系统，分别由CCD照相机和激光垂直扫瞄构建浆果的辨识和定位。试验结果找到，番茄单果的采收作业耗时大约24s，在强光和弱光下的采收成功率分别约83.9%和79.4%。

江苏大学刘继展[3]等，环绕番茄采收机器人技术积极开展了持续研究。所研发的新型末端执行器，不具备多维力位感官能力，配备了真空管状装置和由光纤激光器、探讨透镜及微型电机系统包含的果梗激光切割成装置，并以此为平台先后积极开展了浆果夹持撞击与较慢柔弱采收、果梗激光切割成、真空吸持夹住建模与掌控、手臂协调控制等研究。

中国农业大学张铁中[4]团队*早于积极开展了草莓采收机器人的研究，分别对垄作和高架草莓栽培发售了有所不同样机。针对垄作草莓发售的机器人采收系统，由3直动直角坐标机械臂配备夹持剪切式末端执行器，并分别在机架和臂上加装CCD照相机包含视觉系统。

针对高架草莓发售的采收机器人采收童1号样机，使用微型履带底盘，配备3直动的直角坐标机械臂和夹剪一体式末端执行器，末端执行器下方加装摄像头借以检测浆果并辨别方位偏差，爪上加装光纤传感器借以检测果柄的不存在。试验结果采收成功率约88%，单果采收平均值耗时为18.54s。

3采收机器人不存在问题及发展趋势中国的采收机器人技术跟上较早，但随着人口红利的消失，劳动力短缺问题已较慢沦为制约农业发展、尤其是劳动密集型的果蔬产业发展的瓶颈，采收机器人技术已从前瞻性研究开始沦为现实市场需求。但是果蔬采收机器人研究展开了20多年，少有适合的机器人发售，缺少成熟期的市场化产品，其原因如下：*，采收机器人结构复杂，采收效率较人工比较偏高；其二，对于鲜食果蔬，采收机器人机械臂采收时更容易将浆果表皮损坏，影响鲜食果蔬的商品化，且不存在溢采行现象；其三，果蔬机器人零部件价格低，整机价格昂贵，而果蔬价格比较低廉，经济性不低；其四，果蔬的栽种方式及生产模式较多，果园建设、果树栽种标准化程度较低，不合适采收机器人作业，制约着采收机器人推广应用。

未来采收机器人发展的趋势在于以下四个方面：*，多种视觉与超声波传感器融合的果蔬较慢定位识别方法；第二，针对有所不同果蔬，专业化、轻型化、柔性采收机械臂的研发；第三，采收后果蔬摆放、导航系统、移运等多环节装备的研究；第四，果蔬栽种环境的标准化，果蔬栽种标准化、规模化、专一化、工厂化，将不利于增加采收作业的简单因素，提升果蔬采收机器人的工作效率，不利于采收机器人与载运机器人及空格机器人多机协同的作业，不利于采收机器人未来推展及规模化应用于。参考文献[1]冯青春,纪超,张俊雄,李伟.黄瓜采收机械臂结构优化与运动分析[J].农业机械学报,2010,41(S1):244-248.[2]王晓楠,伍萍辉,冯青春,王国华.番茄采收机器人系统设计与试验[J].农机化研究,2016,38(04):94-98.[3]刘继展.温室采收机器人技术研究进展分析[J].农业机械学报,2017,48(12):1-18.[4]张凯良,杨丽,王粮局,张丽霞,张铁中.高架草莓采收机器人设计与试验[J].农业机械学报,2012,43(09):165-172.。

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