淺析果蔬采摘機械人研究現狀

張盛 李艷聰 鄭爽爽 王睿 王東陽 顧典榮

摘 要：介紹了果蔬機械化采摘的重要意義，敘述了國內外果蔬采摘機械人的研究現狀，簡述了幾種典型的采摘機械人的研究成果。

關鍵詞：果蔬；采摘機械人；研究現狀

引言

隨著計算機技術和自動化技術的快速發展，我們正朝著一個智能化的機械時代邁進，農業機器人已經滲入到了農業生產的方方面面，成為了農業生產趨于智能化、自動化的重要標志。在中國，蔬菜和水果分別是第二、三大種植作物，是很多地區經濟發展的重要支柱產業[1]。但就目前來看，果蔬生產機械化程度較低，特別是采摘這一環節，人工采摘作業效率低、成本高，而且進入21世紀以來，人口老齡化問題你日趨嚴重。因此，加大對果蔬采摘機械人的研究力度，對未來農業的發展具有很大的實用價值。

1 國外采摘機械人的發展歷程及研究現狀

美國是最早進行采摘機械人研究的國家。1968年，學者Schertz和Brown首次提出了運用機械人來采摘果蔬的先進思想，而第一臺采摘機械人也是于1983年在美國誕生[2]。在之后的時間里，隨著機器人技術和計算機技術的不斷發展和日趨成熟，日本、美國、荷蘭、法國、英國、意大利、以色列、西班牙、韓國等國家都在采摘機械人上都做了大量的研究工作，并在很多試驗中都取得了一定的成功，其中包括番茄、蘋果、柑橘、黃瓜、葡萄、草莓等果蔬采摘機械人。但是由于采摘環境及采摘目標的復雜性，目前市場上仍然沒有出現商品化的采摘機械人。

1.1 番茄采摘機械人

番茄采摘機械人是研究較早的采摘機械人項目[3]。20世紀90年代，日本崗山大學Kondo等人通過對Noboru Kawamura等人的五自由度番茄收獲機械手的進一步改良研制出了一種七自由度的番茄采摘機械人。其主要由五個轉動關節和兩個移動關節組成，轉動關節主要用來確定機械手在空間的位姿，移動關節主要用來確定機械手末端執行器的位置。此外，因為番茄果實比較柔軟，所以在其末端采摘手指上套了橡皮指套，有效的避免了對果實的傷害。但是對于生長在枝葉繁茂處的成熟番茄來說，機械手無法避開障礙物規劃路徑，完成采摘作業。

1.2 草莓采摘機械人

在日本，草莓通常是在溫室里種植，植株較高，人工采摘十分不方便，根據這些特點，近藤等人研制出了一種五自由度氣吸式草莓采摘機械人。其工作過程大致分為四步，由機械人的視覺系統定位出成熟草莓的空間位置；將自身移動到設定位置；末端執行器工作吸住草莓；通過切片的旋轉使草莓果實與果梗分離[4]。這種設備不但可以減小對果實的定位誤差，而且能夠在最大程度上減少果實表皮與設備之間的摩擦。但是它仍然存在整體結構龐大、結構復雜、成本高等諸多缺點需要改進[5]。

1.3 柑橘采摘機械人

基于人機協作的思想，西班牙工業自動化研究所研制出了一種柑橘采摘機械人[6]。該機構的主體由機械手、超聲傳感定位器和視覺系統組成，并安裝在拖拉機上來實現機構的移動。它能夠根據柑橘的顏色、大小以及形狀來判斷其是否成熟。這類機械人每分鐘可以采摘近六十個柑橘，采摘完成后，還可按色澤、大小進行分級裝箱，大大提高了采摘效率。

1.4 蘋果采摘機械人

蘋果采摘機械人在美國、韓國、日本等國家均有研究，其中影響較大的是Johan Baeten等人研制的蘋果采摘機械人[7]。此機械人將工業機器人的六自由度手臂作為機械臂的主體，與其他機械人相比，它不僅可以進行水平方向上的移動，還可以豎直移動，最大程度的擴大了采摘范圍。但是整個機器人還存在占地面積較大且質量重，成本高，適用范圍小（僅適用于植株較矮的蘋果樹）等諸多問題，因此商品化程度較低。此外，韓國慶北大學研究出了一種具有四個自由度的蘋果采摘機械人，它包括一個移動關節和三個旋轉關節[8]。為了避免損傷蘋果，還在末端執行器上安裝了壓力傳感器，有效避免了末端執行器對蘋果表皮的損傷。

2 國內采摘機械人的發展歷程及研究現狀

20世紀90年代中期，國內才開始對采摘機械人技術進行研究，相對于其他發達國家起步晚、投資少、發展慢，目前仍處于起步階段[9]。但隨著技術的不斷發展，科技的不斷創新，國內的一些院校、學者開始對采摘機械人進行了廣泛深入的研究，同類型產品也不斷更新換代，已經取得了很不錯的階段性成果。中國農業大學的張鐵中教授率先在我國開展了自動化嫁接技術的研究工作，并在草莓、黃瓜、西紅柿、茄子等果蔬采摘機器人方面做出了較深入的研究，研制出了一系列的試驗樣機。其中，他與湯修映等人研制出的黃瓜采摘機器人具有六個自由度，基于RGB三基色模型的G分量進行圖像分割，之后再確定黃瓜的采摘點，提高了采摘的準確性。目前，東北林業大學的陸懷民研制的林木球果采摘機器人已經完成了實體采摘試驗。這種機器人采凈率高，效率高達500千克/天，約是人工采摘的40倍[10]。在視覺技術方面，南京農業大學的張瑞合等運用雙目立體視覺技術對成熟番茄進行定位[11]，將成熟番茄與周圍干擾環境分開，在番茄采摘機械人的視覺方面取得了很大的成績。此外，上海交通大學機器人研究所的曹其新等人進行了用于精確農業的智能農業機械的研究工作，現已完成了蔬菜工廠化育苗播種流水線樣機、智能化聯合收割機的研制，并且在草莓揀選機器人方面取得了一定的成效[12]。

3 結束語

觀察國內外果蔬采摘機器人的研究現狀，目前技術還不是十分成熟，仍處于從試驗到推廣的過渡性階段。但是采摘機械人作為農業機器人領域的一種新興產業，還是具有很大的發展潛力。要想讓采摘機械人能夠適應復雜的工作環境成功的完成采摘作業，還需要研究工作者做出深入的研究和不懈的努力，將開放、新穎的思想應用于采摘機械人的設計理念當中，使其不斷地完善。相信在不久的將來，采摘機械人能夠克服種種技術上的阻礙，廣泛應用于農業領域，最終實現其商品化。

參考文獻

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[7]Baeten Johan， Donne Kevin， Boedrij Sven， Beckers Wim and Claesen Eric. Autonomous Fruit Picking Machine： A Robotic Apple Harvester[C].Springer Tracts in Advanced robotics，2008，（42）531-539.Field and Service Robotics： Results of the 6th International Conference.

[8]Nonshi Kondon， K C. Robotics for bio production system[M].ASAE Paper，1998.

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[10]陸懷民，林木球.果采摘機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2001，32（6）：52-58.

[11]殷際平，何廣平.關節型機器人[M].北京：化學工業出版社，2003.

[12]曹其新，呂恬生，永田雅輝，等.草莓揀選機器人的開發[J].上海交通大學學報，1999，33（7）：880-884.

作者簡介：張盛（1993-），男，天津人。

*通訊作者：李艷聰（1965-），女，天津人，教授，博士。