典型果蔬采摘機器人研究現狀與趨勢

王思玉，牛成強，李 釗，史文杰，樊桂菊,2,3※

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室 3.山東省農業裝備智能化工程實驗室）

0 引言

近年來，隨著農業科學技術的發展，越來越多的智能化農業裝備正逐步被應用于農業生產的各領域，其中智能農業機器人的推廣和應用尤為顯著。我國是一個農業大國，果蔬產業已成為我國農村經濟重要支柱和農民收入主要來源。果蔬產業是典型的勞動密集型產業，在果蔬生產過程中，采摘約占整個作業量的40%[1]，是果蔬生產中作業要求較高的關鍵環節，具有季節性強和勞動密集的特點。但現階段我國果蔬采摘環節的綜合機械化水平較低，大多數作業以人工為主，勞動生產率亟需提高。同時，隨著城鎮化進程的不斷推進和人口老齡化現象的日益加重，農村勞動力逐年下降，果蔬采摘人工成本逐年提高，嚴重影響果蔬產業的健康發展。基于此，研究和開發果蔬采摘收獲機器人對于提高果蔬采摘收獲質量、降低人工勞動強度、提高勞動生產率、降低生產成本和增加社會經濟效益具有重要意義。

1 果蔬采摘特性分析

1.1 作業對象的復雜性和差異性

典型果蔬具有品種繁多，果實形狀復雜，生長發育程度不一的特性。即使是同一品種，同一棵植株，果實的形狀也不同，相互之間差異較大且易被枝葉遮擋。這就要求采摘機器人具有良好的識別、定位與避障系統。

1.2 作業對象的隨機性和非結構性

典型果蔬的果實生長位置無規律，分布比較隨機，生長環境易受季節、天氣等自然條件影響。這就要求采摘機器人能夠適應復雜多變的果蔬種植環境，具有高度的自動化和智能化，能夠實現精準判斷，避免對作業對象造成誤傷，以便其能夠更為有效地應用于農業生產中。

1.3 作業對象的脆弱性和易損傷性

典型果蔬的果實表皮組織由許多細胞組成，比較柔軟，具有脆弱易傷的特點，必須仔細輕柔地對待和處理。這就要求采摘機器人末端執行器能夠與目標果蔬柔性接觸，盡可能避免接觸損傷。

1.4 良好的可靠性和通用性

典型果蔬采摘機器人的作業對象具有復雜性和差異性，這就要求采摘機器人只需通過較為簡單的改變，即可滿足多種作業要求，具有良好的可靠性、可編程性和通用性。例如，同一采摘機器人針對不同品種果蔬的采摘、施肥和噴藥等作業需求，只需使用與之配套的末端執行器即可完成相應作業，既能增加采摘機器人的通用性，又能提高其有效利用率。

1.5 操作對象和價格的特殊性

果蔬采摘機器人的操作者大多是未受過專業教育的果農，因此要求其使用方法必須簡單易懂，易于操作，另外，國內果蔬產業大多以個體經營為主，研發時要考慮成本問題，價格應在果農接受范圍內，否則難以推廣。

2 國內外研究進展

國外在果蔬采摘類機械方面的研制起步較早，從20世紀80年代中期開始，歐美和日本等發達國家就在果蔬采摘機械方面開展了廣泛的研究。經過多年的研究與發展，國外果蔬采摘機械化程度不斷提高，試制成功了多種自動化程度較高的果蔬采摘機器人，如蘋果、柑橘、葡萄、草莓、茄子、番茄和黃瓜采摘機器人等，使果蔬采摘質量與采摘效率得到明顯提升。目前，國外果蔬采摘機械已經具有較高的水平[2]。

國內在果蔬采摘類機械方面的研究始于20世紀90年代中期，雖與國外頂尖水平仍存在一定的差距，但近些年隨著互聯網信息化水平和機械化程度的不斷提高，國內在果蔬采摘類機械方面的研究已有較大進步。

2.1 蘋果采摘機器人

蘋果采摘機器人涉及領域較廣，包含機械結構設計、計算機科學與技術、農業與生物技術等，綜合性較強。其通常由行走機構、執行機械臂、運動控制系統、機器視覺系統和末端執行器等組成，用來采收成熟的蘋果[3]。日本北海道大學Duke M.Bulanon等[4-6]研制的采用二指夾持式末端執行器的蘋果采摘機器人采用CCD攝像機和激光傳感器進行果實識別，采用二指夾持果梗，雖避免了末端執行器與果實間的接觸損傷，但對果梗較短的果實會出現加持失敗，發生果實掉落現象。韓國慶北大學Jang等[7,8]研制的四自由度蘋果采摘機器人具有末端執行器夾持力可控且工作范圍廣的特點，但因受自由度限制，無法繞過障礙物摘取果實。江蘇大學趙德安等[9-11]研制的智能蘋果采摘設備采用多種形式傳感器與PRRRP結構機械臂配合，使其能夠有效避障，一定程度上提高了采摘機器人的靈活性和適用性，但該機器人的采摘成功率還有待提高。南京農業大學姬長英等[12-14]設計研發的自走式智能蘋果采摘機器人采用六自由度工業機械臂作為采摘機械臂，具有雙目視覺系統和導航系統，能夠完成自主導航、采摘及蘋果裝箱作業（圖1）。該采摘機器人智能化及自動化程度較高，但整機體積較大，靈活性較差，對傳統密植型果園的適用性較差。

圖1 智能移動蘋果采摘機器人

2.2 草莓采摘機器人

由于草莓的栽培模式具有多樣性，例如地面栽培模式、高架栽培模式和壟作栽培模式等，同時生產經營規模各不相同，因此其采摘裝置的差異性也較為明顯。目前針對高架栽培模式研制的草莓采摘機械較多，而地面栽培模式和壟作栽培模式種植的草莓因其植株距離地面較近，使機械采摘難度增加，因此現有機械采摘設備較少。西班牙AGROBOT Robotics公司研發的基于高架栽培的草莓采摘機器人[15]（圖2）通過多個裝有傳感器和圖像處理單元的機械臂相互協同工作進行采摘作業，采用末端執行器斷莖加持的方式收獲草莓，能夠自主識別、定位并無損傷采摘高架栽培模式下的成熟草莓。但該機器人是針對高架栽培模式草莓研制的，專用性較強，對其他栽培模式草莓適配性較差，因此其通用性有待提高。西北農林科技大學張曼等針對自然條件下高架栽培模式種植的草莓通過搭建遠—近景組合視覺定位系統，并結合D-H法建立的機械臂各連桿間的關系式，設計了一種草莓采摘末端執行器，既提高了采摘定位的精準度，又在一定程度上避免了對草莓造成的損傷。目前國內外草莓采摘機器人尚存在一些問題：一是設備普遍只適配特定種植模式或特定品種的草莓，專用性較強，通用性有待提高；二是設備整機結構復雜，體積較為龐大，通過性較差，對草莓種植密度的合理性提出更高的要求；三是草莓的自然生長環境復雜多變且其生長位置及形狀各異，設備在識別草莓果實時易受多種因素干擾，導致設備定位精準度下降，出現漏摘或損傷果實的現象。

圖2 基于高架栽培的草莓采摘機器人

2.3 葡萄采摘機器人

葡萄與草莓同屬于漿果類水果，外果皮為一到數層薄壁細胞，肉質具有柔軟多汁的特點。葡萄果實形狀各異，且在不同成熟度下顏色復雜多樣，這對葡萄采摘機器人的研究提出了更高的要求。日本岡山大學Monta等[16]針對棚架種植模式研制出一種具有多種作業功能的葡萄采摘裝置，采用激光掃描方式對葡萄簇進行識別、定位及果實成熟度判斷。該裝置配套有多種類型的末端執行器，在葡萄整個生長周期中，可根據實際作業需求對末端執行器進行更換，以滿足修剪、噴藥和收獲等作業需求。針對現有葡萄采摘機器人自主導航性能普遍較差的問題，郭素娜等[17]設計出一款利用RSSI無線傳感器定位導航的葡萄采摘機器人。該機器人采用視覺傳感器對成熟葡萄進行定位，通過機械臂上柔軟的執行末端對葡萄進行柔性抓取，既提升了設備的自主導航行能力，又完成了葡萄果實的無損采摘。歐洲研究團隊研制的自走式葡萄園智能管理設備借助立體視覺技術對葡萄藤及葡萄果實的生長狀況進行實時監控，有助于管理者準確判斷葡萄果實的成熟度，輔助人工進行葡萄采摘作業。目前，葡萄采摘機器人的研發與應用過程仍存在采摘環境復雜、果實識別率低、果實損傷率高、采摘周期長、設備制造維修成本高等難點與制約因素，未來將在智能化、開放性、結構優化等方面進一步提高。

2.4 番茄采摘機器人

國外對番茄采摘機器人的研究已經有很多年的歷史，并取得了一定的研究成果。90年代初，日本研制出一款具有自主導航功能的七自由度番茄采摘機器人，該機器人采摘系統由關節型機械臂和末端執行器兩部分組成，其中末端執行器安裝有橡膠墊和壓力傳感器，可以有效降低果實的接觸損傷。2004年，美國加利福尼亞機械公司推出的全自動番茄收獲機可將番茄蔓藤切割后送入分選倉，利用光譜特征識別出成熟番茄果實，從而將成熟番茄和未成熟番茄分開，并將番茄枝葉粉碎[18]。2008年，日本岡山大學田充司等研發出一款鋼軌行走式番茄采摘機器人。在進行番茄采摘作業時，該機器人行走在預設鋼軌上，同時利用視覺系統對番茄果實進行探測，若發現成熟果實，則控制系統控制四指型末端執行器采摘目標果實。由于該機器人工作時需要預設軌道，因此增加了管理者成本的投入，此外還要求具有合理的種植模式，因此，該機器人存在對傳統密植型的番茄種植模式適配性較差和使用成本較高的問題。2017年北京工業大學王麗麗等針對棚架式種植園作業環境，以成熟番茄為采摘對象，研制出一款自走式多功能智能番茄采摘機器人系統。該機器人采用四輪結構型式的行走機構，既能用于溫室種植環境，也能用于開放的田間種植環境，具有通用性強的特點。該機器人采用四自由度關節型機械臂，通過更換不同末端執行器即可采摘其他果蔬，提高了設備的通用性，具有操作靈活、控制方便的特點。目前，對番茄采摘機器人的研究雖然已在圖像識別與定位、自主導航等方面取得階段性進展，但從整體上來看，其智能化程度還未達到農業生產的要求。此外，還存在機器人行走底盤通用性差，采摘機械臂成本高、體積大、控制較復雜以及現有生產模式規范性不足的問題。為適應復雜的農田環境并最終實現高效無損采摘，番茄采摘機器人的實用性亟需提高。

2.5 黃瓜采摘機器人

黃瓜是設施農業生產的主要作物之一，收獲過程枯燥、繁重，為減輕工人勞動負擔、提高采摘效率，開展對黃瓜采收作業機器人的研究具有十分重要的現實意義。然而，黃瓜果實成熟度難以簡單地通過顏色信息進行判斷。黃瓜果實具有脆嫩和分布隨機的特點，因此存在因黃瓜果實與植株顏色相近而難以識別的情況，進而導致采摘成功率下降。因此，近色系果實目標識別與柔性抓取成為黃瓜采收作業機械亟需解決的難點問題之一。日本的Kondo等[19-20]研制的黃瓜采收裝置采用六自由度機械臂構成執行機構，采用CCD攝像頭實時采集圖像信息，利用反射光原理區分出黃瓜和莖葉，采摘成功率受顏色和形狀的影響較大，約為60%。為提高采摘成功率和作業速度，需對黃瓜采摘機器人的結構、路徑規劃方法、采摘方式等方面進行改進。荷蘭的Van Henten等[21,22]研發的智能溫室軌道黃瓜采收機器人可在溫室預設的軌道上實現整機的移動，在末端執行器將黃瓜果實夾緊后，采用高壓電極將果梗切斷的方式進行黃瓜采收作業，采摘成功率約為80%。中國農業大學的張帆等[23]針對黃瓜采摘環境光照復雜多變和近色系果實識別問題，提出基于光譜圖像的近色系黃瓜識別方法，設計了一種溫室黃瓜采摘機器人系統。該系統是一種適用于溫室非結構環境下黃瓜采收的自動化系統，通過結合多傳感器技術，使機器人具備了自主導航、果實成熟度判斷和自主采摘等功能。目前，雖然大部分的黃瓜采收作業機械已具備最基本的采摘作業功能，但在一些方面仍存在著明顯不足，需要加以優化與改進。

3 采摘機器人存在的問題

目前，各國對果蔬采摘機器人都進行了大量的研究并且取得了一定的成果，但大部分果蔬采摘機器人還處于研究階段，離實用化和商品化還有一定的距離，仍存在以下問題：

（1）末端執行器采摘準確率有待提高。在采摘過程中，機器人視覺系統對果蔬的識別、定位及機械臂的路徑規劃存在誤差，導致果實的采摘成功率下降。

（2）采摘設備環境適應性較差。在自然環境下生長的果實易被葉片遮掩，導致采摘設備的視覺系統對果實識別較為困難。此外，復雜的環境使采摘設備的避障性能面臨嚴峻的挑戰。

（3）采摘對象損傷率較高。在采摘過程中，機器人末端執行器夾持果實時易對其造成表面劃傷及內部擠壓變形，或者抓取不穩導致其脫落造成損傷。

（4）平均采摘周期較長，采摘效率不夠高。機器人工作環境復雜，視覺系統對果實識別及定位率較低。另外，自然條件多變也增加了圖像處理的難度。

（5）機器人通用性較差?，F有機器人多數是針對某種特定果蔬而研制的，不同種類果蔬之間不能通用，專用性較強，但通用性較差。

（6）機器人制造成本及維修費用較高。果蔬采摘機器人不同于工業機器人，其作業環境更為復雜，作業要求更高，制造成本更高且使用周期較短，使用季節性較強，維護費用較高，經濟性較差。

4 未來發展趨勢

（1）優化機械結構。研發適用于典型果蔬采摘的執行器、傳感器、材料和軟體機械，降低采摘過程中的果蔬損傷，提高末端執行器的靈巧性和柔順性。

（2）開發智能化的果實識別與定位技術以及圖像處理算法，降低復雜環境對機器人視覺系統的干擾，提高果實識別與定位的準確性和快速性。

（3）優化自動控制系統。研發自適應強、魯棒性好和路徑算法最優的智能化自動控制系統，提高采摘機器人的可靠性和采摘效率。

（4）增強設備的通用性。開發適用于形狀相近果蔬采摘的末端執行器，采用開放式的控制系統，研制可采摘多種果蔬的采摘機器人，增強設備的通用性，提高設備利用效率。

（5）降低設備操作難度及生產成本。設計操作簡單方便，經濟性好，制造和維修費用較低的設備。

5 結論

隨著經濟結構的調整，農業勞動力逐漸向社會其他產業轉移，導致勞動力資源日趨緊張，果蔬采摘機器人正越來越多地應用于農業采摘中。但果蔬品種多樣，農藝不一，采摘收獲環節較為復雜。目前典型果蔬采摘機器人大多專用性較強，但通用性較差，且平均采摘周期較長，易對采摘對象造成損傷，成為制約其應用推廣的嚴重阻礙。為促進果蔬采摘機器人的實用化和商業化，還需要在優化機械結構設計、開發智能化果實識別定位技術、優化智能控制系統、增強設備通用性及降低設備操作難度等方面加以改進。