軌道平移式果蔬采摘機器人作業質量測試方法

陳興和， 李丹陽， 任巧琳

（1. 農業農村部農業機械化總站，北京 100021； 2. 新疆新研牧神科技有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

“十三五”以來，我國農業機械化取得了顯著成績，農業生產進入了機械化為主導的新階段。2021 年，我國主要農作物耕種收綜合機械化率已超過72%。受作物品種、種植制度、農藝要求制約，水果、蔬菜等經濟作物生產的機械化率仍然較低。2020 年，我國果蔬種 植 總 面 積達3 413.1 萬hm2，水 果 產 量 達28 692 萬t，但設施農業和水果生產的機械化率僅為40.53%和25.59%[1]。在果蔬生產各環節中，果蔬采收是季節性強、生產成本高、勞動強度大、采收質量要求高的重要環節。現階段，果蔬采收仍以人工為主，工作效率低、勞動強度大，并且造成的果蔬損傷率高。近年來，農業機器人作為一種高效、智能的農業機械，憑借其自動化、智能化、精細程度高、能夠克服苛刻的自然條件等優勢，在種苗生長管理、農產品收獲加工和畜產健康養殖等方面發揮著重要作用[2]。果蔬采摘機器人的應用對于解放勞動力、降低農民勞動強度和生產成本、提高新鮮果蔬品質及經濟效益等方面有重要意義。

果蔬采摘機器人的研究可以追溯到20 世紀中期。20 世紀60 年代，美國研究出機械振動和氣動兩種搖式果蔬采摘機器人；80 年代以來，美國、日本、英國、法國和荷蘭等發達國家相繼試驗成功番茄、草莓、蘋果、柑橘、甜椒和葡萄等多種采摘機器人[3-9]。我國果蔬采摘機器人的研究起步較晚，始于20 世紀90 年代，上海交通大學、浙江大學、中國農業大學和北京工業大學等多所高校及科研院所都在進行采摘機器人的研究。通過跟蹤國外先進技術，對采摘點識別方法、采摘臂結構參數、末端執行器設計等進行優化，提高機器人采摘效率、降低果實損傷率，進一步提高采摘機器人的作業質量，在采摘機器人的研究領域取得了初步成果[9-14]。

按照行走和移動方式，果蔬采摘機器人可分為輪式、履帶式、人形行走機構和軌道式等類型。按照驅動動力源，主要分為內燃機和電機兩種。輪式和履帶式采摘機器人采用自走式行走機構，行動路線較靈活，常用于露天果園采摘。人形行走機構適用于西瓜、葡萄等行走空間狹小，輪式、履帶式行走機構不適用的作業環境。軌道式采摘機器人需將搭載的移動升降平臺架設在作物行間的固定軌道上，作業時沿軌道移動，多用于設施農業中。果蔬采摘機器人主要由機械執行系統及控制系統兩大部分組成，包括果實識別視覺單元、機械臂、末端執行器、果實收集裝置及承載平臺，具備自主導航、果實識別定位、作業規劃和采摘動作控制等功能[15]。果實的識別定位是采摘機器人需要解決的首要問題，其識別定位能力取決于所匹配的視覺傳感器及應用的識別算法。末端執行器是果蔬采摘機器人的核心部件之一，其型式決定了果蔬的摘取方式，常見的末端執行器型式有仿形手式、剪切式和抓握式，可完成搖動、扭斷、剪切或抓取動作[12]。

果蔬采摘機器人作業質量是機具的關鍵指標，決定了果蔬采摘的作業效率、果蔬完整度等，本文對軌道平移式果蔬采摘機器人的作業質量測試方法進行研究，旨在提供一種適用于設施溫室種植大果番茄采收的機器人作業質量測試方法，并通過分析作業質量對產品提出改進及優化建議，推動果蔬采摘機器人的研發及推廣應用。

1 測試方法確定

1.1 果蔬采摘作業過程

果蔬采摘作業前，首先將移動平臺連同機器人一起安裝架設在平移軌道上進行通電調試，調整平臺至適宜采收高度，行走、識別、抓取等動作應流暢、準確，達到設計要求。在自動模式下作業時，平臺搭載采摘機器人沿軌道平移，通過雙目攝像頭獲取到成熟番茄信息時平臺停止移動，并將其位置坐標等信息傳遞給控制系統，接受控制系統滑移位置、曲度和高度指令后，柔性機械臂自動到達目標果實位置下方，手爪向上托舉果實，手爪彈指受果實壓力作用向內收回，待果實完全落入籠狀手爪內時，彈性手指自動回位，完成果實套取。此時感應器觸發機械臂收縮回位，手爪拉住果實使果柄與藤蔓分離完成采摘，被摘下果實沿機械臂內柔性管道滾動至集果箱中。

1.2 測試條件確定

1.2.1 作物條件

作物條件的確定需綜合考慮作物的種植生長特性和采摘機器人的作業能力。軌道平移式采摘機器人在電力驅動下可沿軌道進行雙向移動，通過攝像頭和機械手爪進行成熟果實的識別和采摘。試驗作物品種為設施溫室吊槽式種植模式下的大果番茄，番茄的種植生長情況直接影響作業效果。對軌道平移式果蔬采摘機器人的作業質量測試主要考慮株距、行距、結果區主藤直徑和藤蔓高度、成熟果實結果高度范圍、果實質量和果實尺寸等作物條件。

1.2.2 試驗地條件

軌道平移式采摘機器人需在鋪設好軌道的設施溫室內工作，采收作業前需依據采摘機器人的作業能力參數做好準備工作。光照條件對采摘機器人的果蔬識別效果產生一定影響，應保證溫室內光照充足，溫度、濕度適宜。軌道距離與采摘機器人移動平臺的輪距調整一致，確保設備正常行走。受機器人識別及采摘高度范圍限制，軌道高度及種植槽高度、平臺高度決定了采摘所需的落蔓高度。因此，對軌道平移式果蔬采摘機器人的作業質量測試主要考慮軌道高度、軌距、種植槽高度，以及環境溫度、濕度等條件。

1.3 作業質量指標確定

采摘機器人的性能指標主要包括作業能力、作業質量兩個方面。采摘時間是體現采摘作業能力的重要指標；采摘果實尺寸范圍及抓握輸出力決定了能夠被成功采收的果實的尺寸和質量范圍；成功抓取率（漏采率）是機器人經過成熟果實時，能夠準確識別并成功完成采摘的幾率，是反映機器人作業能力的主要參數；果實破損率反映機器對果實的損傷程度，反映機器人的作業質量。因此，將采摘機器人的采摘時間（效率）、采摘果實尺寸范圍、抓握輸出力、抓取成功率及果實破損率確定為作業質量測試指標。

采摘機器人作業時，將機械臂完成自啟動伸展、抓取果實、收縮歸位動作所用時間作為一個采摘周期，即單次采摘時間，該時間不包含機器人行走及機械臂移動的時間。計算1 min 平均采摘個數，即采摘效率。將機械臂手爪彈指全部收回開度最大時手指均布區相對兩彈指最小間距及彈指復位后開度最小時手指均布區平均相鄰指間距，確定為采摘果實尺寸范圍。

抓握輸出力定義為機械臂在抓取并牽拉果實使果柄與藤蔓分離過程中可輸出的最大抓取力。本研究歸納利用倒拖阻力測量法和重力測量法測定機械臂的最大可輸出抓握力。方法一：倒拖阻力測量法。將數顯式拉力計一側與機械臂固定，另一側與加載機構連接。測試時，啟動機械臂回縮并通過加載機構對拉力計施加不同的恒定倒拖阻力，測定機械臂最大可輸出的抓握力，單位以“N”記。方法二：重力測量法。利用定滑輪原理，將定滑輪安裝在剛性支架上，滑輪上曲面高度固定在機械臂伸縮移動中心線延長線上，將掛在定滑輪上的繩索一端與機械臂連接，通過在另一端掛接不同質量的砝碼，測定砝碼的重力即機械臂的輸出抓握力。試驗時，驅動機械臂回縮并牽引砝碼做提升運動，若砝碼能在機械臂拉力的作用下被順利提起，則認定本次試驗有效，此時砝碼的重力即機械臂的可輸出抓握力，單位以“N”記。兩種方法相比較，方法一在機械臂負載回縮移動時，向拉力計施加恒定倒拖阻力需使用專門的加載裝置，較為復雜且不易實現；方法二中施加的砝碼重力即為機械臂所輸出的拉力值，即F=G，如圖1 所示。此方法簡單易行且測量結果準確，故選擇方法二進行試驗。

圖1 重力測量法測試抓握力Fig. 1 Measurement of grip force by gravimetry

測試時，調整設備為調試/手動模式，機械臂處于自然伸直狀態，在機械臂施力中心線反方向施加阻力（牽引砝碼）情況下，收縮機械臂，若收縮自如，則其牽引砝碼的重力即為機械臂本次成功抓握輸出力。試驗在施加多種不同阻力（牽引砝碼）情況下進行，取機械臂成功抓握輸出力最大值。初次施加牽引砝碼質量不小于1 kg，第2 次、第3 次增加牽引砝碼質量均不小于0.5 kg，以后逐次增加牽引砝碼質量均為0.1 kg。設定本項試驗在機械臂能正常工作前提下，持續加載試驗進行到可輸出的抓握力達到2.5 kg 左右時結束。

抓取成功率是評價機器人作業質量的重要指標。機器人完成從識別、抓取到成功采收番茄的一個過程記為成功抓取一次，未成功識別或未成功抓取番茄記為失敗一次。抓取成功率計算方法為

2 試驗設計

2.1 試驗材料

試驗所用的FHR-2 型柔性果蔬采摘機器人（圖2）屬于軌道平移式果蔬采摘機器人，外形尺寸及單臂作業空間（基于單臂初始位置）設計值如表1 所示，搭載雙目攝像頭、雙機械臂及可升降移動平臺，末端執行器由7 個橡膠彈性指組成，其中6 指均勻分布。試驗在北京市大興區某設施溫室進行，作物品種為吊槽式種植模式下生長的大果番茄。

表1 FHR-2 型采摘機器人參數Tab. 1 Parameters of FHR-2 type picking robot

圖2 FHR-2 型果蔬柔性采摘機器人Fig. 2 FHR-2 type fruit and vegetable flexible picking robot

2.2 試驗過程

2.2.1 試驗條件測定

在測區內隨機選取20 株番茄，測定株距、行距、藤蔓高度、結果高度、果實直徑、單果質量等作物條件，種植槽離地高度、軌距等試驗地條件，以及試驗過程中溫度、濕度等環境條件。

2.2.2 作業質量測試

機器人采摘作業質量進行3 個行程測試。測試前，隨機劃定3 個長度為25 m 的測區，清點記錄每個測區中成熟果實總數，要求每個測區內成熟番茄總數不少于100 個。測試時，機器人按自動模式進入測區進行采摘作業。每個行程隨機測定5 次單個果實采摘時間，計算采摘效率；記錄每個行程采摘番茄總數、一次成功抓取總次數及破損果實數，計算成功抓取率和果實破損率，取平均值。

作業能力測試在非工作狀態下進行。通過測定機械手爪彈指間距離測定機器人所能采摘果實的尺寸范圍。按重力測量法，在機械臂施力中心線反方向施加阻力（牽引砝碼）測定機械臂抓握輸出力最大值，采摘機器人試驗場景如圖3 所示。

圖3 采摘機器人試驗場景Fig. 3 Test scenario of picking robot

3 試驗結果與分析

3.1 試驗條件測定結果

試驗條件測定結果如表2 所示，試驗作物品種為設施溫室吊槽式種植模式下生長的大果番茄，已人工完成枝葉清理。作業前對種植吊槽進行了固定，保證吊槽及藤蔓的穩定性，以降低吊槽及藤蔓因受力擺動對采摘作業造成不利影響。依據機器人可識別和采摘范圍對測區內的所有番茄進行了落蔓處理，把成熟果實的坐標位置控制在機器人適收范圍內。同時，對作業區內成熟番茄藤蔓上的枝葉進行齊藤修剪，使果實上方藤蔓無留茬，保證機械臂適收高度范圍內成熟果實無枝葉遮擋。測得結果區高度范圍1 300～1 500 mm，機器人手臂高度范圍850～1900 mm，基于初始位置的單臂作業高度范圍0～200 mm，結果區高度被機器人作業高度范圍覆蓋。果實直徑60～80 mm、單果質量100～200 g 等作物條件均在機器人采摘能力范圍內。

表2 試驗條件測定結果Tab. 2 Measurement results of test conditions

3.2 作業質量測試結果

根據試驗方法對FHR-2 型柔性果蔬采摘機器人進行作業質量測試，測定結果如表3 所示。由表3 可知，采摘機器人的平均采摘時間為7 s/個，采摘效率為8 個/min，與現有番茄采摘機器人相近。機械臂的采摘果實尺寸范圍、抓握輸出力均能滿足設施大果番茄采摘要求，成功抓取率為72.9%。分析表明，雖然已按要求對試驗區植株的枝葉進行預處理，但是機器人在作業過程中仍出現漏采現象，這與機器人的圖像識別能力及復雜光線條件有關，應進一步優化機器人圖像系統的識別與處理能力。測得果實破損率為0，得益于彈指式手爪的柔性設計和充分的前期準備。FHR-2 型柔性果蔬采摘機器人對采摘部件做了柔性設計與處理，對手指采取纏繞海綿等措施，在增大果實與機器接觸面積的同時，降低了彈指對果實產生的擠壓損傷。同時，中空機械臂圓形管道內壁采用軟簾布材料制作，果實沿著中空機械臂圓形管道滾落時，最大限度降低管壁對果皮的磕碰損傷。另外，采收前對成熟果實周圍藤蔓上的枝葉進行充分清理，有效避免抓取時藤蔓上枝杈殘茬刺傷果皮，降低果實破損率。

表3 作業質量測試結果Tab. 3 Measurement results of working quality

4 結論

（1）建立了軌道平移式果蔬采摘機器人性能指標測試方法，針對設施溫室吊槽式種植模式下生長的大果番茄，測定采摘時間（效率）、成功抓取率、果實破損率等作業質量，以及機器人采摘果實尺寸范圍、抓握輸出力等作業能力。提出的方法能夠完成對軌道平移式果蔬采摘機器人的作業質量測試。

（2）對FHR-2 型柔性果蔬采摘機器人進行作業質量測試，結果表明，溫室吊槽式種植模式下生產的番茄和試驗地條件優良，適宜軌道平移式采摘機器人采收作業，產品的采摘時間（效率）、抓握輸出力及采摘果實尺寸范圍等滿足作業能力要求，果實破損率滿足作業質量要求。成功抓取率受果實識別能力、抓取時果實擺動等因素影響，出現未被識別和抓取失敗等情況。FHR-2 型柔性果蔬采摘機器人還需進一步優化算法，加強多角度果實識別系統研發，降低漏采果實數量，提高抓取成功率，適時推出采前無需進行人工枝葉清理的機器人。

現階段，我國大田無人農機已能夠替代人工，實現自動駕駛、工作環境監測、農業決策等操作，而設施農業類機械尤其是智能果蔬收獲機械雖能夠減輕勞動強度、提高作業效率，卻由于其高昂的制造成本和銷售價格，農民只能望機興嘆，很難大范圍推廣應用。走產學研推相結合之路，聯合科研院所、生產企業、社會化服務組織融合發展，從栽培方式宜機化、標準化起步，積極推進果蔬生產機械化。通過金融創新，采取設備租賃、收獲期托管等經營方式，推進果蔬采收機器人推廣應用。