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1、果蔬采摘机器人研究进展详细介绍鲜果自动化采摘机器人,是先进工业技术和装备在农业生产 环境进行创新应用的经典案例，在基础理论研究和技术集成应用 方面的研究成果，将对现代农业生产的节约高效开展具有重要影 响。4.2.1 研究背景意义随着全球人口老龄化和城镇化进程的不断深入，农业人口 流失、人力本钱上涨与农产品生产供给需求之间的矛盾，已成 为当前农业生产可持续开展面临的重要问题。研发能够代替人类 作业的高效率、高质量、低本钱的自动化作业机械，是从工程技 术角度应对当前形势的重要手段阳。由于鲜食果蔬需要具备良好的外观和口感，采收过程中需 要对每个果实进行成熟度判断和精准采摘操作，依靠人工采 摘劳动强度
2、大、生产本钱高，以草莓为例人工采收本钱占总 生产本钱25%以上7引。因此从鲜食果蔬采收这一劳动密集型 环节着手，研究自动化作业生产方式和装备，对于果蔬产品的平安供应和产业可持续开展具有重要意义。4.2.2 国内外研究现状目前日本、荷兰和美国等兴旺国家研究的针对番茄、黄瓜以 及苹果采摘的机器人处于国际领先地位MA,其果实目标定 位误差小于10mm,识别准确率85%以上，不同对象条件下每 工作循环为1050s。其中日本的研究成果最多，而且主要集中在 20世纪90年代初到21世纪初，主要由东京大学、冈山大学等单 位主导。日本农业机器人具有如刊寺& （1）农业机器人本体类似 于工业机器人，结构紧凑；有
3、的直接采用了工业机器人机械臂 本体（2）智能化程度高，自由度较多，灵活氤（3）采用的 机器视觉技术比拟先进。其典型代表的是冈山大学的西红柿采 摘机器人，采用了7自由度工业机械手，彩色摄像机视觉技术， 具有避障能力，较为先进。但实用性不高，到目前为止都 没有实现 商业化，主要是因为运行速度低、采摘成功率低和本钱高，而目前 最接近商业化的可能是冈山大学的Kondo N等人研制的草 莓采摘机器人，从该机器人从1999年至今一直在不断改进。该草莓 机器人采用履带导轨式导航，适合在温室或者大棚条件下规范化种 植的情 况。它采用双目视觉技术，在规范种植下它的采摘时 间已到达8秒每个，正致力于推向市场。美国
4、的农业机器人更类似于 大型自动化联合收获机械，因为其收获效率很高，这有利于实现商 业化，应用到真正的作业环境中，以柑橘收获机器人为代表。 美国的Vision Robotics公司正在研制一款最新的橙子采摘机器人。 其视觉扫描系统由一组立体 摄像机组成，装在多轴机械臂的末端， 利用其创立橙子树的虚拟三维 图像，将橙子的大小与位置反应回来, 实现八个机械手的采摘运动。20世纪末我国开展蔬果收获机器人 以来78,79,尽管在样机作业对象、工作效率和精度方面紧跟国际先进水平，但是在系统整体构 型设计和样机试验应用方面，仍然以麻宗模仿为主，与我国当前农 艺管理条件结合度不高。此外我国在解决此类复杂农业环
5、境下目标 识别方法研究还没有形成可行的技术方案，国外在此方面的研究取 得了一定进展，如日本针对草莓和番茄采摘机器人设计的人工补 光策略研究，克服温室多变光学环境；荷兰研究的黄瓜叶片自动 识别定位测量方法，有效减少了果实目标受到叶片遮挡无法识别 的情况。4.2.3 关键技术与研究热点采摘机器人的研究应用是农业智能装备技术领域的前沿热 点，主要涉及农业复杂环境下作业目标视觉信息稳定获取、针对 生物组织的 柔性无损操作以及融合农机农艺的生产系统集成等，这些问题 也是限制当前农业机器人走出实验室进行产业应用的主要技 术瓶颈。4.2.3.1 农业非结构环境下作业目标信息获取农业环境下不稳定太阳光照、作物
6、丛生无序以及作业对象 形态各异等工况条件，极大增加了作业信息获取的难度，是制约 农业机器人研究和应用的关键难点之一。针对农业环境下视觉信息 的获取方法和装备的研究也是国内农业智能装备技术领域的研究 执占。 八、八、。4.2.3.2 针对柔嫩果蔬的柔性操作手爪相对工业机器人，农业机器人的作业对象是生物体，形状尺 寸各异，作业环境多变，目标对象位置姿态随机分布。这样对于 农业机器人末端操作部件设计需要满足各种需求，实现对目 标的无损柔性操作。采用的多传感融合手爪、真空吸附和柔性 夹持的方式可对特定作业对象实现无损柔性操作，同时研究农业 作业对象的新材料，对于解决农业机器人的柔性操作也具有重要 意义
7、。4.233农机农艺融合的生产系统集成以人工作业为主体的传统农业生产条件，与机器人对结构 化作业环境的要求不相匹配，是制约农业机器人走出实验室进入 农田作业的重要因素。基于农机农艺结合的产品设计理念，综合 考虑生产效率和本钱，改造作物生产种植模式和作物品种特性， 提高农业机器人对作业工况的适应性，是促进新型农业智能 装备实现产业应用的重要途径。案例分析中国是番茄生产和消费大国，全国番茄种植面积达146 万公顷，其中鲜食番茄种植面积约占50%。中国番茄消费主 要集中在鲜食番茄的消费上，人均消费量高达21公斤，占全国 番茄消费总量90%。然而番茄依靠人工采摘费用约1.05万元/ 亩，占总生产本钱3
8、0%以上8。，而且劳动强度大，因此面对当 前农业人口流失、生产本钱高涨的客观现实，开展番茄采摘机器 人系统的研究和应用具有重要意义。我国研制的番茄智能采收系统如图4-5所示，系统主要由 移动底盘、升降平台、视觉单元、机械臂、采摘手爪、控制系统 以及其他辅助单元等构成。作为一种采摘机器人通用平台，可用于 高架立体栽培模式下不同高度、层次的果实采收，提高了智育睬收机 器人的实用性。图45番茄智能采收系统机器人视觉系统对果串内果粒识别的平均准确率为83.5%,对果粒视觉对靶的平均偏差为8.38像素，果串长度测量平均误差为8.25毫米，宽度测量平均误差为5.25毫米当前 机器人采摘成功率为83%,单次
9、作业耗时12秒。存在问题与开展策略存在问题以人工作业为主体的传统农业生产条件，与机器人对结构 化作业环境的要求不相匹配，是制约农业机器人走出实验室进入 农田作业的重要因素。相对工业结构化环境，农业生产环境中太 阳光照多变、作物丛生无序以及作业对象柔嫩易损等特殊工况条 件，是机器人在农业环境下作业所面临的客观问题。尽管当前国内外在采摘机器人样机的开发和试验应用 取得了一定进展，但是在作业效率和可靠性方面依然无法到达产 业化应用的要求。主要原因在于：面对非结构环境下的具有生物 特性的作业对象，工业化机器人技术在信息获取和高效作业方面 的应用受到极大限制。另外，在机器整体构型设计的改进和突破 以及从
10、农艺技术角度针对我国农业环境和需求方面的研究和分析较 少，开发低本钱、工作时间长、性能可靠以及容易操作的自动采收机器 人是促进其走出实验室、进入农田作业的重要条件。4.2.5.1 开展建议集成多种信息感知单元，在获取作业环境可见的色彩、空间视觉信息基础上，通过融合光谱和激光探测技术，丰富机器人 信息感知部件对环境特征的判别依据,克服非结构环境工况条件对 机器人信息获取的干扰。基于农机农艺结合的产品设计理念,综合考虑生产效率和 本钱，改造作物生产种植模式和作物品种特性，提高农机对作 业工况的适应性，是促进新型农业智能装备实现产业应用的重要 途径。通过对采摘机器人平台构型进行优化设计，扩展信息感知和 任务执行部件，形成具备多种功能的通用作业平台。