张 鹏 ，唐秋宇 ，陈灵方 ，秦翠兰 ，王磊元
（新疆理工学院机电工程学院，新疆 阿克苏 843000）
农业作为我国重要的经济产业支柱，其发展的道路上存在着众多的问题。在城镇化不断推进和人口老龄化现象日益严重以及大量青年人外出务工等的驱动下，农村严重缺乏生产劳动力，而缺乏生产劳动力是农业发展面临的主要问题之一[1]。目前，我国果蔬等农作物采摘方式以人工采摘方式为主，由于劳动力的不足，大量的人工成本严重影响了果蔬生产效益。因此，随着国家的发展，农业的发展逐渐从传统农业向智能化、智慧化农业发展，因而在农业生产中普及智能化设备、降低成本、提高工作效率，将成为未来农业发展的必然趋势，研发制造适用于果蔬等农作物采摘的机器人，代替人工进行农业生产，对于推进农业智能化和现代化进程具有重要意义[2]。
1.1 采摘对象多样化，生长环境差异化
果蔬的种类繁多，其大小、形状、颜色、重量以及坚硬度都有很大的差别，对于坚硬度不高的果蔬采摘时容易造成损坏，所以在作业时，采摘机器人需要根据果蔬的大小去调整末端执行器以及控制抓取力度。由于果蔬的生长受到环境因素的影响很大，而环境也存在着很大的差异性，所以采摘机器人的采摘作业环境也就大不相同，进而对其提出了更高的要求。
1.2 采摘作业的不确定性和不均匀性
由于果蔬生长的位置分布不均匀，而且很容易受到枝叶的遮挡，在这种作业环境下，采摘机器人具有很多的不确定性，这就要求采摘机器人在准确识别、精准定位、采摘控制等方面具有更好的自适应能力和更高的智能化水平。
1.3 采摘机器人的通用性与可更换性
由于采摘机器人采摘目标果实的多样化，进而对于不同种类的果蔬，采摘机器人都要能够进行采摘作业，这就要求采摘机器人具有良好的通用性。机器人在进行采摘作业时，其末端执行器直接与果蔬进行接触，而对于不同的果蔬其末端执行器也就不同，所以要求采摘机器人的末端执行器具有可更换性。
采摘机器人最早出现在1968年，受到当时科学技术的限制，出现的采摘机器人以机械式结构为主，但是这种以单一的机械式结构为主的采摘机器人工作效率不高；
随着工业机器人技术、计算机图像和机器学习的逐步发展，采摘机器人也迎来了新的革命[3]。
2.1 国外研究现状
日本的近藤直（Naoshi Kondo）等[4-5]研发制造出用于采摘番茄的采摘机器人，具有7 个自由度。在采摘环境中，该机器人通过双目视觉系统识别和定位已经成熟的果实，采摘机器人通过腕关节将果实与果柄分离后，具有软衬垫的末端执行器通过吸入的方式采摘果实。但当该采摘机器人位于枝叶茂密的环境中，则无法避开障碍完成采摘作业，影响采摘成功率。该采摘机器人采摘单个果实平均耗时15 s，采摘成功率为70%。
美国佛罗里达大学的Michael W. Hannan 等[6]研发制造出用于采摘柑橘的采摘机器人，具有7 个自由度，如图1 所示。该采摘机器人利用摄像机和超声波传感器对目标果实进行识别和定位，根据得到的位置信息，采摘机器人进行采摘作业时以球形坐标为坐标系，通过末端执行机构夹持目标果实进行采摘。其视觉系统处理时间为15 ms~80 ms，末端执行机构速度最高为508 mm/s。
图1 柑橘采摘机器人
日本的Kanae Tanigaki 等[7]研发制造出用于采摘樱桃的采摘机器人，具有4 个自由度，如图2 所示。该机器人有视觉伺服系统、采摘机械臂机构、工控机等部分，视觉系统用来对目标果实进行识别与定位，机械臂机构通过移动关节增大末端执行器的采摘作业范围。该采摘机器人主要以吸入式方式进行采摘，可以将果实和果梗一起采摘下来。
图2 樱桃采摘机器人
美国的Hemanth Sarabu等[8]研发了一种具有6 自由度的双臂协同苹果采摘机器人，如图3 所示。其中双臂分别为抓取臂和搜索臂，搜索臂没有安装末端执行器。该采摘机器人创新与配备了协同机械臂（搜索臂），其搜索臂主要针对抓取臂未识别的苹果果实进行识别和定位，并且通过自身算法进行路径规划以实现搜索臂可行的路径方案。通过对该苹果采摘机器人的仿真和采摘实验分析得出，该双臂协同苹果采摘机器人可以实现苹果果实的定位与采摘作业。
图3 苹果采摘机器人
英国的Boaz Arad 等[9]研发了具有6 自由度的甜椒采摘机器人，如图4 所示。该采摘机器人主要由自动行驶智能平台和平台上的机械臂以及视觉系统等组成。其机械臂末端配备摄像头对甜椒植株进行3D摄影，得到的图像通过图形处理单元形成三维高清影像从而精准定位甜椒果实。该采摘机器人末端执行器通过定端的震动刀片将桔梗与主干连接处分离，最终实现甜椒采摘机器人的采摘作业。
图4 甜椒采摘机器人
2.2 国内研究现状
江苏大学的赵德安等[10]研发了一种具有5 自由度的苹果采摘机器人，如图5 所示。该采摘机器人有视觉伺服系统、控制系统、采摘机械臂机构等部分，其末端执行器配备视觉传感器等，进而采摘机器人能够对目标果实进行定位，通过新分类算法识别果实，根据识别到的苹果果实位姿进行逆解计算，结合伺服控制系统使得机械臂各个关节转动到逆解所示位姿，以实现对果实的采摘。该苹果采摘机器人采摘单个苹果平均耗时15 s，采摘成功率为77%，可用于户外采摘作业。
图5 苹果采摘机器人
北京工业大学的王丽丽[11]研发制造出用于采摘番茄的采摘机器人，如图6 所示。该采摘机器人具有4 轮独立转向行走运动机构，通过激光导航系统控制机器人的运动，利用识别与定位技术确定目标果实的位置，使其灵巧型4 自由度机械臂在空间较小的蔬菜大棚环境下进行采摘作业，机械手手指末端套上硅胶指套，手掌部位垫上柔软的硅胶衬垫，实现了番茄果实的无损采摘。该采摘机器人采摘单个番茄平均耗时15 s，采摘成功率超过86.7%。
图6 番茄采摘机器人
江苏大学的高杨等[12]研发制造出适用于矮化密植环境下的采摘机器人，其具有4 个自由度，如图7所示。该采摘机器人具有4 条履带式的运动机构，其平台上搭载有剪叉式升降机构、机械臂、果箱和视觉传感器等部件。通过视觉系统定位目标果实，对于位置偏高的果实通过剪叉式升降机构抬高机械臂进行采摘，将采摘的果实直接存于果箱中。
图7 矮化密植环境下采摘机器人
中国农业大学的张帆等[13]研发制造出用于采摘黄瓜的采摘机器人，该机器人可以实现无损抓取目标果实，如图8 所示。其末端执行机构由夹持、剪切、叶片推挡以及导轨滑台等机构组成，夹持机构由两个气动柔性手指构成，手指兼顾柔性与刚度的要求。该采摘机器人通过移动平台进行初次定位，再利用推挡机构将遮挡果实的叶片推开，通过红外传感器进行二次定位。夹持机构进行抓取并采用切刀切断果柄的方式进行采摘作业。该机器人采摘成功率大于85%，采摘速度约为8 s/根，其视觉系统定位的最大误差为-7 mm，果实识别率大于95%。
图8 黄瓜采摘机器人
沈阳农业大学的于丰华等[14]研发制造出用于采摘番茄的采摘机器人，其具有6 个自由度，如图9 所示。该采摘机器人适用于日光温室下进行采摘作业，利用具有4 个麦克纳姆轮的平台搭载采摘机械臂，机械臂的末端执行器配备薄膜压力传感器。该采摘机器人通过视觉识别和STM32 控制器对机械臂进行控制，以实现对果实的采摘。
图9 番茄采摘机器人
目前，国内外学者对果蔬采摘机器人进行了大量的研究，分别对采摘机器人的运动结构方式、视觉定位系统、控制系统以及末端执行器进行了深入的探索和研究，并取得了一定的成果。但是大部分果蔬采摘机器人尚处于实验和研究阶段，未能达到替代人工进行采摘的要求，仍有以下问题。
3.1 果蔬采摘机器人的识别率和定位精度不高
果蔬采摘机器人作业对象为生长的果实，其颜色和大小各不相同，而且作业环境复杂多变，采摘机器人受环境因素影响非常明显。即使目前的人工智能、大数据以及深度学习等算法使采摘机器人对果实的识别率有所提高，但是其视觉传感器等受到光照和遮挡等环境干扰时仍然存在较大的识别误差，进而影响采摘机器人对目标果实的定位精度。
3.2 果蔬机器人的采摘效率较低且损伤率较高
实际工作过程中，采摘机器人所处的作业环境具有很大的差异性，又由于机器人的视觉、控制系统的识别与定位精度不高，导致采摘机器人的采摘效率不高。果蔬机器人模仿人的动作进行采摘作业，但是与果蔬直接接触的末端执行器大部分为刚性结构，所以或多或少会对果实造成不同程度的损伤。
3.3 果蔬机器人的避障性和通用性不足
果蔬采摘机器人在进行采摘作业时处于作业环境多变的情况，比如采摘目标果实被枝叶遮挡以及果实之间的重叠性等，故采摘机器人需要在采摘的路径规划中具有避障功能。现有的采摘机器人只针对于某些特定的果蔬而研发，不同的果蔬之间不能通用，即通用性较差。
3.4 果蔬机器人的维修和制造成本较高
果蔬采摘机器人的作业环境不像工业机器人那样单一，所以其结构系统等更加复杂，因而研发周期长、制作成本高，并且果蔬采摘机器人作为智能农业装备，其设备的维护和保养费用相对而言也就更高。
根据上述研究可知，果蔬采摘机器人的发展过程存在一些亟待解决的问题，故结合采摘机器人未来的发展方向提出几点见解。
1）增强采摘机器人的可靠性。机械结构直接影响着采摘机器人的可靠性，在满足采摘作业的情况下，利用虚拟仿真、创新优化等设计手段，使其机械结构更加紧凑、简单。特别是针对采摘机器人的末端执行器，应改变其目前的刚性结构，增强末端执行器的柔顺性和灵巧性。
2）提高采摘机器人的识别率和定位精度。研发一种视觉传感器，其能够穿过遮挡物来确定目标果实的具体位置，再结合自适应学习能力和图像处理算法，提高采摘机器人定位精度和辨识率。
3）扩展设备的通用性。研发可以采摘外观形状相似的目标果实的机械手，对采摘机器人采用开放式系统以使采摘机器人可以采摘多种果蔬，进而增强其通用性，同时提高利用率。
4）降低维护和生产成本。目前采摘机器人的制造成本很高，其维修和维护费用也很高，因此，可以通过研发新型材料以及优化结构来降低成本。
目前，我国的果蔬采摘机器人尚处于研究探索阶段，多数果蔬机器人在实验室环境下进行采摘作业实验，距离实用化和商业化还有一段研究路程，故存在许多亟待解决的问题。随着国家大力发展智能化、智慧化现代农业，果蔬采摘机器人终会从实验室走向果蔬生产基地，推进现代化农业的发展。
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