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果蔬采摘機器人發展現狀、問題及對策

        果蔬采摘是一項季節性強、操作復雜且勞動強度極高而效率又極低的工作。據調查,果蔬采摘作業所用勞動力占整個生產過程所用勞動力的 33%50%,而目前我國的水果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。因此,研究果蔬采摘機器人對緩解農村勞動力缺乏、節省人工成本、提高果蔬采摘效率有著重要的意義。

1 國內外研究現狀及發展趨勢

果蔬采摘機器人是一類針對水果和蔬菜,可以通過編程來完成采摘等相關作業任務的具有感知能力的自動化機械收獲系統,是集機械、電子、信息、智能技術、計算機科學、農業和生物等學科于一體的交叉邊緣性科學,需要涉及機械結構、視覺圖像處理、機器人運動學、動力學、傳感器技術、控制技術以及計算信息處理等多方面學科領域知識。

1.1 國外的研究現狀

1.1.1 番茄收獲機器人

1)日本岡山大學 1991 年研究了一種番茄收獲機器人,它由機械手、末端執行器、視覺傳感器和移動機構組成。機器人利用機器視覺對果實進行判別,采用五自由度垂直多關節機械臂和能夠上下、前后移動的二自由度直動關節,以避讓莖葉接近目標果實,吸盤吸住果實后退回,將目標果實和其他果實分離,末端執行器以和吸盤相同的速度前進,使機械手抓住果實,最后通過機器臂的腕關節旋轉,將果實摘下。

2)日本島根大學研究了櫻桃番茄選擇性收獲機器人,這個機器人由安裝在電動車上的機械臂、末端執行器、三維視覺傳感器和計算機組成。三維視覺傳感器是安裝在末端執行器上的,以利用機械臂和末端執行器的運動,進行正面掃描和莖葉的間隙里的側面掃描,來收獲莖葉后的果實;末端執行器采用的是柔性軟管,可以左右擺動避讓在收獲過程中的障礙物。

1.1.2 黃瓜收獲機器人

1)荷蘭的IMAG研究所開發了收獲和摘葉同時進行的機器人,其機械臂為七自由度垂直多關節型,移動機構沿行進方向平行滑動,可以保證機構不干擾視覺傳感器。其末端執行器由 3 把電熱刀和圍著主莖配置的氣動驅動器組成,電熱刀的安裝位置使其可以從 3 個方向圍住主莖,電熱刀上方有 V 字形引導器。首先,視覺傳感器識別需要摘除的葉子及其主莖,檢測出其位置,接近被摘葉下方的主莖。電熱刀的引導器沿主莖向上滑動,葉柄總可以接觸到 3 個電熱刀中的一個,葉柄和電熱刀一接觸上,電流立即導通,燒斷葉柄,摘除葉子。利用熱切斷葉柄,還能對切斷部位消毒,可以防止病菌從切口侵入。這種機器人的采摘速度為45 s/根,成功率約為80%。

2)岡山大學和井關農機株式會社于1991年合作研究了黃瓜收獲機器人,這款機器人的研發是農機農藝相融合的成果。首先,為使機器人容易進行收獲作業,改進了黃瓜的栽培方式——將傳統的栽培方式傾斜化,用支柱等支撐莖葉,只讓果實露在棚架的下方,達到果實和莖葉分開的目的,以利于黃瓜的采摘。這臺機器人由可進行果實識別和位置檢出的視覺傳感器、七自由度極坐標型機械臂、可夾持果實并檢出和剪斷果梗的末端執行器以及移動機構構成。

1.1.3 柑橘類收獲機器人

1)日本久保田株式會社于 1988 年試驗、開發了柑橘收獲機器人。該機器人機械臂為三自由度垂直多關節型,小臂和大臂長度相等,肘和腕關節的速比為21。末端執行器可以沿直線運動,使機械臂不會像一般極坐標型關節一樣伸向背后,從而避免了與背后的果樹發生干擾。機器工作時,頻閃光源發光,末端執行器內部的攝像機隨即開始采集圖像,檢測出果實。機械臂靠近目標果實并用吸盤將目標果實吸入梳狀罩,使其和其他果實分開,最后由錐形切刀將果梗切斷。

2)美國的佛羅里達大學于 1990 年開發了橙子收獲機器人。這種橙子收獲機器人擁有可實現左右上下和直線運動的三自由度極坐標型液壓驅動以及七自由度的機械臂。當末端執行器內置的光源、彩色攝像機檢出果實之后,末端執行器就移向果實,末端執行器內置的超聲波傳感器檢測出距離,半圓形環切刀便旋轉切斷果梗收獲橙子。

3)西班牙工業自動化研究所也研發了一款柑橘采摘機器人,該機器人由機械手、彩色視覺系統和超聲傳感定位器組成,安裝在拖拉機上。不同于前述兩種,該機器人需由人工完成尋找、定位待摘果實以及機器人導航的任務,而運動軌跡規劃、關節控制和末端執行器控制等任務則由系統控制,屬于半自動化采摘機器人。該機器人工作的速度極快,每分鐘可以采摘柑橘60個,而靠人工只能摘 8 個左右,它還可以按柑橘的色澤、大小將果實進行分級裝箱。

1.1.4 蘋果采摘機

20世紀90年代,韓國研制出一臺自動摘蘋果的機器人,該機器人由識別影像處理系統、機器人主體、機械手和行走裝置 4 部分組成,由計算機控制專門采摘成熟度達 90%以上的蘋果且不損傷樹枝。它的活動半徑為3 m,可以左右旋轉并上下前后運動。該機器人采摘速度較慢,摘一個蘋果需要 1020 s,但它可以連續工作 20 h,采摘效率是人工的34倍。

1.1.5 葡萄采摘機器人

1989年,日本岡山大學研發了葡萄收獲機器人。該機器人的末端執行器主要由夾持穗軸的機械手指、切刀和可前后方向滑動的推拉部組成,從水平方向接近果穗并采收,使其剪斷穗軸時盡量不觸碰到果穗,以免果實被觸碰而造成商品價值降低。

1.1.6 茄子收獲機器人日本以蔬菜茶葉研究所為中心的研究小組從1997年開始研究適用于V字形栽培方式的茄子收獲機器人。V 字形整枝栽培的主莖和第一側枝向壟溝方向傾斜,坐果后果實垂直下墜,這是一種有利于機械收獲的栽培方式。該機器人由控制部、檢測部、機械臂、末端執行器和移動車構成,采用了和人的手臂一樣有七自由度的垂直多關節型機械臂,能夠從各個方向靠近果實。國外在果蔬采摘機器人的研究方面已取得較大成果,其中發展最快的應屬日本,日本在農業機器人方面的研究水平處于世界領先。盡管如此,無論是果蔬采摘機器人還是其他農業機器人的發展仍處于研究階段,都未能實現商業化生產。

1.2 我國的研究現狀

我國對果蔬采摘機器人的研究起步較晚,始于20世紀90年代中期,主要集中在高等院校中進行研究。近年來,我國在采摘機器人研究方面與國外相比,差距逐漸減小。

1.2.1 草莓采摘機器人

中國農業大學的張鐵中教授對農業機器人領域有較深研究,20042005年間,張鐵中等人針對我國溫室壟作栽培的草莓,設計了 3 種草莓采摘機器人,分別是橋架式、四自由度龍門式和三自由度直角坐標式草莓采摘機器人。這 3 種草莓采摘機器人均通過 CCD 傳感系統獲取彩色圖像,經過圖像處理進行目標草莓的識別和定位,再通過末端執行器進行采摘。其中四自由度龍門式草莓采摘機器人,還解決了在較窄壟溝收獲草莓難度大的問題。實驗表明該采摘機器人對草莓成熟度的判斷準確率為91.7%,時間為160 ms,系統運行穩定性為93.8%,手爪抓取成功率為89.1%,手爪定位精度為± 1.5 mm,果柄切斷率95.1%,采摘速度為9.39 s/枚。

1.2.2 茄子采摘機器人

中國農業大學和濰坊學院于2006年聯合研制了茄子采摘機器人,該機器人由四自由度關節式機械手、DMC運動控制器、數字攝像頭以及PC機組成。關節式機械手的 4 個關節均為旋轉關節,分別與人的腰部、肩部、肘部和腕部相對應。對目標果實則采用基于直方圖的固定雙閾值法對 G-B 灰度圖像進行分割,通過對圖像分割得到果實目標的二值圖像,并進行邊緣提取、輪廓跟蹤和輪廓標記。性能測試結果表明該機器人抓取成功率為89%,平均耗時為37.4 s。

1.2.3 番茄采摘機器人

1)浙江大學的梁喜鳳根據西紅柿采摘作業的特點,設計了由兩個移動關節和五個旋轉關節構成的七自由度冗余機械手,并對其進行機構尺寸優化、工作空間和運動學分析與仿真,為西紅柿采摘機器人的實際開發提供了良好的參考模型。

2)中國農業大學的趙金英、張鐵中等于2006年設計了五自由度關節式西紅柿采摘機器人,其絕對定位精度誤差可在10 mm之內,抓取成功率為72%。3)南京農業大學的張瑞合、姬長英等人則在番茄采摘中運用雙目立體視覺技術對紅色番茄進行定位,并運用體視成像原理,從兩幅二維圖像中恢復目標的三維坐標,當目標與攝像機的距離為300400 mm 時,深度誤差可控制在3%4%。1.2.4 黃瓜采摘機器人中國農業大學的湯修映、張鐵中等于2007年研制了六自由度圓柱型黃瓜采摘機器人。該機器人擁有六自由度機械臂,各關節均采用步進電機驅動;視覺系統采用基于RGB模型G分量的圖像分割算法,分割成功率為 70%左右;末端執行器由一個活動刃口和固定刃口組成。經實驗表明,該機器人運動定位精度為±2.5 mm,末端執行器的采摘成功率達到93.3%。

2 果蔬采摘機器人發展存在的問題及解決思路

2.1 主要存在的問題雖然目前果蔬采摘機器人的發展取得了較大進步,但相對于工業機器人來說,其發展較為落后,主要存在以下方面問題。

1)定位和識別功能較差。在果蔬采摘機器人系統中,由于作業環境的復雜性,水果和葉子等往往容易重疊在一起;并且光照條件具有不確定,從而導致圖像中存在噪聲和各種干擾信息,降低了識別和定位目標果實的準確率。因此,采摘對象的智能化識別和定位問題還需要進一步研究。

2)采摘效率不高。由于果蔬收獲機器人需要進行圖像處理、控制系統等步驟,大多數采摘機器人的效率不高。例如荷蘭的 IMAG 研究所開發的黃瓜收獲機器人其采摘速度為 45 s/根;韓國研制的自動摘蘋果機器人,摘一個蘋果需要 1020 s;中國農業大學的張鐵中教授對農業機器人領域有較深研究,中國農業大學研制的四自由度龍門式草莓采摘機器人采摘速度為 9.39 s/枚;中國農業大學和濰坊學院聯合研制的茄子采摘機器人采摘速度為37.4 s/根。這些采摘速度均低于人工采摘速度。要使果蔬采摘機器人真正應用于實際生產,就必須要提高作業效率以及作業準確度。

3)成本較高。果蔬采摘機器人與工業機器人相比,其結構和控制系統更加復雜,而且生產周期短、設備利用率低,因此,其制造、使用和維護成本均比工業機器人高。(4)通用性差。一種采摘機器人只是針對某一特定植物完成單一的任務,各類機器人之間幾乎沒有通用性。

2.2 解決思路

為了突破限制果蔬采摘機器人的發展因素,就必須解決以上的問題,這樣才能加速果蔬采摘機器人的發展,盡快實現商品化。

1)研究能夠精確識別和定位目標果實的圖像處理及視覺傳感技術。

2)盡量提高機器處理信息及執行命令的速度,并采用結構簡單執行步驟最少的機械結構,以達到提高生產效率的目的。

3)選用材料應盡量考慮經濟因素,選擇性價比高的產品及材料進行設計,以降低制造成本。

4)采用開放式的控制系統,并增強果蔬采摘機器人的通用性,提高其使用效率。

5)在研究果蔬采摘機器人時,應注重農機農藝的結合,可以通過改變果蔬的栽培模式來降低采摘的復雜性,使果蔬采摘機器人的視覺定位和移動變簡單。

3 結語從目前國內外果蔬采摘機器人的發展現狀來看,果蔬采摘機器人仍處于研究階段,要實現果蔬采摘機器人的商品化,仍需做更深入的研究,進一步提高果蔬采摘機器人的生產效率、精度,降低制造成本,增強其通用性。

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