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果蔬采摘机器人发展现状、问题及对策

        果蔬采摘是一项季节性强、操作复杂且劳动强度极高而效率又极低的工作。据调查,果蔬采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的 33%50%,而目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。因此,研究果蔬采摘机器人对缓解农村劳动力缺乏、节省人工成本、提高果蔬采摘效率有着重要的意义。

1 国内外研究现状及发展趋势

果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜,可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统,是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学,需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学、动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面学科领域常识。

1.1 国外的研究现状

1.1.1 番茄收获机器人

1)日本冈山大学 1991 年研究了一种番茄收获机器人,它由机械手、末端实行器、视觉传感器和移动机构组成。机器人利用机器视觉对果实进行判别,采用五自由度垂直多关节机械臂和能够上下、前后移动的二自由度直动关节,以避让茎叶接近目标果实,吸盘吸住果实后退回,将目标果实和其他果实分离,末端实行器以和吸盘相同的速度前进,使机械手抓住果实,最后通过机器臂的腕关节旋转,将果实摘下。

2)日本岛根大学研究了樱桃番茄选择性收获机器人,这个机器人由安装在电动车上的机械臂、末端实行器、三维视觉传感器和计算机组成。三维视觉传感器是安装在末端实行器上的,以利用机械臂和末端实行器的运动,进行正面扫描和茎叶的间隙里的侧面扫描,来收获茎叶后的果实;末端实行器采用的是柔性软管,可以左右摆动避让在收获过程中的障碍物。

1.1.2 黄瓜收获机器人

1)荷兰的IMAG研究所开发了收获和摘叶同时进行的机器人,其机械臂为七自由度垂直多关节型,移动机构沿行进方向平行滑动,可以保证机构不干扰视觉传感器。其末端实行器由 3 把电热刀和围着主茎配置的气动驱动器组成,电热刀的安装位置使其可以从 3 个方向围住主茎,电热刀上方有 V 字形引导器。首先,视觉传感器识别需要摘除的叶子及其主茎,检测出其位置,接近被摘叶下方的主茎。电热刀的引导器沿主茎向上滑动,叶柄总可以接触到 3 个电热刀中的一个,叶柄和电热刀一接触上,电流马上导通,烧断叶柄,摘除叶子。利用热切断叶柄,还能对切断部位消毒,可以防止病菌从切口侵入。这种机器人的采摘速度为45 s/根,成功率约为80%

2)冈山大学和井关农机株式会社于1991年合作研究了黄瓜收获机器人,这款机器人的研发是农机农艺相融合的成果。首先,为使机器人容易进行收获作业,改进了黄瓜的栽培方式——将传统的栽培方式倾斜化,用支柱等支撑茎叶,只让果实露在棚架的下方,达到果实和茎叶分开的目的,以利于黄瓜的采摘。这台机器人由可进行果实识别和位置检出的视觉传感器、七自由度极坐标型机械臂、可夹持果实并检出和剪断果梗的末端实行器以及移动机构构成。

1.1.3 柑橘类收获机器人

1)日本久保田株式会社于 1988 年试验、开发了柑橘收获机器人。该机器人机械臂为三自由度垂直多关节型,小臂和大臂长度相等,肘和腕关节的速比为21。末端实行器可以沿直线运动,使机械臂不会像一般极坐标型关节一样伸向背后,从而避免了与背后的果树发生干扰。机器工作时,频闪光源发光,末端实行器内部的摄像机随即开始采集图像,检测出果实。机械臂靠近目标果实并用吸盘将目标果实吸入梳状罩,使其和其他果实分开,最后由锥形切刀将果梗切断。

2)美国的佛罗里达大学于 1990 年开发了橙子收获机器人。这种橙子收获机器人拥有可实现左右上下和直线运动的三自由度极坐标型液压驱动以及七自由度的机械臂。当末端实行器内置的光源、彩色摄像机检出果实之后,末端实行器就移向果实,末端实行器内置的超声波传感器检测出距离,半圆形环切刀便旋转切断果梗收获橙子。

3)西班牙工业自动化研究所也研发了一款柑橘采摘机器人,该机器人由机械手、彩色视觉系统和超声传感定位器组成,安装在拖拉机上。不同于前述两种,该机器人需由人工完成寻找、定位待摘果实以及机器人导航的任务,而运动轨迹规划、关节控制和末端实行器控制等任务则由系统控制,属于半自动化采摘机器人。该机器人工作的速度极快,每分钟可以采摘柑橘60个,而靠人工只能摘 8 个左右,它还可以按柑橘的色泽、大小将果实进行分级装箱。

1.1.4 苹果采摘机

20世纪90年代,韩国研制出一台自动摘苹果的机器人,该机器人由识别影像处理系统、机器人主体、机械手和行走装置 4 部分组成,由计算机控制专门采摘成熟度达 90%以上的苹果且不损伤树枝。它的活动半径为3 m,可以左右旋转并上下前后运动。该机器人采摘速度较慢,摘一个苹果需要 1020 s,但它可以连续工作 20 h,采摘效率是人工的34倍。

1.1.5 葡萄采摘机器人

1989年,日本冈山大学研发了葡萄收获机器人。该机器人的末端实行器主要由夹持穗轴的机械手指、切刀和可前后方向滑动的推拉部组成,从水平方向接近果穗并采收,使其剪断穗轴时尽量不触碰到果穗,以免果实被触碰而造成商品价值降低。

1.1.6 茄子收获机器人日本以蔬菜茶叶研究所为中心的研究小组从1997年开始研究适用于V字形栽培方式的茄子收获机器人。V 字形整枝栽培的主茎和第一侧枝向垄沟方向倾斜,坐果后果实垂直下坠,这是一种有利于机械收获的栽培方式。该机器人由控制部、检测部、机械臂、末端实行器和移动车构成,采用了和人的手臂一样有七自由度的垂直多关节型机械臂,能够从各个方向靠近果实。国外在果蔬采摘机器人的研究方面已取得较大成果,其中发展最快的应属日本,日本在农业机器人方面的研究水平处于世界领先。尽管如此,无论是果蔬采摘机器人还是其他农业机器人的发展仍处于研究阶段,都未能实现商业化生产。

1.2 我国的研究现状

我国对果蔬采摘机器人的研究起步较晚,始于20世纪90年代中期,主要集中在高等院校中进行研究。近年来,我国在采摘机器人研究方面与国外相比,差距逐渐减小。

1.2.1 草莓采摘机器人

中国农业大学的张铁中教授对农业机器人领域有较深研究,20042005年间,张铁中等人针对我国温室垄作栽培的草莓,设计了 3 种草莓采摘机器人,分别是桥架式、四自由度龙门式和三自由度直角坐标式草莓采摘机器人。这 3 种草莓采摘机器人均通过 CCD 传感系统获取彩色图像,经过图像处理进行目标草莓的识别和定位,再通过末端实行器进行采摘。其中四自由度龙门式草莓采摘机器人,还解决了在较窄垄沟收获草莓难度大的问题。实验表明该采摘机器人对草莓成熟度的判断准确率为91.7%,时间为160 ms,系统运行稳定性为93.8%,手爪抓取成功率为89.1%,手爪定位精度为± 1.5 mm,果柄切断率95.1%,采摘速度为9.39 s/枚。

1.2.2 茄子采摘机器人

中国农业大学和潍坊学院于2006年联合研制了茄子采摘机器人,该机器人由四自由度关节式机械手、DMC运动控制器、数字摄像头以及PC机组成。关节式机械手的 4 个关节均为旋转关节,分别与人的腰部、肩部、肘部和腕部相对应。对目标果实则采用基于直方图的固定双阈值法对 G-B 灰度图像进行分割,通过对图像分割得到果实目标的二值图像,并进行边缘提取、轮廓跟踪和轮廓标记。性能测试结果表明该机器人抓取成功率为89%,平均耗时为37.4 s

1.2.3 番茄采摘机器人

1)浙江大学的梁喜凤根据西红柿采摘作业的特点,设计了由两个移动关节和五个旋转关节构成的七自由度冗余机械手,并对其进行机构尺寸优化、工作空间和运动学分析与仿真,为西红柿采摘机器人的实际开发提供了良好的参考模型。

2)中国农业大学的赵金英、张铁中等于2006年设计了五自由度关节式西红柿采摘机器人,其绝对定位精度误差可在10 mm之内,抓取成功率为72%3)南京农业大学的张瑞合、姬长英等人则在番茄采摘中运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位,并运用体视成像原理,从两幅二维图像中恢复目标的三维坐标,当目标与摄像机的距离为300400 mm 时,深度误差可控制在3%4%1.2.4 黄瓜采摘机器人中国农业大学的汤修映、张铁中等于2007年研制了六自由度圆柱型黄瓜采摘机器人。该机器人拥有六自由度机械臂,各关节均采用步进电机驱动;视觉系统采用基于RGB模型G分量的图像分割算法,分割成功率为 70%左右;末端实行器由一个活动刃口和固定刃口组成。经实验表明,该机器人运动定位精度为±2.5 mm,末端实行器的采摘成功率达到93.3%

2 果蔬采摘机器人发展存在的问题及解决思路

2.1 主要存在的问题虽然目前果蔬采摘机器人的发展取得了较大进步,但相对于工业机器人来说,其发展较为落后,主要存在以下方面问题。

1)定位和识别功能较差。在果蔬采摘机器人系统中,由于作业环境的复杂性,水果和叶子等往往容易重叠在一起;并且光照条件具有不确定,从而导致图像中存在噪声和各种干扰信息,降低了识别和定位目标果实的准确率。因此,采摘对象的智能化识别和定位问题还需要进一步研究。

2)采摘效率不高。由于果蔬收获机器人需要进行图像处理、控制系统等步骤,大多数采摘机器人的效率不高。例如荷兰的 IMAG 研究所开发的黄瓜收获机器人其采摘速度为 45 s/根;韩国研制的自动摘苹果机器人,摘一个苹果需要 1020 s;中国农业大学的张铁中教授对农业机器人领域有较深研究,中国农业大学研制的四自由度龙门式草莓采摘机器人采摘速度为 9.39 s/枚;中国农业大学和潍坊学院联合研制的茄子采摘机器人采摘速度为37.4 s/根。这些采摘速度均低于人工采摘速度。要使果蔬采摘机器人真正应用于实际生产,就必须要提高作业效率以及作业准确度。

3)成本较高。果蔬采摘机器人与工业机器人相比,其结构和控制系统更加复杂,而且生产周期短、设备利用率低,因此,其制造、使用和维护成本均比工业机器人高。(4)通用性差。一种采摘机器人只是针对某一特定植物完成单一的任务,各类机器人之间几乎没有通用性。

2.2 解决思路

为了突破限制果蔬采摘机器人的发展因素,就必须解决以上的问题,这样才能加速果蔬采摘机器人的发展,尽快实现商品化。

1)研究能够精确识别和定位目标果实的图像处理及视觉传感技术。

2)尽量提高机器处理信息及实行命令的速度,并采用结构简单实行步骤最少的机械结构,以达到提高生产效率的目的。

3)选用材料应尽量考虑经济因素,选择性价比高的产品及材料进行设计,以降低制造成本。

4)采用开放式的控制系统,并增强果蔬采摘机器人的通用性,提高其使用效率。

5)在研究果蔬采摘机器人时,应注重农机农艺的结合,可以通过改变果蔬的栽培模式来降低采摘的复杂性,使果蔬采摘机器人的视觉定位和移动变简单。

3 结语从目前国内外果蔬采摘机器人的发展现状来看,果蔬采摘机器人仍处于研究阶段,要实现果蔬采摘机器人的商品化,仍需做更深入的研究,进一步提高果蔬采摘机器人的生产效率、精度,降低制造成本,增强其通用性。

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