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果树采摘机器人发展概况及特点
机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现f3l。机器人集成了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向14J。21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入农、lp生产领域。目前，国内浆果采摘作业基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，费用占成本的比例约为50％．70％。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和尘产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，冈而具有很大的发展潜力lM。1．2．1国外研究成果及现状自从20世纪60年代(1968年)美国人Schertz和Brown提出，}J机器人采摘果实之后，对采摘机器人的研究便受到广泛重视。随蓿科学技术的发展，农业机器人在国外迅速发展起来。最早的机械采摘方法是机械振摇式和7 e动振摇式两种方法，但这两种方法不仅容易损伤果实，采摘效率也不高，同时容易摘到未成熟果实I61。1983年，第一台采摘机器人在美固诞生，在以后20多年的时M晕，同、韩及欧美国家相继研究了采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇、柑橘、番茄和甜瓜等的智能机器人。l、日本的番茄采摘机器人：日本的果蔬采摘机器人研究始于1 984年，他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且孥硬的机械手爪容易损伤果实。日本冈山大学的Kondo等人研制的番茄采摘机器人，山机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，如图1-1所示。·—●T—争Sl7777一图1．1番茄采摘机器人结构简图S1一前后延伸棱柱关节；S2一上下延伸棱柱关节：3、4、5、6、7一旋转关节该机器人采用由彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统来寻找和识别成熟果实。考虑到番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器配带2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在!tl问自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是15s／个，成功率在70％左右。有些成熟番茄未被采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化17,81。2、荷兰的黄瓜采摘机器人：1996年，荷兰农业环境工程研究所(1MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置；末端执行器由手爪和切割器构成，用来完成采摘作业。机械手安装在行走车上，机械手的操作和采摘系统初步定位通过移动行走车来实现，机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。该机械手有7个自山度，采用三菱公司(Mitsubishi)RV．E2的6自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自动行走的运输车来完成。整个系统无人工干预就能在温室工作，工作速度为54s／根，采摘率为80％。试验结果表明：该机器人在实验室中的采摘效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求l引。3、韩国的苹果收获机器人：韩国庆北大学的科研人员研制出节果采摘机器人，它具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，其手心装有压力传感器，可以起到避免苹果损伤的作用。它利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果的识别率达85％，速度达5个／s。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从采摘到放置的时问，提高了采摘速度。该机器人无法绕过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法【lol。4、英国的蘑菇采摘机器人：英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬挚的吸引器；视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在7s％左右，采摘速度为6．7s／个，生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个未端执行器提高生产率是亟待解决的问趔¨1。5、西班牙的柑橘采摘机器人：西班爿：科技人员发明的这种柑橘采摘机器人主体装在拖拉机上，由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。它能依据柑桔的颜色、大小、形状束判断柑桔是否成熟?决定是否采摘。采下的桔子还可按色泽、大小分级装箱。这种采桔机器人采摘速度为1个／s，比人工提高效率6倍多‘121。6、以色列和美国联合研制的甜瓜收获机器人：以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人丰体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上，采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位，并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。在两个季节和两个品种的}H问试验证明，甜瓜采摘机器人可以完成85％以上的}H问甜瓜的识别和采摘．1=作‘\。表1．1给出了国外部分国家果蔬收获机器人同期研究进展统计。1．2．2国内研究成果及现状国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，与发达国家相比，虽然起步较晚，但不少大专院校、研究所都在迸行采摘机器人和智能农业机械方面的研究，已有很多研究成果披露，简介如下：l、林木球果采摘机器人：东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成，如图1．2所示。采摘时，机器人停在距离母树3．5m处，操纵机械手回转马达对准母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到～定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近I 5-2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果技，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果-完成一次采摘。这种机器人效率是500k∥天，是人工的30一50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率矧川。2、蘑菇采摘机器人：吉林工qk大学的周云山等人研究了蘑菇_={壬摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、二自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。汁算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息，并且引导机器手准确抵达待采摘蘑菇的中心位置，防止因对不准造成抓取失败或损伤蘑菇il”。3、草莓采摘机器人：中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室罩垄作栽培的草莓设计了3种采摘机器人。分别采用桥架式、4自由度』毛门式和3自由度直角坐标形式的机械手进行跨行收获，通过彩色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，进而控制末端执行器进行收获。同时，对草莓的生物特性、成熟度、多个草莓遮挡等实际问题进行了研究，为草莓采摘提供设计依据和理论基础{161。4、番茄采摘机器人：南京农业大学的张瑞合、姬长英等人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，将图像进行灰度变换，而后对图像的二维直方图进彳亍腐蚀、膨胀以去除小团块，提取背景区边缘，然后用拟合曲线实现彩色图像的分割，将番茄从背景中分离出来。对目标进行标定后，用面积匹配实现共轭图像中目标的配准。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。通过分析实验数据得出的结论为．当目标与摄像机的距离为300mm-400mm时，深度误差可控制在3％4％t”I。5、黄瓜采摘机器人：中国农业大学汤修映等人研制了6自由度黄瓜采摘机器人，采用基于RGB三基色模型的G分量来进行图像分割，在特征提取后确定出黄瓜果实的采摘点，未端执行器的活动刃口平移接近固定刃口，通过简单的开合动作剪切掉黄瓜。同时，提出了新的适合机器人自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。6、节果采摘机器人：中国农业大学的孙明等人为苹果采摘机器人开发了一套果实识别机器视觉系统，并成功研究了一种使二值图像的像素分割J下确率大于80％的彩色图像处王甲技术。通过对果实、叶、茎等的色泽信号浓度频率谱图的分析，求}l{闽值，然后运用此值对彩色图像进行二值化处理l。引。1．2．3果树采摘机器人的特点1、采摘对象的非结构性和不确定性果实的生长是随着时fHJ和空问而变化的。生长的环境是变化的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果树采摘机器人不但要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应多变的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有很高的智能性。2、采摘对象的娇嫩性和复杂性果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理；并且其形状复杂，生长发育程度不一，导致相互差异很大。果蔬采摘机器人一般是采摘、移动协调进行，行走轨迹不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离以及遍及整个果园表面等
特点。3、具备良好的通用性和可编程性因为果树采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，这就要求采摘机器人具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，就能进行多种作业。4、操作对象的特殊性和价格的实惠性农民是果树采摘机器人的主要操作者，他们不具有相关的机电理论知识，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。