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1、果实收获机器人现状与发展农机101班 第二组 果实采摘/收获机器人系统摘要：果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强，因此，保证果实适时采收降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本的50%70% 。并且时间较为集中，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生产费用，提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。关键词：收获 ； 机器人 ； 现状 ； 发展Present situation and development o
2、f the fruit harvesting machineryAbstract: Fruit picking is one of the most time-consuming effort in the production chain，picking seasonal, Therefore, to ensure the timely harvest fruit reduce operation cost is an important way of agricultural income. Because of the complexity of picking, picking the
3、 automation level is still very low. The fruit picking operation basically is artificial, its costs account for about the cost of 50%70%. And the time is more concentrated, Important type of picking robot as an agricultural robot, Its role is to reduce labor intensity and production cost, improve la
4、bor productivity and product quality, ensure timely harvest fruit, so it has great development potential.Key words: Harvest, Robot, Present situation, Development1 引言21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期,随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目如蔬菜和水果的挑选与采摘蔬菜的嫁接等都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题。同时,工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向
5、社会其他产业转移，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力。果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强，劳动强度大，费用高。因此，保证果实适时采收降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本的50%70% 。并且时间较为集中，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生产费用，提高劳动生产率和产品质量，保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。2 收获机器人的研究现状 目前，各农业发达国家果蔬收获机器人
6、的研究已经取得了很大的进展，但离实用化和商品化还有很长一段距离。表1为部分国家果蔬收获机器人的研究进展情况。法国是最早研究水果收获机器人的国家之一。日本近年来在收获机器人研究方面进展很快，但还没能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作也走在很多国家的前面，但研究的果蔬种类并不多。目前收获机器人还未得到真正应用的原因主要是： 1) 果实的识别率和采摘率不高,损伤率较大； 2) 果实的平均采摘周期较长； 3) 收获机器人的制造成本较高。表1 国外果蔬收获机器人研究进展统计商业化阶段 样机阶段 研究阶段 日本 橄榄、葡萄、西红柿、樱桃、黄瓜 橄榄、西红柿、茄子、西瓜、甜橙、草莓 荷兰 萝卜、蘑菇
7、西红柿、芦笋 黄瓜、葡萄 法国 葡萄、橄榄、苹果、甜橙英国 蘑菇 定期收获水果的攀爬机器人 美国 椰菜、甜橙、柑桔 目前的果蔬收获机器人一般可分为行走部分、机械手、识别和定位系统、末端执行器等. 2. 1 行走部分不同于一般工业机器人的是, 收获机器人一般不是静止的, 往往需要安装在小巧的平台上, 以便于在野外不同的土壤地势条件下移动. 机器人的行走机构多为轮式结构的移动小车, 它是一个承载平台,机械手、识别和定位系统、末端执行器和控制系统等均安装于其上. 行走路面为野外的自然地面或者经过改造的水泥等光顺地面. 荷兰开发的黄瓜收获机器人还以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走轨道,此外还有一种
8、则为一种横跨于果树上方的自主导引式龙门车. 行走机构常采用蓄能器供电( 电瓶车) , 对于大型的水果收获机器人( 如甜橙收获机器人) 往往用拖拉机牵引. 采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是智能收获机器人行走部分的发展趋势。图1 温室黄瓜收获机器人2. 2 机械手部分机械手又称操作机, 是指具有和人手臂相似的动作功能, 并使工作对象能在空间内移动的机械装置, 是机器人赖以完成工作任务的实体. 在收获机器人中, 机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置. 机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型. 多关节机械手又称为拟人( 类人) 机器人,
9、 和其它结构比较起来, 要求更加灵活和方便. 机械手的自由度数是衡量机器人性能的重要指标之一, 它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性.日本冈山大学研制出一种具有7个自由度的西红柿收获机械手, 其中包括2个直动关节, 该机械手还可用于樱桃西红柿的收获. 冈山大学还研制了一种适用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人, 其操作手部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手, 由4个旋转关节和一个棱柱型直动关节构成. 旋转关节可以保证末端执行器以更灵活的角度接近不同姿态的葡萄束, 直动关节则简化了控制方式. 美国佛罗里达大学开发了一种由两个转动副和一个滑动副构成的球型坐标机器人, 该机器人的摄像系统固
10、定在操作手末端, 水果图像位于滑动轴中心, 因此, 滑动轴稍稍张开一定角度即可接触到水果, 有利于水果的采摘。2. 3 识别和定位系统水果采摘机器人的首要任务就是要识别和定位水果, 因此, 视觉系统是果蔬机器人的重要组成部机器视觉技术在果蔬收获机器人中的应用最早可以追溯到1968 年, 当时美国学者Schertz 和Brown提出了用光测信号对果实进行检测的思想, 即利用果实和叶子在电磁光谱的可见光和红外区域反射率的不同来检测水果, 后来的研究大都遵循了这一思想. 1977 年, Parrish 和Goksel 就是据此构建了第一个较为实用的苹果识别视觉系统. 但这种思想直到近20 年由于计算
11、机技术和传感器技术的发展才得以真正成熟起来。 收获机器人视觉系统的工作方式通常是, 首先获取水果的数字化图像, 然后再运用图像处理算法识别并确定图像中水果的位置. 传感器是机器视觉系统最重要的部件, 主要包括图像传感器和距离传感器等. 图像传感器有CCD黑白相机、彩色摄像机或者立体摄像机, 一般安装于机械臂或末端执行器上.距离传感器有激光测距、超声、无线和红外传感器等.较早的果蔬收获机器人视觉系统大多是基于二维系统, 当叶子和水果的颜色对比明显时, 这种二维系统可以成功地将水果从叶子中检测出来. 然而, 若有多个水果搭接重叠或者其颜色很近似, 则很难进行识别. 因此, 必须研究更为有效的三维视
12、觉识别系统。2. 4 末端执行器末端执行器是果蔬收获机器人的另一重要部件, 通常由其直接对目标水果进行操作. 因此, 需要满足各种不同的规则, 以便切除水果并确保水果质量, 而且对其改进, 还可以方便扩大作业范围 8 .末端执行器必须根据对象的物理属性来设计,包括形状、尺寸、动力学特性( 如抓取力、切割力、弹性变形、光特性、声音属性、电属性等) ; 水果的化学和生物特性也必须考虑 8 .末端执行器的性能评估指标一般有: 抓取范围、水果分离率、水果损伤率等.图6 柑桔收获机器人末端执行器2. 5 作物栽培模式对收获机器人设计的影响由于果实分布的随机和不确定性, 自然生长的果实往往不利于机器人的收
13、获作业, 例如人可以轻易地摘下隐藏于茎叶后面的果实, 而机器人却无法做到这一点. 因此, 为了提高生产效率、保证果实质量并易于操作, 在开发果蔬收获机器人时, 还可以从改变作物的栽培模式入手.对于苹果、柑桔等水果, 往往可以将树冠修剪成矩形, 从而使苹果更易于收获。.黄瓜的传统栽培模式为插棍等方式, 黄瓜几乎和藤茎处于同一垂直面上, 在收获过程中可能一块被切断, 通常还有部分果实被叶子遮住, 非常不利于机器人采摘. 为此, 荷兰研究出一种垂直拉线的黄瓜种植模式. 该栽培模式中, 每株植物都缠在一根垂直拉线上, 这根线被拉紧绕在一个线轴上. 当植物顶部到达水平拉线时, 通过线轴将垂直拉线往下放,
14、 使作物顶部降至水平拉线下方500mm. 在降低植物高度之前, 先将植物底部的叶子摘掉. 在该栽培模式中, 位于300 1700mm 高度间成熟的黄瓜很容易发现.日本则研究出一种倾斜棚架式的黄瓜种植模式, 该方式可以把黄瓜和茎叶分开, 因此也有利于机器人收获。3 农业收获机器人特点工业领域是机器人技术的传统应用领域. 由于在工业生产中, 机器人的工作位置和障碍往往都能够事先预知, 因此机器人的性能能得到很好的体现 12, 13 . 和工业机器人相比, 果蔬收获机器人有很多独特的特点, 主要表现在:( 1) 作业环境的非结构性收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的. 例如, 机器
15、人所处的地势可能崎岖不平, 天气条件( 如光照) 也可能随时改变. 即使在温室环境中, 也必须考虑温度、湿度、天气以及其它环境参数的影响. 在这种复杂多变的环境条件中, 机器人必须具有智能化的传感、规划和控制能力, 要有很强的自适应能力。( 2) 作业对象的个体差异和随机分布性果蔬收获机器人的首要任务是识别和定位水果, 而果实有的可能单个生长, 有的则是一簇一簇的, 形状、尺寸、颜色、成熟度也都不一样, 而且果实总是随机分布在田地、藤蔓或树枝上, 有的可能被茎杆和叶子遮挡, 还要遇到不同的自然条件, 如刮风可能导致果实摇动而不断改变其位置, 并且果树和藤蔓的形状大小也往往不一样, 从而使得机器
16、人检测和接近果实变得异常困难。 ( 3) 作业对象的柔软、易损性水果等作物一般都比较娇嫩、柔软, 收获时很容易遭受机械损伤, 因此必须小心处理. 这需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制。 ( 4) 收获机器人成本方面的特殊性农业机器人要想成功地应用, 其成本必须低于同样结构的工业机器人, 因为农业的利润往往很小,设备也只能季节性地使用。此外, 农民一般不具备太多的专业知识. 因此, 收获机器人必须结构简单、操作性好、可靠性高, 并且价格合理。4 果蔬收获机器人关键技术和技术难点收获机器人是一类工作于非结构环境中的典型的复杂光机电一体化产品, 涉及多门学科的知识. 一个智能型的收获机器人必须具备下述特征：1) 必须能准确地识别和定位成熟的果实, 并引导末端执行
