浅析国内外果蔬采摘机器人研究现状及水平

采摘机器人是一类针对水果或蔬菜收获作业，具有感知系统的自动化机械收获装备，是集机械、电子信息、计算机科学、人工智能、农业及生命科学等多学科于一体的交叉性边缘科学，其涉及本体结构、传感技术、视觉图像处理、机器人正逆运动学与动力学、控制驱动技术以及信息处理等多学科领域知识。相对于在结构性环境下工作的工业机器人，在进行采摘机器人等农业机器人研究中，要充分考虑机器人作业对象的自身特征和外界的生长环境等诸多因素，对作业对象进行充分了解。

国外果蔬采摘机器人

1968年，美国学者Schertz和Brown提出应用机器技术进行果蔬收获的理念，被学术界认为是农业采摘机器人研究的开端。但开始采摘机器研制采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其自动化和智能化程度不高。

1987年，学者Sistler在总结果蔬收获机器人领域研究进展时指明，当时研发的收获机器人一般都需要人员参与协调，因此严格来讲其只能被认为是半自动化收获装备。随着科学技术的不断发展，传统的土地利用型农业将逐渐形成以作物栽培技术为基础、以生物技术为先导、集机械化作业、自动化培育设施和人工可控环境等科技的现代新型产业。

而果蔬采摘机器人就是主要作业任务为实现果蔬采摘的农业机器人。目前，许多都相继开展了果蔬收获机器人领域的研究工作。涉及到的研究对象主要包括橙子、苹果、柑橘、番茄、樱桃番茄、芦笋、黄瓜、甜瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇、甜椒等。

自20世纪80年代中叶，基于工业机器人技术、视觉和图形处理技术以及人工智能技术日益成熟，欧美、日本等国相继立项开展了多种果蔬采摘机器人研究。

日本果蔬采摘机器人

1984年日本京都大学的川村等人基于番茄采摘的研究，研制出一台5自由度关节型机器人，标志着严格意义上的采摘机器人在日本诞生。此后，自20世纪90年代起，日本学者近藤直等人在农业机器人领域做了大量研究，其1993年研制的番茄采摘机器人在当时影响很大。该机器人机械本体主要由一具有SDOF的关节型机械臂、能前后、上下移动的2DOF笛卡尔直动关节及移动承载平台组成，之后其也以SCARA机器人为主体设计了另一款番茄采摘机器人。

日本宇都宫大学等研究机构研制了针对草莓的传统土培模式和高架栽培模式研制了相应的采摘机器人。日本冈山大学也研制了葡萄、黄瓜等机器人，并为了提高机器人使用率，为其配置了相应的末端执行器，并可经过改进后能完成喷洒、套袋和修枝等作业。

日本农机公司久保田集团成功研制柑橘采摘机器人，该机器人移动机架上安装升降悬臂，悬臂前端的底座上安装有3DOF垂直多关节机械臂。日本蔬菜茶叶研究所与农研院研制了茄子采摘机器人。

日本松下公司研发的大棚番茄采摘机器人能完好无损地摘取果实，并搬运至推车，自动更换新的收获箱，旨在通过实现夜间自动采摘以减少白天的工作量。

日本 Monta 等开发了基于激光测距仪的葡萄采摘机器人，采用激光测距的扫描方式获得葡萄串的空间位置。同时，该机器人更换末端执行器后还可以进行其他的葡萄园管理作业。

欧洲果蔬采摘机器人

1996年，由荷兰农业环境工程研究所（IMAG）研制出一款应用于大棚作业的黄瓜采摘机器人，目标作物为高拉线缠绕方式吊挂生长。其搭载7DOF垂直多关节型机械臂，移动机构沿行进方向滑行，并能在更换末端执行器后能实现摘叶功能。

2010年10月以瓦赫宁根大学为主的欧盟团队开始研制甜椒采摘机器人，其为欧盟第七框架计划项目（FP7），该机器人包括采摘机械臂、导轨压缩机、控制电路、工控机、末端执行器及移动载运平台等。该团队于2014年9月完成最终的机器人样机与研究。

荷兰的Henten等研制的黄瓜采摘机器人，适合对斜拉线模式种植、没有叶片遮挡干扰的0.8~1.5m高度范围黄瓜进行采摘。该机器人以温室供热管道为轨道，行驶速度达0.8m/s。机器人通过单目相机在不同位置采集850nm和970nm黄瓜近红外图像形成立体视觉，实现对黄瓜的目标识别和果梗采摘点定位。采摘机械臂采用三菱6自由度工业机械臂，采用夹持方式夹紧果实后，用高压电极烧断果梗，有利于防止细菌感染。采摘成功率约80%，单根黄瓜采摘平均耗时45s。

国内果蔬采摘机器人

我国在农业采摘机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，随着20多年的陆续研究，也取得了一些可喜的成果。

中国农业大学李伟团队开发了4自由度关节型机械臂和夹剪一体式两指气动式末端执行器，并配置了双目视觉系统。试验结果表明，每一果实采摘平均耗时为28s，采摘成功率为86%，其中阴影、亮斑、遮挡对识别效果造成影响，且在茂盛冠层间机械臂会刮蹭到茎叶并造成果实偏移，同时末端执行器可能会无法实施夹持，较粗果梗无法剪断或拉拽过程中果实掉落。

农业智能装备工程技术研究中心冯青春等，针对吊线栽培番茄开发的采摘机器人采用轨道式移动升降平台，配置4自由度关节式机械臂，并设计了吸力拉入套筒、气囊夹紧进而旋拧分离的末端执行器结构，并配置了线激光视觉系统，分别由CCD相机和激光竖直扫描实现果实的识别和定位。试验结果发现，番茄单果的采摘作业耗时约24s，在强光和弱光下的采摘成功率分别达83.9%和79.4%。

江苏大学刘继展等围绕番茄采摘机器人技术开展了持续研究。所开发的新型末端执行器，具备多维力位感知能力，配置了真空吸盘装置和由光纤激光器、聚焦透镜及微型电机系统构成的果梗激光切割装置，并以此为平台先后开展了果实夹持碰撞与快速柔顺采摘、果梗激光切割、真空吸持拉动建模与控制、手臂协调控制等研究。

中国农业大学张铁中团队开展了草莓采摘机器人的研究，分别对垄作和高架草莓栽培推出了不同样机。针对垄作草莓推出的机器人采摘系统，由3直动直角坐标机械臂配置夹持剪切式末端执行器，并分别在机架和臂上安装 CCD相机构成视觉系统。针对高架草莓推出的采摘机器人“采摘童1号”样机，采用微型履带底盘，配置3直动的直角坐标机械臂和夹剪一体式末端执行器，末端执行器下方安装摄像头用以检测果实并判断位置偏差，爪上安装光纤传感器用以检测果柄的存在。试验结果采摘成功率达88%，单果采摘平均耗时为18.54s。

采摘机器人存在问题及发展趋势

中国的采摘机器人技术起步较晚，但随着人口红利的消失，劳动力紧缺问题已快速成为制约农业发展、特别是劳动密集型的果蔬产业发展的瓶颈，采摘机器人技术已从前瞻性研究开始成为现实需求。但是果蔬采摘机器人研究进行了20多年，鲜有合适的机器人推出，缺乏成熟的市场化产品，其原因如下：一，采摘机器人结构复杂，采摘效率较人工相对偏低；其二，对于鲜食果蔬，采摘机器人机械臂采摘时容易将果实表皮破损，影响鲜食果蔬的商品化，且存在漏采现象；其三，果蔬机器人零部件价格高，整机价格昂贵，而果蔬价格相对便宜，经济性不高；其四，果蔬的种植方式及生产模式较多，果园建设、果树种植标准化程度较低，不适合采摘机器人作业，制约着采摘机器人推广应用。

未来采摘机器人发展的趋势在于以下四个方面：一，多种视觉与超声波传感器融合的果蔬快速定位识别方法；第二，针对不同果蔬，轻型化、柔性采摘机械臂的研发；第三，采摘后果蔬放置、导航、移运等多环节装备的研究；第四，果蔬种植环境的标准化，果蔬种植标准化、规模化、专一化、工厂化，将有利于减少采摘作业的复杂因素，提高果蔬采摘机器人的工作效率， 有利于采摘机器人与运送机器人及换行机器人多机协同的作业，有利于采摘机器人未来推广及规模化应用。

随着计算机和自动化技术的快速发展、农业高新技术的应用和普及，机器人技术日渐逐步进入农业生产领域中，促使现代农业走向装备机械化、生产智能化道路。农业机器人大致可以分为果蔬采摘机器人、蔬菜嫁接机器人、果蔬分选机器人以及农田作业机器人。而果蔬采摘机器人一般在非结构性环境中作业，其研发难度远大于其它类型的机器人。