果蔬采摘机器人研究进展

果蔬采摘机器人研究进展刘长林,张铁中,杨丽(中国农业大学,北京100083)摘要 综述了果蔬采摘机器人的国内外研究现状,介绍了目前大部分典型的果蔬采摘机器人的研究成果。

通过分析大部分采摘机器人的工作情况、功能、存在问题,指出了目前采摘机器人的应用与研究过程中的主要难点与制约因素,提出了研究开发的方向与关键技术。

关键词 果蔬采摘;机器人;研究进展;关键技术中图分类号 S 225 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)13-05394-04Research Progress on P icking R obot fo r F ruits and V eg etables LIU C ha ng lin et al (Chinese Agricultural University,Beiji ng 100083)Abstract The current si tuation of research on frui t and vegetable pickin g robot at home and b roadwas su mm ariz ed,the particularly focuswere on the re search results of most typical picking robots,i ncl uding robot principle an d structure.Through an alyzing the working condi tion,functi on and p roblems of m os t of picking robot,the p resent difficulties and restricted factors of pickin g robot in its research and ap plication were point ou t and the research directi on and key tech nol ogy i n future were provi ded.Key w ords Fruit and vegetable picki ng;Robot;Research progress;Key tech nol ogy果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。

果蔬收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%。

随着社会经济的发展和人口的老龄化,很多国家农业劳动力严重短缺,导致果蔬生产劳动力成本增加。

为降低成本,提高劳动效率,果实采摘的自动化成为亟待解决的问题。

收获作业自动化和机器人的研究开始于20世纪60年代的美国,采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高,特别是无法进行选择性的收获[1]。

20世纪80年代中期以来,随着电子技术和计算机技术的发展,特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟,以日本为代表的发达国家,包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家,在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作。

1 国外研究进展1.1 西红柿采摘机器人 日本近藤(KO NTO)等研制的番茄采摘机器人,由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构组成(图1)。

该采摘机器人采用了7个自由度机械手。

用彩色摄像机作为视觉传感器,寻找和识别成熟果实,并采用双目视觉方法对果实进行定位,利用机械手的腕关节把果实拧下。

移动系统采用4轮机构,可在垄间自动行走。

该番茄采图1 日本的番茄采摘机器人Fig.1 T o ma to p ic king ro bo t made in Ja pa n摘机器人采摘速度大约是15s/个,成功率在70%左右。

主要存在的问题是当成熟番茄的位置处于叶茎相对茂密的地方时,机械手无法避开叶茎障碍物完成采摘[2-3]。

在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上,美国加利福尼亚西红柿机械公司展出2台全自动西红柿采摘机(图2)。

如果西红柿单位面积产量有保证的话,那么这种长12.5m 、宽4.3m 的西红柿采摘机每分钟可采摘1t 多西红柿,1h 可采摘70t 西红柿。

这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓,仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿,并将其通过输送基金项目 国家自然科学基金资助项目(60375036)。

作者简介 刘长林(1979-),男,吉林榆树人,博士研究生,研究方向:农业机器人和生物生产自动化。

收稿日期 2008 0328图2 美国的番茄采摘机器人Fig.2 T o ma to p ic king ro bo t made in America带送入随行卡车的货舱内,然后将未成熟的西红柿连同枝叶安徽农业科学,Jou rn al of An hu i A gri.Sci.2008,36(13):5394-5397 责任编辑 刘月娟 责任校对 马君叶一道粉碎,喷撒在田里作肥料[4]。

1.2 茄子采摘机器人 日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。

机器人由CCD 机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成,作业对象是温室中按照V 形生长方式种植的Se nryo 2号茄子。

该机器人的末端执行器设计复杂,包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器(图3)。

在实验室中进行了试验,采摘成功率为62.5%,工作速度为64.1s/个。

影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确;同时,视觉系统占用了72%的工作时间(46.1s),也是影响整个机器人采摘效率的主要因素[5-8]。

图3 日本的茄子采摘机器人Fig.3 Eg g plan t picking robo t mad e in J apa n1.3 甘蓝采摘机器人 日本国立农业研究中心的Muraka mi等研制了甘蓝采摘机器人,由极坐标机械手、4个手指的末端执行器、履带式行走装置和CCD 机器视觉系统组成,整个系统采用液压驱动(图4)。

系统利用人工神经网络(NN 算法)提取果实的二值图像,采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。

试验表明,采摘的成功率为43%,工作速度为55s/个。

影响成功率的主要原因是光照条件的不稳定、超声波测距传感器的误差、叶子的遮挡以及机械故障等[9]。

图4 日本的甘蓝采摘机器人Fig .4 Cabba g e picking rob ot ma de in J a pan1.4 葡萄采摘机器人 日本冈山大学研制出一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人,机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手,具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节(图5)。

这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作,旋转关节可以以不同的速度旋转,直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。

为了提高使用率,更换不同的末端执行器,还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业[10]。

1.5 黄瓜采摘机器人 日本的近藤直等研制的黄瓜采摘机器人,采用三菱MI TS UBIS HI RV E2型六自由度工业机器人,利用CCD 摄像机,根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜、叶茎(图6)。

黄瓜、果梗的连接与番茄不同,采用剪断方法,先把黄瓜抓住,用接近觉传感器找出柄,然后剪断,采摘速度为16s/个。

由于黄瓜是长条形,受到茎叶的影响更大,所以采摘的成功率较低,大约60%。

同样,需要改进该机器人机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功能,以提高采摘成功率,提高采摘速度[11-13]。

图5 日本的葡萄采摘机器人Fig.5 G rape picking robo t ma de in J apa n1996年,荷兰农业环境工程研究所(I MA G)研制出一种多功能黄瓜收获机器人(图7)。

该研究在荷兰2hm 2的温室里进行,黄瓜为高拉线缠绕方式吊挂生长。

该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实,并探测其位置。

机械手只收获成熟黄瓜。

末端执行器由手爪和切割器构成。

机械手有7个自由度,采用三菱(Mi tsubishi)RV E2六自由度机械手。

该机器人视觉系统的黄瓜检测效率大于95%,采摘成功率约80%,采摘速度约为54s/个,在实验用温室中作业效果良好。

但由于采收时间过长,不能满足商用要求[3,14]。

1.6 蘑菇采摘机器人 英国Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘机器人(图8)。

它可以自动测量蘑菇的位置、大小,并且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垫的吸引器;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75%左右,采摘速度为6.7539536卷13期 刘长林等 果蔬采摘机器人研究进展图6 日本的黄瓜采摘机器人Fig .6 Cucu mber pick ing ro bo t ma de i n Ja pan图7 荷兰的黄瓜采摘机器人Fig .7 Cu cumber pick ing ro bo t made in Neth erlands图8 英国的蘑菇采摘机器人Fig .8 Mus hro o m pickin g ro bot ma de in Britain个/s,生长倾斜是采摘失败的主要原因[16-19]。

1.7 柑橘采摘机器人 西班牙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、形状来判断柑桔是否成熟,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[20]。

1.8 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。

该机器人主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2个季节和2个品种的田间试验证明,甜瓜采摘机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作[21]。

1.9 苹果收获机器人 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人,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,内有压力传感器避免损伤苹果。

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[3]。

2 国内研究进展国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚。