采摘机器人在农业中的应用分析

孟 丹，张 亮，李 磊，王美玲

（常州先进制造技术研究所，江苏 常州 213164）

果实采摘具有季节性、劳动强度大的特点，可以说是整个农业生产活动中最费时费力的环节。果实采摘的效率和成本直接关系着农业产量，人工采摘方式不仅成本高而且效率低，不利于农业的大机械化生产。为了确保农业生产能够适时采收，降低农民的劳动强度和采摘成本，农业生产已经渐渐朝着机械化、智能化的方向发展，采摘机器人被逐渐应用到农业生产中。

1 采摘机器人概述

采摘机器人集多种前沿科技于一身，其中涵盖了图像识别技术、监测技术以及传感技术等。采摘机器人的工作对象是农作物，不同的农作物种植方式不同，果实形态各异，生长环境也不尽相同，所以采摘机器人具有较强的针对性，只有这样才能切实提高采摘的效率。在设计采摘机器人时应该考虑到作业对象的特点及其生长环境，能够根据不同的地理环境自动调整作业质量，通过改变机器人的程序指令，就可以改变机器人的作业动作。

2 采摘机器人的特点

2.1 操作的便捷性

农民是农业生产的主体，采摘机器人是为了提高农业采摘效率发明的，所以在设计上应该要考虑到农民群体的特点，操作上必须要更加便捷、实用，同时还需兼顾农民群体的经济实力，采摘机器人的价格应该在使用者的承受范围内。只有兼顾价格和操作方式，才能在农民群体中广泛应用，真正实现大机械化生产，减轻农民的负担。

2.2 环境的高适应性

农作物生长的自然环境是采摘机器人的作业环境，农作物的生长环境受到天气、温度以及地形地质条件的影响，所以，采摘机器人要具有环境的高适应性，才能针对作物的不同环境开展作业。

2.3 作业的不确定性

农作物比较脆弱，而且因为发育程度不同，生长情况各异，采摘机器人在作业时要设定合适的力度，才不会损坏农作物。

3 采摘机器人在农业中的应用

3.1 黄瓜采摘机器人

早在20世纪90年代，荷兰就开始研究黄瓜采摘机器人，实验采用的是温室环境，黄瓜是按照高挂线缠绕方式吊挂生产。采摘作业主要由机器人的末端执行器进行，末端执行器由机械手和切割器组成，机械手的定位服务由行走车提供，机器人无需人工干预就可以工作，但是由于速度太慢无法商用推广。日本研制的黄瓜采摘机器人采用了更加先进的视觉系统，可以根据黄瓜的光谱反射特性来分辨黄瓜的果实和茎叶，采摘作业时，机械手先抓住黄瓜，然后果梗探测器寻找黄瓜果梗，最后由切割器切断果梗，采摘流程完成。

3.2 番茄采摘机器人

番茄采摘机器人的构成与黄瓜采摘机器人类似，移动机构负责行走，视觉传感器寻找果实，末端执行器负责采摘。番茄的成熟期不尽相同而且生长位置没有明确的规律性，果实经常隐藏在枝叶后，采摘时要求机器人机械手能有较大的活动范围并且能够避开障碍物。采摘作业时，移动机构向前行走，视觉系统自动检测番茄是否在采摘范围内，判断果实与机械手的相对位置，如在收获范围内则机械手逐渐靠近并抓住果实，通过旋转方式将果实拧下。

韩国对番茄采摘机器人有一定的研究并初步取得了成果。机器人的视觉系统通过果实的颜色判断番茄的成熟度，有选择性采摘果实，但是这种采摘机器人反应过慢，动作灵活性较低，所以还未量化生产。

3.3 蘑菇采摘机器人

蘑菇采摘机器人可以自动检测蘑菇的位置和大小，进行选择性采摘。视觉传感器设计在机器人顶部以便准确确定蘑菇的位置和大小，蘑菇机械化采摘的成功概率主要取决于蘑菇的生产形态，如果蘑菇倾斜生长就容易采摘失败。未来蘑菇采摘机器人的重点在于如何根据图像信息快速准确调整机器人机械手的姿态动作，提高采摘成功率。

3.4 柑橘采摘机器人

柑橘采摘机器人的设计采用人机协作理念，寻找、定位采摘果实以及机器人的导航功能由人力来完成，采摘机器人的运动规划和末端执行器的作业由机器人系统完成。操作人员发现成熟的柑橘后使用激光测距仪获得果实的坐标，并将坐标存入数据存储区，机器人在数据存储区中读取果实坐标，末端执行器根据果实坐标规划最优的采摘路径并达到坐标位置。人机协作理念有效降低了机器人系统的复杂程度和设计成本，同时提高了机器人处理突发事件的水平和采摘成功率，未来有很大的产业化空间。

4 采摘机器人的发展趋势

采摘机器人的作业对象具有单一性的特点，作业范围一旦受到农作物生产环境的限制，就无法达到最初的预期效果。现代农业机械化生产要求不断改善采摘技术以提高采摘效率，降低采摘作业成本，让采摘机器人更好地为农业发展服务。根据目前采摘机器人的研究现状，未来机器人的发展主要在以下几个方面：

4.1 提高识别率和采摘率

识别和确定果实的位置主要是颜色识别法，颜色识别法主要基于果实光谱反射特性，但是由于机器人图像系统识别时存在各种外界干扰信息，有时候效果不是特别好。再加上果实和枝叶生长没有规律，果实如果被枝叶遮挡住，机器人就无法准确识别果实的位置。为了精确定位果实的位置，提高采摘成功率，采摘机器人的视觉传感器技术和图像处理算法应该继续改进，开发目标智能识别技术，不管果实的形状和大小如何，机器人的机械手都可以准确抓住成熟果实。

4.2 完善结构设计，降低制造成本

考虑到采摘机器人的使用对象是我国数量庞大的农民群体，文化水平普遍有限，设计团队要在满足采摘机器人基本性能的前提下，融合现代智能技术，尽量简化机器人结构设计，让其更加简便和轻巧，提高采摘机器人作业的灵活性，减少设备操作过程中的复杂流程。由于采摘机器人作业环境的多样性和复杂性，所以其制造成本要比普通的工业机器人更高一些，但是因为农民群体经济条件有限，如果市场价格过高势必会降低采摘机器人的使用率，因此，设计和制造团队应该尽量降低采摘机器人的设计和制造成本。

5 结语

农业属于第一产业，是劳动密集型产业，传统的农业需要非常多的劳动力，耗时费力，效率低下。随着科学技术的发展，农业中也逐渐应用先进技术来实行大机械化生产。采摘机器人的设计核心应该围绕在农业生产的各个环节，目标是操作简便精准、采摘效率高，市场价格低。将科学技术与经济效益紧密结合在一起，研制出农民群体能够操作、价格也在承受范围内的采摘机器人。就目前采摘机器人的研究发展情况来看，开放式结构思想已经普遍应用到设计中，开放式结构采摘机器人具有非常多的优势，诸如适应性强、研发周期短、成本低、作业效率高等，操作起来也比较方便，一旦技术成熟就可以大面积推广使用，为未来我国采摘技术的不断成熟和农业的长远发展提供良好条件。