蔬果采摘机械在农业中的应用现状与展望

陈旭昊 喻耘 苏航 刘恩泽

(重庆三峡学院机械工程学院，重庆 404020)

引言

蔬果类的采摘在农作物生产过程中消耗劳动力最大，也是难以推进机械化的重要环节。随着经济社会不断发展，蔬果种植的种类和规模不断增长。与此同时，中国城镇化率不断上升，农村适龄劳动人口比重下降，蔬果采摘的工作成本不断攀升[1]。而中国现有设施农业面积超过400万hm2，占世界设施园艺总面积的85%[2]。因此，破解蔬果采摘环节的劳动力短缺问题，新型农业生产模式的推广和新技术的开发是大势所趋，采摘机器人技术的研发和应用亦成为主流发展方向。

采摘机器人集中多种前沿科技，其技术内容包括视觉识别技术、传感技术、智能控制技术等[3]。各类蔬果类农作物在种植方式、果实形态、生长环境等都有较大差异，因此为提升采摘效率，研究者对采摘机器人的设计具有针对性，使之具备有自主工作能力并通过信息技术来实现在不同工作环境下自动收获。采摘机器人的应用可减轻种植户劳动强度，缓解劳动力短缺问题，提高生产效率。随着采摘机器人技术的成熟，不断保证采收效率，提升蔬果果品质量。

1 国内外果蔬采摘机械发展现状

收获作业方向的机器人研究始于20世纪60年代的北美，主要方式为机械震摇式与气动震摇式[4]。初期采摘果实损耗率高，且无法依据果实成熟程度进行收获。20世纪末，欧洲、日本等发达国家依靠这一时期图像处理和工业机器人技术迅猛发展，研究者对采摘机器人技术进行大量的研究。进入21世纪以后，我国农业机器人技术投入快速增长，研究成果呈几何级增长。

1.1 国内外采摘机械臂的研究

采摘机器人中机械臂机构设计至关重要，机械臂的选用影响着果实采摘的损耗率和采摘工作时作业效率[5]。机械臂的自由度是采摘灵活度的体现，影响着末端执行器可到达的空间范围。

对于四自由度机械臂的研究，王燕等[6]设计四自由度关节型采摘机械手采摘黄瓜，其采用旋转关节型结构的设计并采用直流电机驱动将机械手移至目标点位，其末端执行器进行采摘。E J Van Henten等[7]研究用于温室黄瓜自主收获的机械手运动结构优化，使用四自由度的四连杆型机械手，执行从初始位置到目标位置的无碰撞运动。

对于五自由度机械臂的研究，邵堃[8]研究了五自由度机械臂的番茄智能采摘机器人，考虑到采摘精度，五自由度方式设计机械手保证采摘的灵活性，通过碳纤维的机械手臂材料降低自身重量，并通过对机械臂建模，求解目标中心坐标和各关节角度关系，提高该机械臂控制精度。Zhao De-An等[9]研究了具有五自由度结构的机械手经过几何优化以提供准线性行为并简化控制策略，设计出带有气动夹持器的勺形末端执行器。

对于六自由度机械臂的研究，邱立琦等[10]研究六自由度机械臂的火龙果采收机，机械臂根据采摘需要进行移动转动，利用伺服电机将电信号转换为轴角位移和角速度，并进行关键部位参数设计，保证复杂环境中采收作业质量。Boaz Arad等[11]研究一种采摘彩椒机器人采用六自由度型工业机械臂，通过以更高的速度运行机器人机械手。

1.2 国内外采摘机器人视觉研究进展

蔬果种植环境较为复杂，快速对采摘对象识别和精准定位是采摘机器人提高作业效率的关键因素。从环境中识别出果实的准确空间位置，为后续机械臂运动提供技术参数[12]。近年来，研究者不断优化视觉系统的精度和速度来实现采摘机器人的高效运作。

刘德儿等[13]研究基于RGB-D相机的脐橙实时识别定位与分级方法，研究者使用深度相机采集果实RGB-D数据，改进YOLACT算法进行模型分割，实现了果实识别时精度和速度的平衡，达到果实检测和定位。张晓亮等[14]研究了基于VR技术的采摘机器人采摘环境仿真，构建了采摘时黄瓜生长的虚拟环境以及对采摘机器人进行虚拟建模，提高了机器人系统控制精确性。周浩等[15]在采摘机器人的视觉感知中引入深度学习技术，利用双目相机采集左右图像和检测网络YOLOv4提取区域，根据视差计算出油茶果实参考采摘点，对采摘机器人在复杂环境下快速进行果实检测提供技术参考。叶强强等[16]基于ROS系统并利用激光雷达技术构建格栅地图对机器人进行重定位，通过局部路径规划，实现了机器人自动导航和巡航，提升机器人的稳健性。A Gongal等[17]研究行间视觉系统评估作物负荷，设计出集成隧道结构跨型平台的传感器采集并处理苹果两侧图像，苹果在三维空间中的位置用于消除从树冠两侧的相机可见的苹果重复计数，降低树冠、树叶遮挡对识别造成的影响，精准预估果园中苹果。Stephen Nuske等[18]通过纹理、颜色和形状这些突出的视觉线索来处理图像，可以快速区分出相似颜色果实和葡萄树叶子，优化图像测量和产量之间的关系来最大化产量估计的空间和整体精度。

2 采摘机器人在农业领域的应用特点

蔬果采收作业的劳动过程耗费大量人力和时间，采摘机器人可以提高农业生产效率。采摘机器人随着传感技术、监测技术、人工智能技术、图像识别技术等发展不断进步，对我国农业生产具有积极意义[19]。采摘机器人与其他工业机器人相比具有自身特点。

2.1 操作便捷化

传统的工业机器人的结构尺寸较为庞大，应用在农业领域的难度较高。农业生产的主体对象是农民，采摘机器人相对简单的结构设计和便捷操作，方便广大农民的使用。农业生产仍处于较低利润，采摘机器人的售价需控制在生产活动者可承受范围之内，利于农业领域的推广，加快推进农业机械化的生产。

2.2 作业季节性因素

采摘机器人的工作环境在温室大棚或田间，受季节变换和极端天气的影响因素较大[20]，采摘机器人的设计有防水、抗风、防漏电等防护措施，具有较高的适应性。不同蔬果生长和成熟也有季节性，采摘机器人采摘结束后长时间闲置，影响使用寿命。

2.3 作业环境因素

采摘机器人进行农业生产过程中，受到地理条件的影响，其会遇到穿梭的行走路线复杂、地势起伏等状况。采摘机器人具有减震的设计，可保证蔬果采摘和运输时果实的低损耗。快速精准的视觉识别系统缩短采摘机器人行走、转动和采摘时间，提高收获作业效率。

2.4 果实收获完整度

采摘机器人的工作对象大多是蔬菜和水果等易损耗果实，各类果实的形状和大小并不一致，因此需对采摘机器人的机械臂机构设计有灵活性，对末端执行器的执行方式也更加定制化。考虑到果实的生长位置和成熟度并不一致的情况，采摘机器人通过加入视觉识别系统和各类算法并通过机器深度学习，保证采收果蔬的作业效率和果实的完整度。

3 采摘机器人技术发展趋势

目前，仍有许多类型采摘机器人受到作业对象的限制，作业范围受到农作物生长环境的限制，并未达到设计效果。为促进采摘机器人更有利于农业生产的发展，其未来发展有以下几个方面。

3.1 农机与农艺融合发展

随着现代农业生产的发展，机械化的应用使现代生产模式与传统农业生产模式发生本质区别，传统农艺技术已无法满足现代农业的生产模式。农机和农艺的适应、协调和融合十分必要，采摘机器人在结构设计需考虑到不同果实力学性能、微观结构，考虑到不同作物生长环境干扰，可设计出与之匹配的末端执行器，保证果实质量。采摘机械与农艺相融合，才能发挥农业生产机械化的价值和作用，实现增产增效。

3.2 控制系统智能化

目前，采摘机器人还存在对果实识别率和采摘率低等问题。在客观条件上，因田间作业过程中，果树的枝叶和果实的生长存在不确定性，采摘机器人存在无法准确识别果实位置的情况。在硬件上，采摘机器人的图像识别系统多采用颜色识别法，易受到外界信息干扰。可通过优化智能化图像处理算法，不断改进视觉传感器技术和智能识别技术，提高采摘对象的智能化识别和定位。

4 小结

我国作为农业大国，开展农业机械化的意义十分重大。农业机械化作为保障农业经济的重要条件，能转变传统的农业生产方式，为农业提供新的动能和发展方向。现阶段，采摘机器人的研究多数停留在实验室阶段，商业化应用在农业领域较少，依然有许多问题亟待解决。在未来，采摘机器人的研究应不断与农艺发展相融合，不断优化结构设计，提高控制系统的智能化水平，使采摘机器人和智慧农业相结合，推动现代农业的大力发展。研究采摘机器人具有重要的实用价值，其推广应用可大力提高作业效率，缓解劳动力资源紧张的局面，产出客观的经济价值，为我国农业的良好发展夯实基础。