縱觀美國(guó)、日本、荷蘭、英國(guó)和比利時(shí)等農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，現(xiàn)代化農(nóng)林業(yè)已成為當(dāng)今世界農(nóng)林業(yè)發(fā)展的潮流。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等新型農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)、傳感器和自動(dòng)化技術(shù)越來(lái)越多被應(yīng)用于農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中。中國(guó)作為農(nóng)林業(yè)大國(guó)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)林業(yè)現(xiàn)代化、農(nóng)林業(yè)裝備機(jī)械化和智能化成為發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-4]。
目前，針對(duì)水稻、小麥等大面積種植的谷物已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從播種到收獲的自動(dòng)化、機(jī)械化，大大節(jié)約了人工成本。但是，針對(duì)水果蔬菜等農(nóng)作物，即使在種植環(huán)節(jié)已經(jīng)能達(dá)到高度的自動(dòng)化，但在采摘環(huán)節(jié)仍然需要大量的人工勞動(dòng)[5]。隨著近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，如何使用機(jī)器人代替人工高效地完成采摘作業(yè)成為亟待解決的問(wèn)題。
1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
自1968年美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown首次提出將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于果蔬采摘，經(jīng)過(guò)50年的研究與發(fā)展，農(nóng)林業(yè)收獲裝備經(jīng)歷了從半自動(dòng)化的采摘機(jī)械到全自動(dòng)的采摘機(jī)器人[6]。目前，日本、英國(guó)、美國(guó)和西班牙等發(fā)達(dá)國(guó)家都展開(kāi)了農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人方面的研究，主要涉及的采收對(duì)象有蘋(píng)果、西紅柿、草莓和甜橙等。我國(guó)在農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛并取得了大量成果。國(guó)內(nèi)許多科研院校已經(jīng)設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)，同時(shí)也提出了許多關(guān)鍵技術(shù)理論，但總體較國(guó)外研究相比，仍有一定的差距。
1.1蘋(píng)果采收機(jī)器人
20世紀(jì)末，韓國(guó)慶北大學(xué)研發(fā)的蘋(píng)果采收機(jī)器人具有4自由度，同時(shí)包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)[7]。該機(jī)器人選用內(nèi)含壓力傳感器的3指夾持器作為末端執(zhí)行器，可以有效避免損傷蘋(píng)果。雖然此機(jī)器人采用了CCD攝像機(jī)和光電傳感器，能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別蘋(píng)果，但受限于自由度，仍然難以避開(kāi)障礙物進(jìn)行工作。
2008年，比利時(shí)BAETEN J等[8]研發(fā)了一種蘋(píng)果采收機(jī)器人，該機(jī)器人采用6自由度機(jī)械臂，安裝于可升降運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，由拖拉機(jī)拖動(dòng)。末端執(zhí)行器選擇氣壓驅(qū)動(dòng)柔性執(zhí)行器。該機(jī)器人采摘周期為8～10 s，采摘率達(dá)80%，但是結(jié)構(gòu)占地面積大，采摘?jiǎng)幼鞑粔蜢`活。
1.2草莓采收機(jī)器人
日本的KonDO N等[9]針對(duì)草莓的溫室高壟內(nèi)培模式，研發(fā)了安裝在龍門(mén)式移動(dòng)平臺(tái)上的3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂，是草莓采收機(jī)器人的初代樣機(jī)。該機(jī)器人由彩色CCD相機(jī)檢測(cè)草莓果實(shí)，利用吸入旋轉(zhuǎn)切斷式末端執(zhí)行器切斷果梗，采摘果實(shí)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吸持方式對(duì)小型果實(shí)十分有效，但仍有34%的果實(shí)無(wú)法被正確采摘。
隨后，KonDO N等[10]又在第一代樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，研制了第2代草莓采收機(jī)器人。第2代機(jī)器人吸取了吸入旋轉(zhuǎn)式和勾取式的優(yōu)勢(shì)，在末端執(zhí)行器真空吸入草莓果實(shí)的基礎(chǔ)上，增加了張合爪用于夾取果梗，完成切斷，有效地提高了采摘的成功率。
日本宮崎大學(xué)NAGATA M等[11]開(kāi)發(fā)了由3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器的采收機(jī)器人，其能完成豎直向下夾持并切斷果梗。該機(jī)器人配備了固定-移動(dòng)雙相機(jī)，在白色或黑色的塑料膜背景下對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，成功率超過(guò)90%。
針對(duì)高架懸掛式栽培的草莓，日本的HAYASHI S等[12]研制了適用于高架栽培的草莓采收機(jī)器人。此機(jī)器人采用軌道移動(dòng)平臺(tái)和龍門(mén)式機(jī)械臂，以長(zhǎng)條形LED點(diǎn)陣光源和3個(gè)相機(jī)構(gòu)成視覺(jué)單元，末端執(zhí)行器選用反射式光電傳感器。與初代機(jī)型相比，新型的采摘機(jī)器人質(zhì)量輕，采摘耗時(shí)縮短，但由于機(jī)器視覺(jué)算法無(wú)法妥善處理光源光照不均勻的問(wèn)題，采摘成功率無(wú)法保證。
1.3番茄采收機(jī)器人
番茄由于其成串生長(zhǎng)的特性，導(dǎo)致果實(shí)之間貼碰重疊和遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重，因此被認(rèn)為是機(jī)器人收獲難度最大的蔬果之一。日本早在20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始進(jìn)行番茄采收機(jī)器人的研究。京都大學(xué)川村登等[13]較早進(jìn)行了番茄采摘機(jī)器人樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。該機(jī)器人包括電動(dòng)輪式底盤(pán)、5自由度機(jī)械臂和2指夾持器，利用相機(jī)對(duì)果實(shí)定位。盡管該機(jī)器人結(jié)構(gòu)與性能還不夠成熟，但已完成番茄采摘機(jī)器人的初步構(gòu)想與基礎(chǔ)框架。
岡山大學(xué)的KonDO N等[14]設(shè)計(jì)的番茄采收機(jī)器人，選用彩色攝像頭和圖像處理卡構(gòu)成的視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別和定位成熟的番茄，7自由度機(jī)械手用以避開(kāi)障礙物，帶有橡膠套的夾持器和吸盤(pán)用以?shī)A取和采摘果實(shí)。該機(jī)器人采摘周期約為15 s，成功率能夠達(dá)到70%。
后來(lái)，KonDO N等[15]又針對(duì)番茄的生長(zhǎng)特性研制了新的番茄采收機(jī)器人。該機(jī)器人選用三菱RH-6SH5520型工業(yè)機(jī)器人，末端執(zhí)行器采用切斷式來(lái)剪切果梗，同時(shí)配有夾持器夾取被采摘的整串番茄。其最大采摘質(zhì)量6kg，采摘周期約為15 s，但成功率較低，僅為50%左右。
FUJURA T等[16]針對(duì)45°傾斜水培櫻桃番茄開(kāi)發(fā)了采收機(jī)器人。采用電動(dòng)輪式底盤(pán)，4自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂，吸持-擺動(dòng)剪斷式末端執(zhí)行器和紅外立體視覺(jué)傳感器。該機(jī)器人的采摘能保證果實(shí)較高的收獲率和果實(shí)花萼較高的完整性。
東京大學(xué)的CHEN X等[17]開(kāi)發(fā)了仿人型雙臂式番茄采收機(jī)器人。該機(jī)器人在頭部和腕部裝有兩個(gè)體感攝像頭，每個(gè)手臂有7個(gè)自由度，并裝有夾剪一體式的末端執(zhí)行器。目前該機(jī)器人僅能靠人的指令完成采摘，仍處于試驗(yàn)階段。
科威特的TAQI F等[18]為溫室和家庭采摘櫻桃番茄設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)相機(jī)拍攝圖像識(shí)別番茄果實(shí)，并且能夠自主判別番茄是否成熟，是否破損或腐爛并完成分揀。
1.4黃瓜采收機(jī)器人
日本KonDO N等[19]研制的黃瓜采摘機(jī)器人，采用6自由度機(jī)器人，配以CCD相機(jī)，根據(jù)黃瓜與其莖葉紅外光反射率差異的原理進(jìn)行識(shí)別，果梗分離采用傳統(tǒng)的夾持切斷式。但受制于莖葉對(duì)于黃瓜識(shí)別的影響程度較大，該機(jī)器人采摘成功率并不高。
荷蘭的VAN HENTER E J等[20]研制的軌道式黃瓜采摘機(jī)器人，包括4個(gè)采收機(jī)器人和1個(gè)機(jī)器人?？空?。每個(gè)采收機(jī)器人由智能控制運(yùn)動(dòng)裝置、采摘機(jī)械手、終端感應(yīng)器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)組成。其利用瞬時(shí)高溫方式切斷果梗，避免了細(xì)菌感染，采摘成功率能達(dá)到80%。
1.5林業(yè)采收機(jī)器人
原蘇聯(lián)中央森工機(jī)械研究所的伊爾庫(kù)茨克分所設(shè)計(jì)了一種裝備有信息測(cè)量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的伐木歸堆機(jī)器人，其由計(jì)算機(jī)控制操縱抓切裝置，使機(jī)械臂按指定方向動(dòng)作，以完成抓樹(shù)、從根部伐樹(shù)、搬移和歸堆等工作[21]。
北美推出的Rottne 2202型和Rocan T型微型輪式采伐聯(lián)合機(jī)采用計(jì)算機(jī)程序控制機(jī)器人完成伐木、打枝和造材作業(yè)，該機(jī)的特點(diǎn)是機(jī)體小巧，作業(yè)時(shí)不會(huì)對(duì)周?chē)鷺?shù)木造成損傷，機(jī)組接地壓力較小，減少了對(duì)地表的破壞和樹(shù)根的損傷[22]。
Timberjack公司開(kāi)發(fā)了適用于陡坡和松軟林地的6足采伐聯(lián)合機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)腿部傳感器獲取地面路況信息，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制步伐，平衡機(jī)器人各足的載重，能越過(guò)120 cm的障礙，按設(shè)定的程序自動(dòng)完成伐木、打枝和造材等工作[23]。
1.6其他類型采收機(jī)器人
希臘工程師POOL TA和美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)工程師HARREL R C等[24]合作研發(fā)了一種柑橘采收機(jī)器人。該機(jī)器人由彩色攝像機(jī)和超聲波測(cè)距機(jī)進(jìn)行識(shí)別定位，采用半圓形環(huán)切刀切斷果梗。
日本岡山大學(xué)MonTA M等[25]研制的果園棚架栽培模式的葡萄采收機(jī)器人由一個(gè)5自由度機(jī)械臂和視覺(jué)傳感器組成。此機(jī)器人同時(shí)集成了葡萄的剪枝、套袋和藥物噴灑功能。
日本京都大學(xué)UMEDA K等[26]研制了一種名叫“STORK”的西瓜采收機(jī)器人。該機(jī)器人包含有平行4球聯(lián)動(dòng)的機(jī)械采摘手爪、視覺(jué)傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)。采摘手爪利用真空吸盤(pán)吸附方式提起西瓜，完成采摘。
日本HAYASHI S等[27]針對(duì)V型架栽培的茄子開(kāi)發(fā)了采收機(jī)器人，其采用履帶式底盤(pán)、7自由度機(jī)械臂、掌心相機(jī)、超聲距離傳感器、真空吸盤(pán)和帶有柔性?shī)A持器的果梗夾剪一體化末端執(zhí)行器。但由于枝葉遮擋等問(wèn)題，該機(jī)器人的識(shí)別率和采摘成功率都較低。
巴里理工大學(xué)和萊切大學(xué)合作研制的菊苣采收機(jī)器人機(jī)是由一個(gè)雙4桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手、末端執(zhí)行器和視覺(jué)系統(tǒng)組成[28]。其基于智能彩色濾波算法和圖像形態(tài)學(xué)操作來(lái)確定菊苣的位置。末端執(zhí)行器采用切斷方式削減根莖，并能夠夾持菊苣送入采集托盤(pán)內(nèi)。
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
2.1蘋(píng)果采收機(jī)器人
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)顧寶興等[29]針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)矮化蘋(píng)果果園，設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人，利用DGPS自主導(dǎo)航載有采摘機(jī)械臂的輕型履帶式智能移動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)果實(shí)與樹(shù)枝色差模型的圖像處理識(shí)別和定位果實(shí)，完成采摘。
天津農(nóng)學(xué)院蘇媛等[30]以瑞典ABB公司的ABB irb460型3自由度工業(yè)機(jī)器人為模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了蘋(píng)果采收機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。該機(jī)器人將640×640像素的圖片，在RGB顏色空間下，結(jié)合中值濾波降噪和拉普拉斯算子邊緣檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)果實(shí)的特征提取，最終完成蘋(píng)果果實(shí)定位。
2.2草莓采收機(jī)器人
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳利兵[31]針對(duì)壟作草莓研制了3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂配置剪切式末端執(zhí)行器，配合CCD相機(jī)構(gòu)成視覺(jué)系統(tǒng)的草莓采摘系統(tǒng)；針對(duì)高架草莓，也制作了采用3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂配置夾剪一體式末端執(zhí)行器，并安裝了微型履帶底盤(pán)的“采摘童1號(hào)”樣機(jī)。
國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心馮青春等[32]研發(fā)的草莓采摘機(jī)器人針對(duì)高架栽培模式，采用了聲納導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)，6自由度機(jī)械臂和雙目視覺(jué)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了吸持果實(shí)，夾持果梗后，利用電熱絲燒斷果梗的新型末端執(zhí)行器。
2.3番茄采收機(jī)器人
上海交通大學(xué)的ZHAO Y S等[33]開(kāi)發(fā)的雙臂式番茄采收機(jī)器人，安裝了兩只三自由度PRR式機(jī)械臂，采用了滾刀式和吸盤(pán)筒式末端執(zhí)行器，使用雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)識(shí)別與定位。
國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心王曉楠等[34]針對(duì)溫室立體培育番茄種植，設(shè)計(jì)了一款智能番茄采摘機(jī)器人，包括視覺(jué)定位單元、采摘手爪、控制系統(tǒng)及承載平臺(tái)。該機(jī)器人基于HIS色彩模型進(jìn)行圖像處理，提高了果實(shí)定位與識(shí)別精度；通過(guò)氣囊?jiàn)A持方式，保證了采摘過(guò)程中果實(shí)的柔性?shī)A持，降低了采摘過(guò)程中果實(shí)的損傷率。
2.4黃瓜采收機(jī)器人
湯修映等[35]研制的黃瓜采摘機(jī)器人FVHR-I，擁有一個(gè)帶活動(dòng)刃口和固定刃口的末端執(zhí)行器，用以切斷果梗。其視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)采用了RGB模型的G分量進(jìn)行圖像分割，同時(shí)進(jìn)行黃瓜果實(shí)識(shí)別和分割點(diǎn)的確定。該機(jī)器人的采摘成功率很高，但黃瓜果實(shí)的識(shí)別還有待提高。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)紀(jì)超等[36]根據(jù)黃瓜果實(shí)與背景葉片分光反射特性差異，設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)器人由自主移動(dòng)平臺(tái)、果實(shí)識(shí)別定位系統(tǒng)、采摘機(jī)械臂、柔性末端執(zhí)行器和能源系統(tǒng)構(gòu)成，并提出了三層式系統(tǒng)控制方案，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航控制程序和采摘控制程序。該機(jī)器人單根黃瓜采摘耗時(shí)28 s左右，成功率達(dá)85%，具有較高的穩(wěn)定性與實(shí)用性。
2.5林業(yè)采收機(jī)器人
東北林業(yè)大學(xué)陸懷民等[37]研制的林木球果采集機(jī)器人擁有一個(gè)5自由度的機(jī)械手。工作時(shí)，機(jī)械手爪由雙泵雙回路液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪與機(jī)械臂整體的柔性動(dòng)作。機(jī)器人停放在距母樹(shù)3～5m處，機(jī)械手爪張開(kāi)并對(duì)準(zhǔn)要采集的樹(shù)枝。隨后，機(jī)械臂前伸使采集爪趨近球果，采集爪收攏，利用采集爪的梳齒結(jié)構(gòu)夾攏果實(shí)并將果實(shí)擼下。最后完成球果的收集。
郭秀麗等[38]設(shè)計(jì)的采伐聯(lián)合機(jī)器人以SDWY-60型履帶式挖掘機(jī)作為行走機(jī)構(gòu)，安裝有6自由度機(jī)械手，采用雙泵雙回路液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，利用基于模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)立木定位、采伐與歸堆等多功能自動(dòng)循環(huán)作業(yè)。
魏占國(guó)等[39]設(shè)計(jì)了輪式林木采伐聯(lián)合機(jī)器人CFJ-30，其底盤(pán)采用鉸接式車(chē)架構(gòu)造，采用全液壓驅(qū)動(dòng)，集伐木、打枝、造材和歸楞于一體。
2.6其他類型采收機(jī)器人
郭素娜等[40]設(shè)計(jì)了一款能夠自主導(dǎo)航定位的葡萄采摘機(jī)器人，其通過(guò)RSSI自主導(dǎo)航和顏色特征提取，操作5自由度機(jī)械臂對(duì)成熟的葡萄完成定位和采摘，準(zhǔn)確率超過(guò)95%。
宋健等[41]設(shè)計(jì)的開(kāi)放式茄子采摘機(jī)器人，以4自由度關(guān)節(jié)式采摘機(jī)器人為本體。基于直方圖的固定雙閾值法對(duì)G-B灰度圖像進(jìn)行分割，提取了果實(shí)目標(biāo)的輪廓、面積、質(zhì)心、外接矩形以及切斷點(diǎn)等特征，對(duì)茄子進(jìn)行識(shí)別和定位。該機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抓取成功率為89%，平均耗時(shí)37.4 s。
目前，針對(duì)水稻、小麥等大面積種植的谷物已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從播種到收獲的自動(dòng)化、機(jī)械化，大大節(jié)約了人工成本。但是，針對(duì)水果蔬菜等農(nóng)作物，即使在種植環(huán)節(jié)已經(jīng)能達(dá)到高度的自動(dòng)化，但在采摘環(huán)節(jié)仍然需要大量的人工勞動(dòng)[5]。隨著近年來(lái)機(jī)器人技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，如何使用機(jī)器人代替人工高效地完成采摘作業(yè)成為亟待解決的問(wèn)題。
1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
自1968年美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown首次提出將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于果蔬采摘，經(jīng)過(guò)50年的研究與發(fā)展，農(nóng)林業(yè)收獲裝備經(jīng)歷了從半自動(dòng)化的采摘機(jī)械到全自動(dòng)的采摘機(jī)器人[6]。目前，日本、英國(guó)、美國(guó)和西班牙等發(fā)達(dá)國(guó)家都展開(kāi)了農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人方面的研究，主要涉及的采收對(duì)象有蘋(píng)果、西紅柿、草莓和甜橙等。我國(guó)在農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，但近年來(lái)發(fā)展勢(shì)頭迅猛并取得了大量成果。國(guó)內(nèi)許多科研院校已經(jīng)設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)，同時(shí)也提出了許多關(guān)鍵技術(shù)理論，但總體較國(guó)外研究相比，仍有一定的差距。
1.1蘋(píng)果采收機(jī)器人
20世紀(jì)末，韓國(guó)慶北大學(xué)研發(fā)的蘋(píng)果采收機(jī)器人具有4自由度，同時(shí)包括3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)[7]。該機(jī)器人選用內(nèi)含壓力傳感器的3指夾持器作為末端執(zhí)行器，可以有效避免損傷蘋(píng)果。雖然此機(jī)器人采用了CCD攝像機(jī)和光電傳感器，能夠較為準(zhǔn)確地識(shí)別蘋(píng)果，但受限于自由度，仍然難以避開(kāi)障礙物進(jìn)行工作。
2008年，比利時(shí)BAETEN J等[8]研發(fā)了一種蘋(píng)果采收機(jī)器人，該機(jī)器人采用6自由度機(jī)械臂，安裝于可升降運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，由拖拉機(jī)拖動(dòng)。末端執(zhí)行器選擇氣壓驅(qū)動(dòng)柔性執(zhí)行器。該機(jī)器人采摘周期為8～10 s，采摘率達(dá)80%，但是結(jié)構(gòu)占地面積大，采摘?jiǎng)幼鞑粔蜢`活。
1.2草莓采收機(jī)器人
日本的KonDO N等[9]針對(duì)草莓的溫室高壟內(nèi)培模式，研發(fā)了安裝在龍門(mén)式移動(dòng)平臺(tái)上的3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂，是草莓采收機(jī)器人的初代樣機(jī)。該機(jī)器人由彩色CCD相機(jī)檢測(cè)草莓果實(shí)，利用吸入旋轉(zhuǎn)切斷式末端執(zhí)行器切斷果梗，采摘果實(shí)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)吸持方式對(duì)小型果實(shí)十分有效，但仍有34%的果實(shí)無(wú)法被正確采摘。
隨后，KonDO N等[10]又在第一代樣機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，研制了第2代草莓采收機(jī)器人。第2代機(jī)器人吸取了吸入旋轉(zhuǎn)式和勾取式的優(yōu)勢(shì)，在末端執(zhí)行器真空吸入草莓果實(shí)的基礎(chǔ)上，增加了張合爪用于夾取果梗，完成切斷，有效地提高了采摘的成功率。
日本宮崎大學(xué)NAGATA M等[11]開(kāi)發(fā)了由3自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器的采收機(jī)器人，其能完成豎直向下夾持并切斷果梗。該機(jī)器人配備了固定-移動(dòng)雙相機(jī)，在白色或黑色的塑料膜背景下對(duì)草莓果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，成功率超過(guò)90%。
針對(duì)高架懸掛式栽培的草莓，日本的HAYASHI S等[12]研制了適用于高架栽培的草莓采收機(jī)器人。此機(jī)器人采用軌道移動(dòng)平臺(tái)和龍門(mén)式機(jī)械臂，以長(zhǎng)條形LED點(diǎn)陣光源和3個(gè)相機(jī)構(gòu)成視覺(jué)單元，末端執(zhí)行器選用反射式光電傳感器。與初代機(jī)型相比，新型的采摘機(jī)器人質(zhì)量輕，采摘耗時(shí)縮短，但由于機(jī)器視覺(jué)算法無(wú)法妥善處理光源光照不均勻的問(wèn)題，采摘成功率無(wú)法保證。
1.3番茄采收機(jī)器人
番茄由于其成串生長(zhǎng)的特性，導(dǎo)致果實(shí)之間貼碰重疊和遮擋現(xiàn)象嚴(yán)重，因此被認(rèn)為是機(jī)器人收獲難度最大的蔬果之一。日本早在20世紀(jì)80年代初就開(kāi)始進(jìn)行番茄采收機(jī)器人的研究。京都大學(xué)川村登等[13]較早進(jìn)行了番茄采摘機(jī)器人樣機(jī)的開(kāi)發(fā)。該機(jī)器人包括電動(dòng)輪式底盤(pán)、5自由度機(jī)械臂和2指夾持器，利用相機(jī)對(duì)果實(shí)定位。盡管該機(jī)器人結(jié)構(gòu)與性能還不夠成熟，但已完成番茄采摘機(jī)器人的初步構(gòu)想與基礎(chǔ)框架。
岡山大學(xué)的KonDO N等[14]設(shè)計(jì)的番茄采收機(jī)器人，選用彩色攝像頭和圖像處理卡構(gòu)成的視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別和定位成熟的番茄，7自由度機(jī)械手用以避開(kāi)障礙物，帶有橡膠套的夾持器和吸盤(pán)用以?shī)A取和采摘果實(shí)。該機(jī)器人采摘周期約為15 s，成功率能夠達(dá)到70%。
后來(lái)，KonDO N等[15]又針對(duì)番茄的生長(zhǎng)特性研制了新的番茄采收機(jī)器人。該機(jī)器人選用三菱RH-6SH5520型工業(yè)機(jī)器人，末端執(zhí)行器采用切斷式來(lái)剪切果梗，同時(shí)配有夾持器夾取被采摘的整串番茄。其最大采摘質(zhì)量6kg，采摘周期約為15 s，但成功率較低，僅為50%左右。
FUJURA T等[16]針對(duì)45°傾斜水培櫻桃番茄開(kāi)發(fā)了采收機(jī)器人。采用電動(dòng)輪式底盤(pán)，4自由度直角坐標(biāo)機(jī)械臂，吸持-擺動(dòng)剪斷式末端執(zhí)行器和紅外立體視覺(jué)傳感器。該機(jī)器人的采摘能保證果實(shí)較高的收獲率和果實(shí)花萼較高的完整性。
東京大學(xué)的CHEN X等[17]開(kāi)發(fā)了仿人型雙臂式番茄采收機(jī)器人。該機(jī)器人在頭部和腕部裝有兩個(gè)體感攝像頭，每個(gè)手臂有7個(gè)自由度，并裝有夾剪一體式的末端執(zhí)行器。目前該機(jī)器人僅能靠人的指令完成采摘，仍處于試驗(yàn)階段。
科威特的TAQI F等[18]為溫室和家庭采摘櫻桃番茄設(shè)計(jì)了一款機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)相機(jī)拍攝圖像識(shí)別番茄果實(shí)，并且能夠自主判別番茄是否成熟，是否破損或腐爛并完成分揀。
1.4黃瓜采收機(jī)器人
日本KonDO N等[19]研制的黃瓜采摘機(jī)器人，采用6自由度機(jī)器人，配以CCD相機(jī)，根據(jù)黃瓜與其莖葉紅外光反射率差異的原理進(jìn)行識(shí)別，果梗分離采用傳統(tǒng)的夾持切斷式。但受制于莖葉對(duì)于黃瓜識(shí)別的影響程度較大，該機(jī)器人采摘成功率并不高。
荷蘭的VAN HENTER E J等[20]研制的軌道式黃瓜采摘機(jī)器人，包括4個(gè)采收機(jī)器人和1個(gè)機(jī)器人?？空?。每個(gè)采收機(jī)器人由智能控制運(yùn)動(dòng)裝置、采摘機(jī)械手、終端感應(yīng)器和計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)組成。其利用瞬時(shí)高溫方式切斷果梗，避免了細(xì)菌感染，采摘成功率能達(dá)到80%。
1.5林業(yè)采收機(jī)器人
原蘇聯(lián)中央森工機(jī)械研究所的伊爾庫(kù)茨克分所設(shè)計(jì)了一種裝備有信息測(cè)量系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的伐木歸堆機(jī)器人，其由計(jì)算機(jī)控制操縱抓切裝置，使機(jī)械臂按指定方向動(dòng)作，以完成抓樹(shù)、從根部伐樹(shù)、搬移和歸堆等工作[21]。
北美推出的Rottne 2202型和Rocan T型微型輪式采伐聯(lián)合機(jī)采用計(jì)算機(jī)程序控制機(jī)器人完成伐木、打枝和造材作業(yè)，該機(jī)的特點(diǎn)是機(jī)體小巧，作業(yè)時(shí)不會(huì)對(duì)周?chē)鷺?shù)木造成損傷，機(jī)組接地壓力較小，減少了對(duì)地表的破壞和樹(shù)根的損傷[22]。
Timberjack公司開(kāi)發(fā)了適用于陡坡和松軟林地的6足采伐聯(lián)合機(jī)器人，該機(jī)器人通過(guò)腿部傳感器獲取地面路況信息，采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制步伐，平衡機(jī)器人各足的載重，能越過(guò)120 cm的障礙，按設(shè)定的程序自動(dòng)完成伐木、打枝和造材等工作[23]。
1.6其他類型采收機(jī)器人
希臘工程師POOL TA和美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)工程師HARREL R C等[24]合作研發(fā)了一種柑橘采收機(jī)器人。該機(jī)器人由彩色攝像機(jī)和超聲波測(cè)距機(jī)進(jìn)行識(shí)別定位，采用半圓形環(huán)切刀切斷果梗。
日本岡山大學(xué)MonTA M等[25]研制的果園棚架栽培模式的葡萄采收機(jī)器人由一個(gè)5自由度機(jī)械臂和視覺(jué)傳感器組成。此機(jī)器人同時(shí)集成了葡萄的剪枝、套袋和藥物噴灑功能。
日本京都大學(xué)UMEDA K等[26]研制了一種名叫“STORK”的西瓜采收機(jī)器人。該機(jī)器人包含有平行4球聯(lián)動(dòng)的機(jī)械采摘手爪、視覺(jué)傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)。采摘手爪利用真空吸盤(pán)吸附方式提起西瓜，完成采摘。
日本HAYASHI S等[27]針對(duì)V型架栽培的茄子開(kāi)發(fā)了采收機(jī)器人，其采用履帶式底盤(pán)、7自由度機(jī)械臂、掌心相機(jī)、超聲距離傳感器、真空吸盤(pán)和帶有柔性?shī)A持器的果梗夾剪一體化末端執(zhí)行器。但由于枝葉遮擋等問(wèn)題，該機(jī)器人的識(shí)別率和采摘成功率都較低。
巴里理工大學(xué)和萊切大學(xué)合作研制的菊苣采收機(jī)器人機(jī)是由一個(gè)雙4桿機(jī)構(gòu)機(jī)械手、末端執(zhí)行器和視覺(jué)系統(tǒng)組成[28]。其基于智能彩色濾波算法和圖像形態(tài)學(xué)操作來(lái)確定菊苣的位置。末端執(zhí)行器采用切斷方式削減根莖，并能夠夾持菊苣送入采集托盤(pán)內(nèi)。
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
2.1蘋(píng)果采收機(jī)器人
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)顧寶興等[29]針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)矮化蘋(píng)果果園，設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人，利用DGPS自主導(dǎo)航載有采摘機(jī)械臂的輕型履帶式智能移動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)果實(shí)與樹(shù)枝色差模型的圖像處理識(shí)別和定位果實(shí)，完成采摘。
天津農(nóng)學(xué)院蘇媛等[30]以瑞典ABB公司的ABB irb460型3自由度工業(yè)機(jī)器人為模型，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了蘋(píng)果采收機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)。該機(jī)器人將640×640像素的圖片，在RGB顏色空間下，結(jié)合中值濾波降噪和拉普拉斯算子邊緣檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)果實(shí)的特征提取，最終完成蘋(píng)果果實(shí)定位。
2.2草莓采收機(jī)器人
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)陳利兵[31]針對(duì)壟作草莓研制了3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂配置剪切式末端執(zhí)行器，配合CCD相機(jī)構(gòu)成視覺(jué)系統(tǒng)的草莓采摘系統(tǒng)；針對(duì)高架草莓，也制作了采用3直動(dòng)直角坐標(biāo)機(jī)械臂配置夾剪一體式末端執(zhí)行器，并安裝了微型履帶底盤(pán)的“采摘童1號(hào)”樣機(jī)。
國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心馮青春等[32]研發(fā)的草莓采摘機(jī)器人針對(duì)高架栽培模式，采用了聲納導(dǎo)航移動(dòng)平臺(tái)，6自由度機(jī)械臂和雙目視覺(jué)系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了吸持果實(shí)，夾持果梗后，利用電熱絲燒斷果梗的新型末端執(zhí)行器。
2.3番茄采收機(jī)器人
上海交通大學(xué)的ZHAO Y S等[33]開(kāi)發(fā)的雙臂式番茄采收機(jī)器人，安裝了兩只三自由度PRR式機(jī)械臂，采用了滾刀式和吸盤(pán)筒式末端執(zhí)行器，使用雙目視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行果實(shí)識(shí)別與定位。
國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心王曉楠等[34]針對(duì)溫室立體培育番茄種植，設(shè)計(jì)了一款智能番茄采摘機(jī)器人，包括視覺(jué)定位單元、采摘手爪、控制系統(tǒng)及承載平臺(tái)。該機(jī)器人基于HIS色彩模型進(jìn)行圖像處理，提高了果實(shí)定位與識(shí)別精度；通過(guò)氣囊?jiàn)A持方式，保證了采摘過(guò)程中果實(shí)的柔性?shī)A持，降低了采摘過(guò)程中果實(shí)的損傷率。
2.4黃瓜采收機(jī)器人
湯修映等[35]研制的黃瓜采摘機(jī)器人FVHR-I，擁有一個(gè)帶活動(dòng)刃口和固定刃口的末端執(zhí)行器，用以切斷果梗。其視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)采用了RGB模型的G分量進(jìn)行圖像分割，同時(shí)進(jìn)行黃瓜果實(shí)識(shí)別和分割點(diǎn)的確定。該機(jī)器人的采摘成功率很高，但黃瓜果實(shí)的識(shí)別還有待提高。
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)紀(jì)超等[36]根據(jù)黃瓜果實(shí)與背景葉片分光反射特性差異，設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)器人由自主移動(dòng)平臺(tái)、果實(shí)識(shí)別定位系統(tǒng)、采摘機(jī)械臂、柔性末端執(zhí)行器和能源系統(tǒng)構(gòu)成，并提出了三層式系統(tǒng)控制方案，設(shè)計(jì)了導(dǎo)航控制程序和采摘控制程序。該機(jī)器人單根黃瓜采摘耗時(shí)28 s左右，成功率達(dá)85%，具有較高的穩(wěn)定性與實(shí)用性。
2.5林業(yè)采收機(jī)器人
東北林業(yè)大學(xué)陸懷民等[37]研制的林木球果采集機(jī)器人擁有一個(gè)5自由度的機(jī)械手。工作時(shí)，機(jī)械手爪由雙泵雙回路液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪與機(jī)械臂整體的柔性動(dòng)作。機(jī)器人停放在距母樹(shù)3～5m處，機(jī)械手爪張開(kāi)并對(duì)準(zhǔn)要采集的樹(shù)枝。隨后，機(jī)械臂前伸使采集爪趨近球果，采集爪收攏，利用采集爪的梳齒結(jié)構(gòu)夾攏果實(shí)并將果實(shí)擼下。最后完成球果的收集。
郭秀麗等[38]設(shè)計(jì)的采伐聯(lián)合機(jī)器人以SDWY-60型履帶式挖掘機(jī)作為行走機(jī)構(gòu)，安裝有6自由度機(jī)械手，采用雙泵雙回路液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，利用基于模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波的徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)立木定位、采伐與歸堆等多功能自動(dòng)循環(huán)作業(yè)。
魏占國(guó)等[39]設(shè)計(jì)了輪式林木采伐聯(lián)合機(jī)器人CFJ-30，其底盤(pán)采用鉸接式車(chē)架構(gòu)造，采用全液壓驅(qū)動(dòng)，集伐木、打枝、造材和歸楞于一體。
2.6其他類型采收機(jī)器人
郭素娜等[40]設(shè)計(jì)了一款能夠自主導(dǎo)航定位的葡萄采摘機(jī)器人，其通過(guò)RSSI自主導(dǎo)航和顏色特征提取，操作5自由度機(jī)械臂對(duì)成熟的葡萄完成定位和采摘，準(zhǔn)確率超過(guò)95%。
宋健等[41]設(shè)計(jì)的開(kāi)放式茄子采摘機(jī)器人，以4自由度關(guān)節(jié)式采摘機(jī)器人為本體。基于直方圖的固定雙閾值法對(duì)G-B灰度圖像進(jìn)行分割，提取了果實(shí)目標(biāo)的輪廓、面積、質(zhì)心、外接矩形以及切斷點(diǎn)等特征，對(duì)茄子進(jìn)行識(shí)別和定位。該機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，抓取成功率為89%，平均耗時(shí)37.4 s。
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