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采摘机器人简介 张晨光 （东北农业大学工程学院 哈尔滨 150030） 摘要：随着新的农业生产模式和新技术的发展与应用 农业机器人将成为农业生产的主力军。采摘机器人作为农业机器人的重要类型具有很大的发展潜力。为此，在分析采摘机器人特点的基础上，通过对几种典型的采摘机器人的开发与应用介绍，分析了国内外采摘机器人的研究进展与现状，找出采摘机器人发展中存在的主要问题并提出相应的解决途径，指出人机协作思想和开放式结构思想应用于采摘机器人的研究具有实际应用价值。 关键词：农业工程 采摘机器人 综述 人机协作 开放式结构 中图分类号 文献标识码 文章编号 0引言 随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。 1果树采摘机器人的特点 工业领域是机器人技术的传统应用领域，目前已经得到了相当成熟的应用；而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。 同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点：①作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异性大，需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制；②采摘对象具有随机分布性，大多被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了更高的要求；③采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，要求机器人在视觉、知识推理和判断等方面有相当高的智能；④采摘对象是有生命的、脆弱的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要机器人的末端执行器具有柔顺性和灵巧性；⑤高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且采摘机器人的使用具有短时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制采摘机器人推广使用的重要因素；⑥果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单、界面友好的特点。 2 国内外采摘机器人的研究进展 果蔬采摘机器人的研究开始于20世纪60年代的美国(1968年)，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，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，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，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。目前，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙等国都展开了果蔬收获机器人方面的研究工作，涉及到的研究对象主要有甜橙、苹果、西红柿、樱桃西红柿、芦笋、黄瓜、甜瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇等，但这些收获机器人目前都还没能真正实现商业化。 日本Kondo-N等人研制的西红柿收获机器人由机械手末端执行器视觉传感器和移动机构等组成。如图2所示，西红柿各个果实不一定是同时成熟并且果实有时被叶茎挡住，收获时要求机械手活动范围大且能避开障碍物，所以机器人的采摘机械手采用7自由度的 SCORBOT ER 工业机器人能够形成指定的采摘姿态进行采摘。用彩色摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位，移动机构采用4轮结构能在垄间自动行走采摘时移动机构，行走一定距离后就进行图像采集，利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息，判断西红柿是否在收获的范围之内，若可以收获，则控制机械手靠近并摘取果实吸盘把果实吸住后，机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。 图2 西红柿采摘机器人Fig.2 Tomato harvesting robo 我国在农业机器人领域的研究相对开始较晚，但发展速度较快，近年来也有了许多研究成果。中国农业大学刘兆祥、刘刚等人在苹果采摘机器人三维视觉传感器设计方面的研究；张建锋、何东健、张志勇等对于采摘机器人自适应鲁棒跟踪控制算法设计；江苏大学蔡健荣等通过恢复障碍物的三维信息，对于柑橘采摘机器人障碍物识别技术的研究；南京农业大学工学院王学林和姬长英对力外环控制的果蔬抓取技术的研究。 3采摘机器人的结构组成 目前的果蔬采摘机器人一般可分为移动机构、机械手、识别和定位系统、末端执行器等四大部分。 3．1移动机构 因为果实生长的植株是固定的且存在空间的随机分布性，所以机器人在采摘果实时需要主动接近并准确定位目标，这就要求机器人有自己的移动机