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果树采摘机器人研究综述 何蓓，刘刚 （“现代精细农业系统集成研究”教育部重点实验室，中国农业大学，北京，100083） 摘 要：农业机器人作为农业智能控制技术研究成果中新一代生产工具，在提高农业生产力、改变农业生产模式、解决劳动生产力不足问题等方面显示出较大的优越性。其中，果树采摘机器人是当前农业机器人研究领域一个热点。果树采摘机器人可充分利用机器人的信息感知功能，对被采摘对象的成熟程度进行识别，从而保证采摘果实的质量，并能够提高采摘的工作效率。本文首先介绍了果树采摘机器人的特点、基本特征。从采摘机器人机械手的设计、末端执行器的设计、行走装置的设计、果实成熟度的识别和定位等方面，分析了国内外的研究现状，并对国内外发展的情况进行了分析对比。针对目前果树采摘机器人商品化面临的诸多问题，如采摘效率低、采摘质量差、装置结构简单等，提出了相应的解决方法。 关键词：果树采摘，机器人，研究现状，解决方法 中图分类号：S24 0 引 言 农业信息化是我国进入21世纪后建设现代农业的重大战略选择，是实现农业现代化的重要内容。实施农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效益将是现代农业发展的必然趋势。现代农业技术和其它相关科学技术的发展，不但对农业机器的技术革命提出了要求，而且也奠定了相应的科学技术基础。 不同的地域条件影响外，还受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果树采摘机器人不仅要具有与生 物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应变化无常的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有一定的智能特性。 1.2 作业对象的娇嫩性和复杂性 果树的果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。其形状比较复杂，生长发育程度不一，相互差异较大。 1.3 良好的通用性和可编程性 由于果树采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，变更判断基准，变更动作顺序，就能进行多种作业。例如，温室果树采摘机器人，更换不同的末端执行器就能完成施肥、喷药和采摘等作业。 1.4 操作对象和价格的特殊性 果树采摘机器人的操作者，一般不是具有机电知识的工程师，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及[1]。 2 果树采摘机器人的特征 果树采摘机器人的工作对象是水果。果树采摘机器人应具有对所操作农产品及其所处环境特征信息的感知功能，以保证其在工作空间行为和操作的正确性。 果树采摘机器人应具有对所操作果实的抓取(或采摘、搬运、移位及其它操作)功能。 果树采摘机器人应是一个可编程的柔性系统，可根据自主或人机协同的控制程序，实现对其行为的控制，并可根据不同的工作目标修改程序。 果树采摘机器人一般具有自行在特定空间中行走或移动的功能。 3 果树采摘机器人的研究现状 美国学者Schertz和Brown于1968年首次提出应用机器人技术进行果蔬的采摘[2]。1987 年Sistler在回顾自动化采摘领域的研究进展时指出，当时开发的采摘器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的采摘机械[3]。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采摘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。我国在农业机器人方面的研究工作起步比较晚，但在近10年来发展比较迅速，有个别研究样机出现，但仍未有商品化产品推出。果树采摘机器人的研究还只限于机器视觉方面，总体与国外差距较大。 3.1 机械手 机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在采摘机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置[4]。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。 机械手机构一般属于空间开式链。由于农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，采摘机械手的选型既要遵循工业机械手的基本原则，又要考虑其作特殊性。要考虑使其具有最优的工作空间、较好的避障能力、机构结构设计合理、消除工作空间的奇异形位[5]。 1980年，日本Kawamura等人采用了5个自由度的机械手，因为不是全自由度的机械手，所以在空间上受到了限制。7个自由度，采用三菱RV—E26自由度机械手，在底座上增加了1个线性滑动自由度，该机械手很好的解决了机械手与茎干的碰撞问题[7]。 在国内，东北林业大学陆怀民研制的林木球果采摘机器人，机械手由回转盘、立柱、大臂、小臂和采集爪等顺序联接而成有6个自由度。[9]。 末端执行器必须根据对象的物理属性