张盛 李艳聪 郑爽爽 王睿 王东阳 顾典荣
摘 要：介绍了果蔬机械化采摘的重要意义，叙述了国内外果蔬采摘机械人的研究现状，简述了几种典型的采摘机械人的研究成果。
关键词：果蔬；采摘机械人；研究现状
引言
随着计算机技术和自动化技术的快速发展，我们正朝着一个智能化的机械时代迈进，农业机器人已经渗入到了农业生产的方方面面，成为了农业生产趋于智能化、自动化的重要标志。在中国，蔬菜和水果分别是第二、三大种植作物，是很多地区经济发展的重要支柱产业[1]。但就目前来看，果蔬生产机械化程度较低，特别是采摘这一环节，人工采摘作业效率低、成本高，而且进入21世纪以来，人口老龄化问题你日趋严重。因此，加大对果蔬采摘机械人的研究力度，对未来农业的发展具有很大的实用价值。
1 国外采摘机械人的发展历程及研究现状
美国是最早进行采摘机械人研究的国家。1968年，学者Schertz和Brown首次提出了运用机械人来采摘果蔬的先进思想，而第一台采摘机械人也是于1983年在美国诞生[2]。在之后的时间里，随着机器人技术和计算机技术的不断发展和日趋成熟，日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙、韩国等国家都在采摘机械人上都做了大量的研究工作，并在很多试验中都取得了一定的成功，其中包括番茄、苹果、柑橘、黄瓜、葡萄、草莓等果蔬采摘机械人。但是由于采摘环境及采摘目标的复杂性，目前市场上仍然没有出现商品化的采摘机械人。
1.1 番茄采摘机械人
番茄采摘机械人是研究较早的采摘机械人项目[3]。20世纪90年代，日本岗山大学Kondo等人通过对Noboru Kawamura等人的五自由度番茄收获机械手的进一步改良研制出了一种七自由度的番茄采摘机械人。其主要由五个转动关节和两个移动关节组成，转动关节主要用来确定机械手在空间的位姿，移动关节主要用来确定机械手末端执行器的位置。此外，因为番茄果实比较柔软，所以在其末端采摘手指上套了橡皮指套，有效的避免了对果实的伤害。但是对于生长在枝叶繁茂处的成熟番茄来说，机械手无法避开障碍物规划路径，完成采摘作业。
1.2 草莓采摘机械人
在日本，草莓通常是在温室里种植，植株较高，人工采摘十分不方便，根据这些特点，近藤等人研制出了一种五自由度气吸式草莓采摘机械人。其工作过程大致分为四步，由机械人的视觉系统定位出成熟草莓的空间位置；将自身移动到设定位置；末端执行器工作吸住草莓；通过切片的旋转使草莓果实与果梗分离[4]。这种设备不但可以减小对果实的定位误差，而且能够在最大程度上减少果实表皮与设备之间的摩擦。但是它仍然存在整体结构庞大、结构复杂、成本高等诸多缺点需要改进[5]。
1.3 柑橘采摘机械人
基于人机协作的思想，西班牙工业自动化研究所研制出了一种柑橘采摘机械人[6]。该机构的主体由机械手、超声传感定位器和视觉系统组成，并安装在拖拉机上来实现机构的移动。它能够根据柑橘的颜色、大小以及形状来判断其是否成熟。这类机械人每分钟可以采摘近六十个柑橘，采摘完成后，还可按色泽、大小进行分级装箱，大大提高了采摘效率。
1.4 苹果采摘机械人
苹果采摘机械人在美国、韩国、日本等国家均有研究，其中影响较大的是Johan Baeten等人研制的苹果采摘机械人[7]。此机械人将工业机器人的六自由度手臂作为机械臂的主体，与其他机械人相比，它不仅可以进行水平方向上的移动，还可以竖直移动，最大程度的扩大了采摘范围。但是整个机器人还存在占地面积较大且质量重，成本高，适用范围小（仅适用于植株较矮的苹果树）等诸多问题，因此商品化程度较低。此外，韩国庆北大学研究出了一种具有四个自由度的苹果采摘机械人，它包括一个移动关节和三个旋转关节[8]。为了避免损伤苹果，还在末端执行器上安装了压力传感器，有效避免了末端执行器对苹果表皮的损伤。
2 国内采摘机械人的发展历程及研究现状
20世纪90年代中期，国内才开始对采摘机械人技术进行研究，相对于其他发达国家起步晚、投资少、发展慢，目前仍处于起步阶段[9]。但随着技术的不断发展，科技的不断创新，国内的一些院校、学者开始对采摘机械人进行了广泛深入的研究，同类型产品也不断更新换代，已经取得了很不错的阶段性成果。中国农业大学的张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作，并在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬采摘机器人方面做出了较深入的研究，研制出了一系列的试验样机。其中，他与汤修映等人研制出的黄瓜采摘机器人具有六个自由度，基于RGB三基色模型的G分量进行图像分割，之后再确定黄瓜的采摘点，提高了采摘的准确性。目前，东北林业大学的陆怀民研制的林木球果采摘机器人已经完成了实体采摘试验。这种机器人采净率高，效率高达500千克/天，约是人工采摘的40倍[10]。在视觉技术方面，南京农业大学的张瑞合等运用双目立体视觉技术对成熟番茄进行定位[11]，将成熟番茄与周围干扰环境分开，在番茄采摘机械人的视觉方面取得了很大的成绩。此外，上海交通大学机器人研究所的曹其新等人进行了用于精确农业的智能农业机械的研究工作，现已完成了蔬菜工厂化育苗播种流水线样机、智能化联合收割机的研制，并且在草莓拣选机器人方面取得了一定的成效[12]。
3 结束语
观察国内外果蔬采摘机器人的研究现状，目前技术还不是十分成熟，仍处于从试验到推广的过渡性阶段。但是采摘机械人作为农业机器人领域的一种新兴产业，还是具有很大的发展潜力。要想让采摘机械人能够适应复杂的工作环境成功的完成采摘作业，还需要研究工作者做出深入的研究和不懈的努力，将开放、新颖的思想应用于采摘机械人的设计理念当中，使其不断地完善。相信在不久的将来，采摘机械人能够克服种种技术上的阻碍，广泛应用于农业领域，最终实现其商品化。
参考文献
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[2]David C，Roy C. Color vision in robotic fruit harvesting[J].Transactions of the ASAE，1987，30（4）1144-1148.
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[5]Kondo N， Nishitsuji Y， Ling P， et al， Visual feedback guided robotic cherry tomato harvesting[J].Trans of the ASAE，1996，39：2331-2338.
[6]姜丽萍，陈树人.果实采摘机器人研究综述[J].农业装备技术，2006，32（1）：8-10.
[7]Baeten Johan， Donne Kevin， Boedrij Sven， Beckers Wim and Claesen Eric. Autonomous Fruit Picking Machine： A Robotic Apple Harvester[C].Springer Tracts in Advanced robotics，2008，（42）531-539.Field and Service Robotics： Results of the 6th International Conference.
[8]Nonshi Kondon， K C. Robotics for bio production system[M].ASAE Paper，1998.
[9]易中懿，胡志超.农业机器人概括与发展[J].江苏农业科学，2010（2）：390-393.
[10]陆怀民，林木球.果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报，2001，32（6）：52-58.
[11]殷际平，何广平.关节型机器人[M].北京：化学工业出版社，2003.
[12]曹其新，吕恬生，永田雅辉，等.草莓拣选机器人的开发[J].上海交通大学学报，1999，33（7）：880-884.
作者简介：张盛（1993-），男，天津人。
*通讯作者：李艳聪（1965-），女，天津人，教授，博士。
