农业收获机器人的技术特点及发展现状

引言
随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。在农业生产中，由于作业对象的复杂、多样，使得新概念农业机械——农业机器人的开发具有了巨大经济效益和广阔的市场前景，符合社会发展的需求。
中国是一个发展中的农业大国，农业问题始终是关系到中国经济社会发展的根本问题。目前我国农业增长中，农业科技进步对农业增长的贡献率已达到45%以上，超过了土地、劳动力以及物资投入要素的贡献份额。根据党的十六大精神，新阶段“科教兴农”的目标是力求通过5-8年的不懈努力，农业科技进步贡献率达到55%以上，科技成果转化率提高到60% [1]，科学技术成为农业和农业经济发展的主要推动力。但是，我国农业机械化对农业生产的贡献率仅为17%，而发达国家基本实现了机械化[2]。因此要加强农业科技成果转化和技术推广，提高农业生产的科技含量，这样才能促进农业增长方式的根本性转变，缩小与发达国家的差距，加速农业现代化进程。实施“精确”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，提高经济效率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。因此，抓紧机遇，迎头赶上农业新科技革命的潮流，及时研究开发以农业机器人为代表的新一代农业机械，对于我国农业的长远发展有着重要意义。
 
1、农业机器人的特点
和工业机器人相比，农业机器人有以下特点：[3]
（1）农业机器人作业对象的娇嫩性
生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其种类繁多，形状复杂，在三维空间里的生长发育程度不一，相互差异很大。
（2）农业机器人的作业环境的非结构性
由于农业作物随着时间和空间的不同而变化，机器人的工作环境是变化的、未知的，是开放性的环境。作物生长环境除受园地、倾斜度等地形条件的约束外，还直接受季节、大气和时间等自然条件的影响。这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理能力，而且还要能够顺应变化无常的自然环境。要求农业机器人在视觉、知识推理和判断力等方面具有相当的智能。
（3）农业机器人作业动作的复杂性
农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点。 1
（4）农业机器人的使用者
农业机器人的使用者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。
（5）农业机器人的价格特性
工业机器人所需要大量投资由工厂或工业集团支付，而农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格，就很难普及。
在农业生产中使用机器人有很多好处：可以提高劳动生产率；解决劳动力不足的问题；改善农业生产者的安全、卫生环境；提高作业质量等。
2、农业收获机器人的发展现状
目前，各农业发达国家果蔬收获机器人的研究已经取得了很大的进展，但离实用化和商品化还有很长一段距离。[4]表1为部分国家果蔬收获机器人的研究进展情况。法国是最早研究水果收获机器人的国家之一。日本近年来在收获机器人研究方面进展很快，但还没能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作也走在很多国家的前面，但研究的果蔬种类并不多。目前收获机器人还未得到真正应用的原因主要是：
1) 果实的识别率和采摘率不高,损伤率较大；
2) 果实的平均采摘周期较长；
3) 收获机器人的制造成本较高。
表1 国外果蔬收获机器人研究进展统计
商业化阶段
样机阶段
研究阶段
日本
橄榄、葡萄、西红柿、樱桃、黄瓜
橄榄、西红柿、茄子、西瓜、甜橙、草莓
荷兰
萝卜、蘑菇
西红柿、芦笋
黄瓜、葡萄
法国
葡萄、橄榄、苹果、甜橙
英国
蘑菇
定期收获水果的攀爬机器人
美国
椰菜、甜橙、柑桔
3、各种采摘机器人的开发与应用介绍
到1997年底，国外开发的一系列果品蔬菜采摘机器人，如西红柿、黄瓜、结球菜、柑桔葡萄、西瓜等收获机器人均研制出了样机，有些已应用于实际生产。这类机器人采用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实，它主要由机械手、终端握持器、视觉传感器及移动机构等几部分组成。其中机械手有7个自由度，能避开障碍物；终端握持器的中间有压力传感器，能避免损伤果实。
1）西红柿采摘机器人
原理图如图1所示[5]。该机器人具有上下移动、左右旋转、水平伸缩上下俯仰4个自由度。采用100W，3000r/min的交流伺服电机和1:125的减速机构驱动4个关节轴。左右旋转、上下移动、上下俯仰和水平伸缩4个自由度的关节速度分别为2.51rad/s、0.3m/s、3.14 rad/s和1.8m/s。关节速度高，影响末端执行器的定位精度，但能够提高采摘的效率。采摘机器人采用交流伺服电机，对于野外作业，电源的提供并不方便。对于移动机器人而言，最好使用蓄电池提供的直流电源。
西红柿每棵可长4~6个果实，而每个果实并不是同时成熟的。成熟的果实为红色，而不成熟的果实为绿色，因此通过彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别果实，同时利用终端握持器中的吸引器，把果实吸住，再用机械手的腕关节把果实拧下。为了降低西红柿的收获成本，目前已研制了用于收获樱桃西红柿的机器人，它采用双目立体成像技术来确定果实的位置，成功率约为70%。


另外，在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上，美国加利福尼亚西红柿机械公司展出两台全自动西红柿采摘机，如图2所示。如果西红柿单位面积产量有保证的话，这种长12.5米、宽4.3米的西红柿采摘机每分钟可采摘1吨多西红柿，1小时可采摘70吨西红柿。这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓，仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿，并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内，然后将为成熟的西红柿连同枝叶一道粉碎，喷撒在田里作肥料。
2）黄瓜采摘机器人
图3所示为日本的Kondo等人研制的黄瓜采摘机器人，该机器人采用三菱MITSUBISHI
3
http://www.paper.edu.cn
RV-E2六自由度工业机器人，利用CCD摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。黄瓜和果梗的连接与番茄不同，采用拧摘方法较难，而是用剪断方法，先把黄瓜抓住，用接近觉传感器找出柄，然后剪断，采摘速度为16个／s，由于黄瓜是长条形，受到叶茎的影响更大，所以采摘的成功率较低，大约在60％左右。同样，此机器人需要改进其机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功能，以提高采摘成功率，提高采摘速度。
1996年，荷兰农业环境工程研究所开始研制一种多功能黄瓜收获机器人。该研究在荷兰2h的温室中进行，黄瓜按标准的园艺技术种植并把它培养为高挂线缠绕方式吊挂生长。该机器人只进行单个收获，收获成熟黄瓜过程中不伤害其他未成熟的黄瓜。该黄瓜采摘机器人由四部分组成：行走车、机械手、视觉系统和末梢执行器，其结构示意图如图4所示。采摘是通过末端执行器来完成，它由机械手和切割器构成。末端执行器和机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统的初步定位服务。整个系统无需人工干预就能在温室工作。试验结果为工作速度10s/根，在实验室中效果良好，但是还不能满足商用的各种要求2m[6]。

3）葡萄采摘机器人
对于水平葡萄架的葡萄采摘机器人，视觉传感器一般为彩色摄像机，而用PSD (Position Sensitive De Vice)三维视觉传感器效果更好，该传感器侧装有激光光源，传感器接收目标物的反射光，从而检测出成熟果实及其距离的三维信息。它的机械手为=自由度极坐标型，终端执行器中的手指与剪刀采摘果实。
4）柑桔采摘机器人
西班牙科技人员发明的这种机器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成。能从果实的大小、形状和颜色判断是否成熟。它的工作效率很高。另外，该机器人通过装有视频器的机械手，能对采摘下来的果实按大小同时进行分类。
5）结球菜收获机器人
结球菜收获机器人主要是为选择、收获已成熟的菜球而研制的智能机器人。它收获部的机械手主要由;型下指、中指和上指，以及薄型切割刀等组成。V型下指用来分离菜球与菜的外叶，当视觉部确定目标后，下指自动插到菜球与外叶之间，使菜球的根部完全暴露，再由切割刀切下菜球，菜球随下指上升到一定高度，由中指和上指把菜球从下指部取走，送到传送箱。该机器人大大节省了劳动力，减轻了劳动强度，提高了效率，当然它的不足之处是视觉系统的搜索时间较长，对菜球本身的紧度也有一定的要求，另外，它目前的成本也比较高。
6）蘑菇收获机器人
在许多国家，蘑菇的生产集约化程度很高，但人工采摘蘑菇的效率低，且分类的质量不易保证，从而制约了生产效率与经济效益的提高。因此研制了具有计算机视觉系统的蘑菇采摘机器人。
4
http://www.paper.edu.cn
在1994年，由英国开发，用CCD黑白摄像机识别作业对象，再用直角坐标机械手进行收获。为了防止损伤蘑菇，机械手的执行部有衬垫，吸附后用捻的动作完成。该机的识别率达84%，收获率达80%，完整率达57%。
7）西瓜收获机器人
日本京都大学开发了一台西瓜收获机器人。大多数的机器人采用电气驱动，但这种机器人是采用油压驱动。机械手有五个自由，除一个关节外都采用油缸控制。虽然精度较差，但省掉了减速机，降低了成本，这对于农业使用是有利的。另外它的果实检测是根据西瓜挂果的日期（开花日期）的不同，树立直径为40mm的不同颜色的标识球，这样就可以根据标识球的颜色和位置正确判断西瓜的位置和成熟度。为了便于判断，标识球的颜色有一定的限制[7]。
结束语
[9]随着新的农业生产模式和新技术的应用, 机器人将越来越多地应用到农业生产中。在农业中运用机器人是从质的方面提高劳动生产率的新方法，也是农业机械产品技术发展的一个标志。但是由于农业生产的季节性、农产品的价格、农业作业的复杂性等特点对农业机器人的性价比、智能提出较高的要求, 成为制约农业机器人研究应用的瓶颈问题。因此，农业机器人技术将是新世纪的重点研究内容之一。