果蔬采摘机器人

对于很多蔬菜水果种植户来说，没到是收获的季节，既开心丰收，又烦恼该如何进行采摘，近年来科技力量的不断注入，帮助种植户们解决了采摘难的问题，大大提升了效率以及更好的保证产品的质量。

采摘机器人是利用人工智能和多传感器融合技术，基于深度学习的视觉算法，引导机械手臂完成识别、定位、抓取、切割、回收任务的高度协同自动化系统，采摘成功率可达90%以上，可解决复杂的果蔬收获难题，应用于现代农业园区，是智慧农业的标志性产品。

产品特点
l 利用多传感器融合技术，对采摘对象进行信息获取、成熟度判别、并确定收获目标的三维空间信息及视觉标定。

l 能够引导机械手与末端执行器完成抓取、切割、回收任务的高度协同自动化系统。

l 可以在实现无人值守情况下，自动导航、自动识别、自动完成机械臂运动及机械手采摘。

产品指标
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果蔬采摘机器人研究进展与展望金慧迪（西北农林科技大学，机械与电子工程学院，712100）摘要：本文主要介绍了果树采摘机器人的特点及国内和美国、日本、荷兰、英国等国外的研究进展，并且对研究过程中所存在的一些问题提出了一系列的解决方案，对未来果蔬机器人的发展进行了展望。

关键词：机器人：果树采摘：研究进展在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%。

采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。

由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。

目前国内果蔬采摘作业基本上还是手工完成。

随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也将提高。

因此，发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人，具有重要的意义。

一、果蔬采摘机器人的特点1.1 作业对象的非结构性和不确定性果实的生长是随着时间和空间而变化的，生长的环境是变化的、未知的和开放性的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。

这就要求果蔬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相当高的智能。

1.2 作业对象的娇嫩性和复杂性果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。

且其形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大。

果蔬采摘机器人一般是作业、移动同时进行，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。

1.3 良好的通用性和可编程性由于果蔬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，温室果蔬采摘机器人，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蔬采摘机器人操作者是农民，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。

/发展研究|四川农业与农机/2014年6期|进方向平行滑动，可以保证机构不干扰视觉传感器。

其末端执行器由3把电热刀和围着主茎配置的气动驱动器组成，电热刀的安装位置使其可以从3个方向围住主茎，电热刀上方有V 字形引导器。

首先，视觉传感器识别需要摘除的叶子及其主茎，检测出其位置，接近被摘叶下方的主茎。

电热刀的引导器沿主茎向上滑动，叶柄总可以接触到3个电热刀中的一个，叶柄和电热刀一接触上，电流立即导通，烧断叶柄，摘除叶子。

利用热切断叶柄，还能对切断部位消毒，可以防止病菌从切口侵入。

这种机器人的采摘速度为45s/根，成功率约为80%。

2）冈山大学和井关农机株式会社于1991年合作研究了黄瓜收获机器人，这款机器人的研发是农机农艺相融合的成果。

首先，为使机器人容易进行收获作业，改进了黄瓜的栽培方式——将传统的栽培方式倾斜化，用支柱等支撑茎叶，只让果实露在棚架的下方，达到果实和茎叶分开的目的，以利于黄瓜的采摘。

这台机器人由可进行果实识别和位置检出的视觉传感器、七自由度极坐标型机械臂、可夹持果实并检出和剪断果梗的末端执行器以及移动机构构成。

1.1.3柑橘类收获机器人1）日本久保田株式会社于1988年试验、开发了柑橘收获机器人。

该机器人机械臂为三自由度垂直多关节型，小臂和大臂长度相等，肘和腕关节的速比为2∶1。

末端执行器可以沿直线运动，使机械臂不会像一般极坐标型关节一样伸向背后，从而避免了与背后的果树发生干扰。

机器工作时，频闪光源发光，末端执行器内部的摄像机随即开始采集图像，检测出果实。

机械臂靠近目标果实并用吸盘将目标果实吸入梳状罩，使其和其他果实分开，最后由锥形切刀将果梗切断。

2）美国的佛罗里达大学于1990年开发了橙子收获机器人。

这种橙子收获机器人拥有可实现左右上下和直线运动的三自由度极坐标型液压驱动以及七自由度的机械臂。

当末端执行器内置的光源、彩色摄像机检出果实之后，末端执行器就移向果实，末端执行器内置的超声波传感器检测出距离，半圆形环切刀便旋转切断果梗收获橙子。

农业机器人在果蔬采摘中的应用前景如何在当今科技飞速发展的时代，农业领域也迎来了一系列的变革。

其中，农业机器人的出现为果蔬采摘带来了新的可能性。

那么，农业机器人在果蔬采摘中的应用前景究竟如何呢？首先，让我们来了解一下为什么果蔬采摘需要引入农业机器人。

传统的果蔬采摘方式主要依赖人工，然而，随着人口老龄化加剧以及劳动力成本的不断上升，人工采摘面临着巨大的挑战。

此外，人工采摘还存在效率低下、劳动强度大、容易造成果蔬损伤等问题。

而农业机器人的出现，有望解决这些难题。

农业机器人在果蔬采摘中的应用具有诸多优势。

其一，它们能够提高采摘效率。

通过先进的传感器和图像识别技术，农业机器人可以快速准确地识别成熟的果蔬，并进行采摘。

相比人工采摘，机器人可以不知疲倦地工作，大大缩短采摘时间。

其二，农业机器人能够保证采摘质量。

它们可以根据果蔬的成熟度、大小和形状等进行精准采摘，减少对果蔬的损伤，提高果蔬的品质和市场价值。

其三，农业机器人可以适应各种复杂的环境。

无论是高温、低温还是恶劣的天气条件，机器人都能够正常工作，不受外界环境的影响。

然而，目前农业机器人在果蔬采摘中的应用还面临一些挑战。

技术方面，果蔬的生长环境复杂多样，果实的形状、大小和颜色也各不相同，这给机器人的识别和采摘带来了很大的困难。

例如，某些水果在成熟过程中颜色变化不明显，或者被树叶遮挡，机器人可能会出现误判。

此外，机器人的采摘动作还需要更加轻柔灵活，以避免损伤果蔬。

成本方面，农业机器人的研发和生产成本较高，这使得其在短期内难以大规模普及。

同时，机器人的维护和保养也需要专业技术人员，增加了使用成本。

尽管面临挑战，但随着科技的不断进步，农业机器人在果蔬采摘中的应用前景依然十分广阔。

未来，我们可以期待以下几个方面的发展。

在技术创新方面，随着人工智能、机器学习和计算机视觉技术的不断发展，农业机器人的识别和采摘能力将得到显著提高。

例如，通过深度学习算法，机器人可以更好地理解果蔬的生长规律和特征，从而更加准确地进行采摘。

农业作为我国重要的经济产业支柱，其发展的道路上存在着众多的问题。

在城镇化不断推进和人口老龄化现象日益严重以及大量青年人外出务工等的驱动下，农村严重缺乏生产劳动力，而缺乏生产劳动力是农业发展面临的主要问题之一[1]。

目前，我国果蔬等农作物采摘方式以人工采摘方式为主，由于劳动力的不足，大量的人工成本严重影响了果蔬生产效益。

因此，随着国家的发展，农业的发展逐渐从传统农业向智能化、智慧化农业发展，因而在农业生产中普及智能化设备、降低成本、提高工作效率，将成为未来农业发展的必然趋势，研发制造适用于果蔬等农作物采摘的机器人，代替人工进行农业生产，对于推进农业智能化和现代化进程具有重要意义[2]。

1果蔬采摘机器人的作业特性分析
1.1采摘对象多样化，生长环境差异化
果蔬的种类繁多，其大小、形状、颜色、重量以及坚硬度都有很大的差别，对于坚硬度不高的果蔬采摘时容易造成损坏，所以在作业时，采摘机器人需要根据果蔬的大小去调整末端执行器以及控制抓取力度。

由于果蔬的生长受到环境因素的影响很大，而环境也存在着很大的差异性，所以采摘机器人的采摘作业环境也就大不相同，进而对其提出了更高的要求。

种果蔬采摘竞赛机器人的设计随着人工智能和机器人技术的不断发展，机器人在农业领域的应用也越来越广泛，尤其是在果蔬采摘方面，机器人的应用可以极大地提高采摘效率、减少人力成本并减少采摘过程中的浪费和损失。

因此，设计一款种果蔬采摘竞赛机器人是十分有意义的。

一、机器人的基本构造果蔬采摘竞赛机器人的基本思路就是使用机械臂进行采摘。

其机器人构造如下：1.底盘：底盘采用四轮驱动的方式，可以进行前进、后退、左右移动和转向等动作。

同时，底盘上还需配备一些传感器，如磁力传感器、红外线传感器等，以帮助机器人确定自身的位置和采摘的水果蔬菜的位置和类型。

2.机械臂：机械臂是机器人最重要的部分之一，同时也是实现果蔬采摘的基础。

机械臂需要能够伸长、收缩、旋转，以便机器人能够轻松地抓取、切割或摘取水果蔬菜。

此外，机械臂上也需要安装视觉传感器，以便机器人能够准确地定位、识别和选择要采摘的水果蔬菜。

3.控制系统：机器人的控制系统需要具备多项功能：能够实时接收传感器信息、识别对象、计算运动路径和对机器人进行控制等。

4.电源：机器人的电源需要具备稳定、可靠的性能，以保证机器人能够持续工作。

二、设备的工作流程机器人的工作流程通常包括以下几个步骤：1.定位：通过传感器，机器人可以定位自身的位置以及需要采摘的水果蔬菜的位置。

2.识别：通过视觉传感器，机器人可以识别不同类型的水果蔬菜，以便在采摘时进行正确的操作。

3.选择：根据各种因素，如熟悉程度、健康程度、大小和质量等，机器人可以选择要采摘的水果蔬菜。

4.采摘：根据选择的水果蔬菜，机器人可以通过机械臂进行相应的操作，如剪枝、夹住、抓取等。

5.储存：机器人将采摘下来的水果蔬菜存放在专门的容器中，以便日后加工或销售。

三、机器人的设计特点1.精度高：机器人能够通过不同的传感器和视觉传感器确定水果蔬菜的位置、形状和大小，从而使机械臂的操作准确无误。

2.效率高：机器人能够在短时间内采摘大量的水果蔬菜，并且操作速度快，不需要休息，可以一直工作。