蔬果采摘机器人的研究进展与展望

果蔬采摘机器人研究进展

刘长林,张铁中,杨丽󰀁(中国农业大学,北京100083)

摘要󰀁综述了果蔬采摘机器人的国内外研究现状,介绍了目前大部分典型的果蔬采摘机器人的研究成果。通过分析大部分采摘机器人的工作情况、功能、存在问题,指出了目前采摘机器人的应用与研究过程中的主要难点与制约因素,提出了研究开发的方向与关键技术。关键词󰀁果蔬采摘;机器人;研究进展;关键技术中图分类号󰀁S225󰀁󰀁文献标识码󰀁A󰀁󰀁文章编号󰀁0517-6611(2008)13-05394-04

ResearchProgressonPickingRobotforFruitsandVegetablesLIUChang󰀁linetal󰀁(ChineseAgriculturalUniversity,Beijing100083)Abstract󰀁Thecurrentsituationofresearchonfruitandvegetablepickingrobotathomeandbroadwassummarized,theparticularlyfocuswereonthere󰀁searchresultsofmosttypicalpickingrobots,includingrobotprincipleandstructure.Throughanalyzingtheworkingcondition,functionandproblemsofmostofpickingrobot,thepresentdifficultiesandrestrictedfactorsofpickingrobotinitsresearchandapplicationwerepointoutandtheresearchdirectionandkeytechnologyinfuturewereprovided.Keywords󰀁Fruitandvegetablepicking;Robot;Researchprogress;Keytechnology

设施农业采摘机器人研究进展

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智能化果蔬采摘机器人是现代设施农业发展的迫切需要。概述了 国内外设施农业果蔬采摘机器人的研究现状，通过分析目前典型的采 摘机器人的功能、工作原理和关键参数，指出目前采摘机器人研究应 用过程中的主要难点和制约因素，以及采摘机器人的未来研究方向。

果蔬采摘是果蔬生产过程中最为耗时、耗力、实效性强的生产环 节之一，所需投入的劳动力约占整个生产种植过程的40%〜50%。随 着社会发展，特别是工业化发展进程使得农业劳动力逐渐减少，农业 劳动力成本逐渐增加。依靠人工劳作的生产形式己不能满足现代农业 发展的需求。依靠机器人、智能化装备开展农业生产成为现代农业发 展的迫切需要，是在农业机械化、自动化基础上提出的新的要求和发 展趋势。

果蔬采摘机器人是农业机器人的一种，是机器人技术在农业中应 用和创新，集中了机械、电子、信息、计算机、农学和生物等多学科 领域知识。采摘机器人将在减轻劳动强度，解决劳动力短缺，保障采 摘作业的适时性，提高农业生产效率，提高果蔬质量等方而具有巨大 的潜力和市场需求。

20世纪60年代，一些研究学者开始尝试采用机器人技术进行果 蔬的收获，到90年代出现了一个发展的高峰。日本、荷兰、美国、 西班牙等农业发展国家出现了一批果蔬收获机器人样机。涉及到的研 究对象主要有柑橙、苹果、番茄、樱桃、黄瓜、葡萄、甘蓝、生菜、 马铃薯、草莓等。随着近年的发展，依据采收对象和采收方式的区别， 农业采收机器人逐渐呈现3种不同的发展类型：果树采收类、大田采 收类及设施农业采收类。

由于设施农业具有栽培模式结构化程度高，果蔬采摘频率高等特 点，尤为适合发展机器人化的采摘。同时，设施农业环境下又受到空 间相对狭小、密闭的限制，传统的大型农业机具难以直接改造应用。 因此，设施农业采摘机器人从发展之初就形成了以专用的小型化运动 平台以及采用微小型工业机器人为鲜明特点的发展模式。目前，日木、 荷兰、英国等国家相继开发了番茄、草莓、黄瓜、蘑菇、葡萄等多种 果蔬的采摘机器人。

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。

２０１　１年１月　农机化研究　第１期　

果蔬采摘机器人的研究　

陈磊，陈帝伊，马孝义　

（西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌７１２１００）　

摘要：果蔬采摘机器人是实现农业自动化的～项重要技术。为了掌握果蔬采摘机器人的最新研究动态，将其　尽早应用到生产实际，根据近年来国内外最新的研究资料，简要阐述了果蔬采摘机器人的特点和国内外的研究　进展，结合当前在此领域的一些研究实例进行比较分析；从采摘机器人的移动机构、机械手、识别和定位系统、末　端执行器４部分介绍了其结构组成与设计技术，并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题，　提出了未来研究开发的技术关键与方向。　关键词：果蔬采摘；机器人；机械手；控制系统　中图分类号：￥２４；￥２２５．９３　文献标识码：Ａ　文章编号：　００３—１８８Ｘ（２０１１）０１—０２２４—０４　

Ｏ　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　

收稿日期：２０１０—０３—３１　基金项目：国家自然科学基金项目（５０８７９０７２）；国家级大学生创新实　验项目（２００９—２０１１）　作者简介：陈磊（１９８８一），男，陕西商洛人，在读本科生，（Ｅ～ｍａｉｌ）　ｃｈｅｎｌｅｉ０５５＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｃｎ。　通讯作者：陈帝伊（１９８２一），男，河北遵化人，讲师，博士研究生，（Ｅ　—ｍａｉｌ）ｄｉｙｉｃｈｅｎ＠ｎｗｓｕａｆ．ｅｄｕ．ｅｌ３。　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