刘志宇，张 亮，李树珍，石 磊，任晓光
（河北科技师范学院机电工程学院，河北秦皇岛０６６００４）
摘要：采摘机器人是农业机器人的一个重要分支，对未来农业机械化、自动化以及智能化起着重要的作用。研究主要介绍了近几年国内外对采摘机器人的研究现状及成果，同时对采摘机器人的发展趋势做出了分析。
关键词：采摘机器人；研究现状；发展趋势
果蔬种植规模的逐渐扩大，人工成本的不断提高，并且农村老龄化现象逐渐增加，大量青年人外出打工，这些都对农业的发展产生了阻碍，使用采摘机器人代替人工采摘果蔬已经成为必然的趋势［１］。该研究对国内外近几年研制的采摘机器人进行了综述，并且对未来采摘机器人的发展方向和趋势做出分析。 １ 国内外研究现状
１．１ 国外研究现状
随着农业逐渐规模化、精准化以及多样化，极大地推动了农业机器人的发展，外国采摘机器人取得了巨大的成绩，特别是日本、美国等发达国家［２］。ＪａｎＢｏｎｔｓｅｍａ团队研制出一种多功能采摘机器人，针对不同的水果和蔬菜形态研制出了不一样的移动装置、视觉传感器以及末端执行器。行走机构采用的是大型拖拉机，并且在拖拉机的后面装有遮光棚，以此来降低外界光照的影响。采摘机器人的视觉方案是将彩相机和ＴｏＦ相机相融合，末端执行器是橡胶鳍片的并且带有剪刀，末端执行器抓紧水果，然后剪刀进行剪取，完成水果和树枝的分离。美国Ｄａｖｉｄｓｏｎ等人研制出了一种苹果采摘协作机器人。该机器人将移动滑轨作为行走机构，同机械臂连接，构成了八轴机械臂，机械臂和自动收集器通过实时的协调配合，完成苹果的采摘，这个苹果采摘协作机器人大约采摘一个水果需要花费８．６１ｓ。Ｏｎｉｓｈｉ等设计了一款苹果采摘机器人。该机器 收稿日期：２０２０ ０６ ２３
作者简介：刘志宇（１９９３ ），男，河北威县人，硕士，研究方向为机器人技术及应用。药盒
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Ｓｅｒｖｉｃｅ层 Ｄａｏ层 Ｓｑｌ。从三层体系架构图可知整个请求过程，用户通过浏览器页面向
控制层发送请求地址，控制层调用Ｓｅｒｖｉｃｅ层接口实现与Ｄａｏ层进行数据交互，Ｄａｏ层从数据库中取数据，返回一个数据集给前端，前端页面进行渲染数据集。
２．４ 总体设计
从合作社现实业务需求出发，该系统主要有６个模块组成，分别是用户管理、农机设备管理、合作社资金管理、农作物销售情况、仓库管理和发布公告模块。系统总体设计如图１所示。
其中用户管理模块主要实现用户增删改查，以
合作社信息管理系统 ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
用
户
管
理
农
机
管
理
资
金
管
理
作
物
销
售
仓
库
管
理
公
告
发
布
图１ 总体设计图
及给予不同用户赋予不同的角权限；农机管理主要实现对农机设备的信息管理，包括农机的维修情况、使用情况等；资金管理主要体现合作社流水情况，包括购买开销、维修费用等；作物销售主要实现不用作物各个季度的销售情况汇总，以及销售报表生成；仓库管理主要包括作物种子、农药、产量
情况等；公告发布就是发布最新的农业信息，具有实时性。
３ 参考文献
［１］ 刘立军．农业专业合作社信息系统设计［Ｄ］．武汉：华中师范大学，２０１１．
［２］ 陈焕彬．浅谈．ＮＥＴ三层架构在系统开发中的应用［Ｊ］．电脑与信息技术，２０１６，２４（５）：４５ ４７．（００８）
人采用单镜头多盒检测方法来检测水果，并采用立体摄像机来检测水果的三维位置，利用逆向运动学计算关节在被检测位置的角度，然后将机器人手臂移动到目标水果的位置，最终机器人通过转动末端执行器来收获水果。该机器人能够检测出９０％以上的果实，并在１６ｓ内收获１个水果［３，４］。Ｋｅｎｎｅｄｙ等研制出一台新型芦笋采摘机器人，在视觉识别模块融合了多光谱相机系统，并在实验室和室外条件下进行了试验，结果表明该套系统可以实时可靠地完成采摘目标的识别与定位［５］。
１．２ 国内研究现状
国内农业机器人开始研究比较晚，经过多年的不断研究和发展，取得了一定的成就。由中国农业大学发明的黄瓜采摘机器人，拥有６个自由度，该采摘机器人包含移动机构、柔性末端执行器、视觉识别
气雾阀
系统、电源以及采摘机械臂，工作时，先通过ＲＧＢ模型先进行分割图像，然后通过相关的特征到黄瓜的采摘点，最后柔性的末端执行器将黄瓜摘取，采摘完成。末端执行器是柔性的，能够使黄瓜减少损坏，黄瓜采摘机器人采摘的成功率大约为８０％，效率大约一分钟摘３个。清华大学研制的西红柿采摘机器人，拥有５个自由度，该机器人包括机械手、末端执行器、行走机构、视觉装置以及控制系统。工作时，先用视觉装置通过对颜的差别来进行辨别。即红和绿，然后通过对工作区域进行三维模拟，到果实的位置，接着采摘机器人行走到目的地，最后机械手进行采摘。通过实验测得，该西红柿采摘机器人对番茄的识别率达到了８８．５％，效率大约每一分钟能够采摘８个。但是该采摘机器人因为自由度少，所达到的空间有限，并且机械手并不柔软在采摘时容易对果实造成伤害。重庆理工大学胡友呈等人研制出一种采摘柑橘的机器人［６］，利用双目相机获得果树的图像，经过计算得到果树的具体位置，采用改进过的ＶＧＧ１６网络模型来识别果实，并且将障碍物分类，通过基于区域特征的ＳＶＭ分割算法实现果实的分割和定位，然后将果实的信息传送到控制系统，接着控制系统操纵６轴机械臂进行采摘运动，最后咬合型的末端执行器通过将柑橘的果梗切断，柑橘采摘成功。该机器人采摘的成功概率大约为８０％，避开障碍物成功率已经达到６０％。桂林电子科技大学黄国明等人发明了一种新型的自动采摘苹果的机器人［７］。该苹果采摘机器人由４部分组成，分别是四轮驱动的移动平台、双目视觉系统、机械臂和末端执行器，它的四轮驱动解决了地面崎岖不平走不动的问题，并且在移动平台前装有激光测距仪，防止撞到前面的障碍物，机械臂采用柔性的特点使机械臂能够更加灵活，末端执行器采摘水果时用的是气动铡刀。双目视觉系统用的是两台ＣＣＤ
摄像机，用来辨别成熟的果实和确定果实的位置。该苹果自动采摘机器人识别果实的正确率达到了９０％，采摘的成功率达到了９１．３１％，每采摘一个平均花费２９ｓ，然而该机器人自由度并不多，所达到的工作范围有限，并且制造成本高，还不能商品化。桂林理工大学冯国亮等人研制了一种基于计算机视觉具有高精度、高效率的桃子采摘机器人［８］。由于桃子的形状并不规则，呈现扁圆形等形状，因此末端执行器是仿人的手指，并且为了使桃子不受到损伤，在手指的外面包裹着一层很软的橡胶。该机器人系统主要有移动端和ＰＣ端，移动端主要由摄像头、移动机构、超声波测定距离、末端执行器和机械臂构成；ＰＣ端对采集到的图像处理以及调整移动端。在机器人采摘工作时，工人可以通过ＰＣ端对机器人进行监控。徐州学院的张青等人研制了一种基于机器视觉的智能采摘机器人［９］，该机器人主要有机械部分、电气部分以及识别系统。末端执行器采用的是一种正方体形状的框式结构，工作时，末端执行器通过滑动装置移到草莓下方，将草莓装入盒内，在盒的一侧有一个刀槽，草莓茎滑入刀槽，刀片进行切割，完成切割。识别部分采用的是３０万像素的视觉传感器，控制器根据用户设置的红阙值来进行判断该草莓是否成成熟以及该草莓的位置。该草莓采摘机器人采摘的速度大约在每个１０ｓ，该机器人还不能进行商品化。
垃圾热解气化通过对国内外各种采摘机器人的研究现状的综述，能够看出大多数采摘机器人避障能力不好，对果蔬的识别率还不够达到标准，采摘过程中容易对果实造成损坏，现在很难适应较为复杂的情况。单一性比较强并不能用于多种水果的采摘，局限性比较大，而且制造成本高，因此导致采摘机器人还不能商品化和广泛推广。
２ 采摘机器人的发展趋势
通过研究国内外果蔬采摘机器人的现状，发现存在许多问题，比如采摘周期长，避障能力不高，机器人结构笨重，识别果蔬的成功率不是很高，采摘率也不高，也会对果蔬造成一定的损坏。通过对这些机器人以及农业未来的发展模式的分析，得出采摘机器人未来的发展方向为以下几个特点。
２．１ 结构简单、紧凑、作业可靠
现今的采摘机器人虽然逐渐趋于小型，但在果蔬地工作时体型仍较为大，并且笨重，结构并不紧凑，占用的空间体积大，导致距离机器人太近的果实不能识别到，降低了采摘成功率。因此，研究结构简单、紧凑的机器人有一定的前景。
２．２ 类似人手末端执行器aoao3
对于那些比较柔软的果蔬，比如猕猴桃、桃子等水果，由于末端执行器为刚性器件，末端执行器在采摘时容易造成果蔬的损坏，虽然已经有一些末端执行器外面包裹一些柔性物件，但效果并没有达到走进市场的预期。所以，末端执行器未来发展成像人的手那样柔软具有很重要的意义，发展前景很大。
２．３ 视觉系统透视识物
重组胶原蛋白
在采摘机器人采摘果蔬的时候，经常会有一些果蔬长在密集的枝叶下面，来躲过相机的“目光”，从而使采摘机器人的采摘成功率降低，并且在确定果蔬位置时会有一些误差，需要反复计算，才能准确采摘到果蔬，这样加长了采摘周期，使采摘效率降低。视觉系统能够穿过枝叶来准确的识别果蔬的成熟与否和具体位置，减少采摘周期，具有很大发展前途。
２．４ 多自由度的柔性机械臂
发展到今天，几个自由度的机器人都有，并且具有柔性的机械臂也发展到一定程度，然而在运动性能上相对于人的手臂来说还存在着不小的差距，在采摘过程中，运行较为缓慢，并且工作范围有限。采摘机械臂朝着像人手臂一样灵活并且运行快速，提高采摘速度，减少采摘周期，有很大的应用前景。
２．５ 移动装置平稳运行
在采摘过程中或者行走过程中，移动平台会经常摇晃导致采摘机器人工作时晃动，不仅在识别果蔬确切位置时造成一定的误差或者计算位置浪费时间长，而且在采摘果蔬时容易造成果蔬损坏，因此对于研究一个平稳的移动平台显得尤为重要。
２．６ 通用性好
现今的采摘机器人只是单一的为一种果蔬设计，并不能实现能够采摘多种类型的果蔬。对于未来的机
器人的发展，应能够在不一样的地形、不同的作业对象、不一样的地表等都可以进行工作。
２．７ 制造、维修和维护成本低
现如今的采摘机器人成本仍然很高，并且维修和维护也需要很高的成本，因此需要通过不断研发材料以及结构优化降低成本。
２．８ 操作简单、可靠性高
未来采摘机器人的使用者是农民，他们并不会相关的知识来操作这么复杂的机器人，所以未来采摘机器人的发展，需要操作简单、可靠性高。
３ 参考文献
［１］ 谭涛．蔬果采摘机器人的研究进展与展望［Ｊ］．现代农业研究，２０２０，２６（５）：６８ ６９．
［２］ 李会宾，史云．果园采摘机器人研究综述［Ｊ］．中国农业信息，２０１９，３１（６）：１ ９．
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［６］ 胡友呈．自然环境下柑橘采摘机器人的目标识别与定位方法研究［Ｄ］．重庆：重庆理工大学，２０１８．
游戏棋［７］ 伍锡如，黄国明，刘金霞，等．新型苹果采摘机器人的设计与试验［Ｊ］．科学技术与工程，２０１６，１６（９）：７１ ７９．
［８］ 冯国亮，韦雄棉，容兴鹏，等．桃子采摘机器人的设计与开发［Ｊ］．科技视界，２０１８（１１）：８４ ８６．
［９］ 张青，陶睿志，丁苏生，等．基于机器视觉的智能草莓采摘机器人结构设计与试验［Ｊ］．蚌埠学院学报，２０１９，８（２）：５２ ５６．（００８）
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