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)13-05394-04R esearch P rogress on Picking R obot for F ruits and V egetablesLIU Ch ang 2lin et al (Chinese Agricultural University ,Beijing 100083)Abstract T he current situation of research on fruit and vegetable picking rob ot at h om e and broad was summ arized ,the particularly focus were on the re 2search results of m ost ty pical picking rob ots ,including rob ot principle and structure.T hrough analyzing the w orking condition ,function and problems of m ost of picking rob ot ,the present difficulties and restricted factors of picking rob ot in its research and application were point out and the research direction and key techn ology in future were provided.K ey w ords Fruit and vegetablepicking ;R ob ot ;Research progress ;K ey techn ology 果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。
果蔬收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%～70%。
随着社会经济的发展和人口的老龄化,很多国家农业劳动力严重短缺,导致果蔬生产劳动力成本增加。
为降低成本,提高劳动效率,果实采摘的自动化成为亟待解决的问题。
收获作业自动化和机器人的研究开始于20世纪60年代的美国,采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高,特别是无法进行选择性的收获[1]。
20世纪80年代中期以来,随着电子技术和计算机技术的发展,特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟,以日本为代表的发达国家,包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家,在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作。
1 国外研究进展1.1 西红柿采摘机器人 日本近藤(K ONT O )等研制的番茄采摘机器人,由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构组成(图1)。
该采摘机器人采用了7个自由度机械手。
用彩色摄像机作为视觉传感器,寻找和识别成熟果实,并采用双目视觉方法对果实进行定位,利用机械手的腕关节把果实拧下。
移动系统采用4轮机构,可在垄间自动行走。
该番茄采图1 日本的番茄采摘机器人Fig.1 T om ato picking 2robot m ade in Jap an摘机器人采摘速度大约是15s/个,成功率在70%左右。
主要存在的问题是当成熟番茄的位置处于叶茎相对茂密的地方时,机械手无法避开叶茎障碍物完成采摘[2-3]。
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2台全自动西红柿采摘机(图2)。
如果西红柿单位面积产量有保证的话,那么这种长12.5m 、宽4.3m 的西红柿采摘机每分钟可采摘1t 多西红柿,1h 可采摘70t 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,并将其通过输送基金项目 国家自然科学基金资助项目(60375036)。
作者简介 刘长林(1979-),男,吉林榆树人,博士研究生,研究方向:农业机器人和生物生产自动化。
收稿日期 2008203228图2 美国的番茄采摘机器人Fig.2 T om ato picking 2robot m ade in Am erica带送入随行卡车的货舱内,然后将未成熟的西红柿连同枝叶安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.S ci.2008,36(13):5394-5397 责任编辑 刘月娟 责任校对 马君叶一道粉碎,喷撒在田里作肥料[4]。
1.2 茄子采摘机器人 日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。
机器人由CC D 机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成,作业对象是温室中按照V 形生长方式种植的S enry o 22号茄子。
该机器人的末端执行器设计复杂,包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器(图3)。
在实验室中进行了试验,采摘成功率为62.5%,工作速度为64.1s/个。
影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确;同时,视觉系统占用了72%的工作时间(46.1s ),也是影响整个机器人采摘效率的主要因素[5-8]。
图3 日本的茄子采摘机器人Fig.3 E ggp lant picking 2robot m ade in Jap an1.3 甘蓝采摘机器人 日本国立农业研究中心的Murakam i 等研制了甘蓝采摘机器人,由极坐标机械手、4个手指的末端执行器、履带式行走装置和CC D 机器视觉系统组成,整个系统采用液压驱动(图4)。
系统利用人工神经网络(NN 算法)提取果实的二值图像,采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。
试验表明,采摘的成功率为43%,工作速度为55s/个。
影响成功率的主要原因是光照条件的不稳定、超声波测距传感器的误差、叶子的遮挡以及机械故障等[9]。
图4 日本的甘蓝采摘机器人Fig.4 C abb age picking 2robot m ade in Jap an1.4 葡萄采摘机器人 日本冈山大学研制出一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人,机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手,具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节(图5)。
这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作,旋转关节可以以不同的速度旋转,直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。
为了提高使用率,更换不同的末端执行器,还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业[10]。
1.5 黄瓜采摘机器人 日本的近藤直等研制的黄瓜采摘机器人,采用三菱MITS U BISHIRV 2E2型六自由度工业机器人,利用CC D 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、叶茎(图6)。
黄瓜、果梗的连接与番茄不同,采用剪断方法,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16s/个。
由于黄瓜是长条形,受到茎叶的影响更大,所以采摘的成功率较低,大约60%。
同样,需要改进该机器人机器手的结构、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[11-13]。
图5 日本的葡萄采摘机器人Fig.5 G rape picking 2robot m ade in Jap an 1996年,荷兰农业环境工程研究所(I M AG )研制出一种多功能黄瓜收获机器人(图7)。
该研究在荷兰2hm 2的温室里进行,黄瓜为高拉线缠绕方式吊挂生长。
该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实,并探测其位置。
机械手只收获成熟黄瓜。
末端执行器由手爪和切割器构成。
机械手有7个自由度,采用三菱(M itsubishi )RV 2E2六自由度机械手。
该机器人视觉系统的黄瓜检测效率大于95%,采摘成功率约80%,采摘速度约为54s/个,在实验用温室中作业效果良好。
但由于采收时间过长,不能满足商用要求[3,14]。
1.6 蘑菇采摘机器人 英国S ils oe 研究院研制了蘑菇采摘机器人(图8)。
它可以自动测量蘑菇的位置、大小,并且选择性地采摘和修剪。
它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节;末端执行器是带有软衬垫的吸引器;视觉传感器采用T V 摄像头,安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。
采摘成功率在75%左右,采摘速度为6.7593536卷13期 刘长林等 果蔬采摘机器人研究进展图6 日本的黄瓜采摘机器人Fig.6 Cucumber picking 2robot m ade in Jap an图7 荷兰的黄瓜采摘机器人Fig.7 Cucumber picking 2robot m ade in N etherlands图8 英国的蘑菇采摘机器人Fig.8 Mushroom picking 2robot m ade in B ritain个/s ,生长倾斜是采摘失败的主要原因[16-19]。
1.7 柑橘采摘机器人 西班牙科技人员发明的这种柑橘采摘机器人主体装在拖拉机上,由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。
它能依据柑桔的颜色、大小、形状来判断柑桔是否成熟,决定是否采摘。
采下的桔子还可按色泽、大小分级装箱。
这种采桔机器人采摘速度为1个/s ,比人工提高效率6倍多[20]。
1.8 甜瓜收获机器人 以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。
该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上,采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位,并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。
在2个季节和2个品种的田间试验证明,甜瓜采摘机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作[21]。
1.9 苹果收获机器人 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人,具有4个自由度,包括3个旋转关节和1个移动关节。
采用三指夹持器作为末端执行器,内有压力传感器避免损伤苹果。
利用CC D 摄像机和光电传感器识别果实,从树冠外部识别苹果的识别率达85%,速度达5个/s 。
该机器人无法绕过障碍物摘取苹果;对于叶茎完全遮盖的苹果,也没有给出识别和采摘的解决方法[3]。
2 国内研究进展国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期,相对于发达国家起步较晚。