國內外農業機器人對比

        縱觀美國、日本、荷蘭、英國和比利時等農林業生產大國，現代化農林業已成為當今世界農林業發展的潮流。隨著設施農業、精準農業等新型農業的出現，計算機、傳感器和自動化技術越來越多被應用于農林業生產中。中國作為農林業大國，實現農林業現代化、農林業裝備機械化和智能化成為發展的必然趨勢[1-4]。

        目前，針對水稻、小麥等大面積種植的谷物已經基本實現了從播種到收獲的自動化、機械化，大大節約了人工成本。但是，針對水果蔬菜等農作物，即使在種植環節已經能達到高度的自動化，但在采摘環節仍然需要大量的人工勞動[5]。隨著近年來機器人技術、圖像識別技術的發展，如何使用機器人代替人工高效地完成采摘作業成為亟待解決的問題。

1 國外研究現狀

        自1968年美國學者Schertz和Brown首次提出將機器人技術應用于果蔬采摘，經過50年的研究與發展，農林業收獲裝備經歷了從半自動化的采摘機械到全自動的采摘機器人[6]。目前，日本、英國、美國和西班牙等發達國家都展開了農林業采收機器人方面的研究，主要涉及的采收對象有蘋果、西紅柿、草莓和甜橙等。我國在農林業采收機器人方面的研究工作起步較晚，但近年來發展勢頭迅猛并取得了大量成果。國內許多科研院校已經設計出試驗樣機，同時也提出了許多關鍵技術理論，但總體較國外研究相比，仍有一定的差距。

1.1蘋果采收機器人

        20世紀末，韓國慶北大學研發的蘋果采收機器人具有4自由度，同時包括3個旋轉關節和1個移動關節[7]。該機器人選用內含壓力傳感器的3指夾持器作為末端執行器，可以有效避免損傷蘋果。雖然此機器人采用了CCD攝像機和光電傳感器，能夠較為準確地識別蘋果，但受限于自由度，仍然難以避開障礙物進行工作。

        2008年，比利時BAETEN J等[8]研發了一種蘋果采收機器人，該機器人采用6自由度機械臂，安裝于可升降運動平臺上，由拖拉機拖動。末端執行器選擇氣壓驅動柔性執行器。該機器人采摘周期為8～10 s，采摘率達80%，但是結構占地面積大，采摘動作不夠靈活。

1.2草莓采收機器人

        日本的KonDO N等[9]針對草莓的溫室高壟內培模式，研發了安裝在龍門式移動平臺上的3自由度直角坐標機械臂，是草莓采收機器人的初代樣機。該機器人由彩色CCD相機檢測草莓果實，利用吸入旋轉切斷式末端執行器切斷果梗，采摘果實。試驗發現吸持方式對小型果實十分有效，但仍有34%的果實無法被正確采摘。

        隨后，KonDO N等[10]又在第一代樣機的基礎上，通過改進末端執行器機構，研制了第2代草莓采收機器人。第2代機器人吸取了吸入旋轉式和勾取式的優勢，在末端執行器真空吸入草莓果實的基礎上，增加了張合爪用于夾取果梗，完成切斷，有效地提高了采摘的成功率。

        日本宮崎大學NAGATA M等[11]開發了由3自由度直角坐標機械臂帶動末端執行器的采收機器人，其能完成豎直向下夾持并切斷果梗。該機器人配備了固定-移動雙相機，在白色或黑色的塑料膜背景下對草莓果實進行識別和定位，成功率超過90%。

        針對高架懸掛式栽培的草莓，日本的HAYASHI S等[12]研制了適用于高架栽培的草莓采收機器人。此機器人采用軌道移動平臺和龍門式機械臂，以長條形LED點陣光源和3個相機構成視覺單元，末端執行器選用反射式光電傳感器。與初代機型相比，新型的采摘機器人質量輕，采摘耗時縮短，但由于機器視覺算法無法妥善處理光源光照不均勻的問題，采摘成功率無法保證。

1.3番茄采收機器人

        番茄由于其成串生長的特性，導致果實之間貼碰重疊和遮擋現象嚴重，因此被認為是機器人收獲難度最大的蔬果之一。日本早在20世紀80年代初就開始進行番茄采收機器人的研究。京都大學川村登等[13]較早進行了番茄采摘機器人樣機的開發。該機器人包括電動輪式底盤、5自由度機械臂和2指夾持器，利用相機對果實定位。盡管該機器人結構與性能還不夠成熟，但已完成番茄采摘機器人的初步構想與基礎框架。

        岡山大學的KonDO N等[14]設計的番茄采收機器人，選用彩色攝像頭和圖像處理卡構成的視覺系統識別和定位成熟的番茄，7自由度機械手用以避開障礙物，帶有橡膠套的夾持器和吸盤用以夾取和采摘果實。該機器人采摘周期約為15 s，成功率能夠達到70%。

        后來，KonDO N等[15]又針對番茄的生長特性研制了新的番茄采收機器人。該機器人選用三菱RH-6SH5520型工業機器人，末端執行器采用切斷式來剪切果梗，同時配有夾持器夾取被采摘的整串番茄。其最大采摘質量6kg，采摘周期約為15 s，但成功率較低，僅為50%左右。

        FUJURA T等[16]針對45°傾斜水培櫻桃番茄開發了采收機器人。采用電動輪式底盤，4自由度直角坐標機械臂，吸持-擺動剪斷式末端執行器和紅外立體視覺傳感器。該機器人的采摘能保證果實較高的收獲率和果實花萼較高的完整性。

        東京大學的CHEN X等[17]開發了仿人型雙臂式番茄采收機器人。該機器人在頭部和腕部裝有兩個體感攝像頭，每個手臂有7個自由度，并裝有夾剪一體式的末端執行器。目前該機器人僅能靠人的指令完成采摘，仍處于試驗階段。

        科威特的TAQI F等[18]為溫室和家庭采摘櫻桃番茄設計了一款機器人，該機器人通過相機拍攝圖像識別番茄果實，并且能夠自主判別番茄是否成熟，是否破損或腐爛并完成分揀。

1.4黃瓜采收機器人

        日本KonDO N等[19]研制的黃瓜采摘機器人，采用6自由度機器人，配以CCD相機，根據黃瓜與其莖葉紅外光反射率差異的原理進行識別，果梗分離采用傳統的夾持切斷式。但受制于莖葉對于黃瓜識別的影響程度較大，該機器人采摘成功率并不高。

        荷蘭的VAN HENTER E J等[20]研制的軌道式黃瓜采摘機器人，包括4個采收機器人和1個機器人停靠站。每個采收機器人由智能控制運動裝置、采摘機械手、終端感應器和計算機視覺系統組成。其利用瞬時高溫方式切斷果梗，避免了細菌感染，采摘成功率能達到80%。

1.5林業采收機器人

        原蘇聯中央森工機械研究所的伊爾庫茨克分所設計了一種裝備有信息測量系統、執行系統和控制系統的伐木歸堆機器人，其由計算機控制操縱抓切裝置，使機械臂按指定方向動作，以完成抓樹、從根部伐樹、搬移和歸堆等工作[21]。

        北美推出的Rottne 2202型和Rocan T型微型輪式采伐聯合機采用計算機程序控制機器人完成伐木、打枝和造材作業，該機的特點是機體小巧，作業時不會對周圍樹木造成損傷，機組接地壓力較小，減少了對地表的破壞和樹根的損傷[22]。

        Timberjack公司開發了適用于陡坡和松軟林地的6足采伐聯合機器人，該機器人通過腿部傳感器獲取地面路況信息，采用計算機系統控制步伐，平衡機器人各足的載重，能越過120 cm的障礙，按設定的程序自動完成伐木、打枝和造材等工作[23]。

1.6其他類型采收機器人

        希臘工程師POOL TA和美國佛羅里達大學工程師HARREL R C等[24]合作研發了一種柑橘采收機器人。該機器人由彩色攝像機和超聲波測距機進行識別定位，采用半圓形環切刀切斷果梗。

        日本岡山大學MonTA M等[25]研制的果園棚架栽培模式的葡萄采收機器人由一個5自由度機械臂和視覺傳感器組成。此機器人同時集成了葡萄的剪枝、套袋和藥物噴灑功能。

        日本京都大學UMEDA K等[26]研制了一種名叫“STORK”的西瓜采收機器人。該機器人包含有平行4球聯動的機械采摘手爪、視覺傳感器和移動機構。采摘手爪利用真空吸盤吸附方式提起西瓜，完成采摘。

        日本HAYASHI S等[27]針對V型架栽培的茄子開發了采收機器人，其采用履帶式底盤、7自由度機械臂、掌心相機、超聲距離傳感器、真空吸盤和帶有柔性夾持器的果梗夾剪一體化末端執行器。但由于枝葉遮擋等問題，該機器人的識別率和采摘成功率都較低。

        巴里理工大學和萊切大學合作研制的菊苣采收機器人機是由一個雙4桿機構機械手、末端執行器和視覺系統組成[28]。其基于智能彩色濾波算法和圖像形態學操作來確定菊苣的位置。末端執行器采用切斷方式削減根莖，并能夠夾持菊苣送入采集托盤內。

國內研究現狀

2.1蘋果采收機器人

        南京農業大學顧寶興等[29]針對標準矮化蘋果果園，設計的蘋果采摘機器人，利用DGPS自主導航載有采摘機械臂的輕型履帶式智能移動平臺，通過果實與樹枝色差模型的圖像處理識別和定位果實，完成采摘。

        天津農學院蘇媛等[30]以瑞典ABB公司的ABB irb460型3自由度工業機器人為模型，利用BP神經網絡構建了蘋果采收機器人的視覺系統。該機器人將640×640像素的圖片，在RGB顏色空間下，結合中值濾波降噪和拉普拉斯算子邊緣檢測方法實現果實的特征提取，最終完成蘋果果實定位。

2.2草莓采收機器人

        中國農業大學陳利兵[31]針對壟作草莓研制了3直動直角坐標機械臂配置剪切式末端執行器，配合CCD相機構成視覺系統的草莓采摘系統；針對高架草莓，也制作了采用3直動直角坐標機械臂配置夾剪一體式末端執行器，并安裝了微型履帶底盤的“采摘童1號”樣機。

        國家農業智能裝備工程技術研究中心馮青春等[32]研發的草莓采摘機器人針對高架栽培模式，采用了聲納導航移動平臺，6自由度機械臂和雙目視覺系統，并開發了吸持果實，夾持果梗后，利用電熱絲燒斷果梗的新型末端執行器。

2.3番茄采收機器人

        上海交通大學的ZHAO Y S等[33]開發的雙臂式番茄采收機器人，安裝了兩只三自由度PRR式機械臂，采用了滾刀式和吸盤筒式末端執行器，使用雙目視覺系統進行果實識別與定位。

        國家農業智能裝備工程技術研究中心王曉楠等[34]針對溫室立體培育番茄種植，設計了一款智能番茄采摘機器人，包括視覺定位單元、采摘手爪、控制系統及承載平臺。該機器人基于HIS色彩模型進行圖像處理，提高了果實定位與識別精度；通過氣囊夾持方式，保證了采摘過程中果實的柔性夾持，降低了采摘過程中果實的損傷率。

2.4黃瓜采收機器人

        湯修映等[35]研制的黃瓜采摘機器人FVHR-I，擁有一個帶活動刃口和固定刃口的末端執行器，用以切斷果梗。其視覺識別系統采用了RGB模型的G分量進行圖像分割，同時進行黃瓜果實識別和分割點的確定。該機器人的采摘成功率很高，但黃瓜果實的識別還有待提高。

        中國農業大學紀超等[36]根據黃瓜果實與背景葉片分光反射特性差異，設計的黃瓜采摘機器人由自主移動平臺、果實識別定位系統、采摘機械臂、柔性末端執行器和能源系統構成，并提出了三層式系統控制方案，設計了導航控制程序和采摘控制程序。該機器人單根黃瓜采摘耗時28 s左右，成功率達85%，具有較高的穩定性與實用性。

2.5林業采收機器人

        東北林業大學陸懷民等[37]研制的林木球果采集機器人擁有一個5自由度的機械手。工作時，機械手爪由雙泵雙回路液壓系統驅動，實現機械手爪與機械臂整體的柔性動作。機器人停放在距母樹3～5m處，機械手爪張開并對準要采集的樹枝。隨后，機械臂前伸使采集爪趨近球果，采集爪收攏，利用采集爪的梳齒結構夾攏果實并將果實擼下。最后完成球果的收集。

        郭秀麗等[38]設計的采伐聯合機器人以SDWY-60型履帶式挖掘機作為行走機構，安裝有6自由度機械手，采用雙泵雙回路液壓系統驅動，利用基于模糊自適應卡爾曼濾波的徑向基函數神經網絡控制系統，使機器人能實現立木定位、采伐與歸堆等多功能自動循環作業。

        魏占國等[39]設計了輪式林木采伐聯合機器人CFJ-30，其底盤采用鉸接式車架構造，采用全液壓驅動，集伐木、打枝、造材和歸楞于一體。

2.6其他類型采收機器人

        郭素娜等[40]設計了一款能夠自主導航定位的葡萄采摘機器人，其通過RSSI自主導航和顏色特征提取，操作5自由度機械臂對成熟的葡萄完成定位和采摘，準確率超過95%。

        宋健等[41]設計的開放式茄子采摘機器人，以4自由度關節式采摘機器人為本體。基于直方圖的固定雙閾值法對G-B灰度圖像進行分割，提取了果實目標的輪廓、面積、質心、外接矩形以及切斷點等特征，對茄子進行識別和定位。該機器人系統運行穩定可靠，抓取成功率為89%，平均耗時37.4 s。