果蔬采摘机器人系统的应用与发展

分类：论文范文 发表时间：2021-05-19 10:31

　　摘要：尽管果蔬采摘机器人技术发展迅速，但果蔬采摘机器人商业化的程度不高，很多仍然处于研发阶段。本文针对现有的果蔬采摘机器人系统进行了介绍，并分别从采摘机械臂、末端执行器、移动机构、视觉系统和算法等方面对国内外采摘机器人的发展现状进行论述，分析和讨论了果蔬采摘机器人现阶段面临的挑战和潜在的发展趋势。

　　关键词：采摘机器人；果蔬；发展现状；挑战；发展趋势

　　0引言随着乡村振兴战略的提出以及数字农业的快速发展，农业作为国民经济的基础产业，正在被互联网、大数据、人工智能等新科技进行重构和升级，人工智能已经成为农业发展的重要方向，农业机器人技术的研究成为现代农业装备发展最快的领域之一。果蔬采摘作业是果蔬生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度依然很低，目前，国内果蔬采摘作业基本上都是人工进行，并且时间较为集中,其费用约占成本的50%~70%。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动成本逐年提高，机器人代替人工的智能采摘将成为果蔬采摘的发展趋势。

　　1采摘机器人系统发展现状分析

　　果蔬的生长环境存在差异，主要有果园环境、温室环境、室内种植环境、露天种植环境等，如图1所示。水果生长在不同的生产环境中，光照条件、肥料供给情况有所不同，不同的水果也会采用不同的种植方式，果蔬采摘机器人在这些环境中工作也会有很多变化。针对采摘作业的这些特点，多种采摘机器人被研发。

　　2挑战与未来发展方向

　　采摘机器人在多种果蔬采摘作业中有良好的表现，但是还未能达到高效、准确采摘的要求，在果蔬采摘机器人的发展过程中依然存在着多种挑战：①果蔬采摘机器人的视觉定位系统精度不高。成熟果实与非成熟果实的区别度不高、枝叶等障碍物的遮挡、光照条件的影响以及果实与茎叶的缠绕等环境因素，影响了视觉定位系统的辨识准确率。采摘机器人的视觉定位系统是影响采摘成功率的关键因素。②果蔬采摘机器人的避障运动成功率低。在瓜果蔬菜的采摘过程中，果蔬采摘机器人处于一个非结构化的环境，果实与枝叶的生长具有差异性和一定的随机性，不仅果实与茎叶有一定的重合，采摘机械臂的灵活性和自由度也是采摘机器人进行避障运动的关键因素。此外，图像处理与分割算法的成功率、机械结构的合理性、运动控制系统的稳定性、运动规划算法的高效性都会影响果蔬采摘机器人的采摘成功率。③果蔬采摘机器人的经济效益有待提高。受到设备与作业环境的影响，采摘机器人的采摘效率较低，与人工采摘效率相比依然没有明显的优势。另外，果蔬采摘机器人的制造与维护成本较高，与普通的工业机器人相比，果蔬机器人的作业环境更加多变，其机械结构、软硬件设备等多为非标定制设备，成本高，研发周期长，维护成本高。如何缩短研发周期，减少成本与维护费用，提高采摘效率，增加作业收益，依然是目前最大的挑战之一。

　　结语

　　本文对果蔬采摘机器人的应用进行了综述，从采摘机械臂、末端执行器、移动机构、视觉系统和算法等多个角度，或单方面，或总体对采摘机器人进行了全面而细致的研究。在平原地区的大规模种植业与设施农业中，由于其环境的规范化，相应的采摘机器人研发工作取得了突破性的进展，并有部分采摘机器人得以推广和应用。采摘效率是机器人的一个重要指标，现阶段的采摘机器人由于过分追求采摘速度，依然存在采摘过程中损伤果实的问题，果实采摘后还需处理和筛选才能符合上市的基本条件；对于南方丘陵山地及小面积设施农业种植区域，采摘机器人仅在单个方面有突出的发展势头，例如蒋先平等：果蔬采摘机器人系统的应用与发展视觉系统与算法的研发，但整机仍停留在实验室的试验阶段，由于其受制于成本、技术和作业环境等诸多因素，未能大规模商业化应用。随着果蔬种植规模化、宜机化的推进，采摘机器人的研发前景将会更加广阔，但同时由于果蔬品种繁多、形态各异、环境复杂，种植业发展水平也良莠不齐，导致采摘机器人的研发难度进一步提升，这也是制约采摘机器人进一步发展的重要影响因素。

　　参考文献

　　[1]YAGUCHIH,NAGAHAMAK,HASEGAWAT,etal.Developmentofanautonomoustomatoharvestingrobotwithrotationalpluckinggripper[C].2016IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems(IROS),2016.

　　[2]张志勇，何东健，张建锋，等.苹果采摘机器人手臂控制研究[J].农业大学学报，2008（2）：78-82.

　　[3]张勤，聂腾伟，刘嘉超.一种机器人模糊采摘方法：CN108541458A[P].2018-09-18.

　　蒋先平1,2，徐灿1，刘丰溥3，吴玉发1,2，薛坤鹏1,

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