蔬果采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展與展望

                      --引自《現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究》

【摘要】隨著城市化的發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的不斷減少，新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的應(yīng)用和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)迫在眉睫，農(nóng)業(yè)機(jī)器人將成為未來(lái)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)的核心。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，具有極大的發(fā)展?jié)摿Α１疚姆治隽藝?guó)內(nèi)外近年來(lái)蔬菜和水果采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀，指出采摘機(jī)器人開(kāi)發(fā)中的主要問(wèn)題，并闡述了蔬果采摘機(jī)器人未來(lái)主流發(fā)展方向。

 【關(guān)鍵詞】蔬果采摘；農(nóng)業(yè)機(jī)械；機(jī)器人；研究進(jìn)展

1 引言

         蔬菜和水果的收獲是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)鏈中勞動(dòng)強(qiáng)度較大、時(shí)效性要求較高的部分，隨著種植規(guī)模的增長(zhǎng)，其工作成本正在不斷提高。由于工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展以及城鎮(zhèn)化率的不斷上升，大量的農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力正在向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移，人口老齡化的程度在不斷加重，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的勞動(dòng)力不斷減少。在這種情況下，僅靠人力勞動(dòng)并不能滿(mǎn)足現(xiàn)有需求。近年來(lái)隨著視覺(jué)識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步和智能控制理論的發(fā)展，使用機(jī)器人來(lái)采摘蔬菜和水果已經(jīng)成為了一種現(xiàn)實(shí)趨勢(shì)。蔬果采摘機(jī)器人是一種針對(duì)蔬菜和水果，具備自主作業(yè)能力并且可以通過(guò)編程來(lái)適應(yīng)不同的工作環(huán)境的自動(dòng)收獲系統(tǒng)。它集成了橫跨幾個(gè)學(xué)科的知識(shí)，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)成像、運(yùn)動(dòng)學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算信息處理等。蔬果采摘機(jī)器人的出現(xiàn)解決了農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的短缺問(wèn)題，大大減輕了農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了蔬菜和水果的收獲質(zhì)量，降低了收割成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，確保蔬果能得到及時(shí)的采收，提高蔬果產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

        蔬果采摘機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別能力對(duì)于其采摘效率有著很大影響。近年來(lái)，能否快速準(zhǔn)確地識(shí)別成熟果實(shí)是研究人員所面對(duì)的最大問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面做了深入的研究。馬瑛等基于ARM與FPGA智能控制模塊、雙目機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，設(shè)計(jì)了新型草莓采摘機(jī)器人，其具有自動(dòng)識(shí)別成熟草莓的能力和避障控制系統(tǒng)。對(duì)于樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該草莓采摘機(jī)器人能夠準(zhǔn)確對(duì)成熟草莓進(jìn)行識(shí)別，并且可以自主回避行走路徑中的障礙物。張麗等設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制和PLC高速并行自動(dòng)控制技術(shù)的新型櫻桃采摘機(jī)器人。該機(jī)通過(guò)收集櫻桃圖像，對(duì)圖像進(jìn)行二值化和增強(qiáng)處理后識(shí)別出成熟櫻桃。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其采摘速度與效率相比人工得到了很大提高。模糊控制使得采摘機(jī)器人的工作角度變化較為平緩，降低了櫻桃果實(shí)的采摘破碎率。

 宋健等根據(jù)茄子生長(zhǎng)的空間分布，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了機(jī)器人主體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并開(kāi)發(fā)了四自由度多關(guān)節(jié)采摘機(jī)器人主體。根據(jù)果蔬采摘機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)要求，使用基于直方圖的固定雙閾值方法對(duì)GB-B灰色圖像進(jìn)行分割，提取水果目標(biāo)的輪廓，面積，重心，外接矩形和截止點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采摘成功率達(dá)到89％。王曉楠等研制出智能番茄采摘機(jī)器人?；?/span>HIS顏色模型的圖像分割提高了水果識(shí)別的準(zhǔn)確性，同時(shí)在采摘爪上增加氣囊確保采摘水果過(guò)程中對(duì)果實(shí)的保護(hù)。測(cè)試結(jié)果表明，采摘一個(gè)番茄僅需24秒且成功率達(dá)83.9％。

3 國(guó)外研究進(jìn)展

        Jia等為了更好地將深度學(xué)習(xí)技術(shù)中特征提取和目標(biāo)檢測(cè)的良好性能應(yīng)用到果實(shí)檢測(cè)中，提出一種基于蒙版區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Mask R-CNN）的收獲機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)器模型。通過(guò)120張圖像的隨機(jī)測(cè)試集測(cè)試，識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)97.31％，識(shí)別速度也更快，大大提高采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的效率。Kennedy等研制出一臺(tái)新型蘆筍采摘機(jī)器人，在視覺(jué)識(shí)別模塊融合了多光譜相機(jī)系統(tǒng)，并在實(shí)驗(yàn)室和室外條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明該套系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)可靠地完成采摘目標(biāo)的識(shí)別與定位。Williams等研制了一種新型多臂奇異果采摘機(jī)器人，每個(gè)機(jī)械臂均配備了新型末端執(zhí)行器，確保安全地收獲奇異果。視覺(jué)系統(tǒng)利用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可在自然的照明條件下檢測(cè)和定位奇異果。Gené-Mola等提出了一種用于水果檢測(cè)和3D定位的新方法，使用Mask R-CNN實(shí)例分割神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行2D水果檢測(cè)，而后使用運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)攝影測(cè)量法生成蘋(píng)果的3D立體坐標(biāo)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是減少了誤報(bào)數(shù)和更高的檢測(cè)率，而缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，使其難以實(shí)時(shí)連續(xù)工作。

4 總結(jié)與展望

        當(dāng)前，農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在成為機(jī)器人發(fā)展的前沿領(lǐng)域，而蔬果采摘機(jī)器人是農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要應(yīng)用方面，未來(lái)將越來(lái)越多地用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。蔬果采摘機(jī)器人的工作對(duì)象復(fù)雜多變，工作環(huán)境也較為惡劣，設(shè)備常在炎熱和潮濕的環(huán)境中運(yùn)行，因此該類(lèi)機(jī)器人對(duì)可靠性要求較高。由于機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定了機(jī)器人的可靠性，所以可以通過(guò)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)使機(jī)器人的機(jī)械部件更加簡(jiǎn)單、輕便和可靠。

另外，蔬果采摘機(jī)器人的大多數(shù)操作員都是未經(jīng)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)的農(nóng)民，因此機(jī)器人的操作不能過(guò)于繁瑣。再者，農(nóng)民的收入有限，在開(kāi)發(fā)機(jī)器人時(shí)須盡量降低制造成本，提高維護(hù)的簡(jiǎn)易性。目前，蔬果采摘機(jī)器人研究中仍然存在一些問(wèn)題，例如機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別能力不夠，在復(fù)雜背景和夜間環(huán)境下的工作能力還不夠理想等。今后應(yīng)當(dāng)將人機(jī)協(xié)作，開(kāi)放結(jié)構(gòu)和多傳感器融合的方法不斷應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究中，尤其是將人工智能、深度學(xué)習(xí)等新型技術(shù)應(yīng)用于蔬果采摘機(jī)器人的技術(shù)開(kāi)發(fā)之中。