溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望.pdf

寧夏農(nóng)林科技 Ningxia Journal of Agri and Fores Sci Pick Agriculture Greenhouse 13 65卷08期 圖3 四輪底盤 圖2 氣動(dòng)柔性機(jī)械爪抓取草莓 圖1 移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái) MRP 表1 近年來為草莓采摘設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械臂 作物 使用的 機(jī)械臂 自由度 末端執(zhí)行器 試驗(yàn)結(jié)果 發(fā)明人 草莓 Ur3e 6 氣動(dòng)柔性 機(jī)械爪 成功率78 破損率23 RENGQ等 2 草莓 DensoVS 6556G 6 吸盤 電熱絲切刀 成功率86 平均時(shí)間31 3s 馮青春等 3 5 草莓 MitsubishiRV 2AJ 5 包覆式機(jī)械手 成功率53 6 平均時(shí)間7 5s YAX等 6 7 草莓 Noronn 3 包覆式機(jī)械手 高精度模式89 2 89 9 高密度模式98 9 GEYY等 8 9 草莓 Octinion 6 柔性機(jī)械手 平均時(shí)間4s PRETERAD等 10 的生長(zhǎng)狀態(tài)并無損地收獲成熟的草莓 開發(fā)了一種 基于規(guī)則的草莓生長(zhǎng)場(chǎng)景分類算法 提高了收獲效 率 使用YOLOv4 tiny模型進(jìn)行草莓的成熟度檢測(cè) 該模型通過深度學(xué)習(xí)算法 結(jié)合RGB和深度圖像 計(jì)算每個(gè)草莓的三維位置 成熟草莓的平均檢測(cè)精度 達(dá)到了96 4 并使用氣動(dòng)柔性機(jī)械爪 圖1 圖2 通過拖動(dòng)和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作來采摘草莓 成功率為78 損 壞率為23 馮青春等 3 5 于2012年設(shè)計(jì)了一款專門用于采收 溫室內(nèi)高架栽培草莓的機(jī)械臂 采用聲納導(dǎo)航的四輪 底盤和6自由度雙目視覺機(jī)械臂 圖3 圖4 開發(fā)了 一款吸附果實(shí) 抓取和電熱絲切割果梗的無損末端執(zhí) 行器 在試驗(yàn)中自動(dòng)識(shí)別100個(gè)成熟草莓目標(biāo) 成功 采摘率為86 平均每次采摘操作耗時(shí)31 3s 單次 操作時(shí)間較長(zhǎng) 針對(duì)該機(jī)械臂的一些缺陷 馮青春等 3 5 又于2019年進(jìn)行了改進(jìn) 采用了遠(yuǎn)近結(jié)合視野技術(shù) 遠(yuǎn)視攝像頭識(shí)別成熟的草莓并獲取其位置 近視攝像 頭用于準(zhǔn)確定位果柄的切割點(diǎn) 重新開發(fā)了一套使用 兩指抓握果梗 并使用上方切割器切斷果梗 全程無 需接觸果實(shí) 最大限度保護(hù)了果實(shí)的完整 在試驗(yàn)中 改進(jìn)后的機(jī)器人成功采摘率為84 平均每個(gè)草莓的 采摘時(shí)間為10 7s 立體攝像機(jī) 柔性機(jī)械爪 機(jī)械臂 工控機(jī) 采集筐 移動(dòng)底盤 劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望14 65卷08期 劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 圖7 6自由度櫻桃番茄采摘機(jī)械臂 圖4 6自由度雙目視覺機(jī)械臂 圖6 6自由度機(jī)械臂 圖5 5自由度草莓采摘機(jī)械臂 YA X等 6 7 設(shè)計(jì)了一款基于Thorvald 底盤的 5自由度草莓采摘機(jī)械臂 圖5 使用RGB D相機(jī)和 顏色閾值算法快速檢測(cè)和定位成熟草莓 開發(fā)了一款 機(jī)械手 6個(gè)覆蓋手指可以同時(shí)打開 形成1個(gè)封閉 的環(huán) 從下方 吞下 草莓 然后將莖推到切割區(qū)域切 斷果梗的末端執(zhí)行器 在試驗(yàn)中采摘單個(gè)草莓的平均 采摘周期為7 5s 成功率為53 6 包括損壞的成功 率為59 0 GE Y Y等 8 9 在溫室中使用深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī) 視覺技術(shù) 精確確定了機(jī)械臂和夾持器應(yīng)用中的三維 水果位置 在各種相機(jī)類型中 飛行時(shí)間相機(jī)在精確 3D表示方面表現(xiàn)更佳 研究人員調(diào)查了7種水果定 位方法 發(fā)現(xiàn)從2D圖像和深度信息推導(dǎo)3D盒子的 方法速度更快 效果更好 為選擇適用于采摘小尺寸 樣本的相機(jī)和末端執(zhí)行器提供了依據(jù) PRETER A D等 10 開發(fā)了一款專門用于采摘高 架草莓的6自由度機(jī)械臂 圖6 RGB攝像頭通過分 析顏色 來確定草莓位置 并使用柔性機(jī)械手自下而 上采摘高架草莓 該機(jī)械臂的樣機(jī)能夠在4s內(nèi)采摘 草莓 1 2 番茄采摘機(jī)械臂 由表2知 GAO J等 11 設(shè)計(jì)了一款安裝在軌道上 的6自由度櫻桃番茄采摘機(jī)械臂 圖7 開發(fā)了一種 氣動(dòng)控制的尼龍機(jī)械指 集成了指狀?yuàn)A持器 旋轉(zhuǎn) 和伸縮氣缸 RGB D相機(jī)等 對(duì)比了伸縮和旋轉(zhuǎn)兩 種采摘方式 發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)方法在施加力和干擾方面優(yōu)于 伸縮的方法 為設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器提供了借鑒 在試驗(yàn) 中采摘單個(gè)櫻桃番茄的平均循環(huán)時(shí)間為6 4s 不同方 向采摘櫻桃番茄的采摘成功率分別為84 右 83 3 后 79 8 左 和69 4 前 失誤原因主要 是碰撞和定位誤差 機(jī)械手 機(jī)械臂 采集筐 Thorvald 平臺(tái) RGB D相機(jī) 電腦 機(jī)械臂控制器 紅外傳感 控制器 機(jī)械手 控制器 15 65卷08期劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 圖8 人形機(jī)器人 圖9 番茄采摘商用機(jī)械臂 表2 近年來為番茄采摘所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂 作物 使用的機(jī)械臂 自由度 末端執(zhí)行器 試驗(yàn)結(jié)果 發(fā)明人 番茄 AUBOi5 6 氣動(dòng)控制尼龍機(jī)械指 平均時(shí)間6 4s 最高成功率84 右 最低成功率69 4 前 GAOJ等 11 番茄 Ur5 6 三爪機(jī)械手 平均速度23s YAGUCHIH等 12 番茄 HRP2W 7 特制剪刀 驗(yàn)證了人形機(jī)器人 采摘的可行性 CHENXY等 13 番茄 Motoman 6 吸盤 機(jī)械爪 吹氣電磁閥 交替模式70 復(fù)合模式83 3 劉繼展等 14 16 番茄 DENSOVS 6556G 6 夾剪一體式 采摘成功率83 平均時(shí)間8s FENGQC等 18 19 番茄 6 柔性機(jī)械爪 第一次成功率86 第二次成功率96 于豐華等 20 YAGUCHI H等 12 使用ur5機(jī)械臂和PS4雙目攝 像機(jī) 末端執(zhí)行器采用三爪式機(jī)械手 通過抓取 旋轉(zhuǎn) 和伸縮的方式來摘取果實(shí) 最終每次的采摘速度達(dá)到 23s 同課題組的CHEN X Y等 13 使用HRP2W人形 機(jī)器人 圖8 在頭部和手部都安裝了RGB D相機(jī) 且雙手都采用了7自由度機(jī)械臂并配備特制剪刀 能 夠同時(shí)剪切和抓取番茄 但目前還不能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化 運(yùn)行 該研究驗(yàn)證了人形雙臂采收機(jī)器人的可行性 劉繼展等 14 16 通過集成自設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器和 Motoman商業(yè)機(jī)械臂 圖9 實(shí)現(xiàn)番茄采摘機(jī)器人的 手臂協(xié)調(diào)控制 末端執(zhí)行器通過吸盤和機(jī)械爪來分離 和固定目標(biāo)番茄再用吹氣電磁閥吹氣分離果實(shí) 試驗(yàn) 結(jié)果表明 交替模式和復(fù)合模式的采摘成功率分別為 70 0 和83 3 同團(tuán)隊(duì)的LI Z G等 17 對(duì)Motoman sv3x 機(jī)械臂以及3自由度的機(jī)械爪式末端執(zhí)行器進(jìn)行了 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 確定了此類機(jī)械臂能夠在溫室內(nèi)高效地 進(jìn)行采摘任務(wù) 馮青春等 18 19 用能在地面和軌道上移動(dòng)的軌道車 作為其載體 集成了一個(gè)5自由度機(jī)械臂 圖10 采 用視覺伺服單元識(shí)別和定位成熟的果實(shí) 并根據(jù)果實(shí) 的機(jī)械特性設(shè)計(jì)了抓剪一體式末端執(zhí)行器 以實(shí)現(xiàn)抓 取和分離 通過田間試驗(yàn)對(duì)新研制的機(jī)器人進(jìn)行了性 能評(píng)估 結(jié)果顯示其成功采摘率為83 單次成功采 摘周期為8s 于豐華等 20 用麥克納姆輪全向移動(dòng)平臺(tái)作為機(jī) 器人的移動(dòng)底盤 采用由Raspberry Pi 4B控制器驅(qū)動(dòng) 的深度相機(jī)作為成熟番茄的識(shí)別裝置 并在底盤上平 臺(tái)安裝風(fēng)力補(bǔ)償風(fēng)機(jī)用于提高被葉片遮擋的番茄識(shí) 別率 設(shè)計(jì)了一種附有薄膜壓力傳感器的柔性手爪可 以精準(zhǔn)控制采摘力度防止番茄損傷 在試驗(yàn)中第1次 采摘成功率為86 第2次成功率為96 16 65卷08期 劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 圖12 基于升降底盤的采摘機(jī)械臂 表3 溫室中其他作物的采摘機(jī)械臂 作物 使用的機(jī)械臂 自由度 末端執(zhí)行器 試驗(yàn)結(jié)果 發(fā)明人 甜椒 Ur5 6 吸盤 振動(dòng)刀片 成功率76 5 LEHNERTC等 21 甜椒 FanucLRMate200iD 6 機(jī)械爪 振動(dòng)刀片 平均速度24s ARADB等 22 黃瓜 MitsubishiRV E2 7 夾持器和吸盤 熱切割裝置 成功率80 平均時(shí)間45s VANHENTENEJ 等 23 24 黃瓜 4 柔性機(jī)械爪 切刀 成功率85 平均時(shí)間28 6s 紀(jì)超等 25 26 樹莓 Ur5 6 硅膠夾持器 采摘成功率80 KAIJ等 27 茄子 4 機(jī)械爪 成功率89 平均時(shí)間37 4s 宋健等 28 29 圖10 軌道車載體的機(jī)械臂 圖11 辣椒采摘機(jī)械臂 1 3 其他溫室作物采摘機(jī)械臂 由表3知 CLEHNERT等 21 采用UR5機(jī)械臂與 自制真空夾持器進(jìn)行融合 使用振動(dòng)刀片進(jìn)行柄切 割 實(shí)現(xiàn)辣椒采摘 圖11 該研究通過一種新的磁解 耦機(jī)制 使抓取和切割操作可以獨(dú)立進(jìn)行 提高了操 作的靈活性 試驗(yàn)中成功率達(dá)到了76 5 ARAD B 等 22 設(shè)計(jì)了一款使用升降底盤將手臂定位在作業(yè)區(qū)域 的采摘機(jī)械臂 圖12 其末端執(zhí)行器集成了RGB D 相機(jī) LED照明 六指機(jī)械爪 振動(dòng)刀片 在試驗(yàn)中采 收平均時(shí)間24s 采摘成功率為61 早些年荷蘭的VAN HENTEN E J等 23 24 對(duì)黃瓜 采摘機(jī)械臂進(jìn)行研究 采用1個(gè)自主移動(dòng)平臺(tái) 7自由 度機(jī)械臂 末端執(zhí)行器和兩個(gè)視覺系統(tǒng) 末端執(zhí)行器 采用熱切割的方式通過高頻電流切割黃瓜的莖 防止 病毒在植物間傳播 在溫室測(cè)試中 機(jī)器人成功率為 80 平均每45s采摘1根黃瓜 近些年國(guó)內(nèi)的紀(jì)超 等 25 26 設(shè)計(jì)了一款4自由度搭載輔助光源的黃瓜采摘 機(jī)械臂 末端執(zhí)行器使用柔性抓手和不銹鋼切刀 試驗(yàn) 中采摘成功率達(dá)85 平均采摘時(shí)間為28 6s KAI J等 27 提出了一種傳感物理模擬器 用于在 實(shí)驗(yàn)室中訓(xùn)練機(jī)器人采摘樹莓 無需依賴季節(jié)性田間 測(cè)試 該系統(tǒng)由6自由度機(jī)械臂和由Dynamixel電機(jī) 驅(qū)動(dòng)的硅膠夾持器組成 通過模擬機(jī)器人與易碎水果 的交互 提高了抓握性能 在溫室樹莓試驗(yàn)中取得了 80 的成功率 該方法減少了對(duì)成本較高的田間試驗(yàn) 的依賴 為訓(xùn)練采摘機(jī)器人提供了新的思路 RGB D相機(jī) 末端 執(zhí)行器 UR5機(jī)械 臂和抬升 機(jī)構(gòu) 定制移 動(dòng)底盤 17 65卷08期劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 宋健等 28 29 早些年開發(fā)了一個(gè)具有4自由度的茄 子采摘機(jī)械臂 采用基于直方圖的固定雙閾值法對(duì) G B灰度圖像進(jìn)行分割 提取果實(shí)目標(biāo)的特征 如輪 廓 面積 質(zhì)心等 在試驗(yàn)中單攝像頭測(cè)距誤差在18mm 以內(nèi) 抓取成功率為89 平均耗時(shí)37 4s 2 難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 目前采摘機(jī)械臂面臨著幾個(gè)主要難點(diǎn) 如何精 準(zhǔn)識(shí)別果實(shí) 在復(fù)雜的種植環(huán)境中分辨果實(shí)與背景的 差異 末端夾具的設(shè)計(jì)也是一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn) 必須確 保在采摘過程中不損傷果實(shí) 同時(shí)具備足夠的靈活性 和適應(yīng)性 2 1 目標(biāo)識(shí)別技術(shù) 果實(shí)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)是采摘機(jī)械臂的關(guān)鍵 視覺 信息的準(zhǔn)確 快速獲取意味著識(shí)別和定位的準(zhǔn)確性 能夠?yàn)楣麑?shí)采摘奠定基礎(chǔ) 自然環(huán)境中的果實(shí)普遍存 在著因果實(shí)重疊 30 31 果實(shí)被葉片和枝條遮擋 32 光照 變化 33 從而導(dǎo)致圖像不清晰的情況 34 根據(jù)顏色特征 的不同 采摘對(duì)象可以分為顯著色差系果蔬和近色系 果蔬 顯著色差果蔬的果實(shí)顏色與背景葉片有明顯差 異 如番茄和草莓 色彩差異是區(qū)分果實(shí)和背景的重 要依據(jù) 對(duì)于近色系果蔬 如黃瓜和西瓜 果實(shí)在成熟 期與背景葉片的顏色差異不明顯 難以通過顏色特征 識(shí)別果實(shí) 在可見光波段之外 尋找果實(shí)與背景葉片 之間存在顯著反射特性差異的光譜波段是識(shí)別近色 系果蔬的重要途徑 35 2 1 1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 紀(jì)超等 35 36 研究了基于顏色和形態(tài)特征的草莓采 摘信息獲取方法 并對(duì)草莓果實(shí)采摘信息獲取方法進(jìn) 行了試驗(yàn) 結(jié)果表明草莓識(shí)別成功率為94 2 采摘點(diǎn) 定位準(zhǔn)確率為93 通過研究立體種植模式下小型西 瓜果實(shí) 莖 葉片的光譜反射特性差異 開發(fā)了基于近 紅外圖像的小型西瓜釆摘信息獲取方法 識(shí)別成功率 達(dá)86 馮青春等 37 38 對(duì)如何提高果實(shí)的目標(biāo)識(shí)別率 進(jìn)行了大量研究 提出了一種基于高動(dòng)態(tài)范圍成像技 術(shù)的番茄植株圖像色彩校正方法 以克服復(fù)雜自然光 照條件對(duì)作業(yè)對(duì)象色彩穩(wěn)定呈現(xiàn)的客觀限制 對(duì)番茄 植株主莖動(dòng)態(tài)跟蹤和立體測(cè)量方法進(jìn)行了研究 提高 了對(duì)葉 果和花等目標(biāo)的搜索效率 39 針對(duì)黃瓜采摘 機(jī)器人遠(yuǎn)景定位精度不高以致切傷果實(shí)和莖蔓的問 題 設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺具有空間位置反饋功能 的末端執(zhí)行器 采用遠(yuǎn)近景組合閉環(huán)定位方法對(duì)采摘 目標(biāo)進(jìn)行閉環(huán)定位 解決了采摘機(jī)器人一次遠(yuǎn)景定位 誤差較大的問題 40 袁挺等 41 基于近紅外圖像的黃瓜 果實(shí)與莖葉的信息表達(dá)方法 分析了黃瓜采摘深度 圖像信息的特點(diǎn) 有效實(shí)現(xiàn)了近色系生物信息的圖 像識(shí)別 GUAN Z X等 42 提出了一種方法 利用YOLOv5 來確定番茄與果梗之間的位置關(guān)系 從而減少需要關(guān) 注的果梗區(qū)域 接著 將果梗邊緣框的中心確定為采 摘點(diǎn) 雖然空間約束提高了識(shí)別的準(zhǔn)確性 但對(duì)于過 短或被覆蓋的莖仍然難以識(shí)別 MIAO Z H等 43 結(jié)合 了傳統(tǒng)的圖像處理技術(shù)和YOLOv5網(wǎng)絡(luò) 并通過莖 ROI的空間約束來提升番茄和莖的識(shí)別精度 最終 采摘位置的平均偏差達(dá)到了2mm 但在復(fù)雜光照和 背景干擾下 莖的識(shí)別準(zhǔn)確率較低 BAI Y H等 44 提 出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的圖像分析算法 用于在復(fù)雜 環(huán)境中自動(dòng)識(shí)別和定位成簇番茄的采摘點(diǎn) 研究將 Hough圓檢測(cè) 空間對(duì)稱樣條插值法 支持向量機(jī) SVM 算法結(jié)合使用 實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)簇生番 茄的準(zhǔn)確識(shí)別和采摘點(diǎn)定位 但所有的番茄圖像都在同 一天和同一場(chǎng)景下拍攝 結(jié)構(gòu)相似 算法的魯棒性需要 在不同階段或地區(qū)的更多樣本上驗(yàn)證 MAO S H等 45 提出了一種基于多路徑卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) MPCNN 顏色 成分選擇和支持向量機(jī) SVM 的黃瓜識(shí)別方法 該方 法的正確識(shí)別率超過90 誤識(shí)別率低于22 正確 與錯(cuò)誤識(shí)別比率超過4 表現(xiàn)出良好的識(shí)別效果 但 在葉片遮擋的情況下仍需進(jìn)一步優(yōu)化 2 1 2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)于果實(shí)目標(biāo)識(shí)別方法的研究較少 LEHNERT C等 46 使用Kinect Fusion算法結(jié)合RGB D 數(shù)據(jù)進(jìn)行場(chǎng)景注冊(cè) 通過顏色分割和聚類提取甜椒的 準(zhǔn)確表示 并通過非線性最小二乘法擬合超橢球體來 估計(jì)甜椒的6DOF姿態(tài) 未來的改進(jìn)方向包括利用 Kinect Fusion提供的額外信息進(jìn)行碰撞規(guī)避 以及優(yōu) 化攝像頭軌跡以獲取初始點(diǎn)云 BENAVIDES M等 47 提 出一種使用計(jì)算機(jī)視覺來定位番茄果柄的技術(shù) 解決 番茄和果柄的自動(dòng)檢測(cè)和定位問題 以便機(jī)器人能夠 準(zhǔn)確采摘 但需要進(jìn)一步研究以提高系統(tǒng)的魯棒性和適 應(yīng)性 并將其應(yīng)用于不同類型的采摘機(jī)器人 TSOU LIAS N等 48 使用LiDAR激光掃描儀 通過幾何和輻射 特征來檢測(cè)蘋果 提出的方法在蘋果檢測(cè)和大小估計(jì) 方面表現(xiàn)出高精度 但在葉子遮擋的情況下 檢測(cè)精度 可能受到影響 需要進(jìn)一步優(yōu)化算法以提高在復(fù)雜環(huán) 境中的魯棒性 18 65卷08期 劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 2 2 末端執(zhí)行器 末端執(zhí)行器是采摘機(jī)械臂進(jìn)行最終操作的部件 對(duì)于不同形狀不同硬度的果實(shí)需要進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì) 在保證不損傷果實(shí)的前提下盡可能地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)來提 升采摘效率 49 目前主流的末端執(zhí)行器通常采用吸盤 或柔性機(jī)械爪固定果實(shí) 再用刀片或者熱切割的方式 進(jìn)行果實(shí)與果柄的分離 也有直接使用機(jī)械爪通過拽 拉 扭擰 彎折等方式直接分離果實(shí) 但這對(duì)果實(shí)的形 狀以及硬度要求較高 所以應(yīng)用較少 劉繼展等 50 對(duì)于番茄采摘的末端執(zhí)行器進(jìn)行了 大量研究 開發(fā)了一款裝置 配置了真空吸持裝置 機(jī) 械爪固定裝置和由光纖激光器 聚焦透鏡等構(gòu)成的果 梗激光切割裝置 并以此為平臺(tái)先后開展了番茄表面 特性和夾持碰撞 51 54 果梗激光切割 55 真空吸持拉動(dòng) 建模與控制 16 56 等研究 馮青春等 18 設(shè)計(jì)了一款充氣 套筒番茄采摘末端執(zhí)行器 先用套筒固定果實(shí) 然后 套筒充氣形成氣墊 最后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)分離 能夠在不損 傷果實(shí)的情況下分離番茄 LUO Y等 57 基于番茄的特 性 設(shè)計(jì)了一款硅膠柔性機(jī)械爪 通過視覺識(shí)別番茄 直徑并控制柔性機(jī)械爪開合程度 確保不會(huì)對(duì)不同直 徑的番茄造成損傷 錢少明等 58 對(duì)黃瓜的抗壓特性 表面摩擦系數(shù)和果柄切斷阻力進(jìn)行了研究 為設(shè)計(jì)末 端執(zhí)行器提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 并設(shè)計(jì)了一種集成了氣動(dòng) 抓持器和切割器的末端執(zhí)行器 在試驗(yàn)中黃瓜抓持成 功率為90 果柄切斷成功率為100 平均時(shí)間3s OKA K等 59 設(shè)計(jì)了電弧熱切割系統(tǒng) EATCS 和 溫度弧熱切割系統(tǒng) TATCS 并測(cè)試了性能 在試驗(yàn) 中溫度弧熱切割系統(tǒng)配備0 5mm鎳鉻絲在1 5s內(nèi) 完成收割 效果顯著優(yōu)于電弧熱切割系統(tǒng) JUN J等 60 在1個(gè)番茄采摘機(jī)器人研究中開發(fā)了一種有花紋的 吸盤 能夠更好地適應(yīng)番茄的圓形表面 減少對(duì)果實(shí) 的損傷 3 展望 隨著越來越多的學(xué)者對(duì)采摘機(jī)械臂進(jìn)行研究 采 摘機(jī)械臂的技術(shù)已經(jīng)日益成熟 然而卻難以真正實(shí)現(xiàn) 普及 絕大部分的農(nóng)戶仍然使用手工采摘的方式 本 文總結(jié)分析了目前采摘機(jī)械臂難以普及的幾個(gè)問題 并提出了展望 3 1 降低成本 目前采摘機(jī)械臂仍是一種高精尖的產(chǎn)品 研發(fā)成 本 制造成本較高 2022年中國(guó)自動(dòng)采摘機(jī)器人的單 價(jià)約為55 9萬(wàn)元 而當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主 如 果價(jià)格太高 就很難普及 61 且機(jī)械臂的操作者和維護(hù) 者是農(nóng)民 這就要求采摘機(jī)械臂要便于操作 自動(dòng)化 程度要高 且要便于維護(hù) 3 2 一機(jī)多用化 想要推進(jìn)機(jī)械臂的普及還必須實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用化 例如更換不同的末端執(zhí)行器即可實(shí)現(xiàn)果實(shí)搬運(yùn) 作物 病蟲害監(jiān)測(cè) 精準(zhǔn)施藥等 推進(jìn)一機(jī)多用化其實(shí)也是 在變相地降低機(jī)械臂的成本 且對(duì)于這農(nóng)業(yè)機(jī)械臂來 說季節(jié)性影響極大 這也避免了一種機(jī)械臂一年中只 使用了一小段時(shí)間而產(chǎn)生的資源浪費(fèi) 但目前采摘機(jī) 器人技術(shù)的發(fā)展仍處于原理 結(jié)構(gòu)各異的競(jìng)相探索階 段 難以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用 這就需要學(xué)界與業(yè)界 裝備與 農(nóng)藝的深度結(jié)合 共同推動(dòng)逐步形成一套結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)來 實(shí)現(xiàn)各種零件的互通 14 3 3 多機(jī)協(xié)同化 隨著農(nóng)業(yè)4 0的到來 無人農(nóng)場(chǎng)將會(huì)逐步出現(xiàn) 在這類農(nóng)場(chǎng)中將會(huì)有各類的機(jī)械臂機(jī)器人進(jìn)行采摘 搬運(yùn) 監(jiān)測(cè) 施藥 藥液傳輸?shù)雀黝惞ぷ?甚至在工廠 化生產(chǎn)中還會(huì)進(jìn)一步完成分選 清洗和包裝等作業(yè) 這就需要實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè) 因此路徑導(dǎo)航 車距控 制 信息共享 以及用于自動(dòng)充電及藥液傳輸?shù)臋C(jī)械 臂接口對(duì)接控制等技術(shù) 將大大促進(jìn)多機(jī)協(xié)同化的發(fā) 展 為農(nóng)業(yè)4 0的到來作好準(zhǔn)備 參考文獻(xiàn) 1 李道亮 李震 無人農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)分析與發(fā)展展望 J 農(nóng)業(yè) 機(jī)械學(xué)報(bào) 2020 51 7 1 12 2 REN G Q WU T H LIN T et al Mobile robotics platform for strawberry sensing and harvesting within precision indoor farming systems J Journal of Field Robotics 2023 1 19 3 馮青春 鄭文剛 姜?jiǎng)P 等 高架栽培草莓采摘機(jī)器人系 統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2012 34 7 122 126 4 FENG Q C WANG X ZHENG W G et al New strawberry harvesting robot for elevated trough culture Z 2012 1 8 5 FENG Q C CHEN J ZHANG M et al Design and Test of Harvesting Robot for Table top Cultivated Strawberry C 2019 WRC Symposium on Advanced Robotics and Automation WRC SARA IEEE 2019 6 YA X CHENG P GRIMSTAD L et al Development and field evaluation of a strawberry harvesting robot with a cable driven gripper J Computers and Electronics in 19 65卷08期劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 Agriculture 2019 157 392 402 7 YA X GE Y Y GRIMSTAD L et al An autonomous strawberry harvesting robot Design development inte gration and field evaluation J JournalofFieldRobotics 2019 37 202 224 8 GE Y Y YA X JOHAN F P Three dimensional location methods for the vision system of strawber ry harvesting robots development and comparison J Precision Agriculture 2022 24 764 782 9 GE Y Y YA X TENORIOG L et al Fruit Localiza tion and Environment Perception for Strawberry Har vesting Robots J IEEE Access 2019 7 147642 147652 10 PRETER A D ANTHONIS J BAERDEMAEKER J D Development of a Robot for Harvesting Strawberries J Ifac papersonline 2018 51 14 19 11 GAO J ZHANG F ZHANG J X et al Development and evaluation of a pneumatic finger like end effector for cherry tomato harvesting robot in greenhouse J Computers and Electronics in Agriculture 2022 197 106879 12 YAGUCHI H NAGAHAMA K HASEGAWA T et al Development of An Autonomous Tomato Harvest ing Robot with Rotational Plucking Gripper C 2016 IEEE RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS IEEE 2016 652 657 13 CHEN X Y CHAUDHARY K TANAKA Y Rea soning Based Vision Recognition for Agricultural Hu manoid Robot toward Tomato Harvesting C 2015 IEEE RSJInternationalConferenceonIntelligentRobots andSystems IROS IEEE 2015 6487 6494 14 劉繼展 溫室采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展分析 J 農(nóng)業(yè) 機(jī)械學(xué)報(bào) 2017 48 12 1 18 15 LIU J Z LI Z G WANG F Y et al Hand Arm Coordination for a Tomato Harvesting Robot Based on Commercial Manipulator C Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics ROBIO IEEE 2013 2715 2720 16 劉繼展 番茄采摘機(jī)器人真空吸持系統(tǒng)分析與優(yōu)化控 制研究 D 鎮(zhèn)江 江蘇大學(xué) 2010 17 LI Z G LIU J Z LI P P et al Analysis of Workspace and Kinematics for a Tomato Harvesting Robot C 2008 International Conference on Intelligent Com putation Technology and Automation icicta Ieee 2008 823 827 18 FENG Q C WANG X N WANG G H et al Design and test of tomatoes harvesting robot C 2015 IEEE International Conference on Information and Automation IEEE 2015 19 FENG Q C ZOU W FAN P F et al Design and test of robotic harvesting system for cherry tomato J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2018 11 96 100 20 于豐華 周傳琦 楊鑫 等 日光溫室番茄采摘機(jī)器人 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2022 53 1 41 49 21 LEHNERT C MCCOOL C SA I et al Perfor mance improvements of a sweet pepper harvesting robot in protected cropping environments J Journal of Field Robotics 2020 37 1197 1223 22 ARAD B BALENDONCK J BARTH R et al Development of a sweet pepper harvesting robot J Journal of Field Robotics 2020 37 1027 1039 23 VAN HENTEN E J HEMMING J VAN TUIJL B A J et al An Autonomous Robot for Harvesting Cucumbers in Greenhouses J Autonomous Robots 2002 13 3 241 258 24 VAN HENTEN E J VAN TUIJL B A J HEMMING J et al Field Test of an Autonomous Cucumber Pick ing Robot J Biosystems Engineering 2003 86 305 313 25 紀(jì)超 馮青春 袁挺 等 溫室黃瓜采摘機(jī)器人系統(tǒng)研 制及性能分析 J 機(jī)器人 2011 33 6 726 730 26 馮青春 紀(jì)超 張俊雄 等 黃瓜采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化 與運(yùn)動(dòng)分析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2010 41 44 48 27 KAI J PIRES C HUGHES J Lab2Field transfer of a robotic raspberry harvester enabled by a soft sensorized physical twin J Communications Engineering 2023 2 28 宋健 孫學(xué)巖 張鐵中 等 開放式茄子采摘機(jī)器人設(shè) 計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2009 40 1 143 147 29 宋健 茄子采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真 J 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2008 6 166 168 30 苗中華 沈一籌 王小華 等 自然環(huán)境下重疊果實(shí)圖 像識(shí)別算法與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2016 47 6 21 26 31 LV J D WANG Y J NI H M et al Method for discriminating of the shape of overlapped apple fruit images J Biosystems Engineering 2019 186 118 129 32 劉振宇 丁宇祺 自然環(huán)境中被遮擋果實(shí)的識(shí)別方法研 究 J 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究 2020 37 S2 333 335 339 33 何斌 張亦博 龔健林 等 基于改進(jìn)YOLOv5的夜間 溫室番茄果實(shí)快速識(shí)別 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2022 53 5 201 208 20 劉天鴻 等 溫室采摘機(jī)械臂的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀及展望 34 金壽祥 周宏平 姜洪喆 等 采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)研究 進(jìn)展 J 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào) 2023 39 2 582 595 35 紀(jì)超 溫室果蔬采摘機(jī)器人視覺信息獲取方法及樣機(jī) 系統(tǒng)研究 D 北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 2014 36 袁挺 紀(jì)超 張震華 等 基于近紅外圖像的溫室小型 西瓜采摘信息獲取技術(shù) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2012 43 7 174 178 155 37 馮青春 王秀 李軍輝 等 基于高動(dòng)態(tài)范圍成像的溫 室番茄植株圖像色彩矯正方法 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2020 51 11 235 242 38 FENG Q C CHENG et al Design of structured light vision system for tomato harvesting robot J International Journal of Agricultural and Biological Engineering 2014 7 2 19 26 39 馮青春 王秀 劉繼展 等 基于視覺伺服的溫室番茄 植株主莖跟蹤與測(cè)量方法 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2020 5 11 221 228 40 馮青春 袁挺 紀(jì)超 等 黃瓜采摘機(jī)器人遠(yuǎn)近景組合閉 環(huán)定位方法 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2011 42 2 154 157 41 袁挺 李偉 譚豫之 等 溫室環(huán)境下黃瓜采摘機(jī)器人 信息獲取 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2009 40 10 151 155 42 GUAN Z X LI H ZUO Z J et al Design a Robot System for Tomato Picking Based on YOLO v5 J Ifac papersonline 2022 55 166 171 43 MIAO Z H YU X Y LI N et al Efficient tomato harvesting robot based on image processing and deep learning J Precision Agriculture 2022 24 254 287 44 BAI Y H MAO S H ZHOU J et al Clustered tomato detection and picking point location using machine learning aided image analysis for automatic robotic harvesting J Precision Agriculture 2022 24 727 743 45 MAO S H LI Y H MA Y et al Automatic cu cumber recognition algorithm for harvesting robots in the natural environment using deep learning and multi feature fusion J Computers and Electronics in Agriculture 2020 170 105254 46 LEHNERT C SA I MCCOOL C et al Sweet pep per pose detection and grasping for automated crop harvesting C 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation ICRA IEEE 2016 47 BENAVIDES M CANTON GARBINM SANCHEZ MOLINA J A et al Automatic Tomato and Pe duncle LocationSystemBasedonComputerVisionforUse in Robotized Harvesting J Applied Sciences 2020 10 5887 48 TSOULIAS N PARAFOROS D S XANTHOPOU LOS G et al Apple Shape Detection Based on Geo metric and Radiometric Features Using a LiDAR Laser Scanner J Remote Sensing 2020 12 2481 49 李國(guó)利 姬長(zhǎng)英 翟力欣 果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 研究進(jìn)展與分析 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2014 35 5 231 236 240 50 劉繼展 李萍萍 李智國(guó) 番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器 的硬件設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2008 3 109 112 51 劉繼展 白欣欣 李萍萍 番茄果實(shí)蠕變特性表征的 Burger s修正模型 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2013 249 255 52 劉繼展 白欣欣 李萍萍 等 果實(shí)快速夾持復(fù)合碰撞模 型研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2014 45 4 49 54 172 53 劉繼展 李萍萍 李智國(guó) 等 面向機(jī)器人采摘的番茄 力學(xué)特性試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008 24 12 66 70 54 李智國(guó) 劉繼展 李萍萍 機(jī)器人采摘中番茄力學(xué)特性 與機(jī)械損傷的關(guān)系 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 5 112 116 55 劉繼展 徐秀瓊 李萍萍 果實(shí)采摘中果梗激光切割分 析與實(shí)驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2014 45 1 59 64 56 劉繼展 李萍萍 倪齊 等 番茄采摘機(jī)器人真空吸盤裝置 設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2010 41 10 170 173 184 57 LUO Y WANG J Z XING J H et al Design of a Flexible End Effector for a Tomato Harvesting Robot C 2023 IEEE International Conference on Unmanned Systems ICUS IEEE 2023 58 錢少明 楊慶華 王志恒 等 黃瓜抓持特性與末端采摘 執(zhí)行器研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2010 26 7 107 112 59 OKA K BACHCHE S Performance testing of ther mal cutting systems for sweet pepper harvesting robot in greenhouse horticulture J 2013 7 1 36 51 60 JUNJ KIMJ SEOLJ etal TowardsanEfficientTomato Harvesting Robot 3D Perception Manipulation and End Effector J IEEEAccess 2021 9 17631 17640 61 宋健 張鐵中 徐麗明 等 果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展 與展望 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2006 5 158 162 責(zé)任編輯 周慧 65卷08期 21