1、果蔬采摘機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r調(diào)查第5小組成員 背景果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán) 節(jié)。果蔬收獲期間需投入的勞力約占整個(gè)種植過(guò)程的50 -70。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的老齡化，很多國(guó)家農(nóng) 業(yè)勞動(dòng)力嚴(yán)重短缺。導(dǎo)致果蔬生產(chǎn)勞動(dòng)力成本增加。為降低 成本，提高勞動(dòng)效率，果實(shí)采摘的自動(dòng)化成為亟待解決的問(wèn) 題。國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r自1983年第1臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)問(wèn)世以來(lái)，采摘機(jī)器人的研制和開(kāi)發(fā)得到了快速發(fā)展。法國(guó)、荷蘭等國(guó)家相繼立項(xiàng)研究了采摘蘋(píng)果、柑橘、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。日本近年在收獲機(jī)器人的研究方面進(jìn)展很快，目前已經(jīng)研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲機(jī)器人，但技術(shù)不太

2、成熟，還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。1995年日本岡山大學(xué)研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機(jī)器人。其機(jī)械部分是一個(gè)具有5個(gè)自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，具有4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(其中腰部 1個(gè)、肩部1個(gè)、腕部2個(gè))和1個(gè)棱柱型的直動(dòng)關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人在葡萄架下行走時(shí)能夠有效地工作，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以用不同的速度旋轉(zhuǎn)，直動(dòng)關(guān)節(jié)可以采 用簡(jiǎn)單的控制方法來(lái)獲得較高的速度。 1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器 人。該機(jī)器人利用近紅外視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)，并探測(cè)它的位置。機(jī)械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。1998年，英國(guó)SIIsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可以

3、自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括2個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié);末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器;視覺(jué)傳感器采用Tv攝像頭，安裝在頂部用來(lái)確定蘑菇的位置和大小。 2002年，日本國(guó)立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。機(jī)器人由CCD機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、5自由度工業(yè)機(jī)械手、末端執(zhí)行器以及行走裝置組 成，作業(yè)對(duì)象是溫室中按照V形生長(zhǎng)方式種植的茄子國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期，上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所曹其新、劉成良等人完成了智能化聯(lián)合收割機(jī)樣機(jī)的研制。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)沈明霞和浙江工業(yè)大學(xué)張立斌等人正在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)

4、方面的研究。2001年，張瑞合等運(yùn)用雙目立體視覺(jué)的方法研究了番茄收獲中果實(shí)的精確定位問(wèn)題。采摘機(jī)器人是未來(lái)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。面臨的難題一是采摘機(jī)械人的作業(yè)效率低，主要體現(xiàn)在果實(shí)的識(shí)別率和采摘率不高，損傷率較高；二是采摘機(jī)器人制造成本較高而利用率低。目前關(guān)于菠蘿自動(dòng)采摘機(jī)械方面國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)報(bào)道？機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手臂采摘機(jī)構(gòu)主要由錐齒輪、斜齒輪、滾動(dòng)軸承、傳動(dòng)軸和鏈齒刀主動(dòng)輪等組成（如圖 ），采摘機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)菠蘿的自動(dòng)采摘，動(dòng)力由拖拉機(jī)飛輪輸出，經(jīng)鏈輪和聯(lián)軸器等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入至軸，經(jīng)錐齒輪和斜齒輪減速后由軸輸出，帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行果品的收割1、圓錐滾子軸承 2、斜齒輪傳

5、動(dòng)3、鏈齒刀主動(dòng)輪 4、軸 5、軸6、圓錐滾子軸承 7、錐齒輪傳動(dòng) 8、軸VI菠蘿采摘機(jī)構(gòu)菠蘿采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)的菠蘿自動(dòng)采摘手爪包括手部抓取機(jī)構(gòu)，手部驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和手部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 3 部分，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)菠蘿的抓取和掰斷功能，并設(shè)計(jì)了以 AT89C51單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，控制 2 個(gè)步進(jìn)電機(jī)。通過(guò)采摘試驗(yàn)，表明該機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)菠蘿的采摘，確定手部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角度為 180，抓取時(shí)間為 21-24 s。機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)是菠蘿采摘機(jī)械的關(guān)鍵部件之一，可為采摘終端提供待采果實(shí)的位置導(dǎo)航信息?？紤]到菠蘿果形較大，易于識(shí)別，以及系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，需盡可能降低成本。該研究選

6、取雙目視覺(jué)技術(shù)，采用低成本的 CMOS 視覺(jué)傳感器，輔以三腳架、雙目云臺(tái)，以及計(jì)算機(jī)、軟件系統(tǒng)，搭建低成本雙目視覺(jué)標(biāo)定平臺(tái)；研究了標(biāo)定模型及流程，并基于 C+和 OpenCVv1.1 環(huán)境以及 Matlab 標(biāo)定工具箱的軟件環(huán)境平臺(tái)，采用張正友標(biāo)定算法，分別對(duì)視覺(jué)傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，選取了適合本平臺(tái)的標(biāo)定方法。基于此平臺(tái)和開(kāi)發(fā)的菠蘿果實(shí)識(shí)別算法，在湛江菠蘿田間進(jìn)行果實(shí)深度測(cè)量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，果實(shí)測(cè)試距離小于1 m 時(shí)，深度誤差在 68 cm 范圍內(nèi)，經(jīng)軟件算法校正后，誤差控制在 23 cm 范圍內(nèi)，該平臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果良好，表明低成本試驗(yàn)平臺(tái)具有可行性。該研究可為菠蘿采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參考。雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)雙目視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)基于單目視覺(jué)的田間菠蘿果實(shí)識(shí)別針對(duì)田間復(fù)雜環(huán)境中的青色菠蘿，采用圖像處理技術(shù)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，識(shí)別菠蘿果眼，并獲取果眼的中心點(diǎn)信息；引入層次聚類(lèi)分類(lèi)方法，對(duì)多個(gè)中心點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析；求取最多點(diǎn)集的中心坐標(biāo)，作為菠蘿區(qū)域的近似形心。選用在廣東湛江菠蘿田間拍攝的 35 幅圖像作為評(píng)價(jià)樣本，經(jīng)過(guò)運(yùn)算，迎光條件下形心識(shí)別正確率達(dá)到 85%?；趩文恳曈X(jué)的田間菠蘿果實(shí)識(shí)別基于單目視覺(jué)的田間菠蘿果實(shí)識(shí)別解決辦法要找到一種可靠性好、精度高的視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)，能夠檢測(cè)出所有成熟果實(shí)，精確對(duì)其定位，必要時(shí)可以采用人機(jī)協(xié)作模式。2) 提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的柔