1、果蔬采摘機器人發展狀況調查第5小組成員 背景果蔬采摘作業是果蔬生產中最耗時、最費力的一個環 節。果蔬收獲期間需投入的勞力約占整個種植過程的50 -70。隨著社會經濟的發展和人口的老齡化，很多國家農 業勞動力嚴重短缺。導致果蔬生產勞動力成本增加。為降低 成本，提高勞動效率，果實采摘的自動化成為亟待解決的問 題。國外的發展狀況自1983年第1臺西紅柿采摘機器人在美國問世以來，采摘機器人的研制和開發得到了快速發展。法國、荷蘭等國家相繼立項研究了采摘蘋果、柑橘、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人。日本近年在收獲機器人的研究方面進展很快，目前已經研制出番茄、黃瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收獲機器人，但技術不太

2、成熟，還沒有真正實現商業化。1995年日本岡山大學研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機器人。其機械部分是一個具有5個自由度的極坐標機械手，具有4個旋轉關節(其中腰部 1個、肩部1個、腕部2個)和1個棱柱型的直動關節。這種結構使得機器人在葡萄架下行走時能夠有效地工作，旋轉關節可以用不同的速度旋轉，直動關節可以采 用簡單的控制方法來獲得較高的速度。 1996年，荷蘭農業環境工程研究所(IMAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機器 人。該機器人利用近紅外視覺系統辨識黃瓜果實，并探測它的位置。機械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。1998年，英國SIIsoe研究院研制了蘑菇采摘機器人，它可以

3、自動測量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機械手包括2個氣動移動關節和1 個步進電機驅動的旋轉關節;末端執行器是帶有軟襯墊的吸引器;視覺傳感器采用Tv攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。 2002年，日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學聯合研制了茄子采摘機器人。機器人由CCD機器視覺系統、5自由度工業機械手、末端執行器以及行走裝置組 成，作業對象是溫室中按照V形生長方式種植的茄子國內發展狀況我國在農業機器人領域的研究始于20世紀90年代中期，上海交通大學機器人研究所曹其新、劉成良等人完成了智能化聯合收割機樣機的研制。南京農業大學沈明霞和浙江工業大學張立斌等人正在進行農業機器人視覺

4、方面的研究。2001年，張瑞合等運用雙目立體視覺的方法研究了番茄收獲中果實的精確定位問題。采摘機器人是未來智能農業機械化的發展方向，具有廣闊的應用前景。面臨的難題一是采摘機械人的作業效率低，主要體現在果實的識別率和采摘率不高，損傷率較高；二是采摘機器人制造成本較高而利用率低。目前關于菠蘿自動采摘機械方面國內外尚未見報道？機器人執行機構機械手臂采摘機構主要由錐齒輪、斜齒輪、滾動軸承、傳動軸和鏈齒刀主動輪等組成（如圖 ），采摘機構主要實現菠蘿的自動采摘，動力由拖拉機飛輪輸出，經鏈輪和聯軸器等傳動機構輸入至軸，經錐齒輪和斜齒輪減速后由軸輸出，帶動刀具旋轉，進行果品的收割1、圓錐滾子軸承 2、斜齒輪傳

5、動3、鏈齒刀主動輪 4、軸 5、軸6、圓錐滾子軸承 7、錐齒輪傳動 8、軸VI菠蘿采摘機構菠蘿采摘機械手設計的菠蘿自動采摘手爪包括手部抓取機構，手部驅動機構和手部旋轉機構 3 部分，分別實現對菠蘿的抓取和掰斷功能，并設計了以 AT89C51單片機為核心的控制系統，控制 2 個步進電機。通過采摘試驗，表明該機構和控制系統能夠實現對菠蘿的采摘，確定手部旋轉機構的旋轉角度為 180，抓取時間為 21-24 s。機器人視覺識別系統雙目視覺識別系統視覺系統是菠蘿采摘機械的關鍵部件之一，可為采摘終端提供待采果實的位置導航信息?？紤]到菠蘿果形較大，易于識別，以及系統應用于農業領域，需盡可能降低成本。該研究選

6、取雙目視覺技術，采用低成本的 CMOS 視覺傳感器，輔以三腳架、雙目云臺，以及計算機、軟件系統，搭建低成本雙目視覺標定平臺；研究了標定模型及流程，并基于 C+和 OpenCVv1.1 環境以及 Matlab 標定工具箱的軟件環境平臺，采用張正友標定算法，分別對視覺傳感器進行標定試驗，選取了適合本平臺的標定方法?；诖似脚_和開發的菠蘿果實識別算法，在湛江菠蘿田間進行果實深度測量試驗發現，果實測試距離小于1 m 時，深度誤差在 68 cm 范圍內，經軟件算法校正后，誤差控制在 23 cm 范圍內，該平臺試驗結果良好，表明低成本試驗平臺具有可行性。該研究可為菠蘿采摘機器人視覺系統的開發提供參考。雙目視覺識別系統雙目視覺識別系統基于單目視覺的田間菠蘿果實識別針對田間復雜環境中的青色菠蘿，采用圖像處理技術、數學形態學方法，識別菠蘿果眼，并獲取果眼的中心點信息；引入層次聚類分類方法，對多個中心點進行聚類分析；求取最多點集的中心坐標，作為菠蘿區域的近似形心。選用在廣東湛江菠蘿田間拍攝的 35 幅圖像作為評價樣本，經過運算，迎光條件下形心識別正確率達到 85%?；趩文恳曈X的田間菠蘿果實識別基于單目視覺的田間菠蘿果實識別解決辦法要找到一種可靠性好、精度高的視覺系統技術，能夠檢測出所有成熟果實，精確對其定位，必要時可以采用人機協作模式。2) 提高機械手和末端執行器的柔