世界農業機器人研究歷經50載，產業化之路還有多遠？
機器人採收是農林業現代化的關鍵技術之一。縱觀美國、日本、荷蘭、英國和比利時等農林業生產大國，現代化農林業已成為當今世界農林業發展的潮流。
隨著設施農業、精準農業等新型農業的出現，計算機、傳感器和自動化技術越來越多被應用於農林業生產中。中國作為農林業大國，實現農林業現代化、農林業裝備機械化和智能化成為發展的必然趨勢。
國內外研究現狀
自1968年美國學者首次提出將機器人技術應用於果蔬採摘，經過50年的研究與發展，農林業收穫裝備經歷了從半自動化的採摘機械到全自動的採摘機器人。目前，日本、英國、美國和西班牙等發達國家都展開了農林業採收機器人方面的研究，主要涉及的採收對象有蘋果、西紅柿、草莓和甜橙等。
我國在農林業採收機器人方面的研究工作起步較晚，但近年來發展勢頭迅猛並取得了大量成果。國內許多科研院校已經設計出試驗樣機，同時也提出了許多關鍵技術理論，但總體較國外研究相比，仍有一定的差距。
1. 蘋果採收機器人
20世紀末，韓國慶北大學研發的蘋果採收機器人，可以有效避免損傷蘋果。雖然此機器人採用了CCD攝像機和光電傳感器，能夠較為準確地識別蘋果，但受限於自由度，仍然難以避開障礙物進行工作。
南京農業大學研製的針對標準矮化蘋果果園，設計的蘋果採摘機器人，利用DGPS自主導航載有采摘機械臂的輕型履帶式智能移動平臺，通過果實與樹枝色差模型的圖像處理識別和定位果實，完成採摘。
2. 草莓採收機器人
日本學者針對草莓的溫室高壟內培模式，研發了草莓採收機器人的初代樣機。該機器人由彩色CCD相機檢測草莓果實，利用吸入旋轉切斷式末端執行器切斷果梗，採摘果實。試驗發現吸持方式對小型果實十分有效，但仍有34%的果實無法被正確採摘。
在第一代樣機的基礎上，通過改進末端執行器機構，研製了第2代草莓採收機器人。第2代機器人增加了張合爪用於夾取果梗，完成切斷，有效地提高了採摘的成功率。
國家農業智能裝備工程技術研究中心研發的草莓採摘機器人針對高架栽培模式，採用了聲納導航移動平臺，並開發了吸持果實，夾持果梗後，利用電熱絲燒斷果梗的新型末端執行器。
3. 番茄採收機器人
番茄由於其成串生長的特性，導致果實之間貼碰重疊和遮擋現象嚴重，因此被認為是機器人收穫難度最大的蔬果之一。日本早在20世紀80年代初就開始進行番茄採收機器人的研究。
京都大學研究人員較早進行了番茄採摘機器人樣機的開發，完成番茄採摘機器人的初步構想與基礎框架。後續設計的番茄採收機器人，選用彩色攝像頭和圖像處理卡構成的視覺系統識別和定位成熟的番茄，用帶有橡膠套的夾持器和吸盤用以夾取和採摘果實。
國家農業智能裝備工程技術研究中心針對溫室立體培育番茄種植，設計了一款智能番茄採摘機器人，包括視覺定位單元、採摘手爪、控制系統及承載平臺。該機器人提高了果實定位與識別精度；通過氣囊夾持方式，保證了採摘過程中果實的柔性夾持，降低採摘過程中果實損傷率。
4. 黃瓜採收機器人
日本研製的黃瓜採摘機器人，根據黃瓜與其莖葉紅外光反射率差異的原理進行識別，果梗分離採用傳統的夾持切斷式。但受制於莖葉對黃瓜識別的影響程度較大，該機器人採摘成功率並不高。
荷蘭研製的軌道式黃瓜採摘機器人，由智能控制運動裝置、採摘機械手、終端感應器和計算機視覺系統組成。其利用瞬時高溫方式切斷果梗，避免細菌感染，採摘成功率達到80%。
國內研究人員根據黃瓜果實與背景葉片分光反射特性差異，設計的黃瓜採摘機器人由自主移動平臺、果實識別定位系統、採摘機械臂、柔性末端執行器和能源系統構成，並提出了三層式系統控制方案，設計了導航控制程序和採摘控制程序。該機器人單根黃瓜採摘耗時28s左右，成功率達85%，具有較高的穩定性與實用性。
5. 林業採收機器人
前蘇聯中央森工機械研究所設計了一種裝備有信息測量系統、執行系統和控制系統的伐木歸堆機器人，其由計算機控制操縱抓切裝置，使機械臂按指定方向動作，以完成抓樹、從根部伐樹、搬移和歸堆等工作。
國內研究人員設計的採伐聯合機器人以SDWY-60型履帶式挖掘機作為行走機構，採用雙泵雙迴路液壓系統驅動，利用基於模糊自適應卡爾曼濾波的徑向基函數神經網絡控制系統，使機器人能實現立木定位、採伐與歸堆等多功能自動循環作業。
6. 其他類型採收機器人
希臘工程師和美國佛羅里達大學工程師合作研發了一種柑橘採收機器人。該機器人由彩色攝像機和超聲波測距機進行識別定位，採用半圓形環切刀切斷果梗。
巴里理工大學和萊切大學合作研製的菊苣採收機器人機，其基於智能彩色濾波算法和圖像形態學操作來確定菊苣的位置。末端執行器採用切斷方式削減根莖，並能夠夾持菊苣送入採集托盤內。
國內研究人員設計了一款能夠自主導航定位的葡萄採摘機器人，其通過RSSI自主導航和顏色特徵提取，操作5自由度機械臂對成熟的葡萄完成定位和採摘，準確率超過95%。
關鍵技術研究進展
針對農林業採收機器人在工作中所面臨的眾多問題，採收機器人研究仍面臨巨大的挑戰。
首先是複雜的非結構環境，農林業採收機器人的工作地點往往處於農田、果園和溫室壟間等具有坡度、坑窪地形、不可預見的障礙物等複雜地形環境中。機器人想要完成工作必須具有優良的導航避障能力、穩定的爬坡行走能力。
其次是自然環境下作物信息獲取，採收機器人通過傳感獲取的各種信息都是在自然條件下進行的，自然環境如光照、作物背景和枝葉遮擋等無關要素對於獲取信息的干擾非常嚴重，因此採收機器人信息系統對於作物信息篩選區分的成功率至關重要。
再次是作物的摘取與分揀，由於不同作物的生長情況和形狀特點各不相同，果實的生長位置、大小長短、易損程度也有很大區別，因此針對採收機器人採收對象的不同，需要使用不同的末端執行器以滿足不同的要求。
1. 導航避障系統
基於機器視覺和關節空間的黃瓜採收機器人障礙規避方法，該方法將障礙分為球體、正方體和長方體，再根據障礙類型將其歸類，構造障礙保護圓和障礙保護點，採取過中間障礙點的三次多項式插值函數完成機器人相應節段關節的運動。
針對特殊環境下采摘機器人的實時避障問題，提出了一種基於改進人工勢場法的障礙規避方法。該方法通過引入虛擬目標點使搜索過程跳出傳統人工勢場法的局部最優極小點，從而實現機器人實時避障。
2. 視覺系統
中國農業大學研究人員設計了一種基於激光視覺系統的蘋果採摘機器人，該視覺系統基於飛行時間原理對目標場景進行三維掃描，根據掃描數據反映果實曲面特性，更清晰地解析果實和分辨枝葉間的空間幾何特性和層次關係，避免或減少自然光線的干擾。
3. 末端執行器
美國研究人員考慮到採摘現場的複雜環境和對蘋果的損傷，設計了一款末端執行器。該末端執行器產生具有法向力分佈的球形功率抓取並且選取重複的選定人類模式拾取序列。考慮到位置誤差，採用柔性欠驅動關節，肌腱驅動裝置改善執行器性能。
江蘇大學研究者改進了一般番茄採摘機器人的吸盤式末端執行器結構，設計了一種以集成式真空發生器為核心的真空吸盤裝置，提高了果實吸附和採摘的成功率，減輕了吸附過程中對果實的損傷。
未來展望
經過50多年的發展，農林業採收機器人的研究已經取得了長足的進步，無論是機型種類，還是在關鍵技術方面，無論是國內，還是國外，農林業採收機器人的研究和開發都方興未艾。
在日本、美國和西班牙等農林業機器人發達國家，採收機器人研究開發較早，開發的機型較多，但是，大多數仍未達到產業化水平。
國內研究開發較晚，但是，在國家和相關地方政府和科技部門的大力支持下，在採收機器人的研發方面做了大量有益的研發工作，取得了一定的研究成果，距離產業化還有一定的差距。未來國內外的學者仍將致力於農林業採收機器人的實用化和產業化研究。
文章來源：2019年2期《農業工程》（中國科技核心期刊）
原標題：農林業採收機器人發展現狀