農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，采摘水果、收割蔬菜聽(tīng)上去很簡(jiǎn)單，其實(shí)這是冗長(zhǎng)而無(wú)趣的工作，很難激起人們的上班熱情。為了降低果園里員工突然辭職的風(fēng)險(xiǎn)，許多人將目光轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以減少對(duì)手工勞動(dòng)的依賴，并提高整體生產(chǎn)率。
01
采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
國(guó)際上，一些以日本和美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究采摘機(jī)器人，并取得了一些成果。而我國(guó)直到20世紀(jì)90年代，中國(guó)才開(kāi)始研究果蔬采摘機(jī)器人，而且相對(duì)于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)的研究工作具有起步晚，發(fā)展慢，投資少的特點(diǎn)。相比于其他國(guó)家農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的日漸成熟，我國(guó)不管在技術(shù)的研發(fā)還是應(yīng)用上都還處于起步階段。
受市場(chǎng)投資、發(fā)展速度和機(jī)器人技術(shù)差距影響，早期我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展較為艱難。但隨著自動(dòng)化和城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)范圍取得一定進(jìn)展。同時(shí)，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)、科技都獲得快速發(fā)展的情況下，國(guó)家加大了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的扶持力度，如今我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)迎來(lái)了良好發(fā)展期。
02
采摘機(jī)器人的情況分析
采摘機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景
機(jī)器人采收是農(nóng)林業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于采收機(jī)器人采收對(duì)象進(jìn)行分類，主要類型有蘋(píng)果采收機(jī)器人、草莓采收機(jī)器人、番茄采收機(jī)器人、黃瓜采收機(jī)器人和林業(yè)采收機(jī)器人等。
采摘機(jī)器人解決方案組成
1.智能化的果實(shí)識(shí)別和定位：開(kāi)發(fā)智能化的圖像處理算法、采用主動(dòng)光源、采用多傳感器信息融合提高采摘機(jī)器人的感知功能。開(kāi)發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列，以彌補(bǔ)單個(gè)缺陷，以及提出新的融合方法來(lái)提高傳感器的靈敏度和反應(yīng)度以完善探測(cè)結(jié)果。
2.機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)：在滿足機(jī)器人性能的前提下，針對(duì)采摘作業(yè)對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、緊湊、輕巧、采摘無(wú)損高效的機(jī)械手，是必須解決的問(wèn)題。目前，在果蔬機(jī)械采摘過(guò)程中，迫切要求農(nóng)業(yè)機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)一些果蔬抓持和操作的穩(wěn)定性，具有力閉環(huán)控制的抓取手或采摘機(jī)構(gòu)將成為解決問(wèn)題的途徑。
3.路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)：為了靈活地接近果實(shí)，提高其采摘的效率，收獲機(jī)器人往往存在冗余自由度，這對(duì)機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制、避障行走等方面都提出了更復(fù)雜、更嚴(yán)格的要求。因此，必須研究開(kāi)發(fā)出自適應(yīng)性強(qiáng)和路徑算法最優(yōu)的智能化機(jī)器人。
采摘機(jī)器人發(fā)展的難點(diǎn)
目前農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人的研究仍存在一些問(wèn)題亟待解決。
?。?）末端執(zhí)行器。機(jī)器人采收作物的收獲率、作物的完整程度以及采收完成后對(duì)原植株的損壞程度也是制約農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人投入實(shí)際生產(chǎn)的重要原因。采收機(jī)器人的采收過(guò)程需要仿照人工作業(yè)，但是機(jī)械采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)限制了采收機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下采收的成功率和采收下的作物的完好程度。
同時(shí)農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人的采收要盡量避免采收過(guò)程中對(duì)農(nóng)作物植株的損傷，破壞性的采收是不可取的。因此，采收機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)既要考慮到末端執(zhí)行器在枝葉間運(yùn)動(dòng)的靈活性，又要考慮采摘手爪對(duì)果蔬進(jìn)行采收作業(yè)時(shí)接觸力的大小、摘取的方式，以保證果蔬的完好。
?。?）圖像識(shí)別技術(shù)。目前對(duì)于采收作物的圖像識(shí)別技術(shù)已有了較多的研究，但是面對(duì)自然環(huán)境下生長(zhǎng)的農(nóng)作物，光照、枝葉遮擋和果實(shí)熟度等都是采收機(jī)器人工作時(shí)需要考慮的干擾因素，因此采收機(jī)器人對(duì)于成熟作物的識(shí)別率與識(shí)別速度始終難以達(dá)到較高的水平，這也導(dǎo)致機(jī)器人難以投入實(shí)際的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。
采收機(jī)器人準(zhǔn)確識(shí)別成熟作物的速度與精度是提升機(jī)器人作業(yè)效率的關(guān)鍵。利用高效的算法和先進(jìn)的傳感器，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備與視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合，提高視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)信息的處理速度，同時(shí)利用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)不斷提高對(duì)成熟果實(shí)作物的識(shí)別精度將會(huì)成為未來(lái)圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展方向。
?。?）導(dǎo)航定位技術(shù)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，高架栽培、溫室栽培等新型栽培方式將逐漸取代傳統(tǒng)的露天種植。而采收機(jī)器人在壟間的路徑規(guī)劃與障礙規(guī)避速度會(huì)對(duì)采收機(jī)器人的作業(yè)速度產(chǎn)生極大影響。采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)等方法提高機(jī)器人對(duì)復(fù)雜環(huán)境的識(shí)別和處理能力將是未來(lái)導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。
?。?）柔性結(jié)構(gòu)。目前，農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人基本都是針對(duì)特殊作物研究制造的特型機(jī)器人，泛用性差。采收機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造不應(yīng)只滿足于單種類的作物，應(yīng)該提高機(jī)器人的泛用性，通過(guò)更換末端執(zhí)行器和控制程序能夠完成多種類型的作物收獲作業(yè)，甚至是將播種、施肥和噴藥等多種農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)集成到一臺(tái)機(jī)器人上。
（5）機(jī)器人本體設(shè)計(jì)。目前，農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人由于所需的傳感器、圖像采集設(shè)備等儀器以及本體造價(jià)等原因?qū)е缕涑杀靖甙?。因此，?duì)采收機(jī)器人結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化既能有效降低其生產(chǎn)成本，又能提高機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下工作靈巧性。同時(shí)簡(jiǎn)化操作能讓農(nóng)林業(yè)采收機(jī)器人能夠更快地在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中得到普及。