国内外农业机器人对比

        纵观美国、日本、荷兰、英国和比利时等农林业生产大国，现代化农林业已成为当今世界农林业发展的潮流。随着设施农业、精准农业等新型农业的出现，计算机、传感器和自动化技术越来越多被应用于农林业生产中。中国作为农林业大国，实现农林业现代化、农林业装备机械化和智能化成为发展的必然趋势[1-4]。

        目前，针对水稻、小麦等大面积种植的谷物已经基本实现了从播种到收获的自动化、机械化，大大节约了人工成本。但是，针对水果蔬菜等农作物，即使在种植环节已经能达到高度的自动化，但在采摘环节仍然需要大量的人工劳动[5]。随着近年来机器人技术、图像识别技术的发展，如何使用机器人代替人工高效地完成采摘作业成为亟待解决的问题。

1 国外研究现状

        自1968年美国学者Schertz和Brown首次提出将机器人技术应用于果蔬采摘，经过50年的研究与发展，农林业收获装备经历了从半自动化的采摘机械到全自动的采摘机器人[6]。目前，日本、英国、美国和西班牙等发达国家都展开了农林业采收机器人方面的研究，主要涉及的采收对象有苹果、西红柿、草莓和甜橙等。我国在农林业采收机器人方面的研究工作起步较晚，但近年来发展势头迅猛并取得了大量成果。国内许多科研院校已经设计出试验样机，同时也提出了许多关键技术理论，但总体较国外研究相比，仍有一定的差距。

1.1苹果采收机器人

        20世纪末，韩国庆北大学研发的苹果采收机器人具有4自由度，同时包括3个旋转关节和1个移动关节[7]。该机器人选用内含压力传感器的3指夹持器作为末端执行器，可以有效避免损伤苹果。虽然此机器人采用了CCD摄像机和光电传感器，能够较为准确地识别苹果，但受限于自由度，仍然难以避开障碍物进行工作。

        2008年，比利时BAETEN J等[8]研发了一种苹果采收机器人，该机器人采用6自由度机械臂，安装于可升降运动平台上，由拖拉机拖动。末端执行器选择气压驱动柔性执行器。该机器人采摘周期为8～10 s，采摘率达80%，但是结构占地面积大，采摘动作不够灵活。

1.2草莓采收机器人

        日本的KonDO N等[9]针对草莓的温室高垄内培模式，研发了安装在龙门式移动平台上的3自由度直角坐标机械臂，是草莓采收机器人的初代样机。该机器人由彩色CCD相机检测草莓果实，利用吸入旋转切断式末端执行器切断果梗，采摘果实。试验发现吸持方式对小型果实十分有效，但仍有34%的果实无法被正确采摘。

        随后，KonDO N等[10]又在第一代样机的基础上，通过改进末端执行器机构，研制了第2代草莓采收机器人。第2代机器人吸取了吸入旋转式和勾取式的优势，在末端执行器真空吸入草莓果实的基础上，增加了张合爪用于夹取果梗，完成切断，有效地提高了采摘的成功率。

        日本宫崎大学NAGATA M等[11]开发了由3自由度直角坐标机械臂带动末端执行器的采收机器人，其能完成竖直向下夹持并切断果梗。该机器人配备了固定-移动双相机，在白色或黑色的塑料膜背景下对草莓果实进行识别和定位，成功率超过90%。

        针对高架悬挂式栽培的草莓，日本的HAYASHI S等[12]研制了适用于高架栽培的草莓采收机器人。此机器人采用轨道移动平台和龙门式机械臂，以长条形LED点阵光源和3个相机构成视觉单元，末端执行器选用反射式光电传感器。与初代机型相比，新型的采摘机器人质量轻，采摘耗时缩短，但由于机器视觉算法无法妥善处理光源光照不均匀的问题，采摘成功率无法保证。

1.3番茄采收机器人

        番茄由于其成串生长的特性，导致果实之间贴碰重叠和遮挡现象严重，因此被认为是机器人收获难度最大的蔬果之一。日本早在20世纪80年代初就开始进行番茄采收机器人的研究。京都大学川村登等[13]较早进行了番茄采摘机器人样机的开发。该机器人包括电动轮式底盘、5自由度机械臂和2指夹持器，利用相机对果实定位。尽管该机器人结构与性能还不够成熟，但已完成番茄采摘机器人的初步构想与基础框架。

        冈山大学的KonDO N等[14]设计的番茄采收机器人，选用彩色摄像头和图像处理卡构成的视觉系统识别和定位成熟的番茄，7自由度机械手用以避开障碍物，带有橡胶套的夹持器和吸盘用以夹取和采摘果实。该机器人采摘周期约为15 s，成功率能够达到70%。

        后来，KonDO N等[15]又针对番茄的生长特性研制了新的番茄采收机器人。该机器人选用三菱RH-6SH5520型工业机器人，末端执行器采用切断式来剪切果梗，同时配有夹持器夹取被采摘的整串番茄。其最大采摘质量6kg，采摘周期约为15 s，但成功率较低，仅为50%左右。

        FUJURA T等[16]针对45°倾斜水培樱桃番茄开发了采收机器人。采用电动轮式底盘，4自由度直角坐标机械臂，吸持-摆动剪断式末端执行器和红外立体视觉传感器。该机器人的采摘能保证果实较高的收获率和果实花萼较高的完整性。

        东京大学的CHEN X等[17]开发了仿人型双臂式番茄采收机器人。该机器人在头部和腕部装有两个体感摄像头，每个手臂有7个自由度，并装有夹剪一体式的末端执行器。目前该机器人仅能靠人的指令完成采摘，仍处于试验阶段。

        科威特的TAQI F等[18]为温室和家庭采摘樱桃番茄设计了一款机器人，该机器人通过相机拍摄图像识别番茄果实，并且能够自主判别番茄是否成熟，是否破损或腐烂并完成分拣。

1.4黄瓜采收机器人

        日本KonDO N等[19]研制的黄瓜采摘机器人，采用6自由度机器人，配以CCD相机，根据黄瓜与其茎叶红外光反射率差异的原理进行识别，果梗分离采用传统的夹持切断式。但受制于茎叶对于黄瓜识别的影响程度较大，该机器人采摘成功率并不高。

        荷兰的VAN HENTER E J等[20]研制的轨道式黄瓜采摘机器人，包括4个采收机器人和1个机器人停靠站。每个采收机器人由智能控制运动装置、采摘机械手、终端感应器和计算机视觉系统组成。其利用瞬时高温方式切断果梗，避免了细菌感染，采摘成功率能达到80%。

1.5林业采收机器人

        原苏联中央森工机械研究所的伊尔库茨克分所设计了一种装备有信息测量系统、执行系统和控制系统的伐木归堆机器人，其由计算机控制操纵抓切装置，使机械臂按指定方向动作，以完成抓树、从根部伐树、搬移和归堆等工作[21]。

        北美推出的Rottne 2202型和Rocan T型微型轮式采伐联合机采用计算机程序控制机器人完成伐木、打枝和造材作业，该机的特点是机体小巧，作业时不会对周围树木造成损伤，机组接地压力较小，减少了对地表的破坏和树根的损伤[22]。

        Timberjack公司开发了适用于陡坡和松软林地的6足采伐联合机器人，该机器人通过腿部传感器获取地面路况信息，采用计算机系统控制步伐，平衡机器人各足的载重，能越过120 cm的障碍，按设定的程序自动完成伐木、打枝和造材等工作[23]。

1.6其他类型采收机器人

        希腊工程师POOL TA和美国佛罗里达大学工程师HARREL R C等[24]合作研发了一种柑橘采收机器人。该机器人由彩色摄像机和超声波测距机进行识别定位，采用半圆形环切刀切断果梗。

        日本冈山大学MonTA M等[25]研制的果园棚架栽培模式的葡萄采收机器人由一个5自由度机械臂和视觉传感器组成。此机器人同时集成了葡萄的剪枝、套袋和药物喷洒功能。

        日本京都大学UMEDA K等[26]研制了一种名叫“STORK”的西瓜采收机器人。该机器人包含有平行4球联动的机械采摘手爪、视觉传感器和移动机构。采摘手爪利用真空吸盘吸附方式提起西瓜，完成采摘。

        日本HAYASHI S等[27]针对V型架栽培的茄子开发了采收机器人，其采用履带式底盘、7自由度机械臂、掌心相机、超声距离传感器、真空吸盘和带有柔性夹持器的果梗夹剪一体化末端执行器。但由于枝叶遮挡等问题，该机器人的识别率和采摘成功率都较低。

        巴里理工大学和莱切大学合作研制的菊苣采收机器人机是由一个双4杆机构机械手、末端执行器和视觉系统组成[28]。其基于智能彩色滤波算法和图像形态学操作来确定菊苣的位置。末端执行器采用切断方式削减根茎，并能够夹持菊苣送入采集托盘内。

国内研究现状

2.1苹果采收机器人

        南京农业大学顾宝兴等[29]针对标准矮化苹果果园，设计的苹果采摘机器人，利用DGPS自主导航载有采摘机械臂的轻型履带式智能移动平台，通过果实与树枝色差模型的图像处理识别和定位果实，完成采摘。

        天津农学院苏媛等[30]以瑞典ABB公司的ABB irb460型3自由度工业机器人为模型，利用BP神经网络构建了苹果采收机器人的视觉系统。该机器人将640×640像素的图片，在RGB颜色空间下，结合中值滤波降噪和拉普拉斯算子边缘检测方法实现果实的特征提取，最终完成苹果果实定位。

2.2草莓采收机器人

        中国农业大学陈利兵[31]针对垄作草莓研制了3直动直角坐标机械臂配置剪切式末端执行器，配合CCD相机构成视觉系统的草莓采摘系统；针对高架草莓，也制作了采用3直动直角坐标机械臂配置夹剪一体式末端执行器，并安装了微型履带底盘的“采摘童1号”样机。

        国家农业智能装备工程技术研究中心冯青春等[32]研发的草莓采摘机器人针对高架栽培模式，采用了声纳导航移动平台，6自由度机械臂和双目视觉系统，并开发了吸持果实，夹持果梗后，利用电热丝烧断果梗的新型末端执行器。

2.3番茄采收机器人

        上海交通大学的ZHAO Y S等[33]开发的双臂式番茄采收机器人，安装了两只三自由度PRR式机械臂，采用了滚刀式和吸盘筒式末端执行器，使用双目视觉系统进行果实识别与定位。

        国家农业智能装备工程技术研究中心王晓楠等[34]针对温室立体培育番茄种植，设计了一款智能番茄采摘机器人，包括视觉定位单元、采摘手爪、控制系统及承载平台。该机器人基于HIS色彩模型进行图像处理，提高了果实定位与识别精度；通过气囊夹持方式，保证了采摘过程中果实的柔性夹持，降低了采摘过程中果实的损伤率。

2.4黄瓜采收机器人

        汤修映等[35]研制的黄瓜采摘机器人FVHR-I，拥有一个带活动刃口和固定刃口的末端执行器，用以切断果梗。其视觉识别系统采用了RGB模型的G分量进行图像分割，同时进行黄瓜果实识别和分割点的确定。该机器人的采摘成功率很高，但黄瓜果实的识别还有待提高。

        中国农业大学纪超等[36]根据黄瓜果实与背景叶片分光反射特性差异，设计的黄瓜采摘机器人由自主移动平台、果实识别定位系统、采摘机械臂、柔性末端执行器和能源系统构成，并提出了三层式系统控制方案，设计了导航控制程序和采摘控制程序。该机器人单根黄瓜采摘耗时28 s左右，成功率达85%，具有较高的稳定性与实用性。

2.5林业采收机器人

        东北林业大学陆怀民等[37]研制的林木球果采集机器人拥有一个5自由度的机械手。工作时，机械手爪由双泵双回路液压系统驱动，实现机械手爪与机械臂整体的柔性动作。机器人停放在距母树3～5m处，机械手爪张开并对准要采集的树枝。随后，机械臂前伸使采集爪趋近球果，采集爪收拢，利用采集爪的梳齿结构夹拢果实并将果实撸下。最后完成球果的收集。

        郭秀丽等[38]设计的采伐联合机器人以SDWY-60型履带式挖掘机作为行走机构，安装有6自由度机械手，采用双泵双回路液压系统驱动，利用基于模糊自适应卡尔曼滤波的径向基函数神经网络控制系统，使机器人能实现立木定位、采伐与归堆等多功能自动循环作业。

        魏占国等[39]设计了轮式林木采伐联合机器人CFJ-30，其底盘采用铰接式车架构造，采用全液压驱动，集伐木、打枝、造材和归楞于一体。

2.6其他类型采收机器人

        郭素娜等[40]设计了一款能够自主导航定位的葡萄采摘机器人，其通过RSSI自主导航和颜色特征提取，操作5自由度机械臂对成熟的葡萄完成定位和采摘，准确率超过95%。

        宋健等[41]设计的开放式茄子采摘机器人，以4自由度关节式采摘机器人为本体。基于直方图的固定双阈值法对G-B灰度图像进行分割，提取了果实目标的轮廓、面积、质心、外接矩形以及切断点等特征，对茄子进行识别和定位。该机器人系统运行稳定可靠，抓取成功率为89%，平均耗时37.4 s。