蘋果采摘機(jī)械臂國內(nèi)外研究進(jìn)展文獻(xiàn)綜述當(dāng)今，蘋果采摘機(jī)械臂的研究已經(jīng)變成了世界上各個(gè)國家的研究分析熱潮，美韓，韓日和中國都相繼研究了蘋果，番茄，橘子等智能機(jī)器人，從目前的研究成果來說，采摘機(jī)器人主要由采摘機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行裝置，視覺系統(tǒng)，移動(dòng)裝置和控制系統(tǒng)等組成。國外研究進(jìn)展蘋果采摘機(jī)器人的研究始于法國。1983年法國Cemagref研究所研制了一種蘋果采摘機(jī)器人，即“MAGAL”蘋果收貨機(jī)器人。機(jī)器人采用CCD攝像機(jī)和光電傳感器進(jìn)行果實(shí)識(shí)別，末端執(zhí)行器有多個(gè)柔性手指。采摘作業(yè)時(shí)，采摘機(jī)械臂帶動(dòng)末端執(zhí)行器伸向果實(shí)，末端執(zhí)行器柔性手指抓取果實(shí)，收獲的果實(shí)通過中空手臂筒內(nèi)部進(jìn)入到回收容器中[4]。（a）采摘機(jī)器人（b）末端執(zhí)行器圖1-1蘋果采摘機(jī)器人及末端執(zhí)行器日本北海道大學(xué)DukeM.Bulanon等開發(fā)了一種蘋果采摘機(jī)器人及末端執(zhí)行器，如圖1-1所示。該機(jī)器人采用二指夾持式末端執(zhí)行器。在末端執(zhí)行器上安裝有CCD攝像機(jī)和激光傳感器，由CCD攝像機(jī)拍攝果實(shí)圖像進(jìn)行成熟果實(shí)識(shí)別，激光傳感器探測確定果實(shí)位置，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)平行二指夾持果實(shí)果梗，步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)扭斷果梗，試驗(yàn)表明該機(jī)器人采摘成功率為90.9%，平均采摘周期為7.1s。該機(jī)器人末端執(zhí)行器采用二指夾持果梗，不接觸果實(shí)，但對(duì)果梗較短的果實(shí)會(huì)出現(xiàn)夾持失敗，發(fā)生果實(shí)掉落現(xiàn)象[4]。（a）采摘機(jī)器人（b）末端執(zhí)行器圖1-2蘋果采摘機(jī)器人及末端執(zhí)行器比利時(shí)林堡天主教高等專業(yè)大學(xué)JohanBaeten等開發(fā)了一種與工人協(xié)作作業(yè)的蘋果采摘機(jī)器人及末端執(zhí)行器，如圖1-2所示。該采摘機(jī)器人采用工業(yè)機(jī)器人六自由度機(jī)械臂作為采摘機(jī)械臂，機(jī)械臂能在架子上進(jìn)行水平和豎直方向移動(dòng)。末端執(zhí)行器采用漏斗形結(jié)構(gòu)，漏斗直徑為10.5cm，通過漏斗吸頭吸持果實(shí)并通過吸頭的轉(zhuǎn)動(dòng)扭斷果梗，吸頭處為硅膠材料。整個(gè)機(jī)器人由拖拉機(jī)牽引作業(yè)，果園作業(yè)試驗(yàn)表明該機(jī)器人采摘成功率為80%左右，單個(gè)果實(shí)采摘時(shí)間為8-10s。該機(jī)器人占地面積大，作業(yè)缺乏靈活性，并且需要作業(yè)工人駕駛拖拉機(jī)協(xié)助作業(yè)，并未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化采摘[4]。國內(nèi)研究進(jìn)展我國對(duì)采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代中期，雖然與發(fā)達(dá)國家還有很大差距，但是在不少院校和研究學(xué)者的努力下也取得了一些進(jìn)展。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的湯修映等人研制了一個(gè)6自由度黃瓜采摘機(jī)器人，該機(jī)器人基于RGB三基色模型的G分量來進(jìn)行圖像分割，在特征提取后確定黃瓜的采摘點(diǎn)。同時(shí)提出了新的適合自動(dòng)化采摘的斜柵網(wǎng)架式黃瓜栽培模式。孫明等為蘋果采摘機(jī)器人開發(fā)了一套果實(shí)識(shí)別視覺系統(tǒng)，并研究成功了一種使二值圖像的像素分割正確率大于80%的彩色圖像處理技術(shù)[5]。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人[6]，主要由5自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。如圖1.3所示，為國內(nèi)采摘機(jī)械臂的一些研究成果。圖1.3國內(nèi)采摘機(jī)械臂國內(nèi)外采摘機(jī)械臂存在的問題雖然許多發(fā)達(dá)國家對(duì)蘋果采摘機(jī)械臂進(jìn)行了大量的研究工作，并且在某些方面取得了一定的成果，但是當(dāng)今采摘機(jī)械臂仍然存在著一些待完善的問題，存在著一些需要攻破的難點(diǎn)[7]。果實(shí)的識(shí)別率低、定位精度低；蘋果采摘機(jī)器臂的第一任務(wù)是識(shí)別和定位蘋果。然而果實(shí)的形狀、尺寸、顏色、成熟度、表皮外傷程度差異性大，而且果實(shí)總是隨機(jī)分布生長，這給果實(shí)的識(shí)別帶來很大的困難。目前識(shí)別果實(shí)的方法主要有灰度閥值、顏色識(shí)別法和區(qū)域識(shí)別法等。前兩種方法都要基于果實(shí)的光譜反射特性，因此還極易受到自然光照的影響。而區(qū)域定位方式，則要求目標(biāo)具有完整的邊界條件，但是由于果實(shí)往往被枝干和葉子遮擋，很難真正區(qū)別出完整的輪廓。采摘環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化給采摘帶來困難;大部分果實(shí)都是在自然環(huán)境中生長，因此果實(shí)的采摘將受到自然環(huán)境改變的影響。如刮風(fēng)導(dǎo)致果實(shí)搖動(dòng)而不斷改變位置，采摘果實(shí)被樹葉樹枝等遮蓋，這就要求采摘機(jī)器人不僅能將這樣的果實(shí)識(shí)別出來，還需要有成功的避障規(guī)劃和靈巧的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。果實(shí)的損傷率較大；果實(shí)是很嬌嫩的，在采摘過程中必須保證以不損傷果實(shí)為前提，目前人們在末端執(zhí)行器上安裝傳感器以感知抓取的力度，但是在實(shí)際操作中仍然未能避免對(duì)果實(shí)造成抓取傷痕。另一種方法是切斷果柄，這種辦法的問題是切刀極易磨損，另外就是當(dāng)果柄過短時(shí)無法應(yīng)用[7]。參考文獻(xiàn)張復(fù)宏.中國水果出口的貿(mào)易演進(jìn)及優(yōu)化策略研究[D].山東農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.宋健,張鐵中,徐麗明,湯修映.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(05):158-162.崔玉潔,張祖立,白曉虎.采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展與現(xiàn)狀分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(02):4-7.李國利.多末端蘋果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學(xué),2017.周天娟,張鐵中.果蔬采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展和分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械,2006(22):38-39.陸懷民.林木球果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(6):52-58.HarrellRC,AdsitPD,PoolTA,eta1.Thefloridaroboticgrove-lab[J].TransactionsoftheASAE,1990,33(2):391-399.趙春光.蘋果采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].哈爾濱商業(yè)大學(xué),2019.李偉.果蔬采摘機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性分析[D].北京林業(yè)大學(xué),2014.徐莉,劉喜平,王國富,張建,王國慶,馬馳,李子康,王靜波.一種蘋果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2018,31(05):133-134+137.李俊良,張?zhí)熘?朱天奇等.基于連桿機(jī)構(gòu)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2019,16(10):114-115.王玉榮,劉云泉,潘榮晴.農(nóng)業(yè)果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].電視技術(shù),2019,43(Z2):73-75.王韌.農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[D].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué),2010.Shi,Yinggang(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestAandFUniversi