【《草莓采摘机器人分析的国内外文献综述》3600字】

草莓采摘机器人研究的国内外文献综述草莓营养价值丰富，目前中国的草莓种植面积居世界第一位，全国草莓占地150余万亩。草莓种植业的扩大，成为部分农民致富的主要经济来源。我国大棚种植草莓的方式都是地面设垄，这种种植方式地面环境复杂，导致采摘时农户要经常弯腰或者蹲下，劳动强度大，需要耗费大量的工时[1]。近年来，我国老龄化不断加剧，农业从业人口大幅度降低，人工采摘的方式已经不能满足市场的需求[2]。不仅是农户，当地的政府出于发展草莓种植业的需要，都希望能有一种草莓采摘机器人来提高草莓的采摘效率。目前，机器人技术发展迅速，在生产生活的各个领域都发挥着重要的作用。所以设施农业采摘机器人的出现大大解放了劳动力，提高了生产效率[3]。行走机构是草莓采摘机器人组成的重要部分，行走机构为采摘机械臂及末端执行器提供了移动平台和工作平台。1草莓采摘机器人行走机构国外研究现状由于国外长期处于人口劣势的状态，劳动力问题突出，对农业机器人的研究处于领先地位。20世纪80年代，以日本和美国为代表的发达国家率先开始研究采摘机器人，并且取得了大量的研究成果[4]。目前市场上存在的农业机器人有许多种，包括育苗机器人、嫁接机器人、番茄采摘机器人、黄瓜采摘机器人[20]、大棚农药喷洒机器人、联合收割机器人、除草机器人。图1-2蔬菜嫁接机器人图1-3除草机器人上世纪80年代，日本是最早开始研究农业机器人的国家，京都大学的川村登等进行了番茄采摘机器人的研究和开发，其底盘采用电动轮式底盘；利用5自由度机械臂与指夹式的末端执行器相配合组成采摘机构。虽然技术不够成熟，但是具有极大的创新性，构建了移动式果蔬采摘机器人的框架[7]。上世纪90年代，日本冈山大学研发出的一种用于大棚葡萄采摘的机器人，该机器人的优点是利用了CCD摄像头对葡萄进行准确识别以及定位，利用5自由度的机械手对果实进行精确采摘，同时该机器人也能对果实进行采摘、喷药、套袋等一系列的动作。收获后的果实放置在移动平台携带的储物箱内，一定意义上实现了全自动采摘工作[8]。上述两种机器人都是采用相机作为识别工具对果实进行识别和定位，再利用5自由度的机械臂进行采摘。图1-4京都大学开发的番茄采摘机器人图1-5葡萄采摘机器人挪威生命科学大学与美国明尼苏达大学计算机科学系研究人员研发了一款草莓采摘机器人[9]，用于采摘生长在大棚中种在托板上的草莓。该机器人新设计了一款夹持器安装在机器人的机械臂上，移动底座上配有RGB-D摄像机进行精确识别与定位。这个机器人的优点是机械臂无须在每个果实和单独的果篮中间来回移动，从而减少了采摘时间，提高了采摘效率；视觉系统可以对成熟的草莓进行准确识别。该机器人在实际生产中表现突出，成功率53.6%，采摘单个草莓的时间控制在7.5秒以内。与日本相比，美国由于自身领土广阔以及自身发达的工业技术，其研究重点在于研究大规模农业生产所需的大型农用机械。典型的是Jan-Bontsema团队研发的一种多功能采摘机器人[10]，针对不同水果和蔬菜形态开发了不同的移动机构、末端执行器以及识别装置。该机器人的优点是，采用了大型拖拉机作为行走机构来应对大规模农场采摘需要；在拖拉机的后面安装了遮阳板，来减少外界光照对识别装置的影响；识别装置创新性的采用了将彩色相机和ToF相机融合的方法；其末端执行机构采用了橡胶鳍片和剪刀相结合的方法，执行机构抓取水果后，利用剪刀将果柄和果实分离开来，大大提高了采摘效率。但是该机器人针对的是室外大规模农业生产，体积过于庞大，无法进入大棚进行采摘工作。美国佛罗里达大学Thoms带领的研究团队针对不同水果和自动采摘方面做了大量深入研究[11]。针对信号在柑橘种植林中容易被树叶遮挡而影响传输效率的问题，以普通拖拉机为基础，优化了机器智能识别、雷达和编码器，显著提高了识别精度和采摘效率。但是该采摘机器人没有对行走机构的转向装置和驱动系统进行改进，在行走过程中车速控制和转向都需要驾驶员进行人为干预，并不能实现真正意义上的全自动采摘，进一步导致了该系统运转的精度不会太高。2草莓采摘机器人行走机构国内研究现状国内对果蔬采摘机器人的研究起步比较晚，但随着生产生活的需要，以及时代的进步，我国逐渐开展了许多针对果蔬采摘机器人的关键技术研究，主要针对温室果蔬采摘进行了技术突破，并且取得了显著的成果。这些研究工作的开展对我国温室自动化，智能化生产具有积极的现实意义。中国农业大学在上世纪90年代就率先开始了对农业机器人的研究，并取得了部分成果。目前我们已经开发出的农业机器人主要有：除草机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、采摘机器人、施肥机器人。2012年中国农业大学张铁中教授研制出草莓采摘机器人“采摘童1号”[12]。该机器人在果实的精确识别，采摘的精确定位以及高适应性的行走机构以及无损采摘等方面取得了一系列突破与创新。该草莓采摘机器人具有以下显著优点：在温室垄作采摘工作中，行走机构采用小型履带底盘，在田间作业时表现得非常灵活的同时兼具移动速度快，动作平稳。针对温室环境复杂，枝叶容易遮挡果实而影响采摘工作的难点，张铁中教授对机械臂进行特别设计，实现了采摘高度能够自由调节这一功能，从而大大提高了采摘果实的精确度。图1-6张铁中团队研制的草莓采摘机器人重庆理工大学的胡友呈研制出一款柑橘采摘机器人[13]，该设计提出了一种区域特征的SVM分割方法，此方法能很好的检测出柑橘区域对柑橘进行精确分割，能够准确判断柑橘前面有无障碍物及分析障碍物的类型，然后将分割区域使用最小二乘法进行椭圆拟合，从而还原柑橘果实的位置以及其中心，这个方法能准确的为采摘机器人提供安全可靠的采摘目标。然后利用六自由度采摘机械臂、末端执行器和自主移动平台对果实进行精确采摘。该柑橘采摘机器人采摘的成功率在80%左右，躲避障碍物的成功率高达60%。图1-7所示为胡友呈设计的柑橘采摘机器人。图1-7柑橘采摘机器人采摘果实兰州理工大学的李世杰研制了一款串番茄采摘机器人[2]，针对串番茄的生长环境专门设计了六自由度关节式的机械臂，并利用ANSYS对番茄采摘机器人关键部位进行有限元分析。针对机器人采摘时的避障路径中的机械臂与障碍物及自身的实体碰撞问题，通过简化模型以及解析几何知识求解，最后用MATLAB软件进行验证，结果表明速度和加速度曲线是平滑的。但是该机器人同样存在尚未解决的问题：其末端执行器是用普通塑料制作的，在长期的采摘工作中极易出现硬脆、破坏等现象；该设计没有对行走机构进行专门设计，用的是工业机器人行走机构，在实际生产中存在造价成本高以及所选行走机构可能不适应采摘环境的问题。仲恺农业工程学院的凌轩，刘江涛等人研制了一款针对垄作栽培草莓的智能采摘机器人[14]。该机器人基于机器视觉识别成熟草莓的位置和精确定位，并利用末端执行器对草莓进行夹持、扭转果柄，从而实现草莓的无损伤采摘。该机器人使用了四轮驱动的行走机构，移动平台上安装了XYZ同步滑台模块，机械手安装在滑台上，从而实现了机械手可以在各个方向上的移动。由于草莓的果皮比较薄，采摘时容易造成果皮破裂，进一步影响草莓的保存及销售。针对这些问题该机器人的末端执行机构采用了柔性的网状材料通过3D打印成型，以此来避免草莓果实在采摘工作中受到损伤。该采摘机器人还采用了机器视觉技术实现果实的精准识别与定位。自动识别采摘模块利用摄像机采集图像，分辨成熟草莓的位置，然后通过驱动PLC控执行机构计算草莓的重心位置，利用末端执行机构抓取、扭转果柄实现草莓的采摘工作。通过实验室搭建测试平台，构建测试模型，对采摘机器人进行性能测试。最终实验结果表明草莓的平均判别速度为1s，果实的误判率仅为7%，采摘成功率高达90%。图1-8智能草莓采摘机器人参考文献[1]李长勇,房爱青,谭红,陈雪丽.高架草莓采摘机器人系统研究[J].机械设计与制造,2017(06):245-247+251.[2]李世杰.串番茄采摘机器人结构设计与路径规划[D].兰州理工大学,2020.[3]马方泰,岳中芬.温室采摘机器人技术研究[J].科学技术创新,2019(36):191-192.[4]李会宾,史云.果园采摘机器人研究综述[J].中国农业信息,2019,31(06):1-9.[5]林欢,许林云.中国农业机器人发展及应用现状[J].浙江农业学报,2015,27(05):865-871.[6]李玉林,崔振德,张园,李明福,罗文杨,葛畅.中国农业机器人的应用及发展现状[J].热带农业工程,2014,38(04):30-33.[7]刘继展.温室采摘机器人技术研究进展分析[J].农业机械学报,2017,48(12):1-18.[8]张强.大棚作业多功能农业机器人研究[D].湖北工业大学,2019.[9]童彤.挪威:研发出草莓采摘机器人[J].中国果业信息,2019,36(07):32-33.[10]刘志宇,张亮,李树珍,石磊,任晓光.采摘机器人的研究现状和发展趋势[J].现代化农业,2021(01):64-66.[11]董芒.水果采摘机器人移动平台的设计与试验[D].南京农业大学,2016.[12]我国草莓采摘机器人研究获多项突破[J].机器人技术与应用,2013(03):45.[13]胡友呈.自然环境下柑橘采摘机器人的目标识别与定位方法研究[D].重庆理工大学,2018.[14]凌轩,刘江涛,梁超越,王旭东.智能草莓采摘机器人设计及试验[J].现代农业装备,2021,42(01):46-50.[15]张拓,岳高峰