3.1 存在的问题
法国是研究果蔬采摘机器人较早的国家之一,但由于技术、市场和价格等因素的影响,甜橙、苹果采摘机器人已停产,采摘机器人的研究工作基本陷于停顿。美国在自动化收获机器人的研究方面没有一个清晰的战略,研究工作也基本停了下来。日本近年来开展了大量的收获机器人研究项目,进展很快,但还未能真正实现商业化。荷兰收获机器人的研究工作走在很多国家的前面,但研究的果蔬种类并不多。我国的研究则处在逐渐上升的阶段,但大部分研究都是针对采摘机器人的某一个部分进行的,如视觉、机械手、末端执行器等。
3.1.1 果实的识别率、定位精度低
果蔬采摘机器人的首要任务是识别和定位水果。然而果实的形状、尺寸、颜色、成熟度、表皮外伤程度差异性大,而且果实总是随机分布生长,这给果实的识别带来很大的困难。目前识别果实的方法主要有灰度阈值、颜色识别法和区域识别法等。前两种方法都要基于果实的光谱反射特性,因此还极易受到自然光照的影响。而区域定位方式,则要求目标具有完整的边界条件,但是由于果实往往被枝干和叶子遮挡,很难真正区别出完整的轮廓。
3.1. 2 采摘环境的非结构化给采摘带来困难
大部分果实都是在自然环境中生长,因此果实的采摘将受到自然环境改变的影响。如刮风导致果实摇动而不断改变位置,采摘果实被树叶树枝等掩盖,这就要求采摘机器人不仅能将这样的果实识别出来,还需要有成功的避障规划和灵巧的机械手结构。 3.1.3 果实的损伤率较大
果实是很娇嫩的,在采摘过程中必须保证以不损伤果实为前提,目前人们在末端执行器上安装传感器以感知抓取的力度,但是在实际操作中仍然未能避免对果实造成抓取伤痕。另一种方法是切断果柄,这种办法的问题是切刀极易磨损,另外就是当果柄过短时无法应用。
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3. 1. 4 果实平均采摘周期较长、效率低
研究采摘机器人的目的之一就是为了提高采摘的效率,但是目前的采摘机器人效率还不够高。比如采摘1个甘蓝需要55 s,采摘一根黄瓜需要10~16 s,采摘一个茄子需要64. 1 s,采摘一个甜瓜需要15 s。
3. 1. 5 采摘机器人的制造成本高、应用推广难
果蔬采摘机器人的采摘对象具有多样性,工作时间具有季节性,设备利用率低,操作对象大部分为农民,这就要求其要具有良好的通用性、可编程性、高可靠性和操作简单性。另外采摘机器人的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。只有当其使用成本低于人工收获成本时,采摘机器人才会真正被普及。因此,成本问题将成为制约采摘机器人市场化的瓶颈问题。
3. 2 解决对策
每一个事物的发展都是一个遇到问题解决问题的过程。为了很好的解决以上问题,解除限制采摘机器人发展的因素,可以从以下几个方面加强探索与研究:
(1)研究出一种高可靠性、高精度的视觉系统技术,可以使所有成熟果实都能够识别出来并能精确地对其定位。这就需要在三维立体视觉技术、视觉传感器技术、图像获取和处理等方面进行更深入的研究。
(2)可以研究适合采摘机器人工作的果蔬栽培模式,通过降低作物生长环境的非结构化和复杂性,便于采摘机器人的视觉定位和移动。
(3)机械结构直接决定机器人运动的灵活性、平稳性和控制的复杂性。采摘机器人结构必须更加紧凑和简化,优化机器人结构。提高机械手和末端执行器的柔性和灵巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果实的损伤率。
(4)提高图像处理速度,优化软件算法,缩短机器视觉部分在整个采摘过程中所占用的时间,以提高采摘效率。
(5)采用开放式的控制系统,提高采摘机器人的通用性。只要改变机器人的机械本体和末端执行器,用一套控制系统就能完成不同果蔬的采摘,从而提高控制系统的利用率、降低成本。
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4 果蔬收获机器人关键技术和技术难点
收获机器人是一类工作于非结构环境中的典型的复杂光机电一体化产品,涉及多门学科的知识.一个智能型的收获机器人必须具备下述特征:
1)必须能准确地识别和定位成熟的果实,并引导末端执行器灵活准确地接近目标水果。
2)为了能在垄沟或其它野外环境中行走,机器人必须紧凑,转弯灵活。 3)每个果实的采摘周期不能太长。
4)成本应比较低.下面是收获机器人设计中的一些必须考虑的关键技术。
4.1 机械本体的优化设计
机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。机器人必须紧凑,行走、转弯灵活,同时还要保证机器人运动平稳和灵活避障。设计末端执行器时,要求准确快速切除果实并确保不损伤果实。同时,还必须进行机构的运动学和动力学分析,运用优化的观点来设计机器人结构。
4.2 自动化识别和定位
由于环境的复杂性,在果蔬收获机器人中,果实的自动化识别还没能满意地解决,最大的困难在于光照条件的不确定性和水果的部分或全部遮挡问题.因此,还需在传感器信息融合技术、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入的研究。
4.3 路径规划和运动控制技术
和一般工业机器人不同之处在于,收获机器人需要在运动过程中,不断探测和判断目标水果,并根据要求采摘水果。收获机器人在运动过程中,其数据处理量相当大,对控制系统的实时性要求高。同时,由于作物果实是随机分布的,为了灵活地接近果实,收获机器人往往存在冗余自由度,这对机器人的轨迹规划、运动控制等方面都提出了更复杂、更严格的要求。
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5．结论
果蔬收获是一个季节性强的劳动密集型工作,由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏,采用机器人进行果蔬的自动化收获变得越来越迫切。但由于收获机器人的工作环境往往是非结构性的、未知的和不确定的,因此给机器人的实际应用带来了很大的困难。要成功地实现机器人的智能化收获,必须要在机器人的本体设计、果实的自动化识别和定位、机器人运动规划和控制技术等方面进行深入的研究。
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