農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀_趙永才.pdf

SDNJH 2025 04 件后面安裝壓扁輥 可實(shí)現(xiàn)對(duì)牧草莖稈的壓扁功能 以減少牧草的晾干時(shí)間 三 發(fā)展建議 一 深入推進(jìn)農(nóng)機(jī)裝備研發(fā) 補(bǔ)齊高端機(jī)械化短板 目前全省普遍使用的割草機(jī)以旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)為 主 依靠三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)相連 而國(guó)外廣泛使用的 自走式割草機(jī)在國(guó)內(nèi)雖有生產(chǎn) 但市場(chǎng)保有量較低 尚未普及 另外國(guó)內(nèi)割草機(jī)市場(chǎng)需求較小 自主品牌 產(chǎn)品以出口為主 全球80 的需求在美國(guó)和歐洲 因 此亟須大力發(fā)展適合我省飼草種植場(chǎng)地的高端大型 割草機(jī)械 破解機(jī)械需求不足難題 二 強(qiáng)化質(zhì)量監(jiān)管 制定適合我省省情的作業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范 機(jī)械化收獲標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的制定 可以科學(xué)指導(dǎo) 飼草收獲的各環(huán)節(jié) 對(duì)大面積機(jī)械化作業(yè)提供技術(shù) 支撐 有利于飼草產(chǎn)量提升 目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有NY T 4251 2022 牧草全程機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)規(guī)范 NY T 2461 2013 牧草機(jī)械化收獲作業(yè)技術(shù)規(guī)范 基本是 針對(duì)內(nèi)蒙古 甘肅等地區(qū) 況且標(biāo)準(zhǔn)在機(jī)械化收獲方 面描述較簡(jiǎn)單 故而起草適合我省的地方標(biāo)準(zhǔn)或行 業(yè)規(guī)范勢(shì)在必行 三 加大財(cái)政補(bǔ)貼 提升生產(chǎn)企業(yè)研發(fā)制造能力 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部辦公廳財(cái)政部辦公廳關(guān)于印發(fā) 2024 2026年全國(guó)通用類農(nóng)業(yè)機(jī)械中央財(cái)政資金 最高補(bǔ)貼額一覽表 的通知以及 山東省2024 2026 年農(nóng)機(jī)購(gòu)置與應(yīng)用補(bǔ)貼機(jī)具補(bǔ)貼額一覽表 第一 批 中都已取消割草機(jī)的補(bǔ)貼 而在大部分外省中 依然有補(bǔ)貼 因此可以通過(guò)增加山東省財(cái)政補(bǔ)貼 對(duì) 相關(guān)企業(yè)加大扶持力度 提升其智能化研發(fā)和制造 能力 設(shè)計(jì)制造出更加適合山東乃至全國(guó)的飼草收 割機(jī)械 作者單位 李家濤 屈克君 胡付浩 王洪波 楊 文靜 山東省章丘鼓風(fēng)機(jī)股份有限公司 孫曉文 山 東省農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站 一 引言 我國(guó)是重要的蔬菜和水果產(chǎn)地 蔬菜種植面積 常年穩(wěn)定在2 10 7 hm 2 以上 年產(chǎn)量達(dá)8 10 8 t 規(guī)模 居世界第一 水果年產(chǎn)量達(dá)3 10 8 t以上 人均產(chǎn)量 遠(yuǎn)超世界平均水平 山東作為農(nóng)業(yè)大省 蔬菜水果產(chǎn) 量均居全國(guó)前列 近年來(lái) 隨著人口老齡化加劇以 及農(nóng)村人口流失 農(nóng)村適齡勞動(dòng)力大幅下降 而果蔬 成熟期較為集中 用工量大 用工成本高 導(dǎo)致果蔬 采摘時(shí)節(jié)勞動(dòng)力短缺 過(guò)早過(guò)晚采摘均易導(dǎo)致果蔬 品質(zhì)的下降 因此研究應(yīng)用替代人工的農(nóng)業(yè)采摘機(jī) 器人迫在眉睫 隨著工業(yè)化水平和人工智能的不斷 發(fā)展 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期 在機(jī)械 結(jié)構(gòu) 感知系統(tǒng) 控制系統(tǒng)以及通訊等方面不斷嘗試 創(chuàng)新 各類農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人正逐漸從試驗(yàn)階段進(jìn)入 生產(chǎn)應(yīng)用階段 本文分析了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的國(guó)內(nèi) 外發(fā)展現(xiàn)狀 總結(jié)了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 結(jié) 合實(shí)際應(yīng)用效果提出了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人存在的主要 問(wèn)題 明確了未來(lái)發(fā)展方向 二 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人主要是由動(dòng)力行走裝置 采摘 機(jī)械臂 末端執(zhí)行器 感知系統(tǒng) 控制系統(tǒng)以及通訊 定位系統(tǒng)等組成 是一個(gè)復(fù)雜度高 精度要求高的智 能農(nóng)業(yè)裝備 眾多國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器 人領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究和廣泛的應(yīng)用嘗試 日本 美 國(guó) 歐洲等國(guó)家從20世紀(jì)80年代起 就著手開展農(nóng) 業(yè)采摘機(jī)器人的相關(guān)研究工作 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀 趙永才 調(diào)查研究 23 DOI 10 15976 ki 37 1123 s 2025 04 016 2025 04 SDNJH 術(shù)較為成熟 應(yīng)用場(chǎng)景和采摘品類較多 隨著我國(guó) 對(duì)智能農(nóng)業(yè)裝備的重視 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人技術(shù)及其 實(shí)際應(yīng)用發(fā)展迅速 目前農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人已經(jīng)在蘋 果 柑橘 草莓 番茄 甜椒等蔬果類作物的采摘方 面得到了初步應(yīng)用 日本岡山大學(xué)的Kondo 等設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī) 器人 可以實(shí)現(xiàn)不同品種的番茄采摘 應(yīng)用場(chǎng)景為 溫室大棚環(huán)境 光照條件良好可控 該番茄采摘機(jī) 器人由自走式底盤 單機(jī)械臂 末端執(zhí)行器 視覺(jué)感 知系統(tǒng) 控制系統(tǒng)等組成 工作時(shí) 視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)識(shí) 別到成熟番茄后 將位置信息發(fā)送給控制系統(tǒng) 控 制末端執(zhí)行器對(duì)番茄進(jìn)行剪切和吸取 該機(jī)器人采 摘成功率為70 單果采摘時(shí)間為15s 其設(shè)計(jì)思路 為后續(xù)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研制提供了重要參考 依據(jù) 美國(guó)Abundant Robotics公司設(shè)計(jì)的蘋果采摘 機(jī)器人 其世界級(jí)的視覺(jué)系統(tǒng)采用了深度相機(jī) 并 配有真空吸管吸取蘋果 機(jī)械臂采用并行結(jié)構(gòu) 采 摘速度快 識(shí)別準(zhǔn)確率高 果實(shí)損傷程度低 但僅適 用于V型果園 樹冠內(nèi)部的果實(shí)難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確采 摘 英國(guó)劍橋大學(xué)研制的生菜采摘機(jī)器人 由雙機(jī) 位攝像頭 機(jī)械臂 氣動(dòng)切割式末端執(zhí)行器 移動(dòng)平 臺(tái) 控制系統(tǒng)等組成 可在大田環(huán)境使用 該采摘機(jī) 器人利用軟夾頭對(duì)生菜進(jìn)行夾持 避免對(duì)生菜頭部 造成損傷 田間測(cè)試識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)82 單株采摘時(shí) 間為32s 采摘速度較低 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等研制的草莓采摘機(jī)器 人 應(yīng)用對(duì)象為溫室內(nèi)高架栽培模式的草莓 主要 由機(jī)械臂 末端執(zhí)行器 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 等組成 其末端執(zhí)行器為氣動(dòng)夾爪 具有可靠的夾 持和切斷作用 采摘成功率達(dá)88 單果采摘時(shí)間 為19s 江蘇大學(xué)劉繼展等研制的番茄采摘機(jī)器人 其末端執(zhí)行器采用新型真空吸盤對(duì)番茄實(shí)現(xiàn)有效 吸取 再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)后退或激光切割等形式 完成 番茄果實(shí)與果柄的有效分離 西北農(nóng)林科技大學(xué) 李子旭等設(shè)計(jì)的獼猴桃采摘機(jī)器人 由末端執(zhí)行 器 Core XY 式結(jié)構(gòu)機(jī)械臂 視覺(jué)感知系統(tǒng) 移動(dòng) 平臺(tái) 控制系統(tǒng)等組成 其末端執(zhí)行器采用電動(dòng)夾 持 氣動(dòng)剪切的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)獼猴桃的穩(wěn)定夾持與 切割 通過(guò)建立阻抗控制系統(tǒng)降低對(duì)獼猴桃的抓 取損傷 三 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù) 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的基本組成包括末端執(zhí)行器 機(jī)械臂 移動(dòng)平臺(tái) 視覺(jué)感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等模 塊 工作時(shí)由視覺(jué)感知系統(tǒng)對(duì)作物進(jìn)行識(shí)別定位 由 末端執(zhí)行器將作物與莖稈分離 因此作物采摘的成 功與否關(guān)鍵在于如何準(zhǔn)確的對(duì)作物進(jìn)行識(shí)別和定 位 分離過(guò)程盡可能減少對(duì)作物的損傷 主要包括三 個(gè)關(guān)鍵技術(shù) 即作物識(shí)別技術(shù) 作物定位技術(shù)和作物 分離技術(shù) 一 作物識(shí)別技術(shù) 作物識(shí)別技術(shù)是指對(duì)相機(jī) 采集的圖像進(jìn)行分割識(shí)別 以實(shí)現(xiàn)對(duì)成熟果實(shí) 非成 熟果實(shí)以及非果實(shí)物體的精確區(qū)分 一般以機(jī)器視 覺(jué)作為主要感知系統(tǒng) 多光譜及紅外感知系統(tǒng)作為 補(bǔ)充 算法方面主要包括兩類 即傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)算法 和深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)模型 傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)算法是基于作物的外部特征進(jìn)行 區(qū)別的算法 包括對(duì)作物的形狀輪廓 顏色 紋理等 特征進(jìn)行識(shí)別 利用閾值分割 色彩空間分割 邊緣 分割等方法實(shí)現(xiàn)圖像分割并完成特征提取 其過(guò)度 依賴圖像質(zhì)量 易受到外部因素的影響而造成識(shí)別 率不穩(wěn)定的情況 在自然條件下進(jìn)行作物采摘時(shí) 光 照情況隨著日出日落及氣象等原因不均勻 同時(shí)作 物易受到枝葉遮擋 作物重疊遮擋 枝葉與作物色系 相近等因素干擾 導(dǎo)致識(shí)別不準(zhǔn)確現(xiàn)象 深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)模型可以針對(duì)復(fù)雜干擾條件 下的作物進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別 通過(guò)對(duì)干擾條件下的圖像 進(jìn)行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練 使得復(fù)雜環(huán)境下的作物識(shí)別也 能達(dá)到較高的準(zhǔn)確率 該模型需要大量不同情況下 的作物圖像作為數(shù)據(jù)集 同時(shí)通過(guò)對(duì)深度學(xué)習(xí)算法 不斷的改進(jìn)和優(yōu)化 以提高模型的學(xué)習(xí)效率和訓(xùn)練 精度 不同算法對(duì)不同作物的適應(yīng)性也不同 需要經(jīng) 過(guò)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)不斷進(jìn)行算法選擇和優(yōu)化 以期達(dá)到 較高的識(shí)別準(zhǔn)確率 二 作物定位技術(shù) 作物定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)作物 精準(zhǔn)采摘的關(guān)鍵技術(shù)之一 作物被識(shí)別后需要獲取 其準(zhǔn)確的位置信息 以便實(shí)現(xiàn)最終的準(zhǔn)確分離和收 調(diào)查研究 24 SDNJH 2025 04 集 作物定位技術(shù)主要包括二維信息和三維信息的 獲取 二維信息的獲取方法主要為質(zhì)心定位法和圓 形包圍定位法 質(zhì)心定位法通過(guò)計(jì)算分割后作物圖 像的像素分布重心 確定幾何中心 可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 快速的實(shí)時(shí)定位 適用于無(wú)遮擋及形狀規(guī)則的作物 定位 圓形包圍定位法通過(guò)擬合略大于作物最大輪 廓的外接圓 利用圓心和半徑來(lái)進(jìn)行作物的定位 適用于圓形或近圓形輪廓的作物 對(duì)少量遮擋的作 物也能實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位 為完成末端執(zhí)行器精 確移動(dòng)至作物采摘位置的任務(wù) 僅獲取作物二維信 息無(wú)法實(shí)現(xiàn) 需要獲取作物的三維信息 以實(shí)現(xiàn)空 間定位 三維信息的獲取方法主要包括立體視覺(jué)法 結(jié) 構(gòu)光法和使用TOF相機(jī)等方法 立體視覺(jué)法通常 為雙目或多目視覺(jué) 通過(guò)多臺(tái)相機(jī)從不同角度拍攝 利用視差計(jì)算像素深度 構(gòu)建三維點(diǎn)云 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 適用于自然光照條件下進(jìn)行定位 結(jié)構(gòu)光法 是通過(guò)主動(dòng)投射圖案到作物表面 利用相機(jī)獲取投 射圖案變形信息計(jì)算深度 投射距離較近時(shí)深度精 度高 適用于溫室或室內(nèi)光照條件較好的場(chǎng)景 TOF相機(jī)通過(guò)發(fā)射紅外光脈沖并測(cè)量光往返時(shí)間 來(lái)計(jì)算距離 以獲取深度信息 實(shí)時(shí)性強(qiáng) 精度高 適 用于戶外采摘作業(yè)場(chǎng)景 三 作物分離技術(shù) 作物分離技術(shù)是指通過(guò)末 端執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)作物果實(shí)與莖葉分離的技術(shù) 在作 物果實(shí)被識(shí)別定位后 由末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)作物果實(shí) 分離 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的采摘對(duì)象一般為蔬菜和瓜 果等表皮較為薄脆易于損傷的作物 因此與作物果 實(shí)直接接觸的末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)以及工作方式 對(duì) 作物果實(shí)損傷情況有直接影響 末端執(zhí)行器一般執(zhí) 行兩部分功能 即實(shí)現(xiàn)作物果實(shí)的抓取和作物果實(shí) 分離 根據(jù)抓取和分離的方式不同 可以將末端執(zhí)行 器分為手抓式 真空式和剪切式三大類 無(wú)論哪種 方式的末端執(zhí)行器均需要注意與作物果實(shí)直接接觸 的部件盡量使用柔性及彈性的材料 避免作物果實(shí) 表皮劃傷或因?yàn)槔У确蛛x方式造成的作物振動(dòng)碰 撞損傷 四 存在的問(wèn)題 一 采摘成功率低 自然環(huán)境復(fù)雜以及作物植 株特性等原因 導(dǎo)致田間采摘時(shí)出現(xiàn)自然光照不均 勻 遮擋 目標(biāo)晃動(dòng)等情況 造成識(shí)別及定位不準(zhǔn) 確 進(jìn)而導(dǎo)致采摘失敗 冠層內(nèi)部的作物果實(shí) 由于 枝葉阻擋 識(shí)別定位及運(yùn)動(dòng)路徑不通暢 均會(huì)導(dǎo)致 采摘失敗 二 采摘速度慢 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的采摘速度 跟機(jī)械結(jié)構(gòu)和識(shí)別定位能力有關(guān) 由于自然環(huán)境復(fù) 雜 作物識(shí)別定位需要大量計(jì)算 而機(jī)器人自身計(jì)算 處理能力有限 導(dǎo)致識(shí)別定位能力受限 每次采摘機(jī) 械臂和末端執(zhí)行器均需要執(zhí)行一系列動(dòng)作 累計(jì)時(shí) 間較長(zhǎng) 三 作物果實(shí)損傷率高 由于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人 針對(duì)的作物為蔬菜和瓜果等表皮薄脆品類 機(jī)械采 摘過(guò)程中容易造成作物果實(shí)的損傷 末端執(zhí)行器接 觸和分離作物果實(shí)的過(guò)程均易造成機(jī)械損傷 五 未來(lái)展望 針對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人存在的主要問(wèn)題 未來(lái)可 以在以下幾個(gè)方面開展研究工作 一 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合 針對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人 對(duì)作物采收過(guò)程中存在的冠層遮擋 作物互相遮擋 等問(wèn)題 可以通過(guò)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合的方法 對(duì)種植農(nóng)藝 進(jìn)行改進(jìn) 實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化種植 例如果蔬可以進(jìn)行V 架型種植 降低采摘機(jī)器人的識(shí)別和分離難度 提高 識(shí)別準(zhǔn)確率和采摘速度 二 優(yōu)化識(shí)別算法 針對(duì)自然環(huán)境下 農(nóng)業(yè)采摘 機(jī)器人識(shí)別過(guò)程中存在的干擾因素較多的情況 可 以通過(guò)增強(qiáng)數(shù)據(jù)集 優(yōu)化深度學(xué)習(xí)算法模型等方式 提高作物識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度 三 開發(fā)多臂協(xié)同作業(yè) 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的 采摘速度與機(jī)械臂的數(shù)量有較大的關(guān)系 目前的 采摘機(jī)器人多為單機(jī)械臂采摘 作物果實(shí)被識(shí)別 后需要等待上一個(gè)采摘過(guò)程完成 才能進(jìn)行下一 個(gè)采摘過(guò)程 采摘速度受限 通過(guò)增加機(jī)械臂的數(shù) 目 提高機(jī)械臂協(xié)同作業(yè)能力 可以顯著提升采摘 效率 作者單位 鄄城縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心 調(diào)查研究 25