未來已來！農(nóng)業(yè)采摘機器人發(fā)展現(xiàn)狀
2024-01-20 10:14:09
admin
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，采摘水果、收割蔬菜聽上去很簡單，其實這是冗長而無趣的工作，很難激起人們的上班熱情。為了降低果園里員工突然辭職的風(fēng)險，許多人將目光轉(zhuǎn)向農(nóng)業(yè)機器人，以減少對手工勞動的依賴，并提高整體生產(chǎn)率。
國際上，一些以日本和美國為代表的發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)從20世紀(jì)80年代開始研究采摘機器人，并取得了一些成果。而我國直到20世紀(jì)90年代，中國才開始研究果蔬采摘機器人，而且相對于其他發(fā)達(dá)國家，中國的研究工作具有起步晚，發(fā)展慢，投資少的特點。相比于其他國家農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)的日漸成熟，我國不管在技術(shù)的研發(fā)還是應(yīng)用上都還處于起步階段。受市場投資、發(fā)展速度和機器人技術(shù)差距影響，早期我國農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展較為艱難。但隨著自動化和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，我國農(nóng)業(yè)機器人的研發(fā)范圍取得一定進展。同時，在國家經(jīng)濟、科技都獲得快速發(fā)展的情況下，國家加大了對農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的扶持力度，如今我國農(nóng)業(yè)機器人已經(jīng)迎來了良好發(fā)展期。
機器人采收是農(nóng)林業(yè)現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)之一。基于采收機器人采收對象進行分類，主要類型有蘋果采收機器人、草莓采收機器人、番茄采收機器人、黃瓜采收機器人和林業(yè)采收機器人等。
1.智能化的果實識別和定位：開發(fā)智能化的圖像處理算法、采用主動光源、采用多傳感器信息融合提高采摘機器人的感知功能。開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列，以彌補單個缺陷，以及提出新的融合方法來提高傳感器的靈敏度和反應(yīng)度以完善探測結(jié)果。2.機械本體的優(yōu)化設(shè)計：在滿足機器人性能的前提下，針對采摘作業(yè)對象的特點，設(shè)計簡單、緊湊、輕巧、采摘無損高效的機械手，是必須解決的問題。目前，在果蔬機械采摘過程中，迫切要求農(nóng)業(yè)機器人能實現(xiàn)一些果蔬抓持和操作的穩(wěn)定性，具有力閉環(huán)控制的抓取手或采摘機構(gòu)將成為解決問題的途徑。3.路徑規(guī)劃和運動控制技術(shù)：為了靈活地接近果實，提高其采摘的效率，收獲機器人往往存在冗余自由度，這對機器人的軌跡規(guī)劃、運動控制、避障行走等方面都提出了更復(fù)雜、更嚴(yán)格的要求。因此，必須研究開發(fā)出自適應(yīng)性強和路徑算法最優(yōu)的智能化機器人。
目前農(nóng)林業(yè)采收機器人的研究仍存在一些問題亟待解決。（1）末端執(zhí)行器。機器人采收作物的收獲率、作物的完整程度以及采收完成后對原植株的損壞程度也是制約農(nóng)林業(yè)采收機器人投入實際生產(chǎn)的重要原因。采收機器人的采收過程需要仿照人工作業(yè)，但是機械采摘末端執(zhí)行器的設(shè)計限制了采收機器人在復(fù)雜環(huán)境下采收的成功率和采收下的作物的完好程度。同時農(nóng)林業(yè)采收機器人的采收要盡量避免采收過程中對農(nóng)作物植株的損傷，破壞性的采收是不可取的。因此，采收機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計既要考慮到末端執(zhí)行器在枝葉間運動的靈活性，又要考慮采摘手爪對果蔬進行采收作業(yè)時接觸力的大小、摘取的方式，以保證果蔬的完好。（2）圖像識別技術(shù)。目前對于采收作物的圖像識別技術(shù)已有了較多的研究，但是面對自然環(huán)境下生長的農(nóng)作物，光照、枝葉遮擋和果實熟度等都是采收機器人工作時需要考慮的干擾因素，因此采收機器人對于成熟作物的識別率與識別速度始終難以達(dá)到較高的水平，這也導(dǎo)致機器人難以投入實際的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)。采收機器人準(zhǔn)確識別成熟作物的速度與精度是提升機器人作業(yè)效率的關(guān)鍵。利用高效的算法和先進的傳感器，將數(shù)據(jù)采集設(shè)備與視覺系統(tǒng)結(jié)合，提高視覺系統(tǒng)對信息的處理速度，同時利用機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)不斷提高對成熟果實作物的識別精度將會成為未來圖像識別技術(shù)的發(fā)展方向。（3）導(dǎo)航定位技術(shù)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，高架栽培、溫室栽培等新型栽培方式將逐漸取代傳統(tǒng)的露天種植。而采收機器人在壟間的路徑規(guī)劃與障礙規(guī)避速度會對采收機器人的作業(yè)速度產(chǎn)生極大影響。采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，結(jié)合機器學(xué)習(xí)等方法提高機器人對復(fù)雜環(huán)境的識別和處理能力將是未來導(dǎo)航定位技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。（4）柔性結(jié)構(gòu)。目前，農(nóng)林業(yè)采收機器人基本都是針對特殊作物研究制造的特型機器人，泛用性差。采收機器人的設(shè)計和制造不應(yīng)只滿足于單種類的作物，應(yīng)該提高機器人的泛用性，通過更換末端執(zhí)行器和控制程序能夠完成多種類型的作物收獲作業(yè)，甚至是將播種、施肥和噴藥等多種農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)集成到一臺機器人上。（5）機器人本體設(shè)計。目前，農(nóng)林業(yè)采收機器人由于所需的傳感器、圖像采集設(shè)備等儀器以及本體造價等原因?qū)е缕涑杀靖甙?。因此，對采收機器人結(jié)構(gòu)的簡化既能有效降低其生產(chǎn)成本，又能提高機器人在復(fù)雜環(huán)境下工作靈巧性。同時簡化操作能讓農(nóng)林業(yè)采收機器人能夠更快地在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中得到普及。
目前，大部分果蔬采摘機器人還處于研究階段，離實用化和商品化還有一定的距離。在采摘機器人的智能化果實識別和定位、機械本體的優(yōu)化設(shè)計、路徑規(guī)劃和運動控制技術(shù)、開放式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等方面有待進一步的研究。隨著農(nóng)業(yè)工廠化經(jīng)營模式的推廣和采摘機器人成本的降低，采摘機器人最終會走出實驗室，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備技術(shù)精細(xì)化、自動化、智能化方向的發(fā)展。
