苹果采摘机械的研究现状与发展趋势

2021-05-28李奉顺

林业机械与木工设备 2021年5期

，李奉顺

(南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037)

目前我国是全球最大的苹果生产国，无论是种植面积还是总产量均占全球的 50%左右[1]，近10年来我国苹果产量基本呈现稳步增长趋势，且生产集中度逐年提高，主要种植区域集中在渤海湾地区、西北高原区、黄河故道区，我国苹果产量与主要苹果产区分布如图1所示。

图1 我国苹果产量与主要苹果产区分布

在苹果采摘过程中，成熟果实的及时、无损、高效采收是采摘关键，对后续苹果的储藏、运输、加工以及销售产生直接影响[2]。当前我国苹果采收主要还是依靠人工采摘，但随着城镇化不断发展，务农人数锐减，人工成本增加，导致苹果采收成本较高[3]。苹果采摘是苹果生产过程中最耗时、最费力的一环，其中人工成本占果蔬总成本的 50%～70%[4]。因此，发展自动化收获技术和开发研究果蔬采摘机器具有十分深远的意义[5]。

1 现有苹果的主要采摘形式

1.1 人工采摘

目前我国苹果采摘方式主要以人工为主，原因是多方面的。我国主要苹果种植区位于高原、丘陵、山地，在这些地势高低不平的地方，大型机械无法进入果园进行机械化采摘工作，所以果农依旧采用最传统的人工采摘方式；在苹果采摘机械的相关研究上，我国仍处于起步阶段，多项研究成果仍停留在理论层次，仍有许多未攻克的难题，无法应用于具体的实践中，一些技术仍达不到技术人员和果农的相关要求；基于本国国情，大多数果农按户种植，每户的种植面积非常有限，苹果树种植密度较大，树与树之间的间距较小，大型机械庞大的体积无法在狭小的间隙中进行采摘工作；最后，由于大型采摘机械和智能化采摘机械高昂的售价使得大量的果农望而却步，所以人工采摘仍是目前苹果主要的采摘方式。人工采摘通过果农劳作，将树枝上的苹果一个接一个采摘下来，轻轻放入到手拎的箩筐中或背篓里，装满后通过扁担挑至或者小推车运送到某一个集中区，反复上述的劳动。人工采摘苹果如图2所示。

图2 人工采摘苹果

为了便于果农采摘苹果，研究人员设计了一些辅助人工采摘的工具。这些辅助工具帮助果农采摘更高位置的果实，提高了采摘的效率，降低了果农的劳动强度和采摘的危险性。青岛理工大学刘校峰等[6]设计了一种高效采摘机械手，如图3(a)所示，工作时将腰带系于腰间，支撑杆末端的扣环与腰带相扣连，起到靠身体支撑的作用，手动将杆子伸到苹果果柄处，将“V”型剪切口卡入果实和果柄之间，拉动牵引的把手夹住果实，拉动另一根钢丝从而驱动剪刀，剪断果柄。同样为了更好地进行人工采摘，一些研究人员设计了其他采摘装置，如某专利一种苹果采摘装置(专利号为202020210823.8)[7]，如图3(b)所示的环形槽内部设有两刀片，两刀片运转方向相反，工作原理类似剪刀，将果实剪下落入网兜。同样为了更好地采摘高处的苹果，专利(201930079301.1)[8]设计了一种苹果采摘梯，如图3(c)所示，该梯子可以轻松地推到果园，避免搬动时耗费大量体力。

图3 人工采摘辅助装置

1.2 机械式采摘

机械式采摘主要分为三种，旋钮式、切割式、振摇式。结合苹果植株的生长特点及苹果与果树的连接程度，目前苹果采摘机械大多采用旋钮式和切割式。广西大学任晓智等[9]设计了一种机械臂夹剪苹果采摘机，如图4所示。机械臂通过机架水平支撑轴承实现了在水平面内的转动，通过蜗轮蜗杆的啮合运动实现了机械臂在竖直面内的俯仰运动，配合上丝杆升降机构的使用，加大了机械臂的可工作区域和范围。抓取采摘机构通过电机旋转带动轴端齿轮旋转，而齿轮又与齿条相啮合，即将电机的旋转运动转换为齿条的直线运动，齿条轴上连接有4个连杆，每根连杆都连接有摆件，4个摆件上又安装有4个圆弧形手爪，齿条的前后运动带动连杆运动，连杆带动摆杆进行摆动，实现了4个手爪的张合；最后通过扭转电机旋转带动抓取采摘机构旋转，果实跟着相应旋转，在一定的扭力作用下果柄与枝干分离实现采摘，将果实放入设计的苹果载运斗中。任晓智等研制的实物样机通过实验测得其工作效率为8～9 颗/min。

图4 机械臂夹剪苹果采摘机

海南大学杨冬进等[5]设计了一款基于单片机控制的自动苹果采摘机，如图5所示。该装置动力源为直流电动机，在丝杠的带动作用下双面齿条做上下运动，通过双面齿条与两齿轮的啮合传动，两齿轮旋转方向相反，实现了采摘手的闭合；待到采摘手将苹果包络住后，接下来就是实现果柄与枝干的分离，采用软轴控制切割刀片，在软轴的带动下切割刀片绕采摘手外廓做近似360°的旋转，完成位于采摘手外周上任意位置处苹果柄的切割。此装置在一定程度上降低了苹果损伤的可能性，具有一定的实用价值。

图5 自动苹果采摘机

欧美等一些国家采用振摇式，通过振动、摇晃树枝树干使得苹果掉落，这样会造成苹果跌落损伤，因此一般用于制作果酱等加工食品。除此之外，西北农林科技大学刘福成等[10]设计了一种金属涵道的负压吸力苹果采摘机，通过改变涵道的开关量和气流大小从而改变涵道内的气压，实现了靠吸力将苹果从枝头摘下的功能。开机后机器处于怠速运转状态，当苹果接近涵道口，立刻提速使得涵道内部产生一个低压，而此时管外为高压，在大气压的作用下使苹果吸入管内；涵道立即减速，苹果缓慢滚入预设的缓冲收集装置中，最后通过舵机打开硅胶盖，苹果进入收集箱中。

1.3 机器人采摘

苹果采摘机器人涉及领域较广，包含了机械机构设计、计算机科学与技术、农业与生物等，综合性较强。苹果采摘机器人通常由移动行走机构、执行机械臂、运动控制系统、机器视觉系统和末端执行器等组成，用来采收成熟的苹果。针对市面上的水果采摘机器人大多为关节型机器人，其控制难度大、效率低、成本高等问题，张杰等[11]设计了一款基于圆柱坐标的三自由度苹果采摘机器人，其机构示意图如图6所示。机器人由三关节组成，其中第一关节为腰部的旋转关节，第二关节为竖直面上下移动关节，第三关节为水平面前后移动关节，三个关节协同工作，因此工作区域为圆柱形的包络面。相较传统关节型机器人机械臂完成一次采摘的运动时间和复位时间大约为16～22 s，而本装置经实验测得运动时间和复位时间大约为14 s。

图6 三自由度苹果采摘机器人机构示意图

桂林电子科技大学孙贤钢等[12]基于视觉检测系统设计了一种苹果采摘机器人并开展了相关实验，苹果机器人采摘机械臂如图7所示。首先获取苹果果实的图像，判别其是否成熟，根据图像处理得到成熟苹果的空间坐标，最终驱动机械臂到达相应位置完成采摘。本装置采用了2R-G-B法对图像进行处理，同时采用了OTSU算法对苹果果实彩色图像进行了动态阈值分割处理，从而实现了快速识别定位成熟苹果，配合灵活的机械臂，在无人看守的情况下，机器人能够实现自动导航、自动识别、自动采摘等功能，其识别成功率大于94.00%，其采摘成功率达到了91.33%，采摘每个果实平均耗时11 s。

图7 苹果机器人采摘机械臂

2 苹果采摘机械存在的问题

2.1 辅助采摘机械设计功能单一

现有辅助采摘装置的基本原理类似于剪刀，采用长杆式或伸缩杆式结构，大多采用手持，在采摘刀具下一般都设有网兜，当果实落下兜住果实。一方面此类结构仅适用于采摘高处的果实，当果实位于高处，刀具是否能够与果柄接触存在不确定性，在一定程度上会伤及果实表面；一方面采摘效率极低，果农需要人工定位果柄与枝干的位置，拉动手把等操作才能将果实摘下，若一个接一个把果实放入收集装置，则消耗的时间更多，若一直存放在网兜中果实不仅受到下一个果实撞击还会被枝干等划伤表面；另一方面仍需要人手动将果实放入收集装置，反而增加了果农从网兜中拿取果实的步骤，增加了果农弯腰的次数，在一定程度上增加了劳动强度。目前我国的苹果采摘主要还是靠果农用手一个一个将果实采摘下来，然后放入背篓或者身边的箩筐中，在采摘高处果实时采用梯子，其劳动强度、采摘效率、果实完好率甚至超过一些辅助采摘装置。

2.2 采摘识别和定位不准确

现有采摘机器人都面临的难题是快速识别和准确定位。苹果采摘机器人采摘作业最关键的一环就是成熟苹果的快速识别和精准定位，然而成熟苹果的快速识别受到很多因素的影响，主要包括苹果本身受光照不同造成着色不均匀、采摘环境自然光线的强弱还有向光还是背光、采摘天气的阴晴和风力情况、苹果表面存在伤疤或者其他果实或枝叶在其表面留有阴影、前一个果实采摘完毕后使得枝干产生振动和枝干、叶片、果实等遮挡，这些因素都是实际采摘过程中面临的具体问题，这些问题往往都是一起出现，这也就加剧了快速识别的困难。定位的精确程度依赖于识别，苹果图像分割的不准确和苹果目标被遮挡是定位不准确的两个主要原因。

2.3 机械结构设计仍需改进

我国苹果种植主要集中在西北和环渤海地区，此地区多以高原、山地、丘陵为主，目前所设计的采摘机械包括采摘机器人在地势起伏较大的果园完成采摘还具有一定难度，所以采摘机械的移动机构需要适应这些非结构化的工作环境；同时受限于种植密度过大，农艺落后等多因素，大型机械无法在果园进行机械化采收，所以对采摘机械提出了小型化的要求，这样可以灵活自如在树与树的间隙中实现采收，也适当地减少了一些遮挡对识别定位的影响；末端执行器是采摘机械重要的组成部分，末端执行器设计的好坏直接影响了苹果表面质量和后期的经济价值，然而目前很多末端执行装置柔顺性较差，虽然有的在其内表面与苹果接触处添加了弹性体，如橡胶等，但由于力度控制不好仍会在苹果表面留下印痕。

2.4 农机与农艺发展不协调

我国苹果农艺发展落后于国外，我国苹果主要分户种植，难以形成大片成规模种植产业，同时种植的品种繁杂，种植的果树植株不规则，这些都给机械化采收带来困难。同样，针对我国这种特殊的种植模式，机械化采收还不够智能，灵活程度达不到科研人员和果农的要求，现阶段苹果采摘效率仍然不能满足果农需求，且较为智能的机器人价格又较为昂贵，果农的承受能力有限，无法大面积应用，且不能保证其成本低于人工采收。所以现在苹果采摘仍存在农艺发展水平与农机发展水平不协调的矛盾。

3 苹果采摘机械的发展趋势

3.1 机械结构小型化与实用化

考虑到我国现在大力发展农业种植和推广农业机械化，农艺水平不断提高，矮化苹果树得到不断推广和种植，同时考虑种植环境多为高原、山地、丘陵等地势起伏较大的环境，苹果种植密度较大，所以机械结构应朝着体积小、质量轻、适应性强等方向发展；同时受限于采摘装备高昂的价格，而功能较为单一，南京林业大学陈亮等设计了一种自适应多功能水果采摘装置[13]，一方面通过调整手指的位置实现对不同水果的采摘，另一方面采用欠驱动原理使得三手指的三指节从近掌部的近指节到中指节最后到远指节依次接触果实，从而很好地控制了每个指节与果实的接触力大小，同时在每个指节内侧添加橡胶，实现了无损采摘，增强了采摘机械的实用性，可以应用于更多的场合。末端执行器的利用率和采摘后对果蔬的损伤程度是限制机械手大规模使用的主要原因[14]，越来越多的研究人员针对末端执行器进行设计，末端利用软体机械手可以减小对水果的损伤[15]，通过刚度调控可适用于不同种水果采摘，增强了采摘机械的实用性。

3.2 控制系统自动化与智能化

机器视觉系统对苹果采摘机器人来说犹如眼睛对于人的重要性，其决定了机器人采摘苹果的质量和速度，深度学习被引入机器视觉系统，就是建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络来处理图像和数据[16]。不仅如此，一些研究人员在软件算法上不断优化，提高机器人的机械臂协作能力、识别精度、采摘准确性、采摘效率、果实完好率等，桂林理工大学陈明霞等[17]将迭代PID算法应用于苹果采摘机器人的控制中，即通过迭代学习 PID 算法计算并规划出最佳路径实现快速采摘，经实验分析不仅采摘快速准确且完好率达到了98.3%以上，在一定程度上保证了采摘果实的质量；武汉职业技术学院石建华[18]将云计算技术应用于苹果采摘系统，同时结合机器视觉等技术，实现了轻松躲避障碍物、抗气候环境干扰等功能，在一定程度上提高了采摘效率；江苏大学吕继东等[19]开展了开放分布式苹果采摘机器人控制系统的研究，主控计算机的系统控制程序包含了图像处理程序、传感器信息处理程序、路径规划程序、机械臂运动控制程序、末端执行器操作程序和串口信息收发程序等，而分布式的好处就是可以将一部分任务分散到网络节点实现，减轻了主控计算机的任务量，同时有助于提高系统的安全性，经实验分析成功采摘率为86%，单个苹果平均采摘耗时14.3 s；针对机器人本身存在不确定性和外部环境的不确定性等因素对苹果采摘机器人工作性能的影响，李斌[20]提出了一种基于灰色理论的滑模控制器，利用灰色模型对机器人本身和外部环境干扰带来的不确定因素进行相应的预测，并对设计的滑膜控制器进行相应的补偿，减少这些不确定因素对机器人工作性能的影响，这一模型的使用提高了滑模控制器的抗干扰能力和位置跟踪能力，同时对滑模控制中的抖动起到了明显的抑制作用。桂林电子科技大学伍锡如等[21]将深度学习应用于水果采摘机器人视觉识别中，提高了系统的识别速度和准确率，可以对水果图像进行快速有效地识别，每张水果图像识别仅需0.2 s，识别精度可以达到97%以上。林果采摘点空间坐标的确定是林果识别后的一个重要环节[22]，有效精确地识别是提高苹果采摘效率的关键，这依赖于控制系统自动化与智能化，软件与硬件的相互协作。随着我国对农机装备的重视不断提高，目前越来越多的科研人员将目光投向了采摘机器人，图像识别、深度学习、运动轨迹规划、末端执行器设计仍是将来研究的重点领域。

3.3 智慧农业与信息化相结合

随着国家对农业的不断重视和智慧农业主题的提出，越来越多的研究人员投身农业机械化研究，所谓的“智慧农业”就是充分应用现代信息技术成果，集合了计算机与网络技术、物联网技术、无线通信技术及专家智慧与知识，可实现农业可视化监控、远程诊断和控制、预警灾变等智能管理。针对苹果采摘机器人的发展，一方面需要大力推进农艺发展，在第三届世界苹果大会，意大利圣米凯莱农业研究所Alberto Dorigoni教授介绍了最新的苹果树形修剪系统——多中心干树形，采用这种种植方式，苹果树形就像是从3D立体结构转变为2D平面结构一样，加上树体更加矮化，形成一堵苹果墙，无论是人工采摘还是对于苹果采摘机器人的快速识别和精准定位都十分便利；另一方面大力发展信息化技术，优化机械臂的轨迹规划寻找最佳路径、提高识别定位算法的准确性与实时性、提高采摘机器人系统的抗干扰能力、提高采摘机器人系统对环境的自适应能力等等，也可以对苹果整个种植过程进行信息化管理，对其生长过程和状态进行监控，提高果实的品质。