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温室采摘机器人技术研究进展分析

更新时间：2019-12-25 18:31:51 大小：3M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：温室采摘机器人 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

采摘是温室作物生产中劳动力耗费最大且最难以实现机械化作业的关键环节,近几十年来采摘机器人技术得到了迅速发展,特别是日本以番茄、草莓等主要作物为对象的机器人采摘研究得到了持续和深入的开展。这些年中国温室的采摘机器人技术发展迅猛,已成为全球研发最为活跃的国家。本文按作物品种对日本、中国、欧盟、韩国等的温室采摘机器人技术研究的发展进程进行分析,梳理出了全球该领域的主要研发主体、技术特征、发展水平和演进脉络。在此基础上总结了温室采摘机器人技术发展的复杂非结构环境的适应能力、复杂机器人系统的融合能力两大技术关键,认为环境工厂化、结构标准化、多机共融化和人机共融化将成为其发展的未来趋势。


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2 0 1 7  
12  
农 业 机 械 学 报  
48  
12  
卷 第 期  
年
月
第
doi: 10． 6041 /j． issn． 1000-1298． 2017． 12． 001  
温室采摘机器人技术研究进展分析  
刘继展  
(
，
江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室 镇江  
212013)  
: ，  
摘要 采摘是温室作物生产中劳动力耗费最大且最难以实现机械化作业的关键环节 近几十年来采摘机器人技术  
， 、 。  
得到了迅速发展 特别是日本以番茄 草莓等主要作物为对象的机器人采摘研究得到了持续和深入的开展 这些  
， 。 、 、  
年中国温室的采摘机器人技术发展迅猛 已成为全球研发最为活跃的国家 本文按作物品种对日本 中国 欧盟  
、
， 、 、  
韩国等的温室采摘机器人技术研究的发展进程进行分析 梳理出了全球该领域的主要研发主体 技术特征 发展水  
。 、  
平和演进脉络 在此基础上总结了温室采摘机器人技术发展的复杂非结构环境的适应能力 复杂机器人系统的融  
， 、 、  
合能力两大技术关键 认为环境工厂化 结构标准化 多机共融化和人机共融化将成为其发展的未来趋势  
。
: ; ;  
关键词 温室 采摘 机器人  
: TP242. 6  
: A  
: 1000-1298( 2017) 12-0001-18  
文章编号  
中图分类号  
文献标识码  
Research Progress Analysis of Robotic Harvesting Technologies in Greenhouse  
LIU Jizhan  
( Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education，  
Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)  
Abstract: As harvesting operation is with the most labor cost，however，the most difficult to realize  
mechanized work in greenhouse crop production，robotic harvesting technology has been developing  
rapidly in recent decades． Especially，research on robotic harvesting technology for main crops such as  
tomatoes，strawberries has been conducted continuously and deeply in Japan． Since the beginning of the  
new century，research in China in this field has become the most active． Development process of research  
on robotic harvesting technology for different greenhouse crops in Japan，China，the European Union，  
South Korea and so on were analyzed，and global main research units and specialists，key technical  
characteristics，level of development and course of evolution in this field were summarized． In  
conclusion，the flexibility to complex non-structural environment and deep integration of complex robot  
system were regarded as two keys to stimulate the development of greenhouse picking robot technology．  
Finally，it was believed that operation environment factorization，robot configuration standardization，  
multi-robot cooperation and man-robot collaboration would become the development trend in future，  
thereby to accelerate the development of robotic harvesting technology and its application in greenhouse  
industry．  
Key words: greenhouse; harvest; robot  
，
到了高度自动化 但采摘环节仍依赖大量人工来完  
引言  
，
成 实现采摘作业的自动化已成为设施农业生产发  
，20  
。 ，  
展的现实需求 因此 国内外针对温室采摘机器人  
世界上广泛应用温室进行设施栽培  
世纪后  
。
期以来设施农业产业得到了大规模迅猛发展 设施  
。
技术开展了大量研究并取得了重要成果  
400  
2
，
农业是典型的劳动密集型产业 其中鲜食果蔬的收  
hm ，  
万 占世  
中国现有设施农业面积超过  
［1 － 2］  
85% 。  
获又是占用劳动力最多  
且最难以实现机械化作  
界设施园艺总面积的  
近几十年来中国的设  
。
业的关键环节 即使发达国家的设施农业作业已达  
施农业借助农业劳动力资源丰富的优势实现了超高  
: 2017-10-21  
: 2017-11-12  
修回日期  
收稿日期  
:
基金项目 国家自然科学基金项目  
( 51475212) 、  
江苏省自然科学基金项目  
( BK20151339)  
( PAPD)  
和江苏省高校优势学科建设工程项目  
:
作者简介 刘继展  
( 1976—) ， ， ， ，  
男 研究员 博士生导师 主要从事农业机器人研究  
，E-mail: liujizhan@ 163． com  
2
2 0 1 7  
年
农
业
机
械
学
报
， 、  
速发展 但是农业劳动力急缺 农业劳动力成本骤升  
、5  
速电动轮式底盘 自由度关节式机械臂和两指夹  
，
和居民对设施蔬果品质要求的提高 已使我国设施  
，
持器 利用单相机相对于底盘的位姿移动检测实现  
。
农业遇到了发展的瓶颈 解决关键采摘环节的劳动  
。 ，  
对果实的定位 尽管限于当时的技术条件 样机的  
，
力替代问题 使我国采摘机器人技术快速发展成为  
，
结构与性能尚不够完善 但已构成了移动式番茄采  
。
。
必然  
摘机器人的基本实现原理和框架  
、 、 、  
番茄 草莓和黄瓜 甜椒 茄子是全球生产和消  
，
费最为广泛的鲜食菜果 也是采摘机器人研究最为  
、 。  
活跃 研发成果最为丰富的领域 本文针对上述果  
，
蔬采摘机器人的研究现状进行阐述 进而总结温室  
，
采摘机器人发展的技术关键与历史特征 并对其未  
。
来发展趋势进行展望  
1
番茄采摘机器人技术  
1. 1  
鲜食番茄及其机器人采摘  
番茄是全球最广泛种植和广受欢迎的蔬果之  
， ，  
一 尽管发达国家的加工番茄所占比重较大 但鲜食  
2
图
京都大学开发的番茄采摘机器人  
80% ，  
而中国鲜食番茄  
番茄仍占全球番茄产量的近  
90% 。  
Fig． 2 Tomato harvesting robot of Kyoto University  
比重更高达  
与加工番茄已普遍实现机械化  
KONDO  
，
等也参与了上述研究 并随后进行了番  
， ，  
收获相比 鲜食番茄的收获仍完全依赖人工 因而其  
［8 － 13］  
(
3) ，  
图 采用轮式底  
茄采摘机器人的系统开发  
机器人选择性采摘研究较早得到全球研究者的重视  
7 ，  
盘和 自由度冗余机械臂 使机械臂的工作空间和  
。
并产生了诸多成果  
姿态多样性能够有效满足番茄果实采摘的避障与到  
， ，  
同时 番茄具有成串生长特性 但针对番茄成熟  
。
达要求 先后研发了两指和柔性四指末端执行  
，
的差异及鲜食番茄市场的需要 目前除了  
KONDO  
［13 － 15］  
，
器
均安装了真空吸持系统并采用了相似的动  
［3 － 5］  
等
进行了成串番茄采摘机器人的开发研究以外  
，
作原理 即首先由吸盘吸持拉动果实将目标果实从  
(
1) ， 。  
绝大多数研究均面对番茄的单果采摘 番  
图
， ，  
果穗中相邻果实间隔离出来 再夹持果实 通过扭断  
，
茄的成串生长造成果实之间贴碰与重叠遮挡严重  
。
或折断果梗的方式实现采摘 该研究对全球番茄采  
，
番茄果实的生长方位差异极大 使番茄亦被公认为  
。
摘机器人的发展具有重要的影响  
。
机器人收获难度最大的蔬果之一  
1
KONDO  
图
等开发的番茄成穗采摘机器人  
Fig． 1 Tomato cluster harvesting robot developed by  
KONDO  
3
KONDO  
等开发的番茄采摘机器人  
图
Fig． 3 Tomato harvesting robot developed by KONDO  
KONDO  
和門田充司等进而针对单架逆生番茄  
1. 2  
日本的番茄采摘机器人研究成果  
［16 － 17］  
(
4) 。  
图
栽培模式提出了不同的机器人结构  
20  
80  
年代初即开始了番茄采摘  
日本早在  
世纪  
，
该模式中番茄根部生在上部的移动水培槽内 而果  
， 、 、  
机器人的研究 数十年来京都大学 冈山大学 岛根  
，
串下垂生长 枝叶修剪后机器人能够更容易发现和  
、 、  
大学 神奈川技术学院 大阪州立大学等高校以及武  
。
到达果串 因而仅由平面直角坐标机械臂配置与  
，
豊町设施生产部等均推出了番茄采摘机器人样机  
4
图
相同的柔性四指末端执行器即可满足采摘动作  
、
近藤直 門田充司等专家引领了番茄采摘机器人技  
。
需要 试验证实末端执行器对果实的采摘总成功率  
。
术的研究方向  
78% ，  
其中过成熟果实会造成夹持的滑脱而无法  
为
1. 2. 1  
番茄果实的逐个采摘  
，
施加弯折 并由于果梗开始木质化而难以顺利折断  
;
京都大学的川村登等较早进行了番茄采摘机器  
［6 － 7］  
，
而由于未成熟果实的离层发育不充分 折断率也受  
(
2) ， 0. 52、0. 25 m/s  
样机采用 的双  
人的开发  
图

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