本文節選自：
趙春江, 範貝貝, 李瑾, 馮青春. 農業機器人技術進展、挑戰與趨勢[J]. 智慧農業(中英文), 2023, 5(4): 1-15. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312030
ZHAO Chunjiang, FAN Beibei, LI Jin, FENG Qingchun. Agricultural Robots: Technology Progress, Challenges and Trends[J]. Smart Agriculture, 2023, 5(4): 1-15. DOI: 10.12133/j.smartag.SA202312030
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果園采摘機器人技術進展、挑戰與趨勢
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產業背景
作為中國農民增收的重要支柱產業之一，水果生產機械化水平提升較為緩慢，2021年全國果園平均綜合機械化率僅為30%左右，尤其是在采收環節仍然依靠大量人工，是較為典型的勞動密集型作業，所投入的勞動力約占整個生產種植過程的40%~50%，采摘費用約占成本的50%~70%。以蘋果為例，中國是全球最大的蘋果生產國，產量占全球蘋果產量的55%，在世界蘋果產業開發中占有重要地位，但采收環節機械化率不足3%，人工效率每天僅300 kg，勞動強度較大且具有一定的危險性。隨著農村勞動力的日益短缺，勞動力成本急劇上升，發展和套用果園采收機器人，實作水果采摘的機械化、自動化、智慧化，對於解決水果產業的勞動力不足、生產成本高、生產效率低等問題，提高產業的市場競爭力等有重要的意義。
面對產業發展對果園采摘機器人日益增長的迫切需求，受制於果園客觀作業環境與采摘物件的復雜性與易損性，當前的果園采摘機械化裝備距離智慧化、自主化無失真采收仍有很大差距，主要體現在以下三個方面。一是采摘效率不高。大部份采摘機器人都采用單一末端執行器，每次采摘均要經過「伸」「采」「收」的過程，造成單個果實采摘周期長，難以達到人工采摘的效果，同時，目前基於視覺的采摘目標精準快速辨識技術對於成熟果實的辨識率和辨識速度均不高，在實際生產套用中作業效率不佳。二是采摘損傷率較高。受制於當前末端執行器的柔性和自適應力短板，采摘機器人在夾持果實的過程中極易造成損傷。三是套用成本過高。采摘機器人屬於高端前沿農機裝備，綜合整合了視覺傳感系統、機械部、末端執行器和測控系統等，生產成本較高，價格昂貴，同時，由於果園采收作業的季節性特征較強，各類采摘機械的閑置率較高。
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果園采摘機器人前沿進展
果園采摘類機器人是指套用於果園生產環境中，具備精準定位和自主導航能力，透過智慧控制系統自主靈活地控制機械臂和末端執行器，精準辨識、采摘、收取和轉運果實的機器人，核心由感知（水果精準辨識）、規劃（控制）和動作（利用機械臂與末端執行器抓取水果）3個主要部份構成。自20世紀80年代起，美國、以色列、澳洲等世界農業強國就已經將研究視角投向果園采摘機器人技術研發與套用，部份水果采摘機器人技術已經較為成熟，如蘋果、柑橘采摘機器人已經初步實作了小規模的產業套用。目前果園采摘機器人按照采摘方式可分為四種型別：無人機飛行采摘、關節機械臂+負壓吸附采摘、並線上械臂+負壓吸附采摘，以及多組機械臂+夾持旋擰采摘。以色列Tevel Aerobotics公司研制的果園采摘飛行無人機FAR（見圖1）是當前全球無人機飛行采摘機器人的代表。利用機載網路攝影機和視覺演算法，無人機可精準辨識目標水果並評估水果的大小和成熟度，自主規劃飛行路線，並使用整合的抓取臂以及特殊的穩定演算法進行水果采摘作業。澳洲Ripe Robotics 公司研制的系列水果采摘機器人EVE（見圖1），采用關節機械臂+負壓吸附采摘方式，當機器人在果園移動時，透過機器視覺進行水果定位和成熟度辨識，采用吸管狀的末端執行器包裹、吸附、旋轉摘取目標果實，可用於采摘2D平面或V型架生長的蘋果、李子、桃子等硬質水果，目前已經更新叠代至第五代，並已具備商業化套用的能力。美國的Abundant Robotics公司研制的蘋果采摘機器人基於深度相機技術定位與辨識蘋果，采用並線上械臂+負壓吸附采摘方式，在多臂上安裝真空軟管式末端執行器，適用於V架型果園，平均采摘效率可達到2 s/果，並已經在紐西蘭正式投入商業化套用。以色列FFRobotics公司采用多組機械臂+夾持旋擰采摘方式，由12個采摘臂協同工作，透過三指旋鈕式末端執行器采摘蘋果，並配備了果實收集橡膠傳送帶，采摘效率能達到1.8 s/果。
圖1 國外典型的果園采摘機器人
Fig. 1 Typical orchard picking robots abroad
中國的果園采摘機器人研制起步於20世紀90年代，相對比主要已開發國家起步較晚，且發展緩慢，直至21世紀初，隨著國內果園對機械化低損收集裝備的需求日趨旺盛，國內部份高校與科研機構逐漸加緊相關技術的研發，在目標辨識、末端執行器和路徑規劃等方面取得了一定成果，但產業化套用行程推進緩慢，多數果園采摘機器人及其相關技術仍處於實驗室研制階段。作者團隊在國內首創了「采-收-運」一體式果園多臂采摘機器人AutoPicker（見圖2）。該機器人專為矮化密植果園設計，采用基於多工深度學習的立體視覺技術和啟發式任務規劃演算法，運用四臂並列采摘執行部件的作業方式，采摘作業空間覆蓋率可達85%、成功采收率達到82%、采摘綜合效率每小時大於500果，綜合效能與國外產品相當。據報道楊福增團隊研制的蘋果雙臂采摘機器人（見圖2），是一個集合智慧履帶底盤、深度相機、資訊智慧化處理模組、機械采摘裝置和兩台裝載轉運機器人為一體的整機采摘—轉運多機器人系統，采用仿生旋轉拉拽的采摘方式，單臂單果采摘速度平均約為每秒7.5個。趙雄等研制了一款輕量化結構的三自由度蘋果采摘機械臂，減輕了機械臂自身品質，設計了最優的輕量化方案。虞浪等和魏博等針對柑橘采摘設計了欠驅動式關節型采摘末端執行器，實作了不同果徑尺寸柑橘類球形果實的包絡接觸式采摘，可有效提升采摘的適用性、穩定性，降低柑橘采摘的損傷率。
圖2 國內典型的果園采摘機器人
Fig. 2 Typical orchard picking robots in China
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面臨的挑戰與亟待突破的關鍵技術
果園作業的自然地理環境及果樹、果實的生物學特征導致當前果園采摘機器人研制與產業化套用面臨以下三方面的挑戰。一是中國果園種植模式多樣，如小塊階梯種植、陡坡種植、傳統種植、緩坡種植、高起壟式種植以及寬行密植等，且多數果園分布在山區和丘陵地帶，地形地貌較為復雜，果園土壤較為松軟和濕潤，要求果園機器人采摘工作平台穩定效能高、越障能力強；二是露天果園場地自然環境開闊，蘋果、柑橘等主要果樹的樹冠高大，果實呈無序分布，枝葉果叢生交錯、位姿隨機、相互遮擋，開展精準定位、感知與辨識果實的難度較大，實作自主導航與路徑規劃的難度較大，復雜環境下的連續動態作業難以精準操作；三是鮮果外觀品質是影響其經濟價值的主要參數，市場對於鮮果的外觀、成熟度、品質要求嚴格，但由於蘋果、柑橘、葡萄等鮮果的果皮柔弱，要求機器人作業「采-收-運」全程達到安全無失真操作。
結合產業背景、前沿進展和客觀挑戰等方面的分析，中國果園采摘機器人應重點從以下兩個方面開展關鍵核心技術攻關，實作技術創新與突破。一是復雜背景下密集果實的目標辨識定位。透過機器視覺技術獲取多元影像數據，疊加數據增強技術，分析多通道果實特征，提升果實邊緣檢測能力，並基於多工深度神經網路，判定未遮擋局部區域並對果實完整區域進行估計，采用基於最佳點雲簇和三維中心線果實參數重構方法，融合多視角測量定位資訊，實作受遮擋果實質心位置與尺寸參數估計，提出具有果實區域檢測與果實分割雙重功能的多工深度摺積網路模型，構建受遮擋果實多工監測網路，同時開展基於視錐法的果實三維姿態擬合，實作果實性狀的辨識精度和判定速度；二是多臂采摘任務規劃與協同控制。縱觀國內外前沿技術發展，「采-收-運」一體作業的多臂采摘系統是果園采摘機器人發展主要趨勢，亟需以遍歷群體果即時間最優為目標，研發基於復合構型視覺伺服的機械臂實施控制方法，構建多臂協同作業規劃決策模型，持續最佳化果實采摘次序和多臂協同作業策略。
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