温室采摘机器人末端执行器研究进展到了哪一步？效果如何？
温室采摘机器人末端执行器研究进展
引言
近30年来，中国设施园艺发展迅速，截至2017年，设施园艺面积达到370万hm2，位居世界首位，为农业增效、农民增收和农村经济发展作出了积极贡献。然而，中国农业总体的机械化率仍较低，尤其在设施农业领域，2016年的机械化水平仅为31.5%，而其中的采运环节机械化水平仅为7.7%。可见，设施农业的机械化水平与中国主要农作物综合机械化水平差距甚大，其中采运环节的低机械化水平更是严重降低了整个设施农业的机械化水平。由于在设施农业生产中采摘环节占用了整个生产过程劳动力使用量的40%~50%，随着劳动力成本的不断升高，单一地依靠人工劳动力已经不能满足现代温室采摘作业的需求，亟需研发应用适于现代设施园艺生产的高效精准、性能稳定的采摘机械。20世纪八九十年代以来，随着工业化的发展，针对设施温室的采摘机器人的研究越来越多。末端执行器技术作为温室采摘机器人最重要的技术之一，在提高采摘机器人采摘效率和作业稳定性方面发挥着非常重要的作用。本文对现有国内外针对番茄、黄瓜、草莓、甜椒等大宗作物的采摘机器人设计的末端执行器进行了归纳和梳理，分析了现有末端执行器存在问题，为后续相关研究提供参考依据。
黄瓜采摘机器人末端执行器
黄瓜是全球产量最高的果蔬品类之一，黄瓜最主要产区是亚洲和欧洲，其分别占全球黄瓜总产量的84.3%和9.6%。因此目前有关黄瓜采摘机器人的研究也主要集中在日本、荷兰、和中国。国外较早进行温室黄瓜采摘机器人末端执行器研究的是日本和荷兰。瓦赫宁根大学VanHenten等设计的温室黄瓜采摘机器人的末端执行器（图1）主要包含以下部分：夹持爪、吸盘、热切割装置和一个小型摄像机。
当末端执行器靠近黄瓜时，吸盘吸附在黄瓜的表面起稳定黄瓜的作用，同时夹持爪握住黄瓜的果实和果梗的连接处，位于夹持爪上方的热分割刀片对果梗进行切割将果实分离，随后机械臂把末端执行器放到指定位置，松开黄瓜果实，完成采摘动作。安装在末端执行器顶部的小型摄像机主要起确定果柄分离位置的作用。该末端执行器的优点是热切割装置的使用令末端执行器具有一定的消毒能力，以使果实有更长的保鲜期。试验结果表明，其在温室情况下采摘的平均成功率为74.4%，平均耗时65.2s。采摘失败的主要原因是末端执行器定位在果梗处的准确度不够。
国内较早在这一领域研究的是中国农业大学，2011年中国农业大学纪超等人设计的温室黄瓜采摘机器人的末端执行器（图2），主要由气动柔性手指、切刀、与二次近景定位摄像机组成。
柔性手指采用了柔性橡胶，可以在一定压力下夹紧黄瓜果实且不损伤果实表皮。二次近景定位摄像机主要作用是在末端执行器第一次到达定位位置时采集果实的近景信息从而计算出精确的切割位置防止切伤果实。该末端执行器的优点在于夹持装置为柔性，可以降低夹持果实时给其带来的损伤。试验表明，该机器人的采摘成功率为85%，单根黄瓜的平均采摘耗时为28.6s。
此外，江苏大学刘继展等以黄瓜果梗为研究对象，试验分析了激光切割技术在果柄分离中的应用，设计了一种激光切割的黄瓜采摘末端执行器（图3）。
激光切割技术最大的特点在于通过高能激光束的聚焦实现对象的非接触式切割，可以有效避免接触式切割所受到的空间限制和非结构化环境的影响。激光切割的工作原理是利用激光束能量的高度集中性，通过聚焦投射到对象表面，使果梗集中部位产生高温烧断，从而实现对果梗的切割。
草莓采摘机器人末端执行器
草莓是温室最主要的经济作物之一，由于其较为容易实现规范化种植，且果实颜色特征显著，因此其机械化、自动化采收的研究开展得较早，研究成果也领先于其他果蔬。如日本的Arima和Kondo开发了直角坐标系的草莓采摘机器人，采用吸入-旋转切断方式的采摘末端执行器（图4），末端执行器由管状吸头吸住草莓果实，然后末端执行器旋转，将果梗引导至切割位置将其切断。Hayashi等在此基础上进行了改进（图5），末端执行器由同时夹持果实和切断果柄的夹具、真空吸盘装置和用于检测果实位置的光电传感器组成。
末端执行器有2种采摘动作方式：吸盘工作时，末端执行器的吸盘接近并吸住果实，夹子夹住果实并且切断果柄完成收割；吸盘不工作时，末端执行器运动到果实位置，由光电传感器检测果实是否存在，若果实存在则直接夹持切断并把果实放入托盘中，完成采摘。试验结果显示，在有吸力采摘中成功率为79.2%，无吸力采摘中成功率为79.7%，试验不成功的原因在于机器视觉系统没有检测到果实，或采摘过程中末端执行器会推到相邻果实导致目标果实移动，造成试验失败。
中国农业大学的张凯良等针对高架栽培模式的草莓设计了一种草莓采摘机器人末端执行器。如图6所示，该末端执行器主要由光纤传感器、果柄分离刀片、摄像头、一对机械爪组成。其中一只机械爪上装有刀片，另一只机械爪上有相应的纳刀槽。光纤传感器主要用于判断2个爪钳之间是否存在果柄。摄像头用于确定末端执行器相对于果实的位置。该末端执行器的特点在于当刀片将草莓果柄切断时，由于刀片进入到纳刀槽中，草莓果实会从果梗切断处被牢固地夹持在纳刀槽和刀片中间，草莓果实的夹持和分离由一个动作完成。经过试验发现，草莓的无损伤采摘成功率为88%，单个草莓采摘平均耗时18.54s。
中国农业大学的王粮局等还针对单个草莓采摘时面临的末端执行器定位精度要求苛刻、叶片遮挡对采摘的严重影响和采摘耗时长等问题设计了1种可以一次采摘多个草莓的末端执行器。如图7所示，该末端执行器主要由手爪导轨、手爪滑块、导槽夹指、剪切刀片、拢果绳等组成。
通过末端执行器在采摘区域的水平和竖直方向上的移动使草莓落入导槽夹指与拢果绳之间，随后末端执行器向前方移动一段距离并将夹指闭合切断果梗，随后将果实放到指定位置处完成采摘。此外，国家农业智能装备工程技术研究中心的冯青春、中国农业大学的史慧文，也针对草莓采摘机器人末端执行器的的手爪部分进行了进一步的改进和优化。
甜椒采摘机器人末端执行器
目前，全球辣椒总产量已超过6000万t，是世界上产量排行前三的蔬菜作物。其中甜椒作为重要的鲜食蔬菜，在世界范围内受到广泛的欢迎。甜椒采摘机器人的研究在国外主要集中在日本和欧盟。
日本高知技术大学设计的剪刀式末端执行器（图8）主要由剪刀式切刀和驱动机构组成。剪刀式切刀的控制主要运用了平行四连杆机构原理。该末端执行器的缺点在于体型较大，当甜椒果实没有叶片遮挡时可以顺利将果实采摘，但有叶片遮挡时采摘成功率很低。
荷兰瓦赫宁根大学的Hemming等设计了2种温室甜椒采摘机器人的末端执行器，如图9所示。
FinRay型末端执行器主要由2个抓持爪、切割机构和末端二次定位系统组成。末端二次定位系统主要由微型相机和补光灯组成。末端二次定位系统主要是对剪切位置进行定位和微调。Lip型末端执行器主要由吸盘、末端二次定位系统、2片唇型切刀组成。主要采摘动作为先用吸盘将果实固定，然后2片唇型切刀将果实包裹，并切下果梗。研究人员对2种机构都进行了试验，自然条件下果实收获成功率最高分别为26%和33%。在对果实的周围环境进行处理后，FinRay型末端执行器的采摘成功率（93%）高于Lip型末端执行器（61%），但是Lip型末端执行器的切割成功率（76%）高于FinRay末端执行器（29%）。
番茄采摘机器人末端执行器
国外早期研究番茄采摘机器人的有美国、日本等国家。最早在20世纪90年代，日本的Monta等设计了一款柔性手指末端执行器，其主要结构是吸盘和机械手指组成。主要的采摘动作为先由吸盘将果实从植株上分离开，再由机械手指夹着果实接着扭断果梗完成采摘动作。
2004年美国俄亥俄州立大学Ling等也设计了一款番茄采摘机器人末端执行器，如图10所示，该末端执行器主要结构与Kono等人设计的末端执行器类似也是由吸盘和机械手指组成。但是其对吸盘的结构和机械手的材料进行了改进。其中吸盘采用了多个波纹管的设计，实验证明吸盘对番茄具有良好的吸附力。机械手指主要由ABS导管构成，这样可以限制手指的侧向运动便于控制。试验结果表明该采摘机器人成功率为60%~65%。
此外，日本东京大学的Yaguchi等在2016年也设计了一款番茄采摘机器人末端执行器（图11），其主要结构为一个旋转手爪，试验发现，其采摘一个番茄需要80s，采摘成功率为60%。
中国的刘继展等也研究了采用由真空吸盘和手指进行夹持，采用激光切割装置进行切割的番茄末端执行器。王晓楠等设计的番茄智能采摘机器人则采用套筒旋拧的采摘方式。如图12所示，该末端执行器可以完成果实的吸附、夹持和旋拧等动作。果实的吸附结构由真空吸盘、气管、真空发生器组成，夹持结构由伸缩气缸、套筒和气囊组成，旋拧结构由旋拧电机、大齿轮和小齿轮组成。
当末端执行器开始工作时，真空吸盘将果实吸附，随后套筒伸出将果实全部套入套筒内，利用气囊将果实夹紧后，套筒旋转利用扭转将果旋拧，实现果实果柄分离。通过实地试验测试，该番茄采摘机器人对单果番茄的一次采摘作业耗时约24s，成功率达83.9%。在实验过程中发现，机械臂的运动占去了采摘过程的大半时间，由于枝干、叶片等环境对机器人采摘产生干扰，使得末端执行器不能准确的采摘。
其他采摘机器人末端执行器
西北农林科技大学陈军等对猕猴桃自动采摘进行了研究，设计了猕猴桃采摘机器人（图13）。该末端执行器通过扭转的分离方式模拟人手采摘动作，当末端执行器运动到预定位置时，两机械手指向中间靠拢夹住果实，然后整个末端执行器开始旋转，带动果实旋转从而分离下来。室内模拟采摘实验的采摘成功率90%，平均采摘时间9s。
日本Hayashi等对茄子采摘机器人进行了研究并设计了一款茄子采摘机器人末端执行器。该末端执行器采用果梗夹剪一体式结构，并且在末端执行器上除了手眼相机之外再附加了超声波测距传感器用于对茄子目标的探测。中国农业大学的刘长林等设计了一种茄子采摘机器人末端执行器。其主要结构为切刀、夹持手指以及驱动装置。其中夹持手指上有海绵缓冲装置避免果实收到损伤。
分析与展望
温室采摘机器人末端执行器是直接和果实接触，把果实从作物上分离的部件，同时也常常负责引导采摘机器人精准定位果实目标，是采摘机器人实现采摘的关键部件。此外，由于温室种植的鲜蔬果实，特别是像草莓、黄瓜等，表皮柔嫩容易破损，因此末端执行器主要功能包括了果实的精准定位，果实的抓持和果实的分离。
果实的精定位一般仅用于对果实位置精度要求较高的采摘方式。受限于末端执行器的负载能力，末端执行器上常用体积较小的传感器来进行目标定位，如微型摄像头，接近开关，超声波传感器，微型激光测距传感器等。
果实的抓持根据采摘对象不同，可分为抓持果实和抓持果柄两种形式。抓持原理上，主要包含了气吸式和机械夹持式。气吸式通过吸盘、吸管等，采用负压直接抓持果实，对果实的损伤较小，响应较快，但是抓持的力较为有限，常用于草莓、蘑菇、番茄等单颗果实的抓持。机械抓持式的具体机械结构形式多样，但主要可分为刚性抓持和柔性抓持。刚性抓持用常规的机构开合实现抓持，容易对果实造成机械创伤，因此主要用于对果柄的抓持。柔性抓持式近几年的发展趋势，通过气动柔性手指等实现对果实外表面的仿形抓持，加大抓持力的作用面积，减小压强，降低对果实的损伤。
果实的分离方式常见有3类。一类是仿生的形式，模仿人手工采摘果实时的动作，结合果实和果柄结合的特点，通过拧、折、拽等动作，实现果实的分离。该形式主要用于果实、果柄结合处有明显薄弱点的果实采摘。该方法附加了更多的动作，对采摘机器人的自由度要求较高，采摘效率也容易受到限制。第二类是常规的机械剪切式，该方法具有一般的适用性，尤其适合果实和果柄结合力较大的果实，如黄瓜等。但该方法要特别注意避免剪切过程中伤及作物枝蔓。第三类是采用加热方式进行果实分离，通过激光加热或者电热丝加热等方式对果柄进行局部加热，造成果柄断裂。由于该方式需要一定的热作用时间，效率受到较大的限制，近年来使用较少。虽然关于温室果蔬采摘机器人末端执行器技术的研究已经进行了多年，但是目前大部分的技术仍处于研究阶段，尚未达到商品化应用。其存在的问题主要集中在以下3方面：
适应复杂环境的能力差 目前大部分的末端执行器均难以在无人工前期处理果实周围环境的条件下进行果实的采摘作业，需一定程度上的人工前期处理才能完成采摘作业，这在一定程度上又耗费了劳动力。
采摘效率低 目前大部分末端执行器都是单个采摘果实，耗费的时间都在几十秒甚至更长，采摘成功率也不高，工作效率较人工作业效率低。但是针对部分品种的果实，如串番茄，如果按整串进行采收，其生产率可得到大幅度的提升，体现自动化采收的优势。
设备昂贵 大部分末端执行器由于采用了各种新技术、新结构和新材料，因此决定了其成本的居高不下，限制了其推广应用。
由于温室采摘作业环境复杂多变，农特产品具有生物多样性，因此采摘机器人的发展，一方面要求末端执行器从技术上和材料上进行改进，突破复杂光照、叶片遮挡、振动等条件影响下的果实目标准确识别和定位问题，果实的无损化抓持问题以及果实快速、准确分离问题；另一方面要求在农业和生物方面进行适应性的发展，通过培育品种，改善栽培、生产模式，使果实的生长形式利用自动化采收，降低采摘机器人的系统复杂性，提高稳定性，使机器人技术更好地服务于设施农业生产。
作者：翟毅豪，邓志恒，张俊雄（中国农业大学工学院）
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