郑岳智、崔志鹏

华中农业大学工学院，湖北武汉  430070 

=摘 要>农业领域是采摘技术应用中最重要的领域之一。采摘机械手涉及机械设计技术、电子控制技术、智能识别技术、传感器技术等领域，通过微机原理技术、精准机械定位系统技术及计算机视觉技术的融合，在农业果实采摘、农业果树生长质量等方面进行全方位的精准定位控制以实现采摘功能，是目前一种有效采摘果实的方式。20多年来，采摘机械手在农业领域应用越来越广泛，在国内研发完成大量采摘机械手相关基础性试验工作，在农业果实采摘方面取得巨大的进展。

=关键词> 农业 采摘  机械手  

 

农业领域是采摘技术应用中最重要的领域之一。像美国、日本等发达国家基本都利用传感器技术及CCD摄像机计算机视觉技术等方法，通过位置信息及图像处理的方式，可以将采集到果实位置信号转化为微处理器识别信号和人所能直观监测数据，这提高农业果实采摘效率、保证果树生长质量等。采摘机械手涉及机械设计技术、计算机技术、电子控制技术、智能识别技术、传感器技术等领域，通过微机原理技术、精准机械定位系统技术及计算机视觉技术的融合，在农业果实采摘、农业果树生长质量及提高生产效率等方面进行全方位的精准定位控制以实现采摘功能，是目前一种有效采摘果实的方式。

20世纪80年代末，机械手被广泛应用于汽车工业、航天航空和农产品加工，计算机视觉技术开始应用于机械手，目前较多采用中国大恒的DH-HV3100FC数字摄像及中国大恒的DH-VT 123双通道彩色视频采集卡构成双目立体视觉系统，根据建立数学模型、利用MATLAB软件辅助进行图像处理、利用微机及单片机系统技术编写出GUI界面控制2个摄像头实现同步拍摄，在农业采摘及其生产效率等方面，取得了丰硕的成果。

我国对采摘机械手在农业方面应用的研究起步于20世纪90年代中期。以精准农业智能采摘机械手研制为代表，中国科学院及中国农业大学等代表高校对农业采摘方面的研究调查、国外采摘机械手技术应用情况分析调查及对机械手技术应用基础研究，在引进美国、日本的采摘机械手设备，开始了自动采摘设备系统的研制，为农业果实采摘及生产效率的提高提供了全方位的技术支持。周云山和李强等人研究的蘑菇采摘机器人处于是国内领先水平；西北农林科技大学对苹果采摘机器人手臂控制进行了研究、这为之后采摘机械手在农业方面的发展奠定了基础。

采摘机械手在农业部门的应用始于90年代末期，当时机械手在农业领域没有达到实用化，受到农业领域环境、劳动强度、作业质量的影响，在采摘方面只进行人工作业，劳动强度大且效率低下，因此在农业部门要求下，开始着手研究采摘机械手。20多年来，采摘机械手在农业领域应用越来越广泛，国内研发完成大量采摘机械手相关基础性试验工作，在农业果实采摘方面取得巨大的进展。

主要表现在：

1.采摘机械手机械结构设计 

最初，我国研制的采摘果实设备机械基本都很笨重，一部分的工序速度较慢，导致生产效率低下，且影响果树的再生长。设计合适的机械结构，能有效提高生产效率及果实的采摘率。而且可以保证农业果实质量，从而提高果实在国内外市场的价格竞争优势。设计巧妙的机械手结构表现在：（1）根据农业田间地形基本特征，结合执行末端功能，设计出适合的农业采摘机械臂。如图一所示：

 

图一、机械臂结构模型

（2）利用3D扫描仪对果实进行数学建模和轮廓造型进行拟合实验及分析，设计出以数据信息和模型为基础的适用较多农业果实采摘勺子型剪切执行末端。如图二所示：

 

图二、执行末端设计

2.农业采摘系统应用

最初，农业果实采摘只能依靠人的视觉去判别及人工去采摘，导致个人主观因素而对采摘效率的影响，采摘机械手是提高农业自动采摘效率的有效途径。现代由于智能化的发展，计算机视觉系统、精准的定位系统及合适的机械结构成为自动采摘方面用途广泛。以图像处理与智能识别技术为基础，通过纹理特征提取、形状特征提取、颜色特征提取、数学建模及小波分析算法等特点要求，选择相应的数学算法、数学模型、信号滤波处理方法。

例如: 美国佛罗里达大学研究员研制了柑橘采摘末端执行器，其依置于末端执行器的内部的1个CCD摄像机和超声波传感器来探测水果的位置；Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了苹果采摘机器人末端执行器，其硅树脂管里装有微型摄像头，用于获取末端执行器正前方苹果图像。

综上所述：实现农业果实自动化采摘离不开机械手的应用，同时也说明了国内外学者在采摘机械手方面研究取得巨大的进步，为农业果实采摘方面提供了技术支持，为实现农业自动采摘等方面奠定了基础。

       参考文献

[1] 杨文亮.苹果采摘机器人机械手结构设计与分析.江苏大学，2009, (6)

[2] 熊俊涛，邹湘军.采摘机械手对扰动荔枝的视觉定位，农业工程学报第八卷第14期，2012，（7）