温室采摘机器人知多少

现代温室采摘机器人发展概况

智能化果蔬采摘器人是现代温室中的重要装备，研究其关键的技术具有重要的意义。本文在简要介绍国内外温室采摘机器人的研究成果基础上，指出机器人在生产方面遇到的挑战。由于复杂的工作环境对机器人技术构成了相当大的挑战，因此想通过先进的技术，比如多种传感器、传感器融合、大数据和人工智能以及人机协作等来处理这种复杂性，指出温室采摘机器人未来的发展方向。

温室园艺产业化发展在西方发达国家的水平很高、规模很大。荷兰、以色列、日本等发达国家由于受到国土面积等条件的限制，特别重视大型温室现代化、控制智能化、生产自动化等技术的发展。从 20 世纪 70 年代开始，日本的工业机器人发展迅速，这也带动了日本农业机器人的发展。20 世纪末期，日本在设施园艺领域开发了多种机器人。荷兰围绕现代温室研究已经约有 70 余年的历史，涉及的学科几十个，尤其在温室机器人方面的发展更是领先。

经过不断的发展和探索，中国已成为全球设施农业生产大国，面积和产量都位于世界前列。虽然近些年来，我们也不断从国外引进、吸收先进的设备，但是与发达国家相比，中国的温室技术装备水平还存在较大的差距。例如，中国大多数温室还在采用人工或者半自动的设备进行育苗、打药等作业，国外已经实现多种自动化装备相互配合，大大提高了作业效率和质量，降低生产的成本。

发展概况

采摘是果蔬生产过程中最耗时、耗力、时效性强的生产环节之一，所投入的劳动力约占整个生产种植过程的 40%~50%，随着劳动力成本的不断升高，投入资金也逐步增加。由于设施栽培模式具有结构化程度高、果蔬采摘频率高的特点，依靠人工劳作的生产方式已经不能满足现代农业发展的需求，所以尤为适合发展机器人化的采摘模式。目前温室内主要生产的作物有番茄、黄瓜、彩椒、草莓等，一些农业发展大国，如日本、荷兰、美国等已经出现了一批采摘收获的样机，通过提高定位精度，实现自动导航等技术有效的推动了温室采摘机器人的发展，但大部分还是处于实验室应用阶段，并不能应用于实际商业生产过程中。

国内外研究

番 茄

◆ Virgo 1 号

这台机器人是由美国马萨诸塞州名为 Root AI 的公司开发的应用于农业领域的人工智能机器人—Virgo 1 号（图 1）。它的核心特点是应用人工智能软件实现“实时监测果实成熟度、轻柔触碰摘取、三维导航智能移动”。利用人工智能技术，机器人可以确定哪些果实可以采摘，识别效率要远高于传统的人工识别。采摘过程中，机器人可以自动行驶，前端安装有传感器和照相机充当“眼睛”，抓取器采用的是食品安全级别的塑料，可以像手指一样用合适的力度进行采摘。除了这些，机器人身上还装有灯光设备，日夜不停地在温室内进行采摘工作，充满电一次大约可以工作 24 h。

图 1 Virgo 1 号

◆ Panasonic 松下

2015 年《NIKKEI ASIAN REVIEW》报道过松下开发的番茄采摘机器人（图 2）。该机器人可以在轨道之间移动，而且配有超过 70000像素图像识别功能的相机用来查找西红柿并确定是否进行收获工作，而且可以通过识别来确定操作路线，使末端执行器靠近番茄来进行收获。目前其采摘速度是 6 s 一颗番茄，而人工采摘可以 2~3 s 采摘一颗番茄，人的工作速度更快，但是人连续工作 3~4 h 就会很疲惫，这个采摘机器人可以连续工作 10 h 或者更长时间。番茄采摘机器人可以在系统中改变采摘番茄成熟度的颜色范围，根据实际的不同需要来对采摘成熟度进行调节。随着人工智能（AI）的引入，当番茄被茎叶部分覆盖时，机器人通过学习包含番茄的照片，可以将番茄识别出来。未来，通过提高植株茎叶的识别性能，来提高机器人的采摘成功率。

图2 AI 番茄收获机器人

◆苏州博田

苏州博田果蔬采摘机器人是中国自主研发的第一台采摘机器人（图 3），它利用人工智能和多传感器融合技术，基于深度学习的视觉算法，引导机械手臂完成识别、定位、抓取、切割、回收任务的高度协同自动化系统，采摘成功率可达 90% 以上。多传感器融合技术可以对采摘对象进行信息获取、成熟度判断、确定采摘目标的三维空间信息和视觉标定，实现在无人值守的情况下，自动导航、自动识别、自动完成机械臂运动和机械手采摘的工作。机器人的最大续航时间可达 6 h 以上，采摘一个或者是一串番茄的需要的时间在 10 s 以内，识别成功率大于 90%，采摘成功率大于 90%，果实损伤率小于 5% 。

图 3 果蔬采摘机器人

◆ GRoW

MetoMotion 是一家位于以色列的创业温室机器人组织，开发了一种名为 GRoW 的多功能机器人系统，可以在温室内执行劳动密集性任务。图 4 为该公司研发的第一个专用机器人，用来自动收获温室种植的西红柿。机器人配有多个专门设计的收获机械臂和先进的视觉系统（图 5），底盘是一个可以自动巡航的引导车（AGV）这样的收获机器人可以最大限度的减少采摘过程中对产品的伤害，提高收获效率。目前，温室内总成本的 30%~50% 与劳动力有关，然而一个操作员可以同时监控五台这样的收获机，这样就可以节省约 50% 的收获成本 。

图 4 GRoW 温室机器人工人

图 5 视觉系统

草 莓

◆ AGROBOT

草莓和其他柔软的水果在采摘的时候特别挑剔，他们体积小，果数多。但是这并没有阻止机器人制造商进行尝试，Agrobot 是最早的草莓收获机之一（图 6~7）。西班牙采摘机器人于2012 年进行了测试，基于视觉系统可以单独分析每个果实的颜色和大小，然后对成熟的草莓进行收获，机器人采用两个薄而锋利的刀片将它们从茎上切下来，通过传送带送往包装区，操作员可以直接对草莓进行包装并放到托盘中。机器人采用的是倍加福的感应式传感器，来控制终端位置；坚固耐用的 UB400-12GM 系列超声波传感器用来防止操作臂碰触地面，通过传感器的检测控制车轮与草莓垄之间的距离，保证车辆在正常行驶的过程中避免破坏草莓 。

图 6 Agrobot

图 7 执行器

◆ HARVEST CROO

这是 Harvest CROO Robotics公司的产品（图 8），在 2012年推出，目标是彻底改变草莓产业。机器人每 8 s 内摘下一颗草莓，然后在 1.5 s 内转移到下一颗。一天可以收获约 3.24 hm2，相当于 30 名工人的工作，并且不需要休息。依靠超级精确的 GPS，机器人的“大脑”中有一张地图，可以显示出每个草莓的确切位置。当它到达草莓植株附近的时候，摄像机会在明亮的灯光下，旋转一圈，建立一个立体的图像对草莓进行分析和采摘。但是这个机器人只能采摘成熟度 50% 以上的草莓，还没有达到工作人员采摘的 60%~90% 的成熟度。

图 8 HARVEST CROO

黄 瓜

◆ CRUX

2017 年，Crux Agribotics 开发了一个黄瓜采摘机器人（图 9），该项目是由 Beltech B.V公司和拜耳公司合作的，旨在促进农业自动化并提高作物（黄瓜）的生产力。该收获机器人可以实现自动收获，无需人工干预，从而可以减少农药使用量多达 90%，降低了 70% 的感染风险，提高 30% 的作物产量。该优化的收割系统可以工作大约 7 年，全天候运行。收割机器人带有旋转摄像头，摄像机可以从各个角度拍摄作物的超快速 3D 图像。利用专用软件将图像拼接组合在一起，并由此得出藏在叶茎下黄瓜的形状以及尺寸等结论。在视觉系统的帮助下，系统算法将告知哪些黄瓜可以采摘，这样一来，就能获得约 96% 的成熟黄瓜。视觉系统可以提高采摘的准确性和果蔬精准的尺寸、重量的检测。通过优化学习算法，机器人可以变换算法校准，进一步实现工业适应性，使机器运动更加快速平稳 。

图 9 CRUX

◆ CATCH

CATCH 是一个欧洲关于露天黄瓜种植的项目（图 10~11），项目合作伙伴是德国的莱布尼兹农业工程和生物经济研究所和西班牙 CSICUPM 自动化和机器人技术中心，用于开发自动收获黄瓜的双臂机器人，这种轻巧的解决方案在德国的商业市场具有非常大的潜力。在德国腌制的黄瓜大多数是人工收获的。这种劳动密集型且耗能的手工收获方式越来越不经济。机器人可以在不利的天气下识别成熟的黄瓜，然后使用两个抓臂对黄瓜进行抓取和存放。这种控制方法使机器人具备了触觉感知能力，并使其能够适应环境条件。双臂机器人系统不仅能够模仿人体运动，还可以保证农作物不会被损坏。特殊的摄像头系统确保机器人检测并找到大约 95% 的黄瓜，即使有些黄瓜被植被掩盖。该机器人开发了具有 5 个自由度的机器抓取手臂，抓取器的灵感来自于鱼鳍，抓取手指是柔软的三角形，需要较小的力就可以很好的抓住物体。这是为采摘黄瓜专门定制的“黄瓜手”，2017 年 7 月黄瓜采摘机器人经现场测试后，每分钟可以采摘约 13 根黄瓜 。

图 10 CATCH 模型

图 11 CATCH 原型机

温室采摘机器人发展的问题

技 术 瓶 颈

就技术问题而言，主要分为三个方面：①拿番茄温室来讲，每 1000 m2 土地有 3000 多 株植物，这对于寻找被叶子覆盖的果实的机器人来说很难。就目前的技术来讲，很多已经研发出的机器人也是果实完全暴露的情况下进行采摘的，而且这个采摘的过程是动态的，机器人抓取机构进行采摘的时候，番茄的位置是会随着抓取机构碰撞而改变的，这是一个动态的过程。②采摘机器人需要有专门化的轻型采摘机械臂，尤其是末端执行器上面临的挑战更多，要针对不同果蔬的形状、大小、软硬度来专门设计柔性灵巧的抓手。③还有就是速度问题，研究人员发现，人工采摘效率通常比机器高，可以在 6~7 s 内采摘番茄，机器人目前需要大约 1 min 左右。

成 本 制 约

随着科技的发展，对温室机器人的需要也在进一步提高，如果想提高温室机器人的智能化水平，软件上，就必须增加复杂的计算算法和系统；硬件上，需要配套先进的摄像机和传感器等先进的设备，就会促使成本不断上升。因此如何在提高智能化水平的基础上降低温室机器人的制造成本，是让机器人从实验室走进温室的一个关键问题 。

代 替 人 工

不论是国外还是国内，现代温室中大多数是专业的种植者，具有丰富的实践经验、批判思维和创造力。农业生产依靠的是几千年来总结的经验，应该是最依靠经验吃饭的行业。由于各地地形、气候、环境等的不同，种植植物的不同，种植方法又存在很多差异。机器人能否通过深度学习熟练掌握种植者的专业知识，针对每个地方、每种植株等不同情况进行分别，做到“因地制宜”“自我优化调整”等，都是需要考虑的问题。

安 全 性 能

 

安全是一个非常重要的问题。不仅适用于机器人上安装有防护装置和传感器，而且温室内也要安装很多传感器和安全装置。比如作为机器人而言，要根据不同的温室作业环境设置不同的安全距离，当遇到障碍物的时候可以紧急停止，来防止对机器人或者是作物进行损坏，造成损失。假如机器人发生故障，应该怎么解决？如何使机器人出现问题但是不影响温室的生产运营？这是我们必须要考虑的一个问题。

发展趋势

温室采摘机器人将向以下四个方面发展：

一是环境工厂化。采摘机器人的发展必须以果蔬规模化生产为前提，作业环境、栽培模式的结构化和生产管理的工厂化相结合。学习荷兰温室专一化高效生产，代替多种作物的频繁更换，为机器作业提供更加适合的作业环境 。

二是多功能融合化。针对温室作物密集程度高、作业空间小，应该发展小型化、一机多用的温室机器人。采摘机器人不仅能完成采摘、收果的不同动作，同时还能完成工厂化生产果蔬的其他生产环节，如摘叶、运输和卸果等，甚至在包装车间中还可以完成采后处理、清选和包装等任务。因为单臂工作效率低，因此可以考虑“多手”“多臂”，多机共同协作，来提高生产效率 。

三是智能化。随着计算机不断发展，温室机器人智能化是必然趋势。机器人可以通过大数据、人工智能、深度学习和信息互通等，实现相互协调进行作业，根据温室环境不同情况和作物的生长特点来完成所必要的生产管理过程所需的工作，实现温室采摘机器人的精准作业。

四是精简化。为防止机器人结构过于复杂，系统繁琐从而增加资本的投入，不利于广泛的推广，因此在设计时，需要考虑在符合功用和性能的条件下，对温室机器人机械构件进行优化设计，达到紧凑、简单和轻巧的目的。

发展建议

随着中国现代农业设施的发展，现代温室的发展规模越来越大，这对温室作业智能化的要求也越来越高。机器人技术在该领域的应用也是国内外研究和应用的热点。虽然中国在温室机器人上进行了不断研究和发展，但是在关键的视觉识别、精准作业、传感器融合等方面的技术相对比荷兰等国外先进的国家而言，智能化水平偏低。按照精准农业的发展要求，温室检测机器人需要精准的确定病虫害发生的位置和温室内作物的成熟度；温室打药机器人需要既满足对病虫害的有效控制又要减少药物的残留；采摘机器人要准确的提取作物的特征信息并进行精确的采摘动作。目前而言，中国在每个具体功能上的机器人已经有了一定的成果，相关具体的技术还需要研究突破，但是怎么将每个具体功能的机器人做好衔接，将这些做成一个整体的系统来运行也是需要思考的问题。

温室机器人的发展离不开社会各阶层的相互配合：政府应该大力的支持农业温室机器人的发展，从政策支持、资金补贴等方面着手，建立一系列适合中国国情发展的体系，为农业发展营造良好的环境；企业通过与大学及研究所等合作最终为用户提供方便、安全、可靠的产品；中国的各个大学及研究所应该要加强对这方面的研发和投入，对关键技术等进行突破研究；用户根据实际生产情况，发现存在问题进行反馈。这将形成一个“政、产、资、学、研、用”的一体模式，促进中国温室机器人的发展。

结束语

现代温室已经成为当前农业生产的重要组成部分，不仅可以工厂化的生产蔬菜、花卉、苗木等为我们的生活提供必要的物资，又提高了高新科技在农业中的应用。温室机器人可以大大的节省人力、资源的浪费，达到省工、节能、增产的目的。随着中国设施农业的不断发展和科技的不断进步，研发出适合在中国现代温室中工作的温室机器人，必将更加有力的促进中国现代设施农业的转型发展和提档升级，实现由设施农业大国向强国迈进。

作者：郑刚，刘佳，李旭（北京中农富通园艺有限公司）

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