吴剑桥等：果蔬采摘机器手系统设计与控制技术研究现状和发展趋势（2020年第4期）
果蔬采摘机器手系统设计与控制技术研究现状和发展趋势
吴剑桥1， 范圣哲2， 贡亮2， 苑进3， 周强4， 刘成良2*
（1.上海市农业机械研究所，上海 201106；2.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海，200240；3.山东农业大学 机械电子工程学院，山东泰安 271018；4.上海市农业科学院，上海201403）
摘要：鲜食果蔬收获是难以实现机械化作业的生产环节，高效低损采摘也是农业机器人研发领域中的难题，导致目前市场化的自动化果蔬采摘装备生产应用几乎空白。针对鲜食果蔬采摘需求，为改善人工采摘费时费力、效率低下、自动化程度低的问题，近30年来，国内外学者设计了一系列自动化采摘设备，推动了农业机器人技术的发展。在研发鲜食果蔬采摘设备时，首先要确定采收对象和采收场景，针对作物的生长位置、形状和重量、场景的复杂程度、所需自动化程度，通过复杂度预估、力学特性分析、姿态建模等方式，明确农业机器人的设计需求。其次，作为整个采摘动作的核心执行者，采摘机器人的末端执行器设计尤为重要。本文对采摘机器人末端执行器的结构进行了分类，总结了末端执行器的设计流程与方法，阐述了常见的末端执行器驱动方式、切割方案，并对果实收集机构进行了概括。再次，本文概述了采摘机器人的总体控制方案、识别定位方法、避障方法及自适应控制方案、品质分类方法以及人机交互、多机协作方案。为了总体评价采摘机器人的性能，本文还提出了平均采摘效率、长期采摘效率、采收质量、损伤率和漏采率指标。最后，本文对自动化采摘机械的总体发展趋势进行了展望，指明了采摘机器手系统将向着采摘目标场景通用化、结构形式多样化、全自动化、智能化、集群化方向发展的趋势。
关键词： 采摘机械；场景分析；机械抓手；自动控制；评价指标；发展趋势
WU Jianqiao, FAN Shengzhe, GONG Liang, YUAN Jin, ZHOU Qiang, LIU Chengliang. Research status and development direction of design and control technology of fruit and vegetable picking robot system[J]. Smart Agriculture, 2020, 2 (4): 17-40.
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图 1 包裹型抓手和夹持型抓手
Fig. 1 Face profile gripper and point profile gripper
图 2 采摘机器人的总体控制框架
Fig. 2 Overall controller framework of the picking robot
表 1 典型场景复杂度对采摘性能的影响
Table 1 The impact of typical scene complexity on picking performance
表 2 面仿形和点仿形两种仿形设计典型抓手汇总
Table 2 Typical gripper summary of face profile gripper and point profile gripper
来源：《智慧农业（中英文）》2020年第4期