黄瓜收获机器人：提高农业效率的新利器

黄瓜是常见的蔬菜，设施农业中的种植面积非常大，并且生长快，成熟后易肥大、收获最佳期短、果实不定期成熟。因此，急需黄瓜收获机器人。

1.栽培方式

设施栽培中常见的黄瓜栽培方式是将黄瓜用细绳垂直向上牵引生长，果实与叶子茎秆混杂在一起，大的叶子经常遮住黄瓜，不利于人工或机器人收获。日本开发了新型的栽培方式——倾斜格子架式培养系统（见图6-23），黄瓜和茎叶分开，使机器人容易检测出黄瓜的位置，完成收获。倾斜格子架与水平面所成夹角越小，果实与茎叶的分离程度将越明显，但当果实越接近地面时，作业空间越小，越不利于机器人收获。因此，倾斜格子架要有一个适宜的角度。

图6-23 黄瓜的倾斜格子架培养系统

2.倾斜格子架栽培黄瓜收获机器人

日本根据黄瓜的倾斜格子架栽培，研制出了黄瓜收获机器人（见图6-24），包括机械手、末端执行器、视觉系统和移动机构。

图6-24 倾斜格子架栽培黄瓜收获机器人

（1）机械手 为适应黄瓜的栽培模式，机械手（见图6-25）在根部有一个与黄瓜倾斜格子架角度相同的直动关节，使整个机械手可以在与倾斜格子架平行的方向移动，另外5个旋转关节可以做出各种姿态，接近果实。

（2）末端执行器 成熟的黄瓜遍身带刺，并且在顶部带有黄花，这些刺和黄花是衡量黄瓜质量好坏的标准之一。因此收获时，必须尽量减少对黄瓜表面的损伤，要轻柔地抓住并切断果梗。

该机器人的末端执行器（见图6-26）包括1个手爪、1个检测器和和1个剪刀。手指先用6N的力在离果实顶部3cm的位置抓住果实，然后检测器和剪刀向上滑动，并且保持检测器与果实一直接触，直到电位计检测到果实与果梗之间的连接点，完成检测，安装在检测器下方的的切刀用12N的力将果梗切断。

（3）视觉系统 由于黄瓜果实与茎叶的颜色相似，该机器人采用远红外传感器检测黄瓜的距离，并利用黄瓜与茎叶不同的光反射波长进行检测。这里采用带有550nm和850nm过滤器的黑白摄像机，利用两个不同的过滤器得到两个图像，按下述公式计算

图6-25 黄瓜收获机器人的机器手

图6-26 黄瓜收获机器人的末端执行器

a)手爪部分 b)检测和切刀部分

由于果实在850nm的的反射强，使果实图像的灰度值增大，而其他对象在850nm的反射比较弱，这样可以很容易区分有阴影果实的阈值。通过比较两个果实的的R值，就可以判断哪个果实的距离更近。

（4）作业流程 该收获机器人收获流程框图如图6-27所示。机器人采用三维视觉传感器，获取果实的位置。张开手爪抓住果实，检测和切断机构上升，直至检测出果梗的位置，判断出果梗的直径是否小于6mm。若小于6mm，检测机构停止上升，切断机构闭合，切断果梗，把持机构闭合，检测切断机构下降，结束作业。若果梗直径大于6mm，重新检测果梗的位置。

3.荷兰黄瓜收获机器人

荷兰黄瓜种植面积和产量都比较大，人工收获费用占整个温室黄瓜生产费用的50%，因此迫切需要自动收获机器人。荷兰农业环境工程研究所研究出一种多功能模块式黄瓜收获机器人。

图6-27 倾斜格子架栽培黄瓜收获 机器人的作业流程图

（1）黄瓜生长系统 荷兰黄瓜采用新型高拉线种植模式，每一株植物在垂直拉线上，该垂直拉线绕在一个线轴上，线轴固定在4m高的水平拉线上（见图6-28）。当植物顶部到达水平拉线时，通过线轴将垂直拉线往下放，使作物顶部下降至水平拉线下方500mm处。在降低植物高度之前，应将植物底部的叶子摘掉。

（2）自走式黄瓜收获机器人 自走式黄瓜收获机器人（见图6-29）由4部分组成：行走车、机械手、视觉系统和末端执行器。

图6-28 新型高拉线黄瓜种植模式

图6-29 自走式黄瓜收获机器人

机器人行走车主要用于机械手和末端执行器的定位，通过视觉系统的信号控制机器人的行走、机械手的动作、末端执行器的抓取和切割动作。机器人的行走速度为0.8m/s，每前进0.7m就停下来进行收获作业。(www.xing528.com)

该机械手有7自由度，主体采用三菱（Mitsubishi）RV-E2型6自由度机械手，在此基础上增加了一个直动关节，使RV-E2型机械手可以沿着行走方向往复运动。

视觉系统由两台摄像机和图像处理系统组成。在采用机器人收获时，能对作业区域内的黄瓜进行探测，评价果实的成熟程度，找出果实的精确位置。

黄瓜的果实与叶子的颜色相近，通过对黄瓜果实与叶子的反射性及含水率的大量研究得知，可采用近红外线（NIR）探测出黄瓜果实。黄瓜的图像处理系统包括两台数字式摄像机、滤光片、透镜、反射镜和棱镜，可以将果实同周围背景物区分开，从而辨认出果实并探测出其位置（见图6-30）。

图6-30 不同处理条件下的黄瓜图像

a）经过处理的黄瓜图像 b）采用干涉过滤后的黄瓜灰度图 c）运用阈值移出果实背景物的一些信号 d）除掉周围背景物，只保留果实

黄瓜在植物上方的分布是随机的，不定期成熟，因此在收获前必须探测出每一根黄瓜的位置及成熟程度。在清晰条件下（收获前摘掉叶子），通过测量黄瓜的直径和长度，并依据其体积估算果实的成熟度。

在末端执行器上安装了一个手指大小的微型摄像机，用于快速和精确定位。为了精确测定在切割装置两个电极之间的果梗的位置，还采用了一个局部传感器，可以在0.3m范围内测量果实位置。

末端执行器由手爪和切割器两部分组成。手爪的力度适中，既保证果实在机械手快速运动过程中不掉落，又不损伤黄瓜果实的外表面。切割器采用电极切割法，产生高温（大约1000℃）将果梗烧断，形成一个封闭的疤口（火烧），可以减少果实水分的流失，减慢果实的熟化程度。

机器人的采摘过程分4步进行：找到果实果梗精确的切割位置；将果梗放到切割器的两个电极之间；抓取果实；切割果梗。该机器人的作业速度为每根黄瓜10s。

4.日本东京大学研制的黄瓜收获机器人手爪

日本研制的黄瓜收获机器人的另一种手爪（见图6-31a），包括夹钳部（见图6-31b）、传感器和刀片部（见图6-31c）和自由旋转部（见图6-31d）。夹钳部由电动机、传感器、手指和微型开关组成，手指内侧是橡胶层，避免伤害果实。传感器和刀片部包括电动机、夹杆、刀片、刀片限位开关和果梗检测开关，实现对果梗的检测和切断。自由旋转部包括电动机、轴、滑动轴承、导向轴、支杆，可以调整夹杆的滑动。作业过程是：手爪内部的接触传感器检测出黄瓜，夹钳部用约70N的力夹住黄瓜身部，传感器和刀片部的夹杆用约3N的力夹住黄瓜头部；夹杆由自由旋转部驱动，可以沿黄瓜长度方向上下滑动，也可以前后、左右转动，夹杆沿黄瓜轴向滑动，可以检测出黄瓜的直径。当黄瓜的直径突然变小时，就确定是黄瓜蒂部，微型开关检测出其精确位置，刀片切断黄瓜果梗。

5.黄瓜的等级级别

为提高黄瓜的商品价值，有必要对黄瓜进行分级。黄瓜属于长形瓜类，人工分级时主要以瓜的均匀性、长度、直径等作为评价指标。日本经济农业协同联合会制订出了黄瓜的等级标准，黄瓜的品质等级分为A、B、C级3个等级：A级形状匀称，弯度不超过1.5cm，色泽和鲜度品质良好，无病虫害；B级形状较为均匀，弯度不超过3cm，鲜度品质良好，无病虫害；C级畸形，弯度超过3cm，过熟，有疤痕。黄瓜的等级按质量分为2L、L、M和S，重量分别为130g、110g、95g和80g左右。

等级判别硬件装置（见图6-32）包括CCD摄像机、图像采集卡、计算机、日光灯型的照明装置和监视器。

图6-31 日本研制的黄瓜收获机器人手爪

a）手爪构成 b）夹钳部 c）传感器和刀片部 d）自由旋转部

根据黄瓜特征（见图6-33）的二值图像，提取粗细、长度和弯曲度3个方面的参数。瓜果根部到顶部的距离为H，从根部开始分别在0.1H、0.25H、0.5H、0.75H和0.9H相应的位置，找出果实的中心点A、B、C、D和E，连接各点得到l₁、l₂、l₃和l₄。再从根部开始，在0.2H、0.3H、0.7H、0.8H的位置分别作l₁、l₂、l₃和l₄的垂线，检出果实的宽度W₁、W₂、W₃和W₄。C点的宽度W按水平方向检出，点A和E之间的距离定义为L。由此可得出定义形状特征的函数：

黄瓜的形状特征采用前向多层神经网络（见图6-34）进行判断。神经网络包括输入层、隐含层和输出层，输入层为与6个参数相对应的6个输入单元，输出层为2个输出单元（用于表示3种等级状态A、B、C），隐含层的单元数要根据训练状况决定。

图6-32 黄瓜等级判别装置

图6-33 黄瓜形状特征的提取

图6-34 神经网络结构

长形瓜果等级判别程序（见图6-35）从功能上可分为学习部分和判别部分。学习部分包括图像处理、特征抽出和网络训练；判别部分包括图像处理、特征抽出、特征判断和结果显示。通过计算机上的屏幕和键盘，以人机对话的方式引导挑选机器人进行学习训练或挑选判别状态。

该系统还适合其他长形瓜果的判别，具有较高的准确性、通用性和简便性。