设施蔬菜生产机器人技术进展、挑战与趋势

# 01

产业背景

中国是世界最大的蔬菜生产国和消费国，规模和产值均居全球首位。 2018年以来，中国设施蔬菜种植面积稳定在6 000万亩（400万公顷）以上，占蔬菜总产量的38%，年产值超过9 800亿元，占农业总产值的17.9%，已经成为发展现代设施农业、全面推进乡村振兴的支柱产业。 历经多年发展，中国设施蔬菜生产技术装备已经逐步得到改善，生产管理自动控制、新型水肥一体化、生物生长动态监测等设备正在加快普及应用。

# 02

设施蔬菜生产机器人前沿进展

设施蔬菜机器人是用于日光温室、连栋温室等设施生产环境下，应用于育苗/秧、生产管理、采摘等复杂场景的智能化、自主化作业装备。 目前设施蔬菜机器人的类型主要包括育苗移栽机器人、嫁接机器人、采收机器人等。 以先进工业机器人技术为支撑，世界农业强国如荷兰、日本、以色列等国的设施蔬菜生产机器人技术和市场已经较为成熟，已经实现了部分设施蔬菜生产机器人的产业化应用。 在工厂化蔬菜育苗方面，荷兰走在世界前列。 以威斯康集团（Viscon Group）为例，该公司研制的水培蔬菜工厂化生产系统代表了水培蔬菜的世界先进水平，该系统配置有智能播种、立体催芽、移栽育苗、水肥管理、水循环控制、收割输送系统等，适于生菜、小白菜等绿叶类蔬菜育苗与移栽； 在生产管理方面，荷兰ISO Group公司面向茄果类种苗研制的蔬菜嫁接机器人Graft 1200，配备有秧苗机器视觉识别系统和秧苗输送系统，精准获取秧苗子叶和茎部参数，采用图像处理器分析夹持爪上的激光投影位置来确定上苗高度，嫁接效率到达了1 050株/h，成功率为99%。 在采收机器人方面，荷兰瓦赫宁根大学和以色列本古里安大学在欧盟“地平线2020”计划资助下研制了甜椒采摘机器人Sweeper（见图6）。 机器人系统由一个六自由度机械臂、末端执行器、RGB-D相机、带图形处理单元的计算机、可编程逻辑控制器和储存装置构成。 通过激光雷达确定自己巡视的路径，借助计算机视觉技术从远距离和近距离判断甜椒的位置和成熟度，利用震动刀切割果梗实现采摘作业，在商业温室试验状态下，收获一枚甜椒平均仅需24 s，通过提高机器人底盘运动速度，可将收获时间降低到15 s，准确率超过60%，是全球第一台具有商业化应用性能的甜椒采摘机器人。 西班牙Agrbot Robotics公司研制了一款具有24个机械臂协同作业的草莓采摘机器人（见图1），适用于高垄栽培和架式栽培草莓。 该机器人的24个机械臂均安装了内置短距离集成色彩、红外深度传感器和图像处理单元，能定位、识别和判定草莓及其成熟度，末端执行器采用非接触式断茎夹持方式采摘，避免了果实损伤，并使用激光雷达监测周围作业环境，可实现精准避障和自主作业，目前该机器人已经在美国加州的农场投入使用。 为了应对劳动力短缺的难题，日本早在20世纪80年代就开始设施蔬菜机器人技术的研发，涌现了一批低成本番茄采摘机器人等面向产业化应用的产品。 日本松下株式会社研制的小番茄采摘机器人，使用3D相机和图像传感器从远距离和近距离检测和定位果实分布，根据图像获取的番茄颜色评估果实成熟度，制定和规划采摘路径和姿态，以切割果梗方式进行无损采摘。 其单个番茄采摘速度约为6 s，虽然相对于人工采摘速度较为缓慢，但其视觉和照明系统可保证机器人全天候工作，每年可减少约20%的人工费用支出，每台售价约合30万元人民币，目前已成功在多个温室作业。