为了提高黄瓜采摘智能化水平、降低人工采收劳动强度，设计了温室黄瓜采摘机器人系统。阐述了机器人系统硬件构成，提出了系统控制方案。针对黄瓜物理特性差异大、果皮脆嫩易损伤、果实叶片相互遮挡等问题，设计了具有果实遮挡探测功能的柔性采收末端执行器，可实现对果实的无损抓持和对果梗的准确切割。针对黄瓜采摘环境光照复杂多变和近色系果实目标识别问题，提出了基于光谱图像的近色系黄瓜识别方法，可实现自然环境下果实与背景的有效分割。经机器人采摘作业测试，系统整体性能及各模块运转良好，具备一定的实用和推广价值。
黄瓜采摘机器人作业于温室非结构环境下，是一种融合多传感技术的高度协同自动化系统，主要由自主移动平台、视觉伺服系统、采摘末端执行器组成，可实现黄瓜种植垄间的自主导航运动，完成黄瓜果实信息获取、成熟度判别、遮挡信息判断，进而确定收获目标的三维空间信息，引导六自由度机械臂与柔性末端执行器完成果梗切割位置探测和柔性自适应抓取采收，最终实现黄瓜作物的机器人化自主采摘作业，其硬件构成如图1所示。
图1 黄瓜采摘机器人系统
温室黄瓜采摘机器人由视觉信息获取系统、采摘信息处理系统、运动执行系统3大模块组成信息获取与控制系统结构，如图2所示。
图2 机器人系统控制结构图
机器人采摘流程如图3所示，系统启动后，机器人自主循线行走，开启果实信息获取系统的单个摄像机动态搜索视场内适宜采摘的黄瓜果实，检测到后立即停车，通过双目立体测距算法对采摘目标进行初定位。机械臂引导末端执行器运动至初定位位置后，推挡机构往上运动，推开叶片，使果实和果梗充分可见，同时红外传感器进行实时监测，进行采摘点二次定位。随后由柔性手指抓取黄瓜果柄，切刀切断果梗。最后，机械臂引导末端执行器运动至果实筐上方，释放果实，机械臂复位，完成一个采摘循环。之后采摘机器人将继续循线行走，重复执行采摘流程，直到行走至终点停止。
图3 机器人工作流程
黄瓜采摘末端执行器根据果实形状、表面特性进行设计，由叶片推挡机构、果梗剪切机构、果梗检测机构、直线导轨滑台和软体手几部分组成（图4），具有自适应果梗剪切、无损伤抓持和去叶片遮挡3大功能，末端执行器工作情况如图5所示。
图4 末端执行器机构
图5 末端执行器工作图
黄瓜采摘机器人视觉系统由视觉系统硬件和视觉识别算法构成，具有果实识别和果实三维定位功能。视觉系统硬件包含人工光源和双目近红外相机两部分（图6），近红外相机拍摄固定波段的光谱图像用于黄瓜识别，进而根据双目测距原理获得黄瓜三维空间位置，有效解决自然环境下多变光照适应问题和近色系黄瓜识别问题。
图6 视觉系统
黄瓜采摘机器人系统经第三方检测，其技术指标如表1所示。实验结果表明黄瓜采摘机器人视觉系统定位最大误差为-7 mm，X轴和Y轴定位误差均在±2 mm范围内，该误差远小于果实直径及末端执行器手指开度，可满足采摘需求。
表1 黄瓜采摘机器人技术参数
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