1、 錯舄 收 錯舄 收-，苧南碑報大庫教案首頁課程名稱 農(nóng)業(yè)機器人任課教師 李玉柱第7章農(nóng)業(yè)機器人組成及分類計劃學時 4教學目的和要求：了解農(nóng)業(yè)機器人的特點；了解農(nóng)業(yè)機器人的組成及分類；了解農(nóng)業(yè)機器人的末端執(zhí)行器的特點；了解機器視覺重點：.農(nóng)業(yè)機器人的組成和分類.農(nóng)業(yè)機器人的特點難點：農(nóng)業(yè)機器人的組成和分類思考題：.農(nóng)業(yè)機器人有何特點，為什么?.農(nóng)業(yè)機器人的組成及分類？第7章農(nóng)業(yè)機器人組成及分類教學主要內(nèi)容：農(nóng)業(yè)機器人的特點農(nóng)業(yè)機器人的分類農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人的基本組成末端執(zhí)行器傳感器及機器視覺移動機構執(zhí)行機構本章主要介紹了農(nóng)業(yè)機器人的特點、分類及組成，農(nóng)業(yè) 機器人的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人的機械

2、手特點及分類；農(nóng)業(yè)機器 人的傳感器、移動機構及執(zhí)行機構。以制造業(yè)為主的工業(yè)機 器人已經(jīng)相當普及，而將機器人技術應用于生物農(nóng)業(yè)領域正 方興未艾，農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展緩慢的主要原因在于其工作對象 的形狀比較復雜，生物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴于季節(jié)和自然環(huán)境 的變化，人們期待著機器人在這一領域的廣泛應用，以實現(xiàn) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化。農(nóng)業(yè)機器人的特點農(nóng)業(yè)機器人沒有統(tǒng)一的定義，一般認為可以服務農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)的機器人、自動化機器人或智能化機器都可以稱作農(nóng)業(yè)機 器人。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域中，很多機器系統(tǒng)都沒有操縱器，例 春品Wf川如，無人駕駛拖拉機、聯(lián)合收割機和自驅(qū)機器等，它們在傳 感系統(tǒng)控制下可以再田間自動行走。同樣，在植物

3、工廠內(nèi)， 播種、間苗、施肥、收獲和包裝的自動化機器人系統(tǒng)都沒有 操縱器。還有，許多拖拉機、干燥機和碾米機在一定的智能 水平下都可以實現(xiàn)全自動作業(yè)。這些機器系統(tǒng)擁有或沒有操 縱器，都可以再它們自身的傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的控制下實 現(xiàn)自身控制，進而可以由于與人相似的知覺和智能。本教材 中所指機器人為廣義的機器人，即包括大多數(shù)智能機器系 統(tǒng)。發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人的必要性農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)遠比工業(yè)生產(chǎn)復雜，并且世界各國農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)逐步向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)邁進，農(nóng)業(yè)機械化水平越來越高，農(nóng)業(yè) 裝備逐步從人和機器調(diào)節(jié)向自動控制方向發(fā)展，即向無人 化、智能化的機器人邁進，其原因是：盡管有許多農(nóng)業(yè)作業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了機械化，但仍有許多危險的

4、、勞動強度大的 和單調(diào)乏味的工作不適合人去做，需要一定的與人一樣智能 去完成，如噴藥作業(yè)。在許多國家農(nóng)業(yè)勞動力正在以驚人 的速度減少，這就意味著不久的將來，農(nóng)業(yè)青壯勞力資源正 在不斷下降。農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，特別是具有專家知識的 能夠完成一些農(nóng)業(yè)的專門工作。 要使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)持續(xù)下去， 農(nóng)村勞動力的匱乏勢必導致勞動力成本的提高，急需大量的 農(nóng)業(yè)機械或自動機械參與到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。農(nóng)產(chǎn)品的評價 目前主要依賴于人工，但人工評價的穩(wěn)定性和一致性是不可 靠的，勢必需要由機器人來解決問題。農(nóng)業(yè)機器人的特點一般來講，工業(yè)機器人處理對象的物理特性是靜止的物 體，而農(nóng)業(yè)機器人要能夠處理正在生長的生物物體。生長中 的植物

5、和動物都是動態(tài)的，這就要求農(nóng)業(yè)機器人能夠適應工 作對象明顯變化的特性。要使農(nóng)業(yè)機器人能夠生物主體的特性，其構造和特性就 要與工業(yè)機器人不同。首先，生物主體是多變和多樣的，因 此農(nóng)業(yè)機器人在處理主體時必須具有靈活性和多面性。在大 部分情況下，當末端執(zhí)行器與主體對象相接觸時，需要進行 柔性處理。第二，農(nóng)業(yè)機器人要有一定水平的智能來辨別周 圍的情況。第三，機器人要適應在無結構、條件惡劣的變化 環(huán)境中工作。農(nóng)業(yè)機器人要與人工操作者或農(nóng)民進行合作， 需要一定的保護措施。最后，機器人要被農(nóng)民接受，要簡化 與人工操作者之間的對話，投入的資金也要合理。農(nóng)業(yè)機器人的工作對象事實上，植物、動物和農(nóng)產(chǎn)品的形態(tài)是無限

6、的，每年都 有新的品種出現(xiàn)。這些都需要開發(fā)相應的感應機構來滿足需要。生物對象的特性可以用多種方法描述，基本特性包括大小、形狀、質(zhì)量、密度和表面組織，在開發(fā)農(nóng)業(yè)機器人時通春品Wf川 錯舄 收常作為首選目標。工作對象的動態(tài)特性對于確定機器人的工作過程及其在作業(yè)中的運動，以減少對對象的負面影響都非常重要。工作對象也存在光學特性。工作對象的聲音和振動特性。工作對象的生物感覺。農(nóng)業(yè)機器人的分類f蔬菜嫁接機器人花卉插枝機器人設施農(nóng)業(yè)機器人（蔬菜收獲機器人（番茄/黃瓜/茄子）水果收獲機器人（草莓/蘋果/橘子）植物工廠機器人（育苗/移栽/收獲）廣大田播種機器人（播種、插秧）大田生產(chǎn)機器人 , 大田收獲機器人（

7、谷物/西瓜/甘藍）1大田植保機器人（施肥/噴藥/除草）產(chǎn)肉類加工機器人農(nóng)產(chǎn)品加工機器人 , 擠奶機器人剪羊毛機器人農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展農(nóng)業(yè)機器人未來的發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：.農(nóng)業(yè)機器人能節(jié)約和替代勞動力.農(nóng)業(yè)機器人能擴大人類的能力.農(nóng)業(yè)機器人能產(chǎn)生新的生產(chǎn)系統(tǒng).農(nóng)業(yè)機器人能提高作業(yè)效率和作業(yè)精度5農(nóng)業(yè)機器人能提高對環(huán)境的適應性6.農(nóng)業(yè)機器人能減輕作業(yè)強度7.4農(nóng)業(yè)機器人的基本組成農(nóng)業(yè)機器人主要包括機械手(manipulator)、末端執(zhí)行 器(end-effector)、傳感器和機器視覺(sensor and machine vision)、移動機構(traveling devices)、控

8、制機構(control devices)和執(zhí)行機構(actuator)等6個部分?？刂葡到y(tǒng)一般 采用計算機、單片機、DSP等，本章不再介紹，只介紹其他 5個部分。7.4節(jié)、7.5節(jié)、7.6節(jié)、7.7節(jié)、7.8節(jié)的主要內(nèi)容前幾章已經(jīng)講過，這里只是復習一下學過的內(nèi)容，弁把農(nóng)業(yè)機器.一-wy dW-W-WV.-JJW.Wum-L -W -WWWMWWWWMWMMWWnMWUWWWWWMWWWWmlWWWWhi人特有的東西再強調(diào)一下。r直角坐標機械手圓柱坐標機械手. 機械手 極坐標機械手多關節(jié)機械手冗余機械手 夾持式手爪多關節(jié)多手指手爪.末端執(zhí)行器 順應手爪磁力吸盤式手爪空氣負壓式吸盤,距離傳感器（超

9、聲波傳感器、PSD）接近傳感器（光學、空氣、靜電容、磁）觸覺傳感器（接觸覺、壓覺、滑覺）外部傳感器 力傳感器（六分力）果實成熟度傳感器（光感、聲感、氣感）機器人導向傳感器（固定、半固定、自由）3.農(nóng)業(yè)機器人傳感器和機器視覺,固定位置和固定角度 （微型開關、光電管） 位置和角度測量 （電位儀、編碼器）I速度和角速度測量（轉(zhuǎn)速儀、可動磁鐵） 內(nèi)部傳感器 加速度的測量 （壓電式、應變片式）傾斜角的測量 （光電式、電解液式）方位角的測量 （陀螺儀、地磁傳感器）z攝像元件攝像機圖像獲取I圖像輸入裝置及處理設備機器視覺CT直動型關節(jié)旋轉(zhuǎn)型關節(jié)圖7.1關節(jié)的符號（一）直角坐標機械手直角坐標機械手由三條相互垂

10、直且做直線運動的軸（三個直動關節(jié)）來確定末端執(zhí)行器的三維位置，5各自由度中的2個是旋轉(zhuǎn)關節(jié)，主要來確定末端執(zhí)行器的姿勢。圖7.2直角坐標機械手圖7.3直角坐標機械手的作業(yè)空間（二）圓柱坐標機械手它是將直角坐標機械手的x與y軸的直動關節(jié)用繞z軸 的旋轉(zhuǎn)關節(jié)用水平方向的直動關節(jié)來代替，其自由度為3個。 與直角坐標機械手相比，在所有關節(jié)長度相同情況下，圓柱坐標機械手后較大的空間/。它的作業(yè)空間是圓柱型的 餐 r 一尸 X總7.4圓柱坐標機械手圖7.7極坐標機械手的作業(yè)空間糖 A（a）俯視圖（b）WSI圖7.5圓柱坐標機械手的作業(yè)空間圖2.6極坐標機械手（三）極坐標機械手當圓柱坐標機械手中的 制動自由

11、度Z被換成旋轉(zhuǎn)自 由度時，就變成了極坐標 機械手。機械手由2個旋轉(zhuǎn) 自由度和1個直動自由度來 確定位置。儲）俯視圖（b）側視圖圖7.10 SCARA機器人（四）多關節(jié)機械手3種相比更接主要由旋轉(zhuǎn)和搖擺兩個自由度構成，與前近人的胳膊，也稱“擬人機械手”。圖7.9多關節(jié)機械手的作業(yè)空間1981年，日本研制成功了 SCAR, 機器人，也是多關節(jié)機械手，它適 合在水平盤上作業(yè)，如秧苗處理和 穴盤作業(yè)。圖7.13冗余空間和姿勢多樣性 喈舄 卬川圖7.11 SCARA的作業(yè)空間（五）冗余機械手它的定義為：自由度超過7個的機械手。人的胳膊就屬于冗余自由度的手肩肘圖7.12人胳膊的結構7.5.2機械手機構的評

12、價（一）作業(yè)空間機械手的自由端在空間可移動的范圍叫做作業(yè)空間，機 器人要處理的作業(yè)對象必須在這個空間內(nèi)。所以比較不同大 大小或關節(jié)類型的機械手時，通常采用正規(guī)化體積指標Vn來衡量。Vn V/（4 L3/3）（7-1）（二）可操作度1中 舄 苗/ .對于機械手來講，不用移動單個點，就可以在作業(yè)空間內(nèi)非常容易的從一點到另一點移動末端執(zhí)行器。這種能力可 以用可操作度進行數(shù)量化評價。它的定義：在一個有n個自由度的機械手中(圖2.13 ),其末端的位置和方向的向量r, 可以用一個向量q來給出。并且：r=f (q)(7-2)(三)冗余空間和姿勢多樣性對于冗余機械手而言，即使其基點和末端都是固定的， 機械手

13、的中間點也可以達到預定的位置，該位置所形成的空 間叫冗余空間。將手爪直接接近工作對象的角度定義為姿勢 的多樣性，單位用度來表示。機械手的姿勢多樣性大，機械 手就可以從不同的角度接近對象。冗余空間臂品川養(yǎng)品印9川（四）障礙物回避空間圖2.19是2個自由度的機械手，當其繞基點旋轉(zhuǎn)并保 持這個姿勢時，機械手就能夠避開障礙物。這樣由機械手的 上臂、下臂和橫坐標組成的面積就叫做障礙物回避空間，用 人 士一八liLsinq?A）表木OA0（五）機械手的末端定位精度一般來講，自由度越大，桿件越長，機械手的定位精度 越低，定位精度取決于機械誤差、間隙、公差和控制關節(jié)的 伺服電機的誤差。精確度 A表示為：Ac

14、（aD/1000）式中： 為機構固有的誤差或公差；a為移動距離成比例的 誤差系數(shù)；D為機械手移動的距離。7.4.3農(nóng)業(yè)機器人機械手（一）作物培養(yǎng)系統(tǒng)作物在經(jīng)過了培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)后，更適合機器人進行作業(yè)，繼而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。（二）生長在垂直平面上的果實類蔬菜.番茄AB圖7.15 A番茄的葉序，B單串生長的番茄系統(tǒng)星梗逢接點圖7.16果實朝向壟溝方向圖7.17 一個番茄果實的關節(jié)采用機械手收獲番茄，需要一種能垂直向上能有效運動 的機構，并且有多個自由度的機械手來避開障礙物。此處給 出圖7.18-7.21四種機械手，A型是五自由度多關節(jié)機械手，；B型是六自由度多關節(jié)機械手；C型是包括一個直動關節(jié)

15、的 六自由度機械手；D型是包括2個直動關節(jié)的七自由度機械嘴舄川.黃瓜為了方便黃瓜收獲，將葉子和果實分到兩側。如圖 7.22所示。圖7.22 C黃瓜的培養(yǎng)系統(tǒng)圖7.23黃瓜的傾斜格子架培養(yǎng)系統(tǒng)嘴舄Wf川（三）呈球形的果樹（四）生長在格子架上的果樹圖7.26葡萄的培養(yǎng)系統(tǒng)（五）地面生長的蔬菜（六）其他對象7.5.2末端執(zhí)行器機器人的末端執(zhí)行器是按裝在機械手前端并直線與對 象接觸的部分，它通常由手指、傳動機構和驅(qū)動機構組成, 根據(jù)抓取對象和工作條件進行設計。手爪按夾持原理課分為手指式和吸盤式。.嘴舄 廠-外夾式一按央持方法一內(nèi)押式I內(nèi)外夾持式手指式一一回轉(zhuǎn)型按運動形式平動型平移型二指式按手指數(shù)量T_

16、宗指土吸盤式按美節(jié)觸景技吸力方式單美節(jié)多關節(jié)一真空式噴氣式擠氣式磁力吸盤TZ猛鬣（一）夾持式手爪圖7.27回轉(zhuǎn)型手爪傳動機構圖7.28平動型手爪傳動機構圖7.29平移型手爪傳動機構嘴舄Wf（二）多關節(jié)多手指手爪圖7.30多關節(jié)多手指手爪（三順應手爪圖7.31裝配用被動順應手爪（四）磁力吸盤式手爪（五）空氣負壓式吸盤圖7.34 PSD測距原理7.6傳感器和機器人視覺傳感器（一）外部傳感器.測距傳感器期動電路計算距高傳輸信義圖7.32超聲波測距原理輸入，輸出點接收信號H對傳瘠器超聲波裝置圖7.33用超聲波傳感器測量植物.PSD位置檢測元件步進電機I步進電機2圖7.35 PSD掃描式距離傳感器2,接

17、近覺傳感器支it電圖7.36光學式接近覺傳感器圖7.37光電中斷器檢浦距國r泅成用申.貓板/校正同電松版圖7.38空氣流動式接近傳感器圖7.39靜電容式接近傳感器還有磁力接近傳感器等。圖7.43力傳感器3.觸覺傳感器圖7.40典型的接觸傳感器圖7.41導電橡膠式壓覺傳感器4.力傳感器嘴舄Wf（二）內(nèi)部傳感器1.固定位置和固定角度的檢測物體匕一乎G極制型反射型T：發(fā)射器 R，接收概T穿屈光柱型圖7.44 3種類型的光電傳感器2.位置和角度的測量電位儀、編碼器、分相器用于檢測位置和角度。?。┗剞D(zhuǎn)型O圖7.45電位儀的等效電路圖.速度和角度的測量圖7.46測速電動機圖7.47可動磁鐵速度傳感器臂舄

18、-圖7.51地磁傳感器.加速度的測量圖7.48壓電加速度傳感器圖7.49應變片加速度傳感器.傾斜角的測量7光電二極管圖7.50光電式傾斜角傳感器5.方位角測量臂舄卬丁川圖7.53通過兩眼立體視計算果實位置圖7.54對象物的方向和目標角度（反饋）7.6.2機器視覺（一）圖像的獲取包括：攝像元件、攝像機、圖像輸入裝置及處理設備、 全套照明設備。（a）匚攝像機(b)圖7.52計算機視覺系統(tǒng)的流程框圖（二）對象物的檢測1.兩眼的立體視臂舄 -圖7.57自我方向修正機構示意圖移動機構輪式移動機構陰輪轉(zhuǎn)向四輪并進四輪轉(zhuǎn)向原地轉(zhuǎn)向圖7.55四輪轉(zhuǎn)向車輛的轉(zhuǎn)向模式電貓傳照器轉(zhuǎn)向桿圖7.56溫室內(nèi)自行行走的電瓶車圖7.60單軌移動系統(tǒng)履帶式行走機構7.7.3圖7.58履帶的結構購輪支承輪導向輪K R Aiii-li 1 Lrl 11.11J=血_(a)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)向(b)軸心轉(zhuǎn)向圖7.59履帶機構的轉(zhuǎn)向方式軌道式移動系統(tǒng)簫品卬丁川圖7.62 HBM-1的結構龍門式移動機構履帶輪圖7.60寬幅車輛電機前出電”作業(yè)機圖7.61軌道式龍門機構腿式移