采摘機(jī)器人簡介機(jī)械設(shè)計(jì)及理論140710553目錄1摘要3國內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展2果樹采摘機(jī)器人的特點(diǎn)4采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成5果蔬采摘機(jī)器人的主要問題和關(guān)鍵技術(shù)6參考文獻(xiàn)1采摘機(jī)器人的特點(diǎn)①作業(yè)對象嬌嫩、形狀復(fù)雜且個體狀況之間的差異性大，需要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制；②采摘對象具有隨機(jī)分布性，大多被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機(jī)器人視覺定位難度，使得采摘速度和成功率降低，同時(shí)對機(jī)械手的避障提出了更高的要求；③采摘機(jī)器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下，環(huán)境條件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化，環(huán)境信息完全是未知的、開放的，要求機(jī)器人在視覺、知識推理和判斷等方面有相當(dāng)高的智能；④采摘對象是有生命的、脆弱的生物體，要求在采摘過程中對果實(shí)無任何損傷，從而需要機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性；⑤高智能導(dǎo)致高成本，農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者無法接受，并且采摘機(jī)器人的使用具有短時(shí)間、季節(jié)性、利用率不高的缺點(diǎn)，是限制采摘機(jī)器人推廣使用的重要因素；⑥果蔬采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識的工程師，因此要求果蔬采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡單、界面友好的特點(diǎn)。2國內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展工業(yè)機(jī)器人技術(shù)計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)人工智能機(jī)械震搖式氣動震搖式傳統(tǒng)采摘機(jī)器人類型現(xiàn)今主要依靠的技術(shù)目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙等國都展開了果蔬收獲機(jī)器人方面的研究工作。涉及到的研究對象主要有甜橙、蘋果、西紅柿、櫻桃西紅柿、蘆筍、黃瓜、甜瓜、葡萄、甘藍(lán)、菊花、草莓、蘑菇等，但這些收獲機(jī)器人目前都還沒能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。西紅柿采摘機(jī)器人圖1

西紅柿采摘機(jī)器人Fig.2Tomatoharvestingrobo日本Kondo-N等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人由機(jī)械手末端執(zhí)行器視覺傳感器和移動機(jī)構(gòu)等組成如圖1所示西紅柿各個果實(shí)不一定是同時(shí)成熟并且果實(shí)有時(shí)被葉莖擋住收獲時(shí)要求機(jī)械手活動范圍大且能避開障礙物所以機(jī)器人的采摘機(jī)械手采用7自由度的SCORBOTER工業(yè)機(jī)器人，采摘時(shí)移動機(jī)構(gòu)行走一定距離后就進(jìn)行圖像采集利用視覺系統(tǒng)檢測出果實(shí)相對機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi)若可以收獲則控制機(jī)械手靠近并摘取果實(shí)吸盤把果實(shí)吸住后機(jī)械手指抓住果實(shí)然后通過機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。彩色攝像機(jī)識別雙目視覺方法定位四輪機(jī)構(gòu)行走3采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成移動機(jī)構(gòu)機(jī)械手末端執(zhí)行器識別和定位系統(tǒng)采摘機(jī)器人3．1移動機(jī)構(gòu)車輪式履帶式人形結(jié)構(gòu)車輪式應(yīng)用最廣泛。車輪式的行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑小、轉(zhuǎn)向靈活，但輪式的結(jié)構(gòu)對于松軟的地面適應(yīng)性較差，會影響機(jī)械手的運(yùn)動精度。而履帶式的行走機(jī)構(gòu)對地面的適應(yīng)性較好；但由于其轉(zhuǎn)彎半徑過大，轉(zhuǎn)向不靈活。目對于西瓜等作物的藤莖在地面上的果實(shí)，使用上述兩種行走裝置顯然不適合。移動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要保證機(jī)器人運(yùn)動平穩(wěn)和靈活避障。荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機(jī)器人以鋪設(shè)于溫室內(nèi)的加熱管道作為小車的行走軌道。日本等嘗試將人形機(jī)器人引入到移動式采摘機(jī)器人中；但這種技術(shù)目前還不成熟，有待進(jìn)一步的研制開發(fā)。采用智能導(dǎo)航技術(shù)的無人駕駛自主式小車是智能采摘機(jī)器人行走部分的發(fā)展趨勢。車輪式西紅柿履帶式葡萄3．2機(jī)械手機(jī)械手又稱操作機(jī)，是指具有和人手臂相似的動作功能，并使工作對象能在空間內(nèi)移動的機(jī)械裝置，是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在收獲機(jī)器人中，機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置，直角坐標(biāo)圓柱坐標(biāo)極坐標(biāo)球坐標(biāo)多關(guān)節(jié)（類人）其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個目標(biāo)果實(shí)。相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一，它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動靈活性和控制的復(fù)雜性。果蔬采摘機(jī)器人往往工作于非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中，工作對象常常是隨機(jī)分布的，因此在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮采用最合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。機(jī)器人類型工作空間機(jī)械臂數(shù)量機(jī)器人結(jié)構(gòu)方式機(jī)械臂越多，機(jī)構(gòu)越靈活，但控制也越復(fù)雜，消耗的時(shí)間也越多。必須在系統(tǒng)數(shù)量和性能之間進(jìn)行平衡串聯(lián)式、并聯(lián)式為了設(shè)計(jì)出最合適的操作手機(jī)構(gòu)，還必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究，同時(shí)還要考慮其運(yùn)動平衡性能，綜合優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能靈巧無碰撞地完成采摘任務(wù)。評價(jià)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)工作空間可操作度位置多樣性冗余度3．3識別和定位系統(tǒng)采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作方式由于環(huán)境的復(fù)雜性，有時(shí)需要利用多傳感器多信息融合技術(shù)來增強(qiáng)環(huán)境的感知識別能力并利用瓜果的形狀來識別和定位果實(shí)。目前的采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)在環(huán)境比較規(guī)則的情況下能取得比較好的效果，但在自然環(huán)境下的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步的研究。這需要研究出有效、快速的算法，將果實(shí)分辨出來。在目前這種技術(shù)還不是很成熟的情況下，可采用人工輔助選擇目標(biāo)和定位。獲取水果的數(shù)字化圖像運(yùn)用圖像處理算法識別確定圖像中水果的位置采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)的工作方式:果實(shí)的識別和定位是果實(shí)采摘機(jī)器人的首要任務(wù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)，識別和定位的準(zhǔn)確性關(guān)系到采摘機(jī)器人工作效率。3．4末端執(zhí)行器數(shù)量形狀尺寸動力學(xué)特性水果的化學(xué)和生物特性末端執(zhí)行器是果蔬收獲機(jī)器人的另一重要部件，通常由其直接對目標(biāo)水果進(jìn)行操作。因此，需要滿足各種不同的規(guī)則，以便切除水果并確保水果質(zhì)量。末端執(zhí)行器的基本結(jié)構(gòu)取決于工作對象的特性以及工作方式。手指的數(shù)量和形狀的設(shè)計(jì)與所要采摘的果實(shí)密切相關(guān)。一般而言，手指的數(shù)量越多，采摘效果越好，但控制也越復(fù)雜如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等物理屬性：抓取范圍水果分離率水果損傷率水果損傷率采摘的靈活性速率末端執(zhí)行器的性能評估指標(biāo)：旋轉(zhuǎn)擰取機(jī)械切除激光切割高壓水噴切雙電極切割法美國俄亥俄州立大學(xué)開發(fā)了一種由四手指機(jī)械手和一個機(jī)械手控制器組成的末端執(zhí)行系統(tǒng)，能夠很好地抓持和采摘果實(shí)，靈活輕巧，采摘成功率有明顯的提高。傳統(tǒng)采摘方法：現(xiàn)代采摘方法：4果蔬采摘機(jī)器人的主要問題和關(guān)鍵技術(shù)4．1研究中的問題①果實(shí)的識別率不高

或識別后定位精度不高。②果實(shí)的損傷率較大。

④采摘機(jī)器人的制造成本較高，設(shè)備利用率低，使用維護(hù)不方便。③果實(shí)的平均采摘周期較長。存在的問題4．2研究中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本開發(fā)智能化的圖像處理算法采用主動光源的多維視覺系統(tǒng)多傳感器信息融合4．2．1智能化的果實(shí)識別和定位4．2．2機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)擊添加文本點(diǎn)擊添加文本通用性和靈活性強(qiáng)系統(tǒng)簡單、成本低、可控性好、易于操作和維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)果蔬的無損采摘機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)七自由度番茄采摘機(jī)械手此機(jī)械手在工作空間、可操作度、靈活性、避障等性能指標(biāo)方面具有優(yōu)越性。機(jī)械手端部對基坐標(biāo)系坐標(biāo)變換公式：T7=A1A2A3A4A5A6A7番茄采摘機(jī)械手D-H坐標(biāo)參數(shù)其中ai為連桿長度，αi為連桿扭角，di為兩連桿距離，θi為兩連桿夾角。位姿矩陣的通用公式為：

番茄采摘機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的位姿矩陣

綜上可得出等式：對應(yīng)每一個元素的計(jì)算式為：4．2．3路徑規(guī)劃和運(yùn)動控制技術(shù)與一般工業(yè)機(jī)器人不同之處在于，采摘機(jī)器人在工作時(shí)環(huán)境復(fù)雜，并且需要在運(yùn)動過程中，實(shí)時(shí)探測和判斷目標(biāo)水果，根據(jù)要求采摘水果。為了盡可能有效而且可靠地達(dá)到目標(biāo)位置，機(jī)器人應(yīng)能根據(jù)環(huán)境模型和目標(biāo)位置確定自身的行走路徑。采摘機(jī)器人在運(yùn)動過程中，其數(shù)據(jù)處理量相當(dāng)大，對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高。同時(shí)，由于作物果實(shí)是隨機(jī)分布的，為了靈活地接近果實(shí)，提高其采摘的效率，收獲機(jī)器人往往存在冗余自由度，這對機(jī)器人的軌跡規(guī)劃、運(yùn)動控制、避障行走等方面都提出了更復(fù)雜、更嚴(yán)格的要求。因此，必須研究開發(fā)出自適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好和路徑算法最優(yōu)的智能化機(jī)器人。4．2．4開放式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)這兩種實(shí)現(xiàn)方式都是封閉式的結(jié)構(gòu)，使得采摘機(jī)器人只能具有特定的功能，適應(yīng)于特定的環(huán)境，通用性差，不便于對系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展和改進(jìn)。開放式結(jié)構(gòu)的果蔬采摘機(jī)器人具有良好的擴(kuò)展性、通用性和柔性作業(yè)的能力。通過更換不同自由度的機(jī)械部分適應(yīng)不同類型的農(nóng)作物，而且更換不同的末端執(zhí)行器可以進(jìn)行不同的操作。工業(yè)機(jī)器人獨(dú)立設(shè)計(jì)的專用機(jī)電系統(tǒng)目前已有的果蔬采摘機(jī)器人一般采用兩種實(shí)現(xiàn)方式：構(gòu)建開放式的控制系統(tǒng)，在硬件上要為用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的控制平臺以及豐富的外圍接口，而且易于擴(kuò)展，以適應(yīng)不同的機(jī)器人本體。系統(tǒng)的軟件應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)下采用標(biāo)準(zhǔn)的語言開發(fā)，做到可移植，易修改、重構(gòu)及擴(kuò)展，并能提供公開的用戶接口和程序接口。只要更換不同的機(jī)器人機(jī)械部分和末端執(zhí)行器，用該系統(tǒng)可以控制不同的機(jī)器人，這樣在不同的季節(jié)，就能完成不同的作業(yè)，提高了控制系統(tǒng)的利用率，減少了設(shè)備成本。參考文獻(xiàn)[1]趙勻,武傳宇.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,19(1):20-24.[2]孫進(jìn)良，劉師多，丁慧玲．我國玉米收獲機(jī)械化的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2011，31(3)：217—219．[3]沈明霞.，姬長英..農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)背景及技術(shù)動向[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（5）：31-35.[4]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)器人，2012，27（1）：90-96.[5]蔡自興，機(jī)器人學(xué)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2000:46-50.[6]張道林，孫永進(jìn)，趙洪光，等．立輥式玉米摘穗與莖稈切碎裝置的設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，36(7)：50-52．[7]閏洪余，吳文福，韓峰，等。立輥型玉米收獲機(jī)摘穗輥輥型對工作性能的影響[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，40(5)：76—80．[8]徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（5）：38-42.[9]沈景明，王薇．玉米摘