采摘機器人簡介

1、第 卷 機械設(shè)計及理論學科前沿講座 Vol.2014年 Mechanical design and theory Frontiers 2014 1 采摘機器人簡介張晨光（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院 哈爾濱 150030）摘要：隨著新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 農(nóng)業(yè)機器人將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主力軍。采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要類型具有很大的發(fā)展?jié)摿Α榇?，在分析采摘機器人特點的基礎(chǔ)上，通過對幾種典型的采摘機器人的開發(fā)與應(yīng)用介紹，分析了國內(nèi)外采摘機器人的研究進展與現(xiàn)狀，找出采摘機器人發(fā)展中存在的主要問題并提出相應(yīng)的解決途徑，指出人機協(xié)作思想和開放式結(jié)構(gòu)思想應(yīng)用于采摘機器人的研究具有實際應(yīng)

2、用價值。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程 采摘機器人 綜述 人機協(xié)作 開放式結(jié)構(gòu)中圖分類號 文獻標識碼 文章編號80引言隨著電子計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣，農(nóng)業(yè)機器人已逐步進入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并將促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強、勞動強度大、作業(yè)要求高的一個重要環(huán)節(jié)，研究和開發(fā)果蔬采摘的智能機器人技術(shù)對于解放勞動力、提高勞動生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長的實時性要求等方面都有著重要的意義。1果樹采摘機器人的特點工業(yè)領(lǐng)域是機器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，目前已經(jīng)得到了相當成熟的應(yīng)用；而采摘機器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化

3、的復雜環(huán)境下，作業(yè)對象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機器人相比，采摘機器人具有以下的特點：作業(yè)對象嬌嫩、形狀復雜且個體狀況之間的差異性大，需要從機器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制；采摘對象具有隨機分布性，大多被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機器人視覺定位難度，使得采摘速度和成功率降低，同時對機械手的避障提出了更高的要求；采摘機器人工作在非結(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，要求機器人在視覺、知識推理和判斷等方面有相當高的智能；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無任何損傷，從而需要機器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈

4、巧性；高智能導致高成本，農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營者無法接受，并且采摘機器人的使用具有短時間、季節(jié)性、利用率不高的缺點，是限制采摘機器人推廣使用的重要因素；果蔬采摘機器人的操作者是農(nóng)民，不是具有機電知識的工程師，因此要求果蔬采摘機器人必須具有高可靠性和操作簡單、界面友好的特點。2 國內(nèi)外采摘機器人的研究進展果蔬采摘機器人的研究開始于20世紀60年代的美國(1968年)，采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式。其缺點是果實易損、效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲，在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后，隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技

5、術(shù)的日益成熟，采摘機器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。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、菊花、草莓、蘑菇等，但這些收獲機器人目前都還沒能真正實現(xiàn)商業(yè)化。日本Kondo-N等人研制的西紅柿收獲機器人由機械手末端執(zhí)行器視覺傳感器和移動機構(gòu)等組成。如圖2所示，西紅柿各個果實不一定是同時成熟并且果實有時被葉莖擋住，收獲時要求機械手活動范圍大且能避開障礙物，所以機器人的采摘機械手采用7自由度的 SCORBOT ER 工業(yè)機器人能夠形成指定的采摘姿態(tài)進行

6、采摘。用彩色攝像機作為視覺傳感器來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位，移動機構(gòu)采用4輪結(jié)構(gòu)能在壟間自動行走采摘時移動機構(gòu)，行走一定距離后就進行圖像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi)，若可以收獲，則控制機械手靠近并摘取果實吸盤把果實吸住后，機械手指抓住果實，然后通過機械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實。圖2 西紅柿采摘機器人Fig.2 Tomato harvesting robo我國在農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的研究相對開始較晚，但發(fā)展速度較快，近年來也有了許多研究成果。中國農(nóng)業(yè)大學劉兆祥、劉剛等人在蘋果采摘機器人三維視覺傳感器設(shè)計方面的研究；張建鋒、何

7、東健、張志勇等對于采摘機器人自適應(yīng)魯棒跟蹤控制算法設(shè)計；江蘇大學蔡健榮等通過恢復障礙物的三維信息，對于柑橘采摘機器人障礙物識別技術(shù)的研究；南京農(nóng)業(yè)大學工學院王學林和姬長英對力外環(huán)控制的果蔬抓取技術(shù)的研究。3采摘機器人的結(jié)構(gòu)組成目前的果蔬采摘機器人一般可分為移動機構(gòu)、機械手、識別和定位系統(tǒng)、末端執(zhí)行器等四大部分。31移動機構(gòu)因為果實生長的植株是固定的且存在空間的隨機分布性，所以機器人在采摘果實時需要主動接近并準確定位目標，這就要求機器人有自己的移動機構(gòu)。移動式采摘機器人的行走機構(gòu)有車輪式、履帶式和人形結(jié)構(gòu)。其中，車輪式應(yīng)用最廣泛。車輪式的行走機構(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

8、應(yīng)性較差，會影響機械手的運動精度。一般番茄采摘機器人會使用輪式行走機構(gòu)。而履帶式的行走機構(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。目前，只有葡萄采摘機器人使用履帶式行走機構(gòu)。對于西瓜等作物的藤莖在地面上的果實，使用上述兩種行走裝置顯然不適合。移動機構(gòu)的設(shè)計必須要保證機器人運動平穩(wěn)和靈活避障。荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機器人以鋪設(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器人引入到移動式采摘機器人中M1；但這種技術(shù)目前還不成熟，有待進一步的研制開發(fā)。采用智能導航技術(shù)的無人駕駛自主式小車是智能采摘機器人行走部分的發(fā)展趨勢。32機械手機械手又稱操作機，是指具有和人手臂相似的動作功

9、能，并使工作對象能在空間內(nèi)移動的機械裝置，是機器人賴以完成工作任務(wù)的實體。在收獲機器人中，機械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標果實所處的位置，其工作空間要求機器人能夠達到任何一個目標果實。機械手一般可分為直角坐標、圓柱坐標、極坐標、球坐標和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機械手又稱為擬人(類人)機器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機械手的自由度是衡量機器人性能的重要指標之一，它直接決定了機器人的運動靈活性和控制的復雜性。果蔬采摘機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分布的，因此在機械手的設(shè)計過程中，必須考慮采用最合理的設(shè)計參數(shù)，包括機器人類型、工作空間、機械臂

10、數(shù)量(機械臂越多，機構(gòu)越靈活，但控制也越復雜，消耗的時間也越多。因此，必須在系統(tǒng)數(shù)量和性能之間進行平衡)以及機器人結(jié)構(gòu)方式(串聯(lián)式、并聯(lián)式)等。評價機械手的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)主要有工作空間、可操作度、位置多樣性和冗余度等。為了設(shè)計出最合適的操作手機構(gòu)，還必須進行機構(gòu)的運動學和動力學研究，同時還要考慮其運動平衡性能，綜合優(yōu)化算法設(shè)計，使機器人能靈巧無碰撞地完成采摘任務(wù)。33識別和定位系統(tǒng)果實的識別和定位是果實采摘機器人的首要任務(wù)和設(shè)計難點，識別和定位的準確性關(guān)系到采摘機器人工作效率。采摘機器人視覺系統(tǒng)的工作方式：首先獲取水果的數(shù)字化圖像，然后再運用圖像處理算法識別并確定圖像中水果的位置。由于環(huán)境的復雜

11、性，有時需要利用多傳感器多信息融合技術(shù)來增強環(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。目前的采摘機器人視覺系統(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)用仍需要進一步的研究。這需要研究出有效、快速的算法，將果實分辨出來。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和定位。34末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器是果蔬收獲機器人的另一重要部件，通常由其直接對目標水果進行操作。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。末端執(zhí)行器必須根據(jù)對象的物理屬性來設(shè)計，包括數(shù)量形狀(手指的數(shù)量和形狀的設(shè)計與所要采摘

12、的果實密切相關(guān)。一般而言，手指的數(shù)量越多，采摘效果越好，但控制也越復雜。所以，在設(shè)計時，應(yīng)該在手指的數(shù)量、控制的難度及抓取的成功率上找到平衡點)、尺寸和動力學特性(如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等)，水果的化學和生物特性也必須考慮。末端執(zhí)行器的性能評估指標應(yīng)包括：抓取范圍、水果分離率、水果損傷率、采摘的靈活性以及速率等。傳統(tǒng)的末端執(zhí)行器主要采用旋轉(zhuǎn)擰取或機械切除方法將果實從植株上脫離，其性能一般較差，對果實和植株都有一定的損傷。目前，還出現(xiàn)了激光切割、高壓水噴切等新的水果分離技術(shù)。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所在研究黃瓜收獲機器人時，發(fā)明了一種新的雙電極切割法，利用電極產(chǎn)生的高溫

13、切除果實。該方法不僅易于采摘果實，而且可以防止植物組織細胞細菌感染，還可以減少果實水分損失，減慢果實熟化程度。美國俄亥俄州立大學開發(fā)了一種由四手指機械手和一個機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，靈活輕巧，采摘成功率有明顯的提高。4果蔬采摘機器人的主要問題和關(guān)鍵技術(shù)41研究中的問題雖然果蔬收獲機器人的研究已經(jīng)取得了很大的進展，但離實用化和商品化還有很長一段距離。目前，采摘機器人研究領(lǐng)域主要存在以下幾個問題：果實的識別率不高或識別后定位精度不高。目前，識別果實和確定果實位置主要采用灰度閾值、顏色色度法和幾何形狀特性等方法。果實的損傷率較大。果實的平均采摘周期較長。目前的果實收

14、獲機器人由于視覺、結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)等原因，大多數(shù)采摘機器人的效率不高。采摘機器人的制造成本較高，設(shè)備利用率低，使用維護不方便。42研究中的關(guān)鍵技術(shù)421智能化的果實識別和定位1)開發(fā)智能化的圖像處理算法。開發(fā)智能化的圖像處理算法，以消除干擾，提高分辨率。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種高度并行的分布式系統(tǒng)，應(yīng)用模糊理論指導學習，是在無監(jiān)督情況下具有自適應(yīng)性與自學習能力，能將采集到的信息加以存儲建立起數(shù)據(jù)庫，以對圖像進行智能化處理。另外，小波變換具有良好的時頻局部化分析特征，能同時給出圖像信號的時域和頻域信息，能有效檢測圖像的邊緣，抑制噪聲干擾，快速、精確地提取圖像邊緣信息，應(yīng)用前景較好。2)采用主動光源的多維

15、視覺系統(tǒng)。為改善自然環(huán)境的干擾，精確定位果實位置，可考慮采用多維視覺系統(tǒng)，并根據(jù)圖像采集的需要配備激光掃描器，也可自行發(fā)射出具有特定特征的光線，在一定程度上改善圖像質(zhì)量。3)多傳感器信息融合。果蔬采摘機器人作為智能機器人的一種，工作在復雜多變的環(huán)境中，需要在移動過程中檢測出水果，因此還需要利用多傳感器多信息融合技術(shù)來增強環(huán)境的感知識別能力。通過視覺傳感器與非視覺傳感器(觸覺傳感器、力覺傳感器和避障傳感器等)的優(yōu)勢互補，機器視覺系統(tǒng)與激光測距系統(tǒng)相結(jié)合，可以大大提高采摘機器人的感知功能。近些年來，多傳感器信息融合技術(shù)已成為智能機器人的關(guān)鍵技術(shù)，得到了普遍的關(guān)注和廣泛的應(yīng)用，并引入到了農(nóng)業(yè)機器人中

16、，取得了顯著的成果。因而，開發(fā)新型傳感器或按照一定融合策略構(gòu)造傳感器陣列，以彌補單個缺陷，以及提出新的融合方法來提高傳感器的靈敏度和反應(yīng)度以完善探測結(jié)果，都是重要的研究方向。422機械本體的優(yōu)化設(shè)計機械結(jié)構(gòu)直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性。理想的果蔬采摘機器人應(yīng)具備以下特點：通用性和靈活性強，無需更換或只需很少的調(diào)整就可以抓取不同類型的果蔬；系統(tǒng)簡單、成本低、可控性好、易于操作和維護；可以實現(xiàn)果蔬的無損采摘。當前，大部分的采摘機器人借用的工業(yè)機械手，體積較大，成本高。在滿足機器人性能的前提下，針對采摘作業(yè)對象的特點，設(shè)計簡單、緊湊、輕巧，采摘無損高效的機械手，是必須解決的問題，現(xiàn)代機械

17、設(shè)計理論和方法也使問題的解決成為可能。例如，采用三維實體造型技術(shù)、虛擬樣機技術(shù)和優(yōu)化理論等可以大大縮短設(shè)計周期，而且可以進行機構(gòu)的運動學和動力學仿真，優(yōu)化機器人結(jié)構(gòu)。目前，在果蔬機械采摘過程中，迫切要求農(nóng)業(yè)機器人能實現(xiàn)一些果蔬抓持和操作的穩(wěn)定性，具有力閉環(huán)控制的抓取手或采摘機構(gòu)將成為解決問題的途徑。此機械手在工作空間、可操作度、靈活性、避障等性能指標方面具有優(yōu)越性。機械手端部對基坐標系坐標變換公式：T7= A1A2A3A4A5A6A7番茄采摘機械手D-H坐標參數(shù)位姿矩陣的通用公式為：番茄采摘機械手各個關(guān)節(jié)的位姿矩陣綜上可得出等式：對應(yīng)每一個元素的計算式為：423路徑規(guī)劃和運動控制技術(shù)與一般工業(yè)

18、機器人不同之處在于，采摘機器人在工作時環(huán)境復雜，并且需要在運動過程中，實時探測和判斷目標水果，根據(jù)要求采摘水果。為了盡可能有效而且可靠地達到目標位置，機器人應(yīng)能根據(jù)環(huán)境模型和目標位置確定自身的行走路徑。采摘機器人在運動過程中，其數(shù)據(jù)處理量相當大，對控制系統(tǒng)的實時性要求高。同時，由于作物果實是隨機分布的，為了靈活地接近果實，提高其采摘的效率，收獲機器人往往存在冗余自由度，這對機器人的軌跡規(guī)劃、運動控制、避障行走等方面都提出了更復雜、更嚴格的要求。因此，必須研究開發(fā)出自適應(yīng)性強、魯棒性好和路徑算法最優(yōu)的智能化機器人。424開放式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)目前已有的果蔬采摘機器人一般采用兩種實現(xiàn)方式：工業(yè)機

19、器人和獨立設(shè)計的專用機電系統(tǒng)。這兩種實現(xiàn)方式都是封閉式的結(jié)構(gòu)，使得采摘機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)進行擴展和改進。開放式結(jié)構(gòu)的果蔬采摘機器人具有良好的擴展性、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)行器可以進行不同的操作。構(gòu)建開放式的控制系統(tǒng)，在硬件上要為用戶提供標準的控制平臺以及豐富的外圍接口，而且易于擴展，以適應(yīng)不同的機器人本體。系統(tǒng)的軟件應(yīng)在標準操作系統(tǒng)下采用標準的語言開發(fā)，做到可移植，易修改、重構(gòu)及擴展，并能提供公開的用戶接口和程序接口。只要更換不同的機器人機械部分和末端執(zhí)行器，用該系統(tǒng)可以控制

20、不同的機器人，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1 趙 勻,武傳宇.農(nóng)業(yè)機器人的研究進展及存在的問題J.農(nóng)業(yè)工程學報,2013,19(1):20-24.2孫進良，劉師多，丁慧玲我國玉米收獲機械化的應(yīng)用現(xiàn)狀與展望J農(nóng)機化研究，2011，31(3)：2172193沈明霞.，姬長英.農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術(shù)動向J.農(nóng)機化研究，2010（5）：31-35.4湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述J.機器人，2012，27（1）：90-96.5蔡自興，機器人學M北京：清華大學出版社，2000:46-50.6張道林，孫永進，趙洪光，等立輥式玉米摘穗與莖

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