第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人

1、 生物生產(chǎn)是指利用生物所具有的各種機(jī)能作為生產(chǎn)媒生物生產(chǎn)是指利用生物所具有的各種機(jī)能作為生產(chǎn)媒體，制造出人類生存所必需的食物和其他原料而進(jìn)行的人體，制造出人類生存所必需的食物和其他原料而進(jìn)行的人類活動。它包括植物生產(chǎn)（作物、果樹、數(shù)目、海藻等）、類活動。它包括植物生產(chǎn)（作物、果樹、數(shù)目、海藻等）、動物生產(chǎn)（家禽、魚類、野生或?qū)嶒?yàn)動物等）和微生物生動物生產(chǎn)（家禽、魚類、野生或?qū)嶒?yàn)動物等）和微生物生產(chǎn)。生物生產(chǎn)的要素包括：生物代謝的必要物質(zhì)，如營養(yǎng)、產(chǎn)。生物生產(chǎn)的要素包括：生物代謝的必要物質(zhì)，如營養(yǎng)、空氣、水等；生物生長的必要條件，如溫度、濕度等環(huán)境空氣、水等；生物生長的必要條件，如溫度、濕度等環(huán)

2、境因素；物質(zhì)轉(zhuǎn)移、環(huán)境維持等的必要能量，進(jìn)行生產(chǎn)的必因素；物質(zhì)轉(zhuǎn)移、環(huán)境維持等的必要能量，進(jìn)行生產(chǎn)的必要物資和情報等。要物資和情報等。 生物生產(chǎn)系統(tǒng)是生物生產(chǎn)的各個要素以及它的外部環(huán)生物生產(chǎn)系統(tǒng)是生物生產(chǎn)的各個要素以及它的外部環(huán)境所構(gòu)成的系統(tǒng)，它構(gòu)成了物質(zhì)和能源的可再生系統(tǒng)，即境所構(gòu)成的系統(tǒng)，它構(gòu)成了物質(zhì)和能源的可再生系統(tǒng)，即閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.110.1生物生產(chǎn)機(jī)器人概述生物生產(chǎn)機(jī)器人概述 在生物生產(chǎn)領(lǐng)域中，有很多無人操作的機(jī)械系統(tǒng)，例如無人駕駛拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)（如圖所示）、移植機(jī)以及自驅(qū)動機(jī)器等，它們在傳感系統(tǒng)控制下可以自行在田間行走。同樣在植物工廠，許多種

3、植、間苗、施肥、收獲及包裝等過程都發(fā)展成為無人操作的自動化機(jī)械系統(tǒng)；許多谷物干燥機(jī)、水稻磨粉機(jī)和剝殼去皮機(jī)在一定的智能化水平下都可以實(shí)現(xiàn)全自動作業(yè)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人 10.1.1 生物生產(chǎn)機(jī)器人的獨(dú)特性生物生產(chǎn)機(jī)器人的獨(dú)特性 一般說來，工業(yè)機(jī)器人擅長于處理那些物理特性具有一般說來，工業(yè)機(jī)器人擅長于處理那些物理特性具有規(guī)律性且靜止不動的對象，但生物生產(chǎn)機(jī)器人需要處理處規(guī)律性且靜止不動的對象，但生物生產(chǎn)機(jī)器人需要處理處于生長狀態(tài)的生物體。處于生長狀態(tài)的植物和動物的屬性于生長狀態(tài)的生物體。處于生長狀態(tài)的植物和動物的屬性是動態(tài)變化的，生物生產(chǎn)機(jī)器人常需適應(yīng)作業(yè)對象的個別是動態(tài)變化的，生物生產(chǎn)機(jī)

4、器人常需適應(yīng)作業(yè)對象的個別變化特性。在生物生產(chǎn)的很多情況下，耕作方法的改進(jìn)可變化特性。在生物生產(chǎn)的很多情況下，耕作方法的改進(jìn)可以提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，改善勞動者和機(jī)器的作業(yè)環(huán)境；以提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，改善勞動者和機(jī)器的作業(yè)環(huán)境；基因工程和其它技術(shù)也促進(jìn)了產(chǎn)品狀態(tài)的改善。在生物生基因工程和其它技術(shù)也促進(jìn)了產(chǎn)品狀態(tài)的改善。在生物生產(chǎn)中，用機(jī)器人來替代人類勞動時，采用一定的系統(tǒng)方法產(chǎn)中，用機(jī)器人來替代人類勞動時，采用一定的系統(tǒng)方法而不是單單地讓機(jī)器人仿效常規(guī)的人力勞動方式來完成任而不是單單地讓機(jī)器人仿效常規(guī)的人力勞動方式來完成任務(wù)是很重要的，這種系統(tǒng)方法將會給操作方式的改善帶來務(wù)是很重要的，這種系統(tǒng)方

5、法將會給操作方式的改善帶來良機(jī)，而這在以前是不明顯的。將機(jī)器人技術(shù)融入生物生良機(jī)，而這在以前是不明顯的。將機(jī)器人技術(shù)融入生物生產(chǎn)的潛力是無限的，這樣的結(jié)合往往需要眾多不同學(xué)科的產(chǎn)的潛力是無限的，這樣的結(jié)合往往需要眾多不同學(xué)科的專業(yè)技術(shù)知識來有效地發(fā)掘它的潛力。專業(yè)技術(shù)知識來有效地發(fā)掘它的潛力。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人 10.1.2 生物生產(chǎn)機(jī)器人的作業(yè)對象生物生產(chǎn)機(jī)器人的作業(yè)對象 在生物生產(chǎn)系統(tǒng)中，機(jī)器人大都是自動處理工作對象。在生物生產(chǎn)系統(tǒng)中，機(jī)器人大都是自動處理工作對象。因此，在機(jī)器人的設(shè)計中，工作對象及其生長過程起著非因此，在機(jī)器人的設(shè)計中，工作對象及其生長過程起著非常重要的作用。生物生

6、產(chǎn)機(jī)器人的工作對象涉及植物、動常重要的作用。生物生產(chǎn)機(jī)器人的工作對象涉及植物、動物、微生物和農(nóng)產(chǎn)品，目前研究比較多的是植物的切除、物、微生物和農(nóng)產(chǎn)品，目前研究比較多的是植物的切除、收獲和分類，剪毛、擠奶以及農(nóng)產(chǎn)品的分級與包裝。與傳收獲和分類，剪毛、擠奶以及農(nóng)產(chǎn)品的分級與包裝。與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對象和過程相比，生物生產(chǎn)機(jī)器人要統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對象和過程相比，生物生產(chǎn)機(jī)器人要操縱一個大小、形狀、顏色和表面特征多種多樣并且變化操縱一個大小、形狀、顏色和表面特征多種多樣并且變化無常的主體。此外，生物生產(chǎn)機(jī)器人可能作業(yè)在一個非常無常的主體。此外，生物生產(chǎn)機(jī)器人可能作業(yè)在一個非常小的結(jié)構(gòu)環(huán)境中，作業(yè)

7、受到一定的限制。小的結(jié)構(gòu)環(huán)境中，作業(yè)受到一定的限制。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人 10.1.1 生物生產(chǎn)機(jī)器人的獨(dú)特性生物生產(chǎn)機(jī)器人的獨(dú)特性 一般說來，工業(yè)機(jī)器人擅長于處理那些物理特性具有一般說來，工業(yè)機(jī)器人擅長于處理那些物理特性具有規(guī)律性且靜止不動的對象，但生物生產(chǎn)機(jī)器人需要處理處規(guī)律性且靜止不動的對象，但生物生產(chǎn)機(jī)器人需要處理處于生長狀態(tài)的生物體。處于生長狀態(tài)的植物和動物的屬性于生長狀態(tài)的生物體。處于生長狀態(tài)的植物和動物的屬性是動態(tài)變化的，生物生產(chǎn)機(jī)器人常需適應(yīng)作業(yè)對象的個別是動態(tài)變化的，生物生產(chǎn)機(jī)器人常需適應(yīng)作業(yè)對象的個別變化特性。在生物生產(chǎn)的很多情況下，耕作方法的改進(jìn)可變化特性。在生物生

8、產(chǎn)的很多情況下，耕作方法的改進(jìn)可以提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，改善勞動者和機(jī)器的作業(yè)環(huán)境；以提高產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)量，改善勞動者和機(jī)器的作業(yè)環(huán)境；基因工程和其它技術(shù)也促進(jìn)了產(chǎn)品狀態(tài)的改善。在生物生基因工程和其它技術(shù)也促進(jìn)了產(chǎn)品狀態(tài)的改善。在生物生產(chǎn)中，用機(jī)器人來替代人類勞動時，采用一定的系統(tǒng)方法產(chǎn)中，用機(jī)器人來替代人類勞動時，采用一定的系統(tǒng)方法而不是單單地讓機(jī)器人仿效常規(guī)的人力勞動方式來完成任而不是單單地讓機(jī)器人仿效常規(guī)的人力勞動方式來完成任務(wù)是很重要的，這種系統(tǒng)方法將會給操作方式的改善帶來務(wù)是很重要的，這種系統(tǒng)方法將會給操作方式的改善帶來良機(jī)，而這在以前是不明顯的。將機(jī)器人技術(shù)融入生物生良機(jī)，而這在以前是

9、不明顯的。將機(jī)器人技術(shù)融入生物生產(chǎn)的潛力是無限的，這樣的結(jié)合往往需要眾多不同學(xué)科的產(chǎn)的潛力是無限的，這樣的結(jié)合往往需要眾多不同學(xué)科的專業(yè)技術(shù)知識來有效地發(fā)掘它的潛力。專業(yè)技術(shù)知識來有效地發(fā)掘它的潛力。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人 1 1生物體的特性生物體的特性 生物對象的特性可以用多種方法來描述，基本生物特生物對象的特性可以用多種方法來描述，基本生物特性包括大小、形狀、質(zhì)量、密度和表面組織，在開發(fā)生物性包括大小、形狀、質(zhì)量、密度和表面組織，在開發(fā)生物生產(chǎn)的機(jī)械系統(tǒng)時，通常被作為首先指標(biāo)。機(jī)器視覺技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)械系統(tǒng)時，通常被作為首先指標(biāo)。機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到對形態(tài)特性進(jìn)行測定，例如，形狀、大小的測

10、已經(jīng)發(fā)展到對形態(tài)特性進(jìn)行測定，例如，形狀、大小的測量。對一個植物的形狀的測量，看起來好像很復(fù)雜，但它量。對一個植物的形狀的測量，看起來好像很復(fù)雜，但它常有一些規(guī)律性的特性。常有一些規(guī)律性的特性。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人特性特性特征特征基本物理特基本物理特性性形狀、大小、質(zhì)量、密度、表觀形狀、大小、質(zhì)量、密度、表觀動態(tài)特性動態(tài)特性剪切阻力、摩擦阻力、彈性、粘性剪切阻力、摩擦阻力、彈性、粘性光學(xué)特性光學(xué)特性反射率、透射率反射率、透射率聲學(xué)特性聲學(xué)特性振動特性、波傳播特性振動特性、波傳播特性電學(xué)特性電學(xué)特性電阻、電容、靜電特性電阻、電容、靜電特性第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人 2

11、.生物生產(chǎn)機(jī)器人的特征 要使生物生產(chǎn)機(jī)器人適合生物體的特征，生物生產(chǎn)機(jī)器人的組成和性能就可能與工業(yè)機(jī)器人不一樣。首先，生物體的屬性是各種各樣且多變的，因而生物生產(chǎn)機(jī)器人在處理生物體時必須是靈活的、多功能的。在大多數(shù)情況下，當(dāng)末端執(zhí)行器與生物體相接觸時，柔性處理是必要的。第二，在識別周圍環(huán)境時常希望機(jī)器人具有一定程度的智能。第三，機(jī)器人常要在非結(jié)構(gòu)化的、苛刻的和變化的環(huán)境下作業(yè)。第四，除了那些傳統(tǒng)機(jī)器人所具備的安全裝置之外，當(dāng)生物生產(chǎn)機(jī)器人與操作人員一起作業(yè)時可能還需要一些特殊的安全裝置。最后，為使機(jī)器人能獲得潛在的使用者的認(rèn)可，它的操作界面必須簡單，容易掌握，而且必須有較好的經(jīng)濟(jì)效益。第10章

12、 生物生產(chǎn)機(jī)器人 3. 3. 對生物生產(chǎn)機(jī)器人的期望對生物生產(chǎn)機(jī)器人的期望 雖然從19世紀(jì)70年代開始，生物生產(chǎn)機(jī)器人的研發(fā)一直在進(jìn)行，并且取得了可喜的成果，但由于生物生產(chǎn)的多樣性，這個領(lǐng)域至今仍被認(rèn)為是一片熱土。 生物生產(chǎn)機(jī)器人能彌補(bǔ)季節(jié)性勞動力不足和人員安排的困難，降低作業(yè)成本。機(jī)器人有每天工作多于8小時的能力，一些機(jī)器人還能一天不間斷地工作24小時。由于機(jī)器人能在任何時間段工作，很多生產(chǎn)系統(tǒng)就可利用這一優(yōu)點(diǎn)降低非高峰期的使用率。機(jī)器人可用于替代工人完成危險的、臟的作業(yè)，另一方面，機(jī)器人也適應(yīng)于對人工出入有較高要求的無菌環(huán)境的工作，如許多生物技術(shù)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人第10章 生物生產(chǎn)

13、機(jī)器人 生物生產(chǎn)機(jī)器人（如圖所示）主要包括機(jī)械手、末端生物生產(chǎn)機(jī)器人（如圖所示）主要包括機(jī)械手、末端執(zhí)行器、傳感器和機(jī)器視覺、移動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行執(zhí)行器、傳感器和機(jī)器視覺、移動機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)6部分。部分。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成1. 1. 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)生物生產(chǎn)系統(tǒng)包含的作物種類、種植模式、生長特點(diǎn)等多生物生產(chǎn)系統(tǒng)包含的作物種類、種植模式、生長特點(diǎn)等多種多樣，對于不同的作物、不同的種植模式需要設(shè)計不同種多樣，對于不同的作物、不同的種植模式需要設(shè)計不同的機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)，而有些作物傳統(tǒng)的種植模式不能適應(yīng)的機(jī)械手

14、進(jìn)行作業(yè)，而有些作物傳統(tǒng)的種植模式不能適應(yīng)機(jī)器人的作業(yè)要求，需要在保證其正常生長的情況下加以機(jī)器人的作業(yè)要求，需要在保證其正常生長的情況下加以改進(jìn)。由此，日本學(xué)者提出了作物培養(yǎng)系統(tǒng)，作物在經(jīng)過改進(jìn)。由此，日本學(xué)者提出了作物培養(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(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)而提高生了培養(yǎng)系統(tǒng)培養(yǎng)后，更適合機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，為了防止高濕度造成的危害，產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，為了防止高濕度造成的危害，番茄種在田壟的垂直面上，葡萄種在與人身高相近的水平番茄種在田壟的垂直面上，葡萄種在與人身高相近的水平棚架上。棚架上。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生

15、物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成2 2末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手前端并直接與作機(jī)器人的末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)械手前端并直接與作業(yè)對象接觸的部分。由于它直接接觸作業(yè)對象，扮演著類業(yè)對象接觸的部分。由于它直接接觸作業(yè)對象，扮演著類似于人的手一樣的角色，因此，有時也叫做機(jī)器人的手，似于人的手一樣的角色，因此，有時也叫做機(jī)器人的手，也有的學(xué)者把它叫做手爪。它由也有的學(xué)者把它叫做手爪。它由2 2個或多個手指組成，手個或多個手指組成，手指可以指可以“開開”與與“合合”，實(shí)現(xiàn)抓取動作和細(xì)微操作。但是，實(shí)現(xiàn)抓取動作和細(xì)微操作。但是它的機(jī)構(gòu)又與人的手完全不同，由此也很難叫它它

16、的機(jī)構(gòu)又與人的手完全不同，由此也很難叫它“手手”。 生物生產(chǎn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器所處理的對象是多種多樣的，生物生產(chǎn)機(jī)器人的末端執(zhí)行器所處理的對象是多種多樣的，如果實(shí)、秧苗、子葉、嫩枝、動物等，依據(jù)這些對象的特如果實(shí)、秧苗、子葉、嫩枝、動物等，依據(jù)這些對象的特點(diǎn)，可使用手指、吸引墊、針、噴嘴、刀片等進(jìn)行操作。點(diǎn)，可使用手指、吸引墊、針、噴嘴、刀片等進(jìn)行操作。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成3.3.傳感器傳感器 機(jī)器人傳感器按用途分為內(nèi)部和外部傳感器兩大類。機(jī)器人傳感器按用途分為內(nèi)部和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器是每個機(jī)器人必需的，有些機(jī)器人可能不

17、要外內(nèi)部傳感器是每個機(jī)器人必需的，有些機(jī)器人可能不要外部傳感器。不需要外部傳感器的機(jī)器人，一般來說，其工部傳感器。不需要外部傳感器的機(jī)器人，一般來說，其工作環(huán)境是固定的，工作對象也是標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的。外部作環(huán)境是固定的，工作對象也是標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化的。外部傳感器廣泛應(yīng)用于生物生產(chǎn)機(jī)器人，因?yàn)槠涔ぷ鲗ο蟮墓鈧鞲衅鲝V泛應(yīng)用于生物生產(chǎn)機(jī)器人，因?yàn)槠涔ぷ鲗ο蟮墓鈱W(xué)特性、形態(tài)特性和環(huán)境條件特殊且多變。學(xué)特性、形態(tài)特性和環(huán)境條件特殊且多變。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成4.4.移動機(jī)構(gòu)移動機(jī)構(gòu) 生物生產(chǎn)機(jī)器人所處理的工作對象是生長在溫室或露生物生產(chǎn)機(jī)器

18、人所處理的工作對象是生長在溫室或露地的植物，它的作業(yè)空間要比工業(yè)機(jī)器人大，這就需要采地的植物，它的作業(yè)空間要比工業(yè)機(jī)器人大，這就需要采用移動機(jī)構(gòu)。因此，可以說移動機(jī)構(gòu)增加了生物生產(chǎn)機(jī)器用移動機(jī)構(gòu)。因此，可以說移動機(jī)構(gòu)增加了生物生產(chǎn)機(jī)器人的自由度。生物生產(chǎn)機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)包括輪式移動機(jī)人的自由度。生物生產(chǎn)機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)包括輪式移動機(jī)構(gòu)、軌道式移動機(jī)構(gòu)、履帶式移動機(jī)構(gòu)、龍門式移動機(jī)構(gòu)構(gòu)、軌道式移動機(jī)構(gòu)、履帶式移動機(jī)構(gòu)、龍門式移動機(jī)構(gòu)和腿式移動機(jī)構(gòu)。和腿式移動機(jī)構(gòu)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成5 5控制機(jī)構(gòu)控制機(jī)構(gòu) 機(jī)器人由計算機(jī)通過一個接口

19、進(jìn)行控制。計算機(jī)中最機(jī)器人由計算機(jī)通過一個接口進(jìn)行控制。計算機(jī)中最重要的是中央處理機(jī)（重要的是中央處理機(jī)（CPUCPU）：許多其他單元與）：許多其他單元與CPUCPU一起工一起工作，如存儲器、外部集成電路、輸入作，如存儲器、外部集成電路、輸入/ /輸出端口。這些元輸出端口。這些元件通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與件通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線與CPUCPU相連，從而相連，從而CPUCPU能發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。能發(fā)送和接受數(shù)據(jù)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成6 6執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是按照電信號的指令，將電動、液壓和氣壓等執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是

20、按照電信號的指令，將電動、液壓和氣壓等各種來源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動等方式的各種來源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動、直線運(yùn)動等方式的機(jī)械能的機(jī)構(gòu)。機(jī)械能的機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的組成（機(jī)械手、末端執(zhí)行器和移動裝置）都與執(zhí)機(jī)器人的組成（機(jī)械手、末端執(zhí)行器和移動裝置）都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相關(guān)連。用于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要滿足以下行機(jī)構(gòu)相關(guān)連。用于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要滿足以下條件：條件：（1 1）能夠承受反復(fù)啟動、停止、正反轉(zhuǎn)等操作；）能夠承受反復(fù)啟動、停止、正反轉(zhuǎn)等操作；（2 2）加速性和分辨率好；）加速性和分辨率好；（3 3）小型、輕便、剛度好；）小型、輕便、剛度好；（4 4）可靠性、維護(hù)性好。）可靠性、維護(hù)性好。第

21、10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.210.2生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成生物生產(chǎn)機(jī)器人基本組成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為三類：電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動執(zhí)行執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要分為三類：電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)。 電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電力驅(qū)動，因而比較容易控制且結(jié)構(gòu)緊湊。迄今，電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由電力驅(qū)動，因而比較容易控制且結(jié)構(gòu)緊湊。迄今，直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)廣泛應(yīng)用于生物生直流伺服電動機(jī)、交流伺服電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)廣泛應(yīng)用于生物生產(chǎn)機(jī)器人。伺服電動機(jī)由閉環(huán)系統(tǒng)控制，而步進(jìn)電機(jī)則由開環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)機(jī)器人。伺服電動機(jī)由閉環(huán)系統(tǒng)控制，而步進(jìn)電機(jī)則由開環(huán)系統(tǒng)控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角與發(fā)動機(jī)驅(qū)

22、動器的脈沖數(shù)成正比?？刂疲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角與發(fā)動機(jī)驅(qū)動器的脈沖數(shù)成正比。 此外，形狀記憶合金有時也會用作機(jī)器人末端執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。此外，形狀記憶合金有時也會用作機(jī)器人末端執(zhí)行器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。形狀記憶合金具有小型輕便的優(yōu)點(diǎn)，可用于生物生產(chǎn)機(jī)器人。形狀記憶合金具有小型輕便的優(yōu)點(diǎn)，可用于生物生產(chǎn)機(jī)器人。 液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將液能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，輸出功率大，能使機(jī)器人處液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將液能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，輸出功率大，能使機(jī)器人處理重物。液壓缸和液壓馬達(dá)可以進(jìn)行直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人采用理重物。液壓缸和液壓馬達(dá)可以進(jìn)行直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人采用這種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要液壓泵、泵的動力供應(yīng)系統(tǒng)、油箱和安全閥等，這種執(zhí)行機(jī)

23、構(gòu)，需要液壓泵、泵的動力供應(yīng)系統(tǒng)、油箱和安全閥等，當(dāng)然連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備的管道也是必不可少的。當(dāng)然連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備的管道也是必不可少的。 氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動、擺動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或夾持動作。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便往復(fù)運(yùn)動、擺動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動或夾持動作。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是便于處理簡單輕便物體。它將空氣壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，但很難實(shí)現(xiàn)對于處理簡單輕便物體。它將空氣壓能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，但很難實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手、末端執(zhí)行器或氣動泵、管道和閥門等設(shè)備的精確定位。氣機(jī)械手、末端執(zhí)行器或氣動泵、管道和閥門等設(shè)備的精確定位

24、。氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為氣缸、氣壓和擺動馬達(dá)三類。與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)相動執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為氣缸、氣壓和擺動馬達(dá)三類。與液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)相比，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)適合小型輕便的物體。比，氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)適合小型輕便的物體。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3.110.3.1番茄收獲機(jī)器人番茄收獲機(jī)器人 機(jī)器人在進(jìn)入生物生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域的早期是從果實(shí)機(jī)器人在進(jìn)入生物生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域的早期是從果實(shí)收獲開始的，但由于果實(shí)多種多樣、環(huán)境復(fù)雜等因素，收獲開始的，但由于果實(shí)多種多樣、環(huán)境復(fù)雜等因素，收獲機(jī)器人至今仍是研究的熱點(diǎn)。番茄是人們常見的收獲機(jī)器人至今仍是研究的熱點(diǎn)。番茄是人們常見的蔬菜，其果實(shí)呈紅色，與綠色的背景相差大，用彩色蔬菜，其果實(shí)

25、呈紅色，與綠色的背景相差大，用彩色攝像機(jī)就可以將其辨認(rèn)。攝像機(jī)就可以將其辨認(rèn)。1 1.栽培方式栽培方式 設(shè)施農(nóng)業(yè)中的番茄通常種植在壟上，番茄呈垂直設(shè)施農(nóng)業(yè)中的番茄通常種植在壟上，番茄呈垂直生長，果實(shí)暴露在外側(cè)，有部分葉子的遮擋。傳統(tǒng)栽生長，果實(shí)暴露在外側(cè)，有部分葉子的遮擋。傳統(tǒng)栽培和高架栽培的番茄果實(shí)與果梗的連接方式不同，可培和高架栽培的番茄果實(shí)與果梗的連接方式不同，可以采用不同的采摘方式。傳統(tǒng)栽培中在果梗處有結(jié)點(diǎn)，以采用不同的采摘方式。傳統(tǒng)栽培中在果梗處有結(jié)點(diǎn)，通過折斷或強(qiáng)力拉扯都可使果實(shí)脫落。通過折斷或強(qiáng)力拉扯都可使果實(shí)脫落。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例第

26、10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（a）傳統(tǒng)栽培方式）傳統(tǒng)栽培方式 （b）高架栽培方式）高架栽培方式2.2.龍門式五自由度番茄收獲機(jī)器人龍門式五自由度番茄收獲機(jī)器人日本農(nóng)林水產(chǎn)省農(nóng)業(yè)研究中心根據(jù)地塊的大小，在田埂上日本農(nóng)林水產(chǎn)省農(nóng)業(yè)研究中心根據(jù)地塊的大小，在田埂上分別鋪上鐵軌，將龍門車架橫跨在田地上方，沿鐵軌分別鋪上鐵軌，將龍門車架橫跨在田地上方，沿鐵軌移動。收獲機(jī)器人安裝在龍門車架上進(jìn)行收獲。移動。收獲機(jī)器人安裝在龍門車架上進(jìn)行收獲。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（1 1）機(jī)械手和末端執(zhí)行器）機(jī)械手和末端執(zhí)行器該機(jī)器人屬關(guān)節(jié)型機(jī)器人，在手

27、腕的法蘭盤處，安裝了擁該機(jī)器人屬關(guān)節(jié)型機(jī)器人，在手腕的法蘭盤處，安裝了擁有視覺部和刀具部的末端執(zhí)行器，采用半圓環(huán)狀的刀有視覺部和刀具部的末端執(zhí)行器，采用半圓環(huán)狀的刀片收獲果實(shí)。片收獲果實(shí)。（2 2）視覺系統(tǒng)）視覺系統(tǒng)該收獲機(jī)器人的末端執(zhí)行器上安裝有小型電視攝像機(jī)和中該收獲機(jī)器人的末端執(zhí)行器上安裝有小型電視攝像機(jī)和中心波長為心波長為1080nm1080nm、半值幅為、半值幅為10nm10nm的光波過濾器，與閃的光波過濾器，與閃光燈組成視覺系統(tǒng)。光燈組成視覺系統(tǒng)。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例3 3七自由度番茄收獲機(jī)器人七自由度番茄收獲機(jī)器人日本根據(jù)番茄傳統(tǒng)的栽培模

28、式，研究了具有日本根據(jù)番茄傳統(tǒng)的栽培模式，研究了具有5 5個自由度的個自由度的收獲機(jī)器人，但實(shí)際收獲效果不是很理想，在此基礎(chǔ)收獲機(jī)器人，但實(shí)際收獲效果不是很理想，在此基礎(chǔ)上，又研制了七自由度的番茄收獲機(jī)器人。上，又研制了七自由度的番茄收獲機(jī)器人。（1 1）機(jī)械手）機(jī)械手將五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手安裝在上下、前后能夠移動的直將五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手安裝在上下、前后能夠移動的直動關(guān)節(jié)座上，既可以摘取高處的果實(shí)，又可以從下向動關(guān)節(jié)座上，既可以摘取高處的果實(shí)，又可以從下向上接近果實(shí)，形成七自由度機(jī)械手，這種機(jī)械手適合上接近果實(shí)，形成七自由度機(jī)械手，這種機(jī)械手適合傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的番茄收獲。傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的番茄收獲

29、。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（2 2）末端執(zhí)行器）末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器由末端執(zhí)行器由1 1個吸盤和個吸盤和2 2個手指組成，吸盤在手爪的中間。個手指組成，吸盤在手爪的中間。10mm10mm厚的厚的吸盤首先吸住果實(shí)，防止果實(shí)受傷，手指的長、寬和厚分別為吸盤首先吸住果實(shí)，防止果實(shí)受傷，手指的長、寬和厚分別為155mm155mm、45mm45mm和和10mm10mm，手指的抓取力可以在，手指的抓取力可以在0 033.3N33.3N之間進(jìn)行調(diào)之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，吸盤由直流電動機(jī)和齒輪驅(qū)動，速度可以達(dá)到節(jié)，吸盤由直流電動機(jī)和齒輪驅(qū)動，速度可以達(dá)到38mm/s38mm/s。第1

30、0章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例1 1）吸盤的運(yùn)動）吸盤的運(yùn)動吸盤的后面連接一個檢測閥，真空泵產(chǎn)生一定的真空壓力，使吸盤吸吸盤的后面連接一個檢測閥，真空泵產(chǎn)生一定的真空壓力，使吸盤吸住果實(shí)，吸力為住果實(shí)，吸力為0 010N10N。壓力傳感器與檢測閥相連，通過管路檢。壓力傳感器與檢測閥相連，通過管路檢測空氣壓力。檢測閥位于吸盤和真空泵之間，通過空氣的流動檢測空氣壓力。檢測閥位于吸盤和真空泵之間，通過空氣的流動檢測出氣體壓力。當(dāng)吸盤沒有吸住果實(shí)時，空氣從吸盤通過檢測閥測出氣體壓力。當(dāng)吸盤沒有吸住果實(shí)時，空氣從吸盤通過檢測閥流向真空泵。流向真空泵。當(dāng)吸盤吸住果實(shí)時，氣流停止流

31、動，檢測閥關(guān)閉，此時，吸盤內(nèi)的氣當(dāng)吸盤吸住果實(shí)時，氣流停止流動，檢測閥關(guān)閉，此時，吸盤內(nèi)的氣體小于真空泵的氣壓。體小于真空泵的氣壓。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2 2）末端執(zhí)行器的運(yùn)動）末端執(zhí)行器的運(yùn)動末端執(zhí)行器的運(yùn)動的方式如圖所示。當(dāng)機(jī)械手帶動末端執(zhí)行器接近目末端執(zhí)行器的運(yùn)動的方式如圖所示。當(dāng)機(jī)械手帶動末端執(zhí)行器接近目標(biāo)時，吸盤首先伸出，接近目標(biāo)并吸住果實(shí)，向后運(yùn)動。此時，標(biāo)時，吸盤首先伸出，接近目標(biāo)并吸住果實(shí)，向后運(yùn)動。此時，手指以與吸盤相同的速度伸出，夾住果實(shí)，末端執(zhí)行器抓住果實(shí)手指以與吸盤相同的速度伸出，夾住果實(shí)，末端執(zhí)行器抓住果實(shí)后，擰斷果梗，摘下果實(shí)

32、，將果實(shí)放在盤中。后，擰斷果梗，摘下果實(shí)，將果實(shí)放在盤中。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（3 3）3D3D視覺傳感器視覺傳感器 采用采用3D3D視覺傳感器來檢測對象的三維形態(tài)。該傳感器有視覺傳感器來檢測對象的三維形態(tài)。該傳感器有2 2個激光二極個激光二極管從綠色背景中檢測出紅色的果實(shí)，其中一個用紅光（管從綠色背景中檢測出紅色的果實(shí)，其中一個用紅光（1070nm1070nm波長），另波長），另一個用紅外線光（一個用紅外線光（830nm830nm波長），二者有同樣的光軸。這些光被以不同頻波長），二者有同樣的光軸。這些光被以不同頻率發(fā)射，由一面鏡子將其反射。光從對象表面

33、通過聚焦鏡反射到位置檢測率發(fā)射，由一面鏡子將其反射。光從對象表面通過聚焦鏡反射到位置檢測裝置，位置檢測裝置有兩個極，反射回來的光點(diǎn)位置不同，兩個極的電流裝置，位置檢測裝置有兩個極，反射回來的光點(diǎn)位置不同，兩個極的電流比就不同，由這些電流的比就可以計算出對象的距離。對象在垂直方向上比就不同，由這些電流的比就可以計算出對象的距離。對象在垂直方向上可通過兩個鏡子完成掃描，兩個鏡子分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在水平方向上可通過兩個鏡子完成掃描，兩個鏡子分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，在水平方向上可通過架子的旋轉(zhuǎn)來完成，由此獲得對象的三維圖像?？赏ㄟ^架子的旋轉(zhuǎn)來完成，由此獲得對象的三維圖像。 第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.

34、3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例4 4高架栽培番茄采摘機(jī)械手高架栽培番茄采摘機(jī)械手（1 1）機(jī)械手）機(jī)械手在單串高架番茄生產(chǎn)系統(tǒng)中，果實(shí)垂落在垂直面上，果實(shí)周圍的障礙在單串高架番茄生產(chǎn)系統(tǒng)中，果實(shí)垂落在垂直面上，果實(shí)周圍的障礙物少，可采用五自由度直角坐標(biāo)式機(jī)械手進(jìn)行采摘，控制簡單，物少，可采用五自由度直角坐標(biāo)式機(jī)械手進(jìn)行采摘，控制簡單，定位精度高。定位精度高。（2 2）手爪）手爪采用一種帶有吸盤的手爪，手爪有采用一種帶有吸盤的手爪，手爪有4 4個具有彈性的手指和個具有彈性的手指和1 1個吸盤，沒個吸盤，沒有切刀。有切刀。4 4個手指均勻分布在吸盤的周圍，相對兩個手指的距離為個手指均勻分布在吸盤的

35、周圍，相對兩個手指的距離為100mm100mm。每個手指有。每個手指有4 4個關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)是由橡膠制造的，橡膠關(guān)節(jié)固個關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)是由橡膠制造的，橡膠關(guān)節(jié)固定在一個支架上。一條纜繩固定在關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)，可以拉動關(guān)節(jié)。定在一個支架上。一條纜繩固定在關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)，可以拉動關(guān)節(jié)。每個手指的外徑、厚度和長度分別為每個手指的外徑、厚度和長度分別為10 mm10 mm、2 mm2 mm和和100mm100mm。當(dāng)纜。當(dāng)纜繩不用力時，手指張開。當(dāng)纜繩受力拉緊后，帶動關(guān)節(jié)彎曲，形繩不用力時，手指張開。當(dāng)纜繩受力拉緊后，帶動關(guān)節(jié)彎曲，形成不同的彎曲角度，從而使手爪形成不同的內(nèi)部容積，適合收獲成不同的彎曲角度，從而使手爪形

36、成不同的內(nèi)部容積，適合收獲不同形狀的果實(shí)。不同形狀的果實(shí)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例5 5日本京都大學(xué)研制的番茄收獲機(jī)器人日本京都大學(xué)研制的番茄收獲機(jī)器人 日本京都大學(xué)針對番茄的壟作栽培研制了收獲機(jī)器人，主要日本京都大學(xué)針對番茄的壟作栽培研制了收獲機(jī)器人，主要包括電瓶車、五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手、末端執(zhí)行器、攝像機(jī)和微包括電瓶車、五自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械手、末端執(zhí)行器、攝像機(jī)和微型計算機(jī)。電瓶車靠微機(jī)控制行走和停止，攝像機(jī)檢測出果實(shí)的型計算機(jī)。電瓶車靠微機(jī)控制行走和停止，攝像機(jī)檢測出果實(shí)的位置后，機(jī)械手和末端執(zhí)

37、行器進(jìn)行收獲。位置后，機(jī)械手和末端執(zhí)行器進(jìn)行收獲。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例(1)(1)末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 末端執(zhí)行器采用左右安裝的、內(nèi)側(cè)貼有一層橡膠皮的彎曲手指，手末端執(zhí)行器采用左右安裝的、內(nèi)側(cè)貼有一層橡膠皮的彎曲手指，手指的張開和閉合采用小型直流電機(jī)驅(qū)動，通過控制電流的強(qiáng)度控制手指的張開和閉合采用小型直流電機(jī)驅(qū)動，通過控制電流的強(qiáng)度控制手指的力度，并通過拉扯摘下果實(shí)。但手指的力度不易控制，因此設(shè)計指的力度，并通過拉扯摘下果實(shí)。但手指的力度不易控制，因此設(shè)計了柔性手爪。有了柔性手爪。有3 3個橡膠手指的柔性手爪，采用了氣壓驅(qū)動橡膠人工肌個橡膠手指的柔性手爪

38、，采用了氣壓驅(qū)動橡膠人工肌肉作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能柔性地抓住果實(shí)且不易脫落。肉作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能柔性地抓住果實(shí)且不易脫落。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例(2)(2)收獲作業(yè)收獲作業(yè)番茄收獲機(jī)器人的收獲流程如圖所示。電瓶車移動時，機(jī)械手處于易番茄收獲機(jī)器人的收獲流程如圖所示。電瓶車移動時，機(jī)械手處于易移動、不碰到周圍作物的狀態(tài)。電瓶車停止后，攝像機(jī)輸入圖像，移動、不碰到周圍作物的狀態(tài)。電瓶車停止后，攝像機(jī)輸入圖像，利用兩眼立體視覺器檢測紅色果實(shí)的位置，將此位置變換成機(jī)械利用兩眼立體視覺器檢測紅色果實(shí)的位置，將此位置變換成機(jī)械手坐標(biāo)系的位置，判斷是否在收獲范圍內(nèi)。若可以收獲，

39、判斷是手坐標(biāo)系的位置，判斷是否在收獲范圍內(nèi)。若可以收獲，判斷是否在此位置收獲第否在此位置收獲第1 1個果實(shí)，若是，此位置為第個果實(shí)，若是，此位置為第1 1個點(diǎn)，則轉(zhuǎn)個點(diǎn)，則轉(zhuǎn) C C處處計算摘果實(shí)要通過的第計算摘果實(shí)要通過的第2 2點(diǎn)坐標(biāo)，然后機(jī)械手通過第點(diǎn)坐標(biāo)，然后機(jī)械手通過第2 2點(diǎn)靠近并擰點(diǎn)靠近并擰斷果梗。計算第斷果梗。計算第2 2點(diǎn)到第點(diǎn)到第1 1點(diǎn)的坐標(biāo)距離，手腕向下傾斜，手指張點(diǎn)的坐標(biāo)距離，手腕向下傾斜，手指張開，將果實(shí)放入收集筐中。開，將果實(shí)放入收集筐中。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例6 6櫻桃番茄收獲機(jī)器人櫻桃番茄收獲機(jī)器人櫻桃番茄是最近幾年新開發(fā)

40、的一種新產(chǎn)品，一個果柄上可以結(jié)多個果櫻桃番茄是最近幾年新開發(fā)的一種新產(chǎn)品，一個果柄上可以結(jié)多個果實(shí)，并且有的果實(shí)已經(jīng)成熟，而有的未成熟，因此，收獲時需要實(shí)，并且有的果實(shí)已經(jīng)成熟，而有的未成熟，因此，收獲時需要進(jìn)行選擇。此外，收獲時必須帶有果梗，才能擁有較高的商品價進(jìn)行選擇。此外，收獲時必須帶有果梗，才能擁有較高的商品價值。值。（1 1）極坐標(biāo)收獲機(jī)器人）極坐標(biāo)收獲機(jī)器人極坐標(biāo)櫻桃番茄收獲機(jī)器人可以進(jìn)行選擇性收獲，機(jī)器人主要包括小極坐標(biāo)櫻桃番茄收獲機(jī)器人可以進(jìn)行選擇性收獲，機(jī)器人主要包括小電瓶車、一個機(jī)械手、末端執(zhí)行器、電瓶車、一個機(jī)械手、末端執(zhí)行器、3D3D視覺傳感器和控制系統(tǒng)。視覺傳感器和控

41、制系統(tǒng)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（2 2）多功能機(jī)器人）多功能機(jī)器人日本研制的多功能機(jī)器人，類似于番茄收獲機(jī)器人，只要更換其末端日本研制的多功能機(jī)器人，類似于番茄收獲機(jī)器人，只要更換其末端執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)和軟件，就可以進(jìn)行多種作業(yè)。收獲櫻桃番茄執(zhí)行器、傳感系統(tǒng)和軟件，就可以進(jìn)行多種作業(yè)。收獲櫻桃番茄的末端執(zhí)行器包括吸管、夾子、彈簧、線圈和的末端執(zhí)行器包括吸管、夾子、彈簧、線圈和3 3對光電傳感器等。對光電傳感器等。當(dāng)吸管吸住果實(shí)后，通過當(dāng)吸管吸住果實(shí)后，通過3 3對光電傳感器檢測果實(shí)的位置。如果果對光電傳感器檢測果實(shí)的位置。如果果實(shí)位置合適，夾子就將果梗剪斷

42、，將果實(shí)通過氣管進(jìn)入收集箱中。實(shí)位置合適，夾子就將果梗剪斷，將果實(shí)通過氣管進(jìn)入收集箱中。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例10.3.2 黃瓜收獲機(jī)器人黃瓜收獲機(jī)器人黃瓜是常見的蔬菜，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的種植面積非常大，并且生長快，成黃瓜是常見的蔬菜，設(shè)施農(nóng)業(yè)中的種植面積非常大，并且生長快，成熟后易肥大，收獲最佳期短，果實(shí)不定期成熟，因此，急需收獲熟后易肥大，收獲最佳期短，果實(shí)不定期成熟，因此，急需收獲機(jī)器人。機(jī)器人。1 1 栽培方式栽培方式設(shè)施栽培中常見的黃瓜栽培方式是將黃瓜用細(xì)繩垂直向上牽引生長，設(shè)施栽培中常見的黃瓜栽培方式是將黃瓜用細(xì)繩垂直向上牽引生長，果實(shí)與葉子莖稈混雜

43、在一起，大的葉子經(jīng)常遮住黃瓜，不利于人果實(shí)與葉子莖稈混雜在一起，大的葉子經(jīng)常遮住黃瓜，不利于人工或機(jī)器人收獲。日本開發(fā)了新型的栽培方式工或機(jī)器人收獲。日本開發(fā)了新型的栽培方式傾斜格子架式，傾斜格子架式，黃瓜和莖葉分開，使機(jī)器人容易檢測出黃瓜的位置，完成收獲。黃瓜和莖葉分開，使機(jī)器人容易檢測出黃瓜的位置，完成收獲。傾斜格子架與水平面所成夾角越小，果實(shí)與莖葉的分離程度將越傾斜格子架與水平面所成夾角越小，果實(shí)與莖葉的分離程度將越明顯，但當(dāng)果實(shí)越接近地面時，作業(yè)空間越小，越不利于機(jī)器人明顯，但當(dāng)果實(shí)越接近地面時，作業(yè)空間越小，越不利于機(jī)器人收獲。因此，傾斜格子架要有一個適宜的角度。收獲。因此，傾斜格子

44、架要有一個適宜的角度。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2.2.傾斜格子架栽培黃瓜收獲機(jī)器人傾斜格子架栽培黃瓜收獲機(jī)器人日本根據(jù)黃瓜的傾斜格子架栽培，研制出了黃瓜收獲機(jī)器人，包括機(jī)日本根據(jù)黃瓜的傾斜格子架栽培，研制出了黃瓜收獲機(jī)器人，包括機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)和移動機(jī)構(gòu)。械手、末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)和移動機(jī)構(gòu)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（1 1）機(jī)械手）機(jī)械手為適應(yīng)黃瓜的栽培模式，機(jī)械手在根部有一個與黃瓜傾斜格子架角度為適應(yīng)黃瓜的栽培模式，機(jī)械手在根部有一個與黃瓜傾斜格子架角度相同的直動關(guān)節(jié)，使整個機(jī)械手可以在與傾斜格子架平行的方

45、向相同的直動關(guān)節(jié)，使整個機(jī)械手可以在與傾斜格子架平行的方向移動，另移動，另5 5個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以做出各種姿態(tài)，接近果實(shí)。個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以做出各種姿態(tài)，接近果實(shí)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（2 2）末端執(zhí)行器）末端執(zhí)行器 成熟的黃瓜遍身帶刺，并且在頂部帶有黃花，這些刺和黃花是衡量黃花質(zhì)成熟的黃瓜遍身帶刺，并且在頂部帶有黃花，這些刺和黃花是衡量黃花質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此收獲時必須盡量減少對黃瓜表面的損傷，要輕柔地量好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此收獲時必須盡量減少對黃瓜表面的損傷，要輕柔地抓住并切斷果梗。抓住并切斷果梗。 該機(jī)器人的末端執(zhí)行器包括一個手爪、一個檢測器和一個剪刀。

46、手指先用該機(jī)器人的末端執(zhí)行器包括一個手爪、一個檢測器和一個剪刀。手指先用10N10N的力在離果實(shí)頂部的力在離果實(shí)頂部3cm3cm的位置抓住果實(shí)，然后檢測器和剪刀向上滑動，并的位置抓住果實(shí)，然后檢測器和剪刀向上滑動，并且保持檢測器與果實(shí)一直接觸，直到電位計檢測到果實(shí)與果梗之間的連接點(diǎn)，且保持檢測器與果實(shí)一直接觸，直到電位計檢測到果實(shí)與果梗之間的連接點(diǎn)，完成檢測，安裝在檢測器下方的切刀用完成檢測，安裝在檢測器下方的切刀用12N12N的力將果梗切斷。的力將果梗切斷。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（3 3）視覺系統(tǒng)）視覺系統(tǒng) 由于黃瓜果實(shí)與莖葉的顏色相似，該機(jī)器人采用遠(yuǎn)紅

47、外由于黃瓜果實(shí)與莖葉的顏色相似，該機(jī)器人采用遠(yuǎn)紅外傳感器檢測黃瓜的距離，并利用黃瓜與莖葉不同的光反射波傳感器檢測黃瓜的距離，并利用黃瓜與莖葉不同的光反射波長進(jìn)行檢測。這里采用帶有長進(jìn)行檢測。這里采用帶有550550和和850nm850nm過濾器的黑白攝像機(jī)，過濾器的黑白攝像機(jī)，利用兩個不同的過濾器得到兩個圖像，按下述公式計算：利用兩個不同的過濾器得到兩個圖像，按下述公式計算： 由于果實(shí)在由于果實(shí)在850nm850nm的反射強(qiáng)，使果實(shí)圖像的灰度值增大，的反射強(qiáng)，使果實(shí)圖像的灰度值增大，而其他對象在而其他對象在850nm850nm的反射比較弱，這樣可以很容易區(qū)分有陰的反射比較弱，這樣可以很容易區(qū)分

48、有陰影果實(shí)的閥值，通過比較兩個果實(shí)的影果實(shí)的閥值，通過比較兩個果實(shí)的R R值，就可以判斷哪個果值，就可以判斷哪個果實(shí)的距離更近。實(shí)的距離更近。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（4 4）作業(yè)流程）作業(yè)流程 該收獲機(jī)器人收獲流程框圖如圖所示。機(jī)器人采用三維視覺傳感器，該收獲機(jī)器人收獲流程框圖如圖所示。機(jī)器人采用三維視覺傳感器，獲取果實(shí)的位置。張開手爪抓住果實(shí)，檢測和切斷機(jī)構(gòu)上升，直至檢測出獲取果實(shí)的位置。張開手爪抓住果實(shí)，檢測和切斷機(jī)構(gòu)上升，直至檢測出果梗的位置，判斷出果梗的直徑是否小于果梗的位置，判斷出果梗的直徑是否小于10mm10mm。若小于。若小于10mm10mm

49、，檢測機(jī)構(gòu)停，檢測機(jī)構(gòu)停止上升，切斷機(jī)構(gòu)閉合，切斷果梗，把持機(jī)構(gòu)閉合，檢測切斷機(jī)構(gòu)下降，止上升，切斷機(jī)構(gòu)閉合，切斷果梗，把持機(jī)構(gòu)閉合，檢測切斷機(jī)構(gòu)下降，結(jié)束作業(yè)。若果梗直徑大于結(jié)束作業(yè)。若果梗直徑大于10mm10mm，重新檢測果梗的位置。，重新檢測果梗的位置。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例3 3荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人荷蘭黃瓜種植面積和產(chǎn)量大，人工收獲費(fèi)用占整個溫室黃瓜生荷蘭黃瓜種植面積和產(chǎn)量大，人工收獲費(fèi)用占整個溫室黃瓜生產(chǎn)費(fèi)用的產(chǎn)費(fèi)用的50%50%，因此迫切需要自動收獲。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程，因此迫切需要自動收獲。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所研究出一種多功能

50、模塊式黃瓜收獲機(jī)器人。研究所研究出一種多功能模塊式黃瓜收獲機(jī)器人。（1 1）黃瓜生長系統(tǒng)）黃瓜生長系統(tǒng)荷蘭黃瓜采用新型高拉線種植模式，每一株植物在垂直拉線上，荷蘭黃瓜采用新型高拉線種植模式，每一株植物在垂直拉線上，該垂直拉線繞在一個線軸上，線軸固定在該垂直拉線繞在一個線軸上，線軸固定在4m4m高的水平拉線高的水平拉線上。當(dāng)植物頂部到達(dá)水平拉線時，通過線軸將垂直拉線往上。當(dāng)植物頂部到達(dá)水平拉線時，通過線軸將垂直拉線往下放，使作物頂部下降至水平拉線下方下放，使作物頂部下降至水平拉線下方500mm500mm處，在降低植處，在降低植物高度之前，應(yīng)將植物底部的葉子摘掉。物高度之前，應(yīng)將植物底部的葉子摘掉

51、。（2 2）自走式黃瓜收獲機(jī)器人）自走式黃瓜收獲機(jī)器人自走式黃瓜收獲機(jī)器人由自走式黃瓜收獲機(jī)器人由4 4部分組成：行走車、機(jī)械手、視覺部分組成：行走車、機(jī)械手、視覺系統(tǒng)和末端執(zhí)行器組成。系統(tǒng)和末端執(zhí)行器組成。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例4 4日本東京大學(xué)研制的黃瓜收獲機(jī)器人手爪日本東京大學(xué)研制的黃瓜收獲機(jī)器人手爪第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例5 5 黃瓜的等級級別黃瓜的等級級別 為提高黃瓜的商品價值，有必要對黃瓜進(jìn)行分級。黃為提高黃瓜的商品價值，有必要對黃瓜進(jìn)行分級。黃瓜屬于長型瓜類，人工分級時主要以瓜的均勻性、長度、瓜屬于長型瓜類

52、，人工分級時主要以瓜的均勻性、長度、直徑等作為評價指標(biāo)。日本經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)協(xié)同連合會制訂出了直徑等作為評價指標(biāo)。日本經(jīng)濟(jì)農(nóng)業(yè)協(xié)同連合會制訂出了黃瓜的等級標(biāo)準(zhǔn)，黃瓜的品質(zhì)等級分為黃瓜的等級標(biāo)準(zhǔn)，黃瓜的品質(zhì)等級分為A A、B B、C C級級3 3個等級：個等級：A A級形狀勻稱，彎度不超過級形狀勻稱，彎度不超過1.5cm1.5cm，色澤和鮮度品質(zhì)良好，色澤和鮮度品質(zhì)良好，無病蟲害；無病蟲害；B B級形狀較為均勻，彎度不超過級形狀較為均勻，彎度不超過3cm3cm，鮮度品質(zhì)，鮮度品質(zhì)良好，無病蟲害；良好，無病蟲害；C C級畸形，彎度超過級畸形，彎度超過3cm3cm，過熟，有疤痕。，過熟，有疤痕。大小按質(zhì)量分

53、為大小按質(zhì)量分為2L2L、L L、M M和和S,S,質(zhì)量分別為質(zhì)量分別為130g130g、110g110g、95g95g和和80g80g左右。左右。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例10.3.310.3.3草莓收獲和揀選機(jī)器人草莓收獲和揀選機(jī)器人 草莓作為高級營養(yǎng)水果，深受廣大消費(fèi)者的青睞。和其草莓作為高級營養(yǎng)水果，深受廣大消費(fèi)者的青睞。和其他水果、蔬菜一樣。草莓在上市前也要經(jīng)過嚴(yán)格的揀選和他水果、蔬菜一樣。草莓在上市前也要經(jīng)過嚴(yán)格的揀選和包裝。由于草莓的價格受果實(shí)的形狀、顏色、香味以及損包裝。由于草莓的價格受果實(shí)的形狀、顏色、香味以及損傷程度的影響很大，因此草莓的收

54、獲和揀選在保證產(chǎn)地信傷程度的影響很大，因此草莓的收獲和揀選在保證產(chǎn)地信譽(yù)、提高產(chǎn)品的價值上起著非常重要的作用。譽(yù)、提高產(chǎn)品的價值上起著非常重要的作用。1 1栽培方式栽培方式 傳統(tǒng)的溫室草莓栽培方式是將草莓種植在蓋有地膜的壟傳統(tǒng)的溫室草莓栽培方式是將草莓種植在蓋有地膜的壟上，為了便于收獲，在草莓移栽的時候，將秧苗中帶有花上，為了便于收獲，在草莓移栽的時候，將秧苗中帶有花蒂的方向朝向壟溝，這樣果實(shí)就露在壟溝方向。蒂的方向朝向壟溝，這樣果實(shí)就露在壟溝方向。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例2.2.露地生長草莓收獲機(jī)器人露地生長草莓收獲機(jī)器人 露地栽培的草莓平躺在地面，日本岡

55、山大學(xué)研究出的龍門式草莓收露地栽培的草莓平躺在地面，日本岡山大學(xué)研究出的龍門式草莓收獲機(jī)器人，龍門架設(shè)在草莓生長區(qū)域的兩側(cè)，采用輪式機(jī)構(gòu)移動。機(jī)械獲機(jī)器人，龍門架設(shè)在草莓生長區(qū)域的兩側(cè)，采用輪式機(jī)構(gòu)移動。機(jī)械手設(shè)置在龍門架頂部，可以根據(jù)草莓的高度上下伸縮運(yùn)動，末端執(zhí)行器手設(shè)置在龍門架頂部，可以根據(jù)草莓的高度上下伸縮運(yùn)動，末端執(zhí)行器采用吸引式手爪，從草莓的上方確定二維坐標(biāo)位置，進(jìn)行采摘。采用吸引式手爪，從草莓的上方確定二維坐標(biāo)位置，進(jìn)行采摘。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例3 3高架栽培草莓收獲機(jī)器人高架栽培草莓收獲機(jī)器人日本岡山大學(xué)為了研制草莓收獲機(jī)器人，首先對草莓

56、的栽培方式進(jìn)行了改日本岡山大學(xué)為了研制草莓收獲機(jī)器人，首先對草莓的栽培方式進(jìn)行了改進(jìn)，將草莓種植在高架上，果實(shí)垂下來，機(jī)器人在高架下有足夠的活動進(jìn)，將草莓種植在高架上，果實(shí)垂下來，機(jī)器人在高架下有足夠的活動空間，并且機(jī)器人的收獲作業(yè)不受葉子的干擾?？臻g，并且機(jī)器人的收獲作業(yè)不受葉子的干擾。（）機(jī)械手（）機(jī)械手高架栽培的草莓因障礙少，采用五自由度極坐標(biāo)機(jī)械手，用彩色攝像機(jī)識高架栽培的草莓因障礙少，采用五自由度極坐標(biāo)機(jī)械手，用彩色攝像機(jī)識別成熟果實(shí)，視覺傳感器采用與櫻桃番茄相同的算法。別成熟果實(shí)，視覺傳感器采用與櫻桃番茄相同的算法。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（）末

57、端執(zhí)行器（）末端執(zhí)行器 草莓收獲的末端執(zhí)行器與櫻桃番茄的相似，依靠真空吸草莓收獲的末端執(zhí)行器與櫻桃番茄的相似，依靠真空吸管首先吸住果實(shí)，對光電中斷器檢測果實(shí)的位置，當(dāng)果管首先吸住果實(shí)，對光電中斷器檢測果實(shí)的位置，當(dāng)果實(shí)處于適當(dāng)位置時，手腕轉(zhuǎn)動將果梗送入切斷處，彈簧和實(shí)處于適當(dāng)位置時，手腕轉(zhuǎn)動將果梗送入切斷處，彈簧和螺線管驅(qū)動刀片切斷果梗。螺線管驅(qū)動刀片切斷果梗。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例4 4草莓揀選機(jī)器人草莓揀選機(jī)器人草莓的形狀復(fù)雜，一般的水果分選原則，如形狀、大小、圓度、草莓的形狀復(fù)雜，一般的水果分選原則，如形狀、大小、圓度、彎曲度以及長度比等，很難用到草

58、莓上。彎曲度以及長度比等，很難用到草莓上。（1 1）草莓的揀選標(biāo)準(zhǔn)）草莓的揀選標(biāo)準(zhǔn)日本的草莓根據(jù)規(guī)定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)按顏色、形狀及大小進(jìn)行揀選分類、包裝日本的草莓根據(jù)規(guī)定的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)按顏色、形狀及大小進(jìn)行揀選分類、包裝之后才可上市流通。一般，收獲后的草莓可按著色程度分為之后才可上市流通。一般，收獲后的草莓可按著色程度分為8 8分、分、7 7分、分、1010分、分、5 5分，形狀可分為分，形狀可分為 A A、B B和和C C等，大小可分為等，大小可分為2L2L、L L、M M、S S和和2S2S級。級。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例（2 2）草莓揀選機(jī)器人的原理）草莓揀選機(jī)

59、器人的原理 草莓揀選機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成包括輸送帶、控制器草莓揀選機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)成包括輸送帶、控制器1 1和控和控制器制器2 2、空氣壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)、CCDCCD攝像機(jī)、照明系統(tǒng)、計算機(jī)和圖攝像機(jī)、照明系統(tǒng)、計算機(jī)和圖像處理系統(tǒng)。像處理系統(tǒng)。第10章 生物生產(chǎn)機(jī)器人10.3 10.3 應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例10.3.4 10.3.4 多功能機(jī)器人多功能機(jī)器人對于相同對象或作業(yè)空間相近的作業(yè)可以采用多功能機(jī)器人，只需更換不對于相同對象或作業(yè)空間相近的作業(yè)可以采用多功能機(jī)器人，只需更換不同的末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)就可以完成作業(yè)。同的末端執(zhí)行器、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)就可以完成作業(yè)。1 1葡萄多功能生

60、產(chǎn)機(jī)器人葡萄多功能生產(chǎn)機(jī)器人日本研制的葡萄多功能生產(chǎn)機(jī)器人，包括機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感日本研制的葡萄多功能生產(chǎn)機(jī)器人，包括機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動機(jī)構(gòu)，只要更換手爪就可以完成多種作業(yè)。器和移動機(jī)構(gòu)，只要更換手爪就可以完成多種作業(yè)。（1 1）蔬果末端執(zhí)行器）蔬果末端執(zhí)行器疏果末端執(zhí)行器包括疏果末端執(zhí)行器包括3 3個部分個部分: :上面部分分為兩個帶有橡膠的平行盤，盤上面部分分為兩個帶有橡膠的平行盤，盤子平行張開和閉合，交替前進(jìn)和后退，在主干上壓迫和扭掉果實(shí)。中子平行張開和閉合，交替前進(jìn)和后退，在主干上壓迫和扭掉果實(shí)。中間部分包括一個帶有針的圓盤、彈簧和一個多孔盤。當(dāng)中間部分抓住