【大學(xué)課件】生物生產(chǎn)機(jī)器人 參考資料（中文課件）----

1、2.1 生物生產(chǎn)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象 生物生產(chǎn)機(jī)器人的開展，大局部是由于生物生產(chǎn)系統(tǒng)中自動(dòng)化原料處理的需要而引起的，因而機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象和過程生物體所經(jīng)歷的是影響機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要因素。與通常所設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象和過程相比，生物生產(chǎn)機(jī)器人需要處理大小、形狀、顏色和外表特征動(dòng)態(tài)變化的對(duì)象。此外，生物生產(chǎn)機(jī)器人很可能是在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)，調(diào)整對(duì)象和過程以利于機(jī)器人的設(shè)計(jì)的可能性也很小(Allotta et al., 1990, 1991; Ting和Giacomelli, 1990)。 植物、動(dòng)物和食品的可能形態(tài)幾乎是無限的，目標(biāo)對(duì)象常是隨機(jī)地處于一個(gè)三維空間，隨著植物的生長以及其它外部因

2、素如風(fēng)、機(jī)器和作業(yè)人員等的影響，這些位置可能發(fā)生改變，所以為機(jī)器人創(chuàng)造一個(gè)均衡統(tǒng)一的環(huán)境是十分具有挑戰(zhàn)性的。此外，種植方式和植物栽培系統(tǒng)還依賴于生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模、當(dāng)?shù)貧夂蚝头N植者的技術(shù)、環(huán)境及個(gè)人喜好。 另一個(gè)主要關(guān)心的問題是作業(yè)對(duì)象后期加工過程中的品質(zhì)保持，在設(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，需要仔細(xì)考慮和研究機(jī)器人體接觸或變化對(duì)生物體的影響。根據(jù)定義，機(jī)器人是智能的、靈活的機(jī)器，它們比機(jī)械自動(dòng)化機(jī)器更適宜于對(duì)這些類型的問題作出響應(yīng)。2.2 生物體的特性生物體的特征如表2.1所示，這些屬性可以用各種已確定的或新興的方法測量。植物的形狀乍看之下好似很復(fù)雜，但通常是具有一些規(guī)那么的特征，這類信息是應(yīng)用機(jī)器視覺識(shí)別植物

3、形狀的導(dǎo)航機(jī)器人智能的一個(gè)局部。 作業(yè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)屬性對(duì)決定機(jī)器人恰當(dāng)?shù)奶幚聿襟E和引導(dǎo)操作中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以減少對(duì)作業(yè)對(duì)象質(zhì)量的負(fù)面影響是很重要的。一般，生物體和工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象相比往往比擬柔軟且更易受到損傷，物體外表的摩擦阻力對(duì)決定機(jī)器人的夾緊力和翻轉(zhuǎn)力是十分重要的，剪切阻力那么是正確切割物體必須考慮的。當(dāng)機(jī)器人處理動(dòng)物對(duì)象時(shí)需要足夠輕柔細(xì)致，以免讓它們覺得不舒服。生物體的彈性有助于機(jī)器人決定處理對(duì)象的限度。 表2.1 生物體的物理屬屬性特征物理形狀、大小、質(zhì)量、密度、表觀動(dòng)態(tài)剪切阻力、摩擦阻力、彈性、粘性光學(xué)反射率、透射率聲學(xué)振動(dòng)特性、波傳播特性電學(xué)電阻、電容、靜電特性生物體具有一定的

4、光學(xué)特性，圖2.1所示是局部植物在近紫外、可見和近紅外波段的典型反射光譜。植物含有葉綠素的局部在670 nm附近有一個(gè)吸收波段。水果和花的顏色依賴于植物的種類，有些花在300 nm附近有很高的反射率，基于這一點(diǎn)，可以認(rèn)為某些昆蟲的視覺敏感范圍包括了紫外區(qū)域，昆蟲可能擁有將花朵從植物其它部位鑒別出來獲得蜂蜜和花粉的能力。在近紅外區(qū)域，有很多水的吸收波段：970、1170、1450和1950 nm，植物的所有部位在這一區(qū)域比在可見光區(qū)域具有更高的反射率。 圖2.1 植物的典型反射光譜由于生物體含有水和組織，所以聲波和振動(dòng)屬性同樣顯示出獨(dú)特的特征，這些屬性根據(jù)物體的成熟度和質(zhì)量會(huì)有所改變。電特性如電

5、阻和電容也會(huì)隨物體品質(zhì)的變化而變化。大多數(shù)的生物體都是活的，收獲的水果吸進(jìn)O2呼出CO2和乙烯，用生物傳感方法測量植物或水果的呼吸活動(dòng)(類似于測量人類的脈博)，從而確定生物體的內(nèi)部狀態(tài)也是可行的。生物生產(chǎn)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象與傳統(tǒng)的工業(yè)制造機(jī)器人是不同的，因而有必要開發(fā)生物生產(chǎn)機(jī)器人以適合生物體的特征。2.3 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不同與工業(yè)機(jī)器人。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(shí)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(shí)柔性處理是必要的。第二，在識(shí)別周圍環(huán)境時(shí)常希望機(jī)

6、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)器人所具備的平安裝置之外，當(dāng)生物生產(chǎn)機(jī)器人與操作人員一起作業(yè)時(shí)可能還需要一些特殊的平安裝置。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，且貨幣投資要有本錢效益。2.4 對(duì)生物生產(chǎn)機(jī)器人的期望 雖然從19世紀(jì)70年代后期，生物生產(chǎn)機(jī)器人的研發(fā)一直在進(jìn)行，但這一領(lǐng)域仍處于它的新興階段。對(duì)生物生產(chǎn)機(jī)器人的需求和開展方向?？梢娨恍O端的觀點(diǎn)，生物生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)潛在的使用者對(duì)這一類機(jī)器人技術(shù)有各種期望。機(jī)器人無疑在很多生產(chǎn)制造過程中對(duì)提高生產(chǎn)率起了很重要的作用，為工業(yè)生產(chǎn)而開發(fā)的機(jī)器人技術(shù)及

7、在生產(chǎn)中獲得的經(jīng)驗(yàn)對(duì)生物生產(chǎn)機(jī)器人的開發(fā)有很重要的價(jià)值，應(yīng)用于各種生產(chǎn)過程的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)也將繼續(xù)開展。我們的觀點(diǎn)是：無條件地接受或拒絕機(jī)器人技術(shù)在生物生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用是不恰當(dāng)?shù)?。因而，討論目前和未來?duì)生物生產(chǎn)機(jī)器人的期望是什么是很重要的。替換、節(jié)省勞動(dòng)力 生物生產(chǎn)機(jī)器人能彌補(bǔ)季節(jié)性勞力缺乏和管理困難問題，同時(shí)有助于降低人工費(fèi)用。機(jī)器人有每天工作多于8小時(shí)的能力，一些機(jī)器人還能一天不間斷地工作24小時(shí)。由于機(jī)器人能在任何時(shí)間段工作，很多生產(chǎn)系統(tǒng)就可利用這一優(yōu)點(diǎn)降低非頂峰期的使用率。機(jī)器人可用于替代工人完成危險(xiǎn)和骯臟的作業(yè)，另一方面，機(jī)器人也同樣適宜那些要求盡量減少人員通行的干凈的室內(nèi)環(huán)境。很多生

8、物技術(shù)作業(yè)包括生物原料的控制傳送就屬于這一類。人類能力的擴(kuò)展 裝在機(jī)器人上的很多傳感器可以進(jìn)行比人工更精確的、連續(xù)的測量，特別是在像播種和嫁接這種單調(diào)的作業(yè)中，能創(chuàng)造更高質(zhì)量的、統(tǒng)一的產(chǎn)品，從而增加市場價(jià)值。研究者在開發(fā)那些使用人類無法測量的信號(hào)的傳感技術(shù)方面進(jìn)行了大量的工作；另外，很多信號(hào)處理的創(chuàng)新算法可通過微處理器實(shí)現(xiàn)再傳遞給機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。通過使用在適當(dāng)受限的工作單元為生物體特征專門開發(fā)的適宜的末端執(zhí)行器，機(jī)器人有可能進(jìn)行高速高效的作業(yè)，有些機(jī)器人系統(tǒng)還能處理一些工人無法直接處理的對(duì)象。目前，人類智力和能力的很多方面仍然是機(jī)器無法獲得的，人類的創(chuàng)造性、靈活性和管理技巧在將資源轉(zhuǎn)變成產(chǎn)品的

9、整個(gè)系統(tǒng)中是相當(dāng)有價(jià)值的。機(jī)器人作為人類的工具而開發(fā)，并在開發(fā)過程中盡量使機(jī)器人能夠擴(kuò)展人類的能力。包含機(jī)器人的新生產(chǎn)系統(tǒng)在開發(fā)生物生產(chǎn)機(jī)器人時(shí)，很多情況下，新的生產(chǎn)系統(tǒng)也被創(chuàng)立以利于機(jī)器人作業(yè)。適用于特殊機(jī)器人的生產(chǎn)系統(tǒng)要同時(shí)根據(jù)生物生產(chǎn)的規(guī)模和環(huán)境的狀況而創(chuàng)立，根據(jù)Kokuzeixha (1995)發(fā)表的數(shù)據(jù)資料，圖2.2顯示了很多生物生產(chǎn)的規(guī)模。過去25年，美國和日本的農(nóng)場和農(nóng)場用地的數(shù)量都有穩(wěn)定的下降，美國的農(nóng)場用地約是日本的40倍，而日本的農(nóng)場數(shù)那么比美國多，這說明兩個(gè)國家之間在農(nóng)場的平均大小上有很大的不同，日本的農(nóng)場平均大小為1.4 ha，而美國是190 ha?？梢姡丝煽丨h(huán)境中

10、的系統(tǒng)外，這兩個(gè)國家的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)通常有一定的不同。 在東亞，主要是小規(guī)模的生物生產(chǎn)系統(tǒng)和有許多農(nóng)民的密集型農(nóng)業(yè)，在他們的生產(chǎn)系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品是在較小區(qū)域里消耗大量的勞力、精力和時(shí)間獲得的。雖然在開發(fā)技術(shù)以增加單位面積產(chǎn)量上作了很多努力并獲得了一些主要成果，但這些技術(shù)的開展變得越來越困難。東亞的褶皺地型形成了各種小平原、丘陵、流域、小山、溫室和植物工廠，還有在這些區(qū)域的各種各樣的環(huán)境條件。為了獲得較高的產(chǎn)量和質(zhì)量，必須在適宜的季節(jié)和區(qū)域種植適宜的生物種類。在一個(gè)含多種種植地型的生產(chǎn)系統(tǒng)，需要一個(gè)單操作器多機(jī)器人(one-operator-several-robots)系統(tǒng)。在美國和加拿大，常是只有

11、很少農(nóng)民的大型農(nóng)場及用于大塊田地的大型機(jī)械。他們能以較低的消耗生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，但統(tǒng)一的品質(zhì)還是較難到達(dá)的。當(dāng)機(jī)器人引入大型系統(tǒng)時(shí)，通過各種全球定位系統(tǒng)進(jìn)行控制會(huì)很有效。在這種系統(tǒng)中，由于是大型的單一作物區(qū)域，一個(gè)農(nóng)場主所需的機(jī)器人數(shù)量比東亞密集型多作物系統(tǒng)的要少。歐洲的情況在東亞和北美這間，如圖2.2所示。圖2.2 每個(gè)農(nóng)場主的農(nóng)場占地面積2.5 多用途的生物生產(chǎn)機(jī)器人 生物生產(chǎn)有許多季節(jié)性的作業(yè)，過去大多數(shù)機(jī)械是為田間作業(yè)而開發(fā)的，如水稻生產(chǎn)的插秧機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)，因?yàn)樗鼈兪菫樘岣吣骋惶厥鈺r(shí)段和某一特殊作業(yè)的作業(yè)效率而設(shè)計(jì)的，所以每年的使用時(shí)間不長，這也是農(nóng)民的純經(jīng)濟(jì)利潤不好的一個(gè)原因：昂貴機(jī)

12、械的日常開支。 機(jī)器人只有一個(gè)普通機(jī)械手，它的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是通過改變末端執(zhí)行器或與軟件結(jié)合的各種傳感器實(shí)現(xiàn)它的多功能。然而事實(shí)上，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人要它實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)工作中的很多任務(wù)類型是不明智的。為短時(shí)間多目的而設(shè)計(jì)的大局部機(jī)械系統(tǒng)有一個(gè)缺點(diǎn)是它們的工作效率會(huì)降低。在設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)時(shí)一個(gè)不可防止的問題是：靈活的自動(dòng)化系統(tǒng)還是固定的自動(dòng)化系統(tǒng)更適合一項(xiàng)特定的工作。一個(gè)固定的自動(dòng)化系統(tǒng)在大量標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)中效率很高，而一個(gè)靈活的自動(dòng)化系統(tǒng)在經(jīng)常變化的生產(chǎn)中效率較高(Koern, 1983)。2.6 生物生產(chǎn)機(jī)器人：工程技術(shù)、生物學(xué)與社會(huì)科學(xué)的綜合在設(shè)計(jì)生物生產(chǎn)機(jī)器人的組成局部時(shí)用到了很多工程理論和技術(shù)，包括機(jī)

13、械學(xué)、電子學(xué)、機(jī)器視覺、模糊控制、人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其它種種。因?yàn)闄C(jī)器人是為處理植物、動(dòng)物、食品和其它生物體而設(shè)計(jì)的，對(duì)生物科學(xué)的了解以及它在生物原料生產(chǎn)過程中的作用是同等重要的。而且，還不能忽略考慮相關(guān)社會(huì)科學(xué)如經(jīng)濟(jì)學(xué)、管理學(xué)、市場學(xué)和公共接受程度的必要性。圖2.5描述了為生物生產(chǎn)機(jī)器人開發(fā)綜合三大重要推動(dòng)力的必要過程。參考文獻(xiàn) Allotta, B., L. Bosio, P. Dario, F. Quaglia, and L. Tripaldi, 1990. Intelligent grasping of fruits and vegetables for robot harvesti

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