【采摘機(jī)器人研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述4000字】

采摘機(jī)器人研究國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1國(guó)外研究現(xiàn)狀歐美國(guó)家對(duì)機(jī)械人的研究較早，技術(shù)較發(fā)達(dá)，存在一個(gè)科技進(jìn)步的飛速發(fā)展階段，但是隨著時(shí)間的推移，歐美國(guó)家對(duì)機(jī)械采摘機(jī)械手的研究進(jìn)入了瓶頸期[1]。1968年，美國(guó)學(xué)者開(kāi)始將精力用于果蔬采摘機(jī)器人方面的研究，并取得了一定的成果REF_Ref70609026\r\h[3]。但當(dāng)時(shí)研制出的采摘機(jī)器人因?yàn)槭斋@方式缺乏一定的合理性，從而導(dǎo)致了果實(shí)很容易受到損傷和破壞，這些采摘的缺點(diǎn)可能給經(jīng)濟(jì)造成一定的損失。到了80年代，美國(guó)、荷蘭、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，利用電氣自動(dòng)化技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，研究出了功能各方面都比較好的采摘機(jī)器人。例如：葡萄采摘機(jī)器人、草莓采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、蘋果采摘機(jī)器人等REF_Ref70609062\r\h[4]。從1980年開(kāi)始，歐洲國(guó)家基于雄厚的財(cái)力支持，對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行了深入的研究。美國(guó)公司是最開(kāi)始開(kāi)展對(duì)采摘機(jī)器人研究的公司，其第一個(gè)研究對(duì)象是草莓[2]。由于新鮮草莓質(zhì)地較軟，比較害怕磕碰等情況的發(fā)生，所以草莓采摘機(jī)器人的采摘機(jī)構(gòu)使用柔軟的硅膠制成硅爪[3]。草莓被放在收集裝置中，機(jī)器人使用皮策輪在草莓地移動(dòng)。草莓最后被收集進(jìn)裝袋設(shè)備之中裝袋。英國(guó)在1987年設(shè)計(jì)出一款蘑菇采摘機(jī)器人，該機(jī)器人使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，安裝有氣動(dòng)開(kāi)關(guān)[4]。其機(jī)械手裝置為爪狀機(jī)械手。日本公司設(shè)計(jì)制造了一款草莓采摘機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人與美國(guó)不一樣的地方在于它的工作時(shí)間在12到22小時(shí)左右，可以在無(wú)人工的情況下完成草莓采摘的任務(wù)。白天晚上都可以工作，大大增加了農(nóng)民的收益。除此之外還研究出了一種甘藍(lán)采摘機(jī)器人[5]。一臺(tái)名為sweeper的機(jī)器人是以色列和歐洲的科學(xué)家一起研發(fā)的，如圖1.1所示。該機(jī)器人可自主的在溫室里來(lái)回的巡視，可以辨別辣椒的成熟程度是否達(dá)到了采摘的最佳時(shí)期，如果確認(rèn)合適采摘，機(jī)器人就會(huì)將辣椒采摘放到籃子中。該種機(jī)器人很合適于在葉子數(shù)量比較小的農(nóng)作物中進(jìn)行采摘作業(yè)。該機(jī)器人采摘一個(gè)果實(shí)大約需要花24秒，而且它們所采取的速度相對(duì)于人類來(lái)說(shuō)是更慢的。但是研發(fā)人員說(shuō)，由于機(jī)器人的運(yùn)行工作周期相對(duì)較長(zhǎng)，他們可以在夜間或無(wú)人時(shí)間段采摘果實(shí)，這很大的提高了采摘效率。圖1.1辣椒采摘機(jī)器人據(jù)《麻省理工學(xué)院技術(shù)評(píng)論》網(wǎng)站于2019年3月28日的新聞報(bào)導(dǎo)，美國(guó)abundantrobotics公司與新西蘭研發(fā)了一款蘋果采摘機(jī)器人REF_Ref70609093\r\h[5]。如圖1.2所示，這款采摘機(jī)器人利用了先進(jìn)的影響處理技術(shù)來(lái)分辨蘋果的成熟程度，以真空吸取蘋果的方式采摘果實(shí)，避免了機(jī)械設(shè)備采割對(duì)果實(shí)表面的損傷。該款機(jī)器人解決了新西蘭因水果采摘季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)短缺的問(wèn)題，提高了果實(shí)的采摘效率REF_Ref70609662\r\h[6]。圖1.2蘋果采摘機(jī)器人人口老齡化越來(lái)越嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)也逐漸變得嚴(yán)重短缺，這已成為日本目前最大的社會(huì)問(wèn)題之一。日本松下集團(tuán)根據(jù)這一現(xiàn)象，研發(fā)了一款番茄采摘機(jī)器人，如圖1.3所示，并計(jì)劃于2019年上市推廣使用。該款機(jī)器人借助了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，能夠利用該技術(shù)通過(guò)圖像識(shí)別的方式，識(shí)別出紅色的成熟果實(shí)，接著就是對(duì)果實(shí)的形狀、位置進(jìn)行精確定位及采摘，而且番茄采摘機(jī)器人的手爪附有彈性材料，在采摘的過(guò)程中不會(huì)損傷果實(shí)的外表皮，起到很好的保護(hù)作用。采摘一顆番茄果實(shí)大約需要花6秒的時(shí)間。番茄采摘機(jī)器人還可以連續(xù)24小時(shí)不間斷的進(jìn)行果實(shí)采摘作業(yè)，這極大的為日本解決了季節(jié)性采摘期短、勞動(dòng)力不足的問(wèn)題。圖1.3番茄采摘機(jī)器人2019年6月，澳大利亞的中央昆士蘭大學(xué)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款采摘芒果的機(jī)器人，而且還在當(dāng)?shù)氐娜》晷℃?zhèn)的農(nóng)植場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，表現(xiàn)非常出色，提高了75%的收獲效率，這款機(jī)器人利用計(jì)算機(jī)技術(shù)可以識(shí)別出水果的成熟程度以及水果的位置、重量，而且在采摘水果的過(guò)程中盡量保護(hù)果實(shí)的外表皮。此外，該機(jī)器人還可以根據(jù)果實(shí)的成熟程度、果實(shí)大小來(lái)進(jìn)行分批采摘，為下一道工序的果品分級(jí)包裝提供了更多的便利。除了像昆士蘭大學(xué)以外，還有英國(guó)普利茅斯大學(xué)、比利時(shí)企業(yè)、挪威等多個(gè)機(jī)構(gòu)團(tuán)體已經(jīng)推出各類的果蔬采摘機(jī)器人。截止到2020年。國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)于采摘機(jī)器人研究最詳細(xì)的國(guó)家是美國(guó)，其所生產(chǎn)的臍橙采摘機(jī)器人采用了國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)。這兩種臍橙采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分別如下兩圖所示，如圖1.4所示，臍橙采摘機(jī)器人的工作原理與家用電器吸塵器相似[6]。這種形式的臍橙采摘機(jī)器人是通過(guò)視覺(jué)模擬來(lái)對(duì)成熟的臍橙進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)氣壓將內(nèi)部變?yōu)檎婵?，從而達(dá)到臍橙摘取的目的，這種臍橙采摘機(jī)器人具有較高的采摘效率，但是其所采摘的臍橙很容易在采摘過(guò)程中發(fā)生損傷。如圖1.5所示為美國(guó)所研制的臍橙采摘機(jī)器人二號(hào)[7]。這個(gè)機(jī)器人可以將果實(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)挑選。摘取機(jī)構(gòu)為三爪的機(jī)械手。這個(gè)機(jī)器人采用果實(shí)識(shí)別算法[8]。通過(guò)將果園中的品種及其結(jié)構(gòu)區(qū)別進(jìn)行區(qū)分，使其在工作過(guò)程中減少失誤，從而提高準(zhǔn)確率。圖1.4吸盤式采摘機(jī)器人圖1.5三爪卡盤式采摘機(jī)器人2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀中國(guó)科技發(fā)展一直落后于歐美國(guó)家，在歐美國(guó)家技術(shù)發(fā)展到巔峰時(shí)期，中國(guó)才意識(shí)到機(jī)器人的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化、智能化的重要性[9]。因此，我國(guó)對(duì)于采摘機(jī)器人的研究更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家。隨著我國(guó)科技的飛速發(fā)展，人們對(duì)于科技的意識(shí)逐漸增強(qiáng)，進(jìn)幾十年中，我國(guó)工業(yè)發(fā)展上發(fā)生的天翻地覆的變化，出現(xiàn)了很多顯著的成果，我國(guó)在采摘機(jī)器人等領(lǐng)域上都取得了很多的成就[10]。目前，我國(guó)機(jī)械手研究發(fā)展迅速。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所及其他眾多企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械手的研究，使得機(jī)械手應(yīng)用發(fā)展方向極為廣泛。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)最先開(kāi)始展開(kāi)了對(duì)草莓采摘機(jī)器人的研究，基于美國(guó)之前的草莓采摘機(jī)器人技術(shù)，做大量的研究與試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出了第一個(gè)中國(guó)草莓采摘機(jī)器人[11]。草莓采摘機(jī)器人使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)草莓的識(shí)別，其誤差為千分之一。成功的做到了將草莓與草莓的生長(zhǎng)環(huán)境相分離。繼中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)之后，河南工業(yè)學(xué)院基于大棚種植草莓設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)器人的雙目視覺(jué)采集圖像信息[12]。這種方法可以有效的進(jìn)行避障和草莓的識(shí)別，是一種先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)[12]。對(duì)于黃瓜采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上研發(fā)了一款黃瓜采摘機(jī)器人，主要用于種植在大棚溫室里的黃瓜，種植比較規(guī)范化，地勢(shì)平坦。這款采摘機(jī)器人的底部是選用履帶式的運(yùn)輸方式，底盤有自主導(dǎo)航的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃。黃瓜采摘機(jī)器人是借助了計(jì)算機(jī)影像處理技術(shù)來(lái)識(shí)別黃瓜的大小、成熟度及位置，并通過(guò)定位坐標(biāo)來(lái)控制機(jī)械手臂和末端執(zhí)行器來(lái)完成對(duì)黃瓜的采摘任務(wù)，這大大的提高了黃瓜的采摘效率[13]。洛陽(yáng)理工學(xué)院針對(duì)現(xiàn)有黃瓜采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)笨重，智能化不全面的問(wèn)題展開(kāi)了深入研究，設(shè)計(jì)了一款利用機(jī)械手對(duì)黃瓜進(jìn)行采摘的機(jī)器人，該機(jī)器人具有多自由度。大大的改善了黃瓜采摘過(guò)程中由于采摘結(jié)構(gòu)與行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)過(guò)于笨重而導(dǎo)致的采摘困難的問(wèn)題。北京大學(xué)對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人進(jìn)行了樣機(jī)制作，通過(guò)對(duì)首先對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人進(jìn)行了理論分析，研究與設(shè)計(jì)，并對(duì)其關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析[15]。通過(guò)大量的運(yùn)動(dòng)情況分析和仿真分析，逐漸模擬黃瓜采摘機(jī)器人的使用環(huán)境，并對(duì)溫室環(huán)境下的黃瓜采摘機(jī)器人的工況進(jìn)行了大量的了解與研究，最后利用圖象識(shí)別原理，將黃瓜果實(shí)與黃瓜莖葉的信息分別利用不同的表達(dá)方式儲(chǔ)存至黃瓜采摘機(jī)器人內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)了圖像識(shí)別的功能，有效進(jìn)行黃瓜的采摘。在臍橙采摘機(jī)器人的研究領(lǐng)域內(nèi)。北京科技大學(xué)結(jié)合國(guó)內(nèi)外的臍橙采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及國(guó)內(nèi)臍橙采摘的工作情況，提出了一種新型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)并制造了臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)[16]。除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)展開(kāi)了對(duì)臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)的試驗(yàn)與研究。對(duì)其視覺(jué)定位精度進(jìn)行了深入的研究，所制作的臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)具有較高的定位精度，并且所設(shè)計(jì)的臍橙采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)均能正常工作[17]，馬貴飛等人基于市場(chǎng)上現(xiàn)有的臍橙采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[18]。如圖1.6所示，履帶式采摘機(jī)器人使用履帶完成機(jī)器人的移動(dòng)。履帶具有兩個(gè)自由度。完成水果采摘的機(jī)械手是由大臂、小臂及末端所組成，具有五個(gè)自由度。驅(qū)動(dòng)的電機(jī)及液壓系統(tǒng)均在機(jī)械手臂后側(cè)，該種履帶式采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)笨重，適合在較為平緩的土地上進(jìn)行使用[19]。圖1.6履帶式采摘機(jī)器人在2015年，蘇州博田自動(dòng)化有限公司根據(jù)田園環(huán)境設(shè)計(jì)了一款實(shí)用性極高的、以履帶式移動(dòng)移動(dòng)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人。履帶式的減震性好，且移動(dòng)速度快，比較適合用于規(guī)范化的果蔬種植園。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示：該款果蔬采摘機(jī)器人的果蔬采摘準(zhǔn)確率極高，采摘果實(shí)所花的時(shí)間較短。此款果蔬采摘機(jī)器人的研發(fā)為后來(lái)的各類采摘機(jī)器人的研究做了鋪墊，具有較高的指導(dǎo)意義。通過(guò)將國(guó)內(nèi)采摘機(jī)器人與國(guó)外采摘機(jī)器人的研究情況進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)對(duì)于采摘機(jī)器人的研究時(shí)間較短，因此所研究的采摘機(jī)器人大多效率較低，使用范圍小。只有小部分的采摘機(jī)器人能夠完成實(shí)地采摘的任務(wù)。而且國(guó)外對(duì)于采摘機(jī)器人領(lǐng)域的研究投入了很大的財(cái)力，物力，并且國(guó)外政府對(duì)于工業(yè)的發(fā)展大力支持。很多大型科技公司自主研發(fā)所研究的采摘機(jī)器人，具有更加先進(jìn)的技術(shù)。國(guó)外所研制的采摘機(jī)器人使用了更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)、集成化模塊等先進(jìn)裝置。因此，國(guó)內(nèi)所生產(chǎn)的采摘機(jī)器人，不論是在結(jié)構(gòu)上還是在工作效率上均弱于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的采摘機(jī)器人。參考文獻(xiàn)[1]張曉偉,葛云,張立新,陳飛,馬文霄.直角坐標(biāo)紅花采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,44(01):79-84.[2]史亞貝.基于DSP的三自由度采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2018,44(02):34-38.[3]姜光,姜久超,李愛(ài)寧,李巖,常碩.基于PLC的農(nóng)業(yè)機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2020,44(02):219-223.[4]袁志良,古越.武術(shù)飛腳啟發(fā)作用在采摘機(jī)器人智能化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2019,44(02):249-252.[5]蔣先平,徐燦,劉豐溥,吳玉發(fā),薛坤鵬.果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備,2020,42(02):2-8+13.[6]馬錚.采摘水果——農(nóng)用無(wú)人機(jī)的新動(dòng)向[J].農(nóng)機(jī)市場(chǎng),2021(04):59-60.[7]LinGuichao,TangYunchao,ZouXiangjun,WangChenglin.Three-dimensionalreconstructionofguavafruitsandbranchesusinginstancesegmentationandgeometryanalysis[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2021,184.[8]GaoGuohua,LiuCong,WangHao.Kinematicaccuracyofpickingrobotconstructedbywire-drivencontinuumstructure[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,2021,235(2).[9]桑晶,盧彬,楊淑琴.柑橘類水果采摘機(jī)器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探討[J].南方農(nóng)機(jī),2017,52(06):74-75.[10]童彤.荷蘭：采摘機(jī)器人大規(guī)模應(yīng)用尚有時(shí)日[J].中國(guó)果業(yè)信息,2017,38(03):36-37.[11]李小斌,吳宏岐,陳渭紅,張力.一種蘋果采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2017,29(03):129-134.[12]郗厚印,張棟,周濤,楊云霄.采摘機(jī)器人識(shí)別抓取重疊番茄果實(shí)的方法研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2015,43(12):17-23+50.[13]孟川杰.基于虛擬仿真軟件的采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013,43(12):51-54+59.[14]楊康.農(nóng)業(yè)機(jī)器人柔性手爪關(guān)鍵技術(shù)研究[D].湖北