果蔬采摘机器人的综述报告.pdf

摘要介绍了国内外果蔬采摘机器人的类型和特点，综述了国内外果蔬采摘机器人的研究进展，总结了果蔬采摘机器人的特点，归纳了果蔬采摘机器人研究中的关键问题并分析了典型的果蔬采摘机器人的机械结构及控制系统的过程机理等，比较了果蔬采摘机器人的动力源系统。在此基础上，对果蔬采摘机器人的研究前景进行了展望。关键词：引言随着电子计算机和自动控制技术的发展、农业高新科技的应用和推广，农业机器人已逐步进入到农业生产领域中，并将促进现代农业向着装备机械化、生产智能化的方向发展。果蔬采摘是农业生产中季节性强、劳动强度大、作业要求高的一个重要环节，使用人工采摘不仅效率低、劳动量大，而且对果蔬也造成了一定量的损害。研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着很重要的意义。并且，随着我国农业从业者的减少和老龄化趋势的不断加大，果蔬采摘机器人的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。第1章果蔬采摘机器人的发展现状1.1果蔬采摘机器人的特点工业领域是机器人技术的传统应用领域，工业机器人处于可控制的人工环境内，并以均匀材质、确定的尺寸和形状的物体为操作对象，目前已经得到了相当成熟的应用，而采摘机器人工作在高度非结构化的复杂环境下，作业对象是有生命力的新鲜水果或蔬菜。同工业机器人相比，果蔬采摘机器人具有以下特点：1、作业环境的非结构性。由于农作物随着时间和空间而变化，工作环境是变化的、未知的，是开放性的。作物生长环境除受地形条件的约束外，还直接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求采摘机器人不仅要具有与生物体柔性相适应的处理功能，而且还要能够顺应变化的自然环境，在视觉、触觉、多传感器融合等知识推理和判断等方面具有相当的智能。2、采摘对象的娇嫩性和复杂性。果实具有软弱易伤的特性，其形状复杂，生长发育程度各异；而且采摘对象大多被植物的枝叶所遮盖，增大了视觉定位的难度，是采摘速度和成功率降低，同时也对机械手的避障提出了更高的要求。3、作业对象大多数被树叶、树枝所掩盖，增大了机器人的视觉识别、定位的难度，降低了采摘成功率，这就对机器人机械手的避障提出了更高的要求。4、作业动作的复杂性。采摘机器人一般是作业移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和重点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离甚至遍及整个田间等特点。5、作业对象和价格的特殊性。采摘机器人操作者大都是农民，因此要求采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点。另外，高智能性导致果蔬采摘机器人的制造成本较高，农民和农业经营者或无法接受，并且采摘机器人的使用受到时间和季节性的限制，使用效率不高，也是限制采摘机器人推广的重要因素。国内外果蔬采摘机器人的研究进展果蔬采摘机器人于世纪60年代在美国开始研究，当时的采摘方法是采用机械振动摇式和气动振摇式，容易造成果实的损伤，效率也不高。但在此后，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，果蔬采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。1983年，第一台西红柿采摘机器人在美国诞生。在其后的20多年时间里，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西班牙等国相继实验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑橘、番茄、葡萄、西瓜等的智能机器人，但这些机器人都还没能真正的实现商业化。表1为部分国家果蔬采摘机器人的研究进展情况。表1果蔬采摘机器人的研究进展统计商业化阶段样机阶段研究阶段日本/甘蓝、葡萄、番甘蓝、番茄、茄茄、樱桃、黄瓜子、西瓜、甜橙、草莓荷兰萝卜、蘑菇番茄、芦笋黄瓜、葡萄法国葡萄、橄榄、苹//果、甜橙英国/蘑菇定期收获水果的攀爬机器人美国椰菜、甜橙、柑//橘我国在农业机器人的研究开始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，但发展速度很快，不少院校、研究所都在进行采摘机器人的研究。如上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究，浙江大学对七自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化设计研究，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别系统进行了研究等。通过跟踪国外先进技术，我国在机器人采摘领域中也取得了初步的成果，但都是出于实验阶段，距投入农业进行实际生产还需时日。第2章果蔬采摘机器人的机械结构现状分析2.1行走机构的机械结构现状分析行走机构主要用于机械手和末端执行器的初步定位，上面装有完成收获任务的所有硬件和软件部分。不同于一般的工业机器人，果蔬采摘机器人一般不是静止的，它往往需要安装在小巧的平台上，以便于在野外不同的土壤地势条件下移动。目前，移动式采摘机器人的行走机构主要有车轮式、履带式和人形结构三种。其中以车轮式行走机构最为简单，应用也最为广泛。1、轮式行走机构2-1所示为一种三轮结构的行走机构。车体前面的轮子主要起导向和支