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1、采摘機器人簡介目錄1摘要3國內外采摘機器人的研究進展2果樹采摘機器人的特點4采摘機器人的結構組成5果蔬采摘機器人的主要問題和關鍵技術6參考文獻1采摘機器人的特點作業(yè)對象嬌嫩、形狀復雜且個體狀況之間的差作業(yè)對象嬌嫩、形狀復雜且個體狀況之間的差異性大，需要從機器人結構、傳感器、控制系統異性大，需要從機器人結構、傳感器、控制系統等方面加以協調和控制；等方面加以協調和控制；采摘對象具有隨機分布性，大多被樹葉、樹枝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速度和成功率降低，同時對機
2、械手的避障提出了更高的要求；更高的要求；采摘機器人工作在非結構化的環(huán)境下，環(huán)境條采摘機器人工作在非結構化的環(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；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巧性；的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性；高智能導致高成本
3、，農民或農業(yè)經營者無法接高智能導致高成本，農民或農業(yè)經營者無法接受，并且采摘機器人的使用具有短時間、季節(jié)性、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；的重要因素；果蔬采摘機器人的操作者是農民，不是具有機果蔬采摘機器人的操作者是農民，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。具有高可靠性和操作簡單、界面友好的特點。2 國內外采摘機器人的研究進展工業(yè)機器人技術工業(yè)機器人技術計算機計算機圖像處理技術圖像處理技術人
4、工智能人工智能機械震搖式機械震搖式氣動震搖式氣動震搖式傳統采摘機器人類型現今主要依靠的技術目前，日本、荷蘭、法國、英國、意大利、美國、以色列、西班牙目前，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商業(yè)化。真正實現商業(yè)化。西紅柿采摘機器人
5、 圖圖1 1 西紅柿采摘機器人西紅柿采摘機器人Fig.2 Tomato harvesting roboFig.2 Tomato harvesting robo日本日本 Kondo-N 等人研制的西紅柿收獲機器人由等人研制的西紅柿收獲機器人由機械手機械手 末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器 視覺傳感器和移動機構等組視覺傳感器和移動機構等組成成 如圖如圖1所示西紅柿各個果實不一定是同時成熟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并且果實有時被葉莖擋住 收獲時要求機械手活收獲時要求機械手活動范圍大且能避開障礙物動范圍大且能避開障礙物 所以機器人的采摘機所以機器人的采摘機械手采用械手采用 7自由度
6、的自由度的 SCORBOT ER 工業(yè)機器人工業(yè)機器人， 采摘時采摘時 移動機構行走一定距離后就進行圖像采集移動機構行走一定距離后就進行圖像采集 利用利用視覺系統檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息視覺系統檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息 判斷判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內西紅柿是否在收獲的范圍之內 若可以收獲若可以收獲 則控制機械則控制機械手靠近并摘取果實吸盤把果實吸住后手靠近并摘取果實吸盤把果實吸住后 機械手指抓住果實機械手指抓住果實 然后通過機械手的腕關節(jié)擰下果實。然后通過機械手的腕關節(jié)擰下果實。彩色攝像機彩色攝像機識別識別雙目視覺方法定位雙目視覺方法定位四輪機構行走四輪機構行走3采
7、摘機器人的結構組成移動機構移動機構機械手機械手末端執(zhí)行器末端執(zhí)行器識別和定位系統識別和定位系統采摘機器人31移動機構車輪式車輪式履帶式履帶式人形結構人形結構車輪式應用最廣泛。車輪式的行走機構轉彎半徑小、轉車輪式應用最廣泛。車輪式的行走機構轉彎半徑小、轉向靈活，但輪式的結構對于松軟的地面適應性較差，會向靈活，但輪式的結構對于松軟的地面適應性較差，會影響機械手的運動精度。而履帶式的行走機構對地面的影響機械手的運動精度。而履帶式的行走機構對地面的適應性較好；但由于其轉彎半徑過大，轉向不靈活。適應性較好；但由于其轉彎半徑過大，轉向不靈活。目對于西瓜等作物的藤莖在地面上的果實，使用上述兩目對于西瓜等作物
8、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。移動機構的設計必須要保證機種行走裝置顯然不適合。移動機構的設計必須要保證機器人運動平穩(wěn)和器人運動平穩(wěn)和靈活避障靈活避障。荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機器人。荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機器人以鋪設于溫室內的加熱管道作為小車的行走軌道。日本以鋪設于溫室內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；但這等嘗試將人形機器人引入到移動式采摘機器人中；但這種技術目前還不成熟，有待進一步的研制開發(fā)。采用智種技術目前還不成熟，有待進一步的研制開發(fā)。采用智能導航技術的無人駕駛自主式小車是智能采摘機器人行能導航技術的無人駕駛自主式小車是智能采摘
9、機器人行走部分的發(fā)展趨勢。走部分的發(fā)展趨勢。車輪式西紅柿履帶式葡萄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機械手又稱操作機，是指具有和人手臂相似的動作功能，并使工作對象能在空間內移動的機械裝置，是機能，并使工作對象能在空間內移動的機械裝置，是機器人賴以完成工作任務的實體。在收獲機器人中，機器人賴以完成工作任務的實體。在收獲機器人中，機械手的主要任務就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的械手的主要任務就是將末端執(zhí)行器移動到可以采摘的目標果實所處的位置，目標果實所處的位置，直角坐標直角坐標圓柱坐標圓柱坐標極坐標極坐標球坐標球坐標多關節(jié)多關節(jié)（類人）（類人）其工作空間要求機器人能夠達到任何
10、一個目標果實。其工作空間要求機器人能夠達到任何一個目標果實。相比其它結構比較起來，要求更加靈活和方便。相比其它結構比較起來，要求更加靈活和方便。機機械手的自由度是衡量機器人性能的重要指標之一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。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構性環(huán)境中，工作對果蔬采摘機器人往往工作于非結構性環(huán)境中，工作對象常常是隨機分布的，因此在機械手的設計過程中，象常常是隨機分布的，因此在機械手的設計過程中，必須考慮采用最合理的設計參數必須考慮采用最合理的設計參數。機器人類型機器人類型工作空間工作
11、空間機械臂數量機械臂數量機器人機器人結構方式結構方式機械臂越多，機械臂越多，機構越靈活，機構越靈活，但控制也越復雜，但控制也越復雜，消耗的時間也越多。消耗的時間也越多。必須在系統數量和必須在系統數量和性能之間進行平衡性能之間進行平衡串聯式、并聯式串聯式、并聯式為了設計出最合適的操作手機構，還必須進行機構的運動學和動力學研究，同時為了設計出最合適的操作手機構，還必須進行機構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)化算法設計，使機器人能靈巧無碰撞地完成采還要考慮其運動平衡性能，綜合優(yōu)化算法設計，使機器人能靈巧無碰撞地完成采摘任務。摘任務。評價機械手的結構性能參數評價機械手的結構性能
12、參數工作空間工作空間可操作度可操作度位置多樣性位置多樣性冗余度冗余度33識別和定位系統采摘機器人視覺系統的工作方式由于環(huán)境的復雜性，有時需采摘機器人視覺系統的工作方式由于環(huán)境的復雜性，有時需要利用要利用多傳感器多信息融合技術多傳感器多信息融合技術來增強環(huán)境的感知識別能力來增強環(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。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在環(huán)境比較規(guī)則的情況下能取得目前的采摘機器人視覺系統在環(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)境下的應用仍需要進一步的研究。比較好的效果，但在自然環(huán)境下的應用仍需要進一步的研究。這需要研究出有效、快速的算
13、法，將果實分辨出來。在目前這需要研究出有效、快速的算法，將果實分辨出來。在目前這種技術還不是很成熟的情況下，可采用人工輔助選擇目標這種技術還不是很成熟的情況下，可采用人工輔助選擇目標和定位。和定位。獲取水果的獲取水果的數字化圖像數字化圖像運用圖像處理運用圖像處理算法識別算法識別確定圖像中確定圖像中水果的位置水果的位置采摘機器人視覺系統的工作方式采摘機器人視覺系統的工作方式: :果實的識別和定位是果實采摘機器人的首要任務和設計難點，果實的識別和定位是果實采摘機器人的首要任務和設計難點，識別和定位的準確性關系到采摘機器人工作效率。識別和定位的準確性關系到采摘機器人工作效率。34末端執(zhí)行器數量數量形
14、狀形狀尺寸尺寸動力學特性動力學特性水果的化學水果的化學和生物特性和生物特性末端執(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量。末端執(zhí)行器的基本結構取決于工作對象的特性以及工作保水果質量。末端執(zhí)行器的基本結構取決于工作對象的特性以及工作方式方式。手指的數量和手指的數量和形狀的設計與形狀的設計與所要采摘的果實所要采摘的果實密切相關。密切相關。一般而言，一般而言，手指的數量越多，手指的數量越多，采摘效果
15、越好，采摘效果越好，但控制也越復雜但控制也越復雜如抓取力、切割力、如抓取力、切割力、彈性變形、光特性、彈性變形、光特性、聲音屬性、電屬性等聲音屬性、電屬性等物理屬性物理屬性：抓取范圍水果分離率水果損傷率水果損傷率采摘的靈活性速率末端執(zhí)行器的性能評估指標：旋轉擰取機械切除激光切割高壓水噴切雙電極切割法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，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。傳統采摘方法：現代采摘方法：4果蔬采摘機器人的主要問題和關鍵技術41研究中的問題果實的識別率不高果實的識別率不高 或識別后定位精度不高?；蜃R別后定位精度不高。果
16、實的損傷率較大。果實的損傷率較大。 采摘機器人的制造成本較高，采摘機器人的制造成本較高，設備利用率低，設備利用率低，使用維護不方便。使用維護不方便。果實的平均采摘果實的平均采摘周期較長。周期較長。存在的問題42研究中的關鍵技術點擊添加文本點擊添加文本開發(fā)智能化的開發(fā)智能化的圖像處理算法圖像處理算法采用主動光源的采用主動光源的多維視覺系統多維視覺系統多傳感器信息融合4 42 21 1智能化的智能化的果實識別和定位果實識別和定位422機械本體的優(yōu)化設計點擊添加文本點擊添加文本通用性和靈活性強通用性和靈活性強系統簡單、系統簡單、成本低、成本低、可控性好、可控性好、易于操作和維護易于操作和維護可以實現
17、果蔬的無損采摘機械本體的機械本體的優(yōu)化設計優(yōu)化設計七自由度番茄采摘機械手此機械手在工作空間、可操作度、靈活性、避障等性能指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。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：機械手端部對基坐標系坐標變換公式：T T7 7= A= A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6 6A A7 7番茄采摘機械手番茄采摘機械手D-H坐標參數坐標參數其中ai為連桿長度，i為連桿扭角，di為兩連桿距離，i為兩連桿夾角。位姿矩陣的通用公式為：位姿矩陣的通用公式為： 番茄采摘機械手各個關節(jié)的位姿矩陣番茄采摘機械手各個關節(jié)的位
18、姿矩陣 綜上可得出等式：綜上可得出等式：對應每一個元素的計算式為對應每一個元素的計算式為：423路徑規(guī)劃和運動控制技術與一般工業(yè)機器人不同之處在于，采摘機器人在工作與一般工業(yè)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，根據要求采摘水果。斷目標水果，根據要求采摘水果。為了盡可能有效而且可靠地達到目標位置，機器人應為了盡可能有效而且可靠地達到目標位置，機器人應能根據環(huán)境模型和目標位置確定自身的行走路徑。采能根據環(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，其數據處理量相當大，對控摘機器人
19、在運動過程中，其數據處理量相當大，對控制系統的實時性要求高。制系統的實時性要求高。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、避障行軌跡規(guī)劃、運動控制、避障行走走等方面都提出了更復雜、更嚴格的要求。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)出自因此，必須研究開發(fā)出自適應性強、魯棒性好和路徑適應性強、魯棒性好和路徑算法最優(yōu)算法最優(yōu)的智能化機器人。的智能化機器人。424開放式的控制系統體系結構這兩種實現方式都是封
20、閉式的結構，使得采摘機器人這兩種實現方式都是封閉式的結構，使得采摘機器人只能具有特定的功能，適應于特定的環(huán)境，通用性差，只能具有特定的功能，適應于特定的環(huán)境，通用性差，不便于對系統進行擴展和改進。不便于對系統進行擴展和改進。開放式結構的果蔬采摘機器人具有良好的擴展性、通開放式結構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不同類型的農作物，而且更換不同的末端執(zhí)部分適應不同類型的農作物，而且更換不同的末端執(zhí)行器可以進行不同的操作。行器可以進行不同的操作。工業(yè)機器人工業(yè)機器人獨立設計的獨立設計的專用機電系統
21、專用機電系統目前已有的果蔬采摘機器人一般采用兩種實現方式：目前已有的果蔬采摘機器人一般采用兩種實現方式：構建開放式的控制系統，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，以適應不同的機器人本體。系統的軟件應在標準操作系統下采用標準的語言開發(fā)，做到可移植，易修改、重構及擴展，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，用該系統可以控制不同的機器人，這樣在不同的季節(jié)，就能完成不同的作業(yè)，提高了控制系統的利用率，減少了設備成本。參考文獻參考文獻1 1 趙趙 勻勻,武傳宇武傳宇.農業(yè)機器人的研究進展及存在的問題農業(yè)機器人的研究進展及存在的問題J.
22、農業(yè)工程學報農業(yè)工程學報,2013,19(1):20-24.22孫進良，劉師多，丁慧玲我國玉米收獲機械化的應孫進良，劉師多，丁慧玲我國玉米收獲機械化的應用現狀與展望用現狀與展望J農機化研究，農機化研究，2011，31(3)：21721933沈明霞沈明霞.，姬長英，姬長英.農業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術動向農業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術動向J.農機化研究，農機化研究，2010（5）：）：31-35.44湯修映，張鐵中湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述果蔬收獲機器人研究綜述J.機器人，機器人，2012，27（1）：）：90-96.55蔡自興，機器人學蔡自興，機器人學M北京：清華大學出版社，北京：清華大
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