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1、采摘机器人简介,机械设计及理论140710553张晨光,1,目录,1摘要,3国内外采摘机器人的研究进展,2果树采摘机器人的特点,4采摘机器人的结构组成,5果蔬采摘机器人的主要问题和关键技术,6参考文献,2,1采摘机器人的特点,作业对象娇嫩、形状复杂且个体状况之间的差异性大，需要从机器人结构、传感器、控制系统等方面加以协调和控制；采摘对象具有随机分布性，大多被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，使得采摘速度和成功率降低，同时对机械手的避障提出了更高的要求；采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，要求机器人在视觉、知识推理和判
2、断等方面有相当高的智能；,3,采摘对象是有生命的、脆弱的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，从而需要机器人的末端执行器具有柔顺性和灵巧性；高智能导致高成本，农民或农业经营者无法接受，并且采摘机器人的使用具有短时间、季节性、利用率不高的缺点，是限制采摘机器人推广使用的重要因素；果蔬采摘机器人的操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单、界面友好的特点。,4,2 国内外采摘机器人的研究进展,工业机器人技术,计算机图像处理技术,人工智能,机械震摇式,气动震摇式,传统采摘机器人类型,现今主要依靠的技术,目前，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色
3、列、西班牙等国都展开了果蔬收获机器人方面的研究工作。涉及到的研究对象主要有甜橙、苹果、西红柿、樱桃西红柿、芦笋、黄瓜、甜瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇等，但这些收获机器人目前都还没能真正实现商业化。,5,西红柿采摘机器人,图1 西红柿采摘机器人Fig.2 Tomato harvesting robo,日本 Kondo-N 等人研制的西红柿收获机器人由机械手 末端执行器 视觉传感器和移动机构等组成 如图1所示西红柿各个果实不一定是同时成熟 并且果实有时被叶茎挡住 收获时要求机械手活动范围大且能避开障碍物 所以机器人的采摘机械手采用 7自由度的 SCORBOT ER 工业机器人，,6,采摘时 移
4、动机构行走一定距离后就进行图像采集 利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息 判断西红柿是否在收获的范围之内 若可以收获 则控制机械手靠近并摘取果实吸盘把果实吸住后 机械手指抓住果实 然后通过机械手的腕关节拧下果实。,彩色摄像机识别,双目视觉方法定位,四轮机构行走,7,3采摘机器人的结构组成,移动机构,机械手,末端执行器,识别和定位系统,采摘机器人,8,31移动机构,车轮式,履带式,人形结构,车轮式应用最广泛。车轮式的行走机构转弯半径小、转向灵活，但轮式的结构对于松软的地面适应性较差，会影响机械手的运动精度。而履带式的行走机构对地面的适应性较好；但由于其转弯半径过大，转向不灵活。,9,
5、目对于西瓜等作物的藤茎在地面上的果实，使用上述两种行走装置显然不适合。移动机构的设计必须要保证机器人运动平稳和灵活避障。荷兰开发的黄瓜收获机器人以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走轨道。日本等尝试将人形机器人引入到移动式采摘机器人中；但这种技术目前还不成熟，有待进一步的研制开发。采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是智能采摘机器人行走部分的发展趋势。,车轮式,西红柿,履带式,葡萄,10,32机械手,机械手又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在收获机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处
6、的位置，,直角坐标,圆柱坐标,极坐标,球坐标,多关节（类人）,其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。,11,果蔬采摘机器人往往工作于非结构性环境中，工作对象常常是随机分布的，因此在机械手的设计过程中，必须考虑采用最合理的设计参数。,机器人类型,工作空间,机械臂数量,机器人结构方式,机械臂越多，机构越灵活，但控制也越复杂，消耗的时间也越多。必须在系统数量和性能之间进行平衡,串联式、并联式,12,为了设计出最合适的操作手机构，还必须进行机构的运动学和动力学研
7、究，同时还要考虑其运动平衡性能，综合优化算法设计，使机器人能灵巧无碰撞地完成采摘任务。,评价机械手的结构性能参数,工作空间,可操作度,位置多样性,冗余度,13,33识别和定位系统,采摘机器人视觉系统的工作方式由于环境的复杂性，有时需要利用多传感器多信息融合技术来增强环境的感知识别能力并利用瓜果的形状来识别和定位果实。目前的采摘机器人视觉系统在环境比较规则的情况下能取得比较好的效果，但在自然环境下的应用仍需要进一步的研究。这需要研究出有效、快速的算法，将果实分辨出来。在目前这种技术还不是很成熟的情况下，可采用人工辅助选择目标和定位。,获取水果的数字化图像,运用图像处理算法识别,确定图像中水果的位
8、置,采摘机器人视觉系统的工作方式:,果实的识别和定位是果实采摘机器人的首要任务和设计难点，识别和定位的准确性关系到采摘机器人工作效率。,14,34末端执行器,数量,形状,尺寸,动力学特性,水果的化学和生物特性,末端执行器是果蔬收获机器人的另一重要部件，通常由其直接对目标水果进行操作。因此，需要满足各种不同的规则，以便切除水果并确保水果质量。末端执行器的基本结构取决于工作对象的特性以及工作方式。,手指的数量和形状的设计与所要采摘的果实密切相关。一般而言，手指的数量越多，采摘效果越好，但控制也越复杂,如抓取力、切割力、弹性变形、光特性、声音属性、电属性等,物理属性：,15,抓取范围,水果分离率,水
9、果损伤率,水果损伤率,采摘的灵活性,速率,末端执行器的性能评估指标：,旋转拧取,机械切除,激光切割,高压水喷切,双电极切割法,美国俄亥俄州立大学开发了一种由四手指机械手和一个机械手控制器组成的末端执行系统，能够很好地抓持和采摘果实，灵活轻巧，采摘成功率有明显的提高。,传统采摘方法：,现代采摘方法：,16,4果蔬采摘机器人的主要问题和关键技术,41研究中的问题,果实的识别率不高 或识别后定位精度不高。,果实的损伤率较大。,采摘机器人的制造成本较高，设备利用率低，使用维护不方便。,果实的平均采摘周期较长。,存在的问题,17,42研究中的关键技术,点击添加文本,点击添加文本,开发智能化的图像处理算法
10、,采用主动光源的多维视觉系统,多传感器信息融合,421智能化的果实识别和定位,18,422机械本体的优化设计,点击添加文本,点击添加文本,通用性和灵活性强,系统简单、成本低、可控性好、易于操作和维护,可以实现果蔬的无损采摘,机械本体的优化设计,19,七自由度番茄采摘机械手,此机械手在工作空间、可操作度、灵活性、避障等性能指标方面具有优越性。,20,机械手端部对基坐标系坐标变换公式：T7= A1A2A3A4A5A6A7,21,番茄采摘机械手D-H坐标参数,其中ai为连杆长度，i为连杆扭角，di为两连杆距离，i为两连杆夹角。,22,位姿矩阵的通用公式为：,23,番茄采摘机械手各个关节的位姿矩阵,2
11、4,综上可得出等式：,25,对应每一个元素的计算式为：,26,423路径规划和运动控制技术,与一般工业机器人不同之处在于，采摘机器人在工作时环境复杂，并且需要在运动过程中，实时探测和判断目标水果，根据要求采摘水果。为了尽可能有效而且可靠地达到目标位置，机器人应能根据环境模型和目标位置确定自身的行走路径。采摘机器人在运动过程中，其数据处理量相当大，对控制系统的实时性要求高。同时，由于作物果实是随机分布的，为了灵活地接近果实，提高其采摘的效率，收获机器人往往存在冗余自由度，这对机器人的轨迹规划、运动控制、避障行走等方面都提出了更复杂、更严格的要求。因此，必须研究开发出自适应性强、鲁棒性好和路径算法
12、最优的智能化机器人。,27,424开放式的控制系统体系结构,这两种实现方式都是封闭式的结构，使得采摘机器人只能具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进。开放式结构的果蔬采摘机器人具有良好的扩展性、通用性和柔性作业的能力。通过更换不同自由度的机械部分适应不同类型的农作物，而且更换不同的末端执行器可以进行不同的操作。,工业机器人,独立设计的专用机电系统,目前已有的果蔬采摘机器人一般采用两种实现方式：,28,构建开放式的控制系统，在硬件上要为用户提供标准的控制平台以及丰富的外围接口，而且易于扩展，以适应不同的机器人本体。系统的软件应在标准操作系统下采用标准的语言开发，做
13、到可移植，易修改、重构及扩展，并能提供公开的用户接口和程序接口。只要更换不同的机器人机械部分和末端执行器，用该系统可以控制不同的机器人，这样在不同的季节，就能完成不同的作业，提高了控制系统的利用率，减少了设备成本。,29,参考文献,1 赵 匀,武传宇.农业机器人的研究进展及存在的问题J.农业工程学报,2013,19(1):20-24.2孙进良，刘师多，丁慧玲我国玉米收获机械化的应用现状与展望J农机化研究，2011，31(3)：2172193沈明霞.，姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向J.农机化研究，2010（5）：31-35.4汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人，2012，2
14、7（1）：90-96.5蔡自兴，机器人学M北京：清华大学出版社，2000:46-50.6张道林，孙永进，赵洪光，等立辊式玉米摘穗与茎秆切碎装置的设计J农业机械学报，2012，36(7)：50-52,30,7闰洪余，吴文福，韩峰，等。立辊型玉米收获机摘穗辊辊型对工作性能的影响J农业机械学报，2011，40(5)：76808 徐丽明 , 张铁中 . 果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策 J. 农业工程学报， 2004，20（5）：38-42.9沈景明，王薇玉米摘穗机构的研究与试验J农村牧区机械化，2010(1)：192010 黄贤新 . 工业机器人机械手设计 J. 装备制造技术，2012（03）:25-32.11 崔玉洁 , 张祖立 , 白晓虎 . 采摘机器人的研究进展与现状分析 J. 农机化研究，2011（2）：4-7.12 田素博 , 邱立春 , 秦军伟 , 刘春芳 . 国内外采摘机器人机械手结构比较的研究 J. 农机化研究， 2014（3）：195-197.,31,
