1、采摘机器人关键技术采摘机器人关键技术-农机农机112班班 引言 国内外现状 关键技术 农业机器人的发展与展望 结论摘要摘要:果蔬采摘机器人是针对水果和蔬菜，通过编程能完成这些作物的采摘，输送，装箱等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统。设计果蔬采摘机器人需解决的主要问题是识别和定位果实，在不损害果实也不损害植株的条件下，按照一定的标准完成果蔬的收获。同时，也要考虑经济因素，要保证其成本不比其所替代的人工成本高。果品采摘作业是水果生产链中最耗时，最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘
2、自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用月约占成本的50%-70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。果品采摘作业是水果生产链中最耗时，最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用月约占成本的50%-70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降
3、低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。返回国内外研究现状：首次应用机器人技术进行果蔬收获的是美国学者 Schertz和 Brown于 1968年提出的 3 ,但当时开发的收 获机器人样机只能算是半自动化的收获机械。随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能 控制等技术的发展和日趋成熟,日本、美国、荷兰、法 国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人 的研究上做了大量研究工作,并且试验成功了多种具 有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂 性和采摘环境的特殊性,目前市场上仍没有商品化的 采摘机器人。1 1984年，日本京
4、都大学的川村等人开始开始了对番茄采摘机器人的研究，并研制出一台具有5自由度关节型机械手的机器人。2 近藤等人研制出气吸式草莓采摘机器人，针对特定栽培模式-坡面上种植和平面种植，研制出了3种草莓采摘机器人并分别进行了实验。3 荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜采摘机器人。机械手有7个自由度，采用三菱RV-E26自由度机械手，在底座上增加了1个线性滑动由度，采摘成功率约为80%，每采摘1条黄瓜需时间45s。4 日本冈山大学研制的葡萄采摘机器人 采用5自由度的极坐标机械手。视觉传感器一般采用彩色摄像机。该机器人的特点是,为了提高使用效率,开发了多种末端执行器,除了能完成采摘作业,更换其他的末
5、端执行器还可以完成喷雾、套袋和修剪枝叶等作业 5 甜瓜收获机器人以色列和美国联合研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上,采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位,并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。试验表明,该机器人可以完成 85%以上的田间甜瓜的识别和 4 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器人，具有4自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。5 西班牙研制了柑橘采摘机器人，有摘果手、彩色视觉系统和超声传感电位器3部分组成。6 中国农业大学的孙明等人为苹果采摘机器人开发了一套果实识别机器视觉系统。7浙江大学利用机器视觉技术研究了树上柑橘的识别方法。此外，各国研
6、究人员还在进行西瓜、甘蓝、茄子等果蔬的采摘机器人技术研究。返回1 西红柿采摘机器人1993年,日本近藤等人研制出一台具有 7自由度的西红柿收获机器人。该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成(见图 1)。末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成。通过彩色摄像机来寻找和识别成熟果实,利用双目视觉方法对目标进行定位。采摘时,4轮行走机构行走指定的距离后,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,判断西红柿是否符合收获标准,若符合,则控制吸盘把果实吸住,再由机械手指抓住果实,然后通过机械手的腕关节拧下果实。该采摘机器人的采摘速度约为 15 s/个,成功率约为 70
7、%。该机器人存在的问题是有些被叶茎遮挡的成熟西红柿没有被成功采摘。2004年,美国加利福尼亚西红柿机械公司在当地农业博览会上展出 2台全自动西红柿采摘机(见图2)。该采摘机长 12.5 m、宽 4.3 m,每分钟可采摘 1 t多西红柿。这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓,分选设备挑选出红色的西红柿,并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内,然后将未成返回 黄瓜采摘机器人 日本近藤等人研制出一种采用 6自由度机械手的黄瓜采摘机器人(见图 4),它能在专门为机械化采摘而设计的倾斜棚支架下工作。该机器人在摄像机前加了滤波片,可以根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。其末端执行器上装有果梗探
8、测器、切割器和机械手指。采摘时由机械手指抓住黄瓜后,果梗探测器便寻找果梗,然后切割器切断果梗,完成采摘。采摘速度为 16s/个,成功率大约为 60%。存在的问题是受到茎叶的影响较大。荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄瓜采摘机器人(见图 5),其末端执行器由一个 7自由度机械手和切割器组成,采摘速度为 45 s/根,成功率约为 80%。返回苹果采摘机该采摘机机械手具有 4自由度,工作空间可以达到 3 m。利用 CCD摄像机和光电传感器识别果实,识别率达 85%。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋,缩短了从摘取到放置的时间,提高了采摘速度。缺点是该机器人无法绕过障碍物摘取苹果,也没有给出
9、完全被茎叶遮盖的苹果的识别和采摘方法返回 柑橘采摘机器人 西班牙工业自动化研究所基于人机协作思想研制出一种柑橘采摘机器人,该机器人主体装在拖拉机上,由机械手、彩色视觉系统和超声传感定位器组成。它能通过柑橘的颜色、大小和形状来判断柑橘是否达到采摘标准,还可以按色泽、大小进行分级装箱。该机器人采摘速度为 1 s/个。这个机器人的特点在于:采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成,机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。这样不仅提高了采摘机器人的采摘效率和成功率,还能大幅度降低系统成本,有利于尽早实现采摘机器人的产业化返回农业机器人的关键技术 1
10、农业机器人集传感、监测、人工智能、通讯，图像识别和精密及系统集成等多种前沿科学技术与一身。2 采摘机器人的制造成本高、应用推广果蔬采摘机器人的采摘对象具有多样性,工作时间具有季节性,设备利用率低,操作对象大部分为农民,这就要求其要具有良好的通用性、可编程性、高可靠性和操作简单性。另外采摘机器人的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。只有当其使用成本低于人工收获成本时,采摘机器人才会真正被普及。因此,成本问题将成为制约采摘机器人市场化的瓶颈问题。1机器人的结构单，如图一所示：2农业机器人的感觉系统 机器人的手采用带有弹性触点的触敏元件、热敏元件、质量传感器、电位器等装置，在一定程度上有了手的功
11、能。奇迹人的视觉系统和人的视觉系统类似，由信息获取，信息处理与特征抽取比较、判断分类等部分组成。3机械手臂的自适控制系统如图2所示：4 目标的探测与定位技术：对作业对象的正确识别和定位是任何农业机器人正常工作所必需的前提。5 5自主导航与路径规划：自主导航与路径规划：自主导航是具有开放式结构农业机器人应具备自主导航是具有开放式结构农业机器人应具备的重要认知特性。的重要认知特性。6 苹果采摘机器人末端执行器 如下图：1 发展 目前，大部分果蔬采摘机器人还处于研究阶段，离实用化和商品化还有一定的距离。其主要原因是：1机器人智能化程度没有达到农业生产的要求。农业生产的非结构性和田间工作的不确定性要求
12、采摘机器人具有较高的的智能和柔性生产的能力。2采摘效率不高，普遍低于人工采摘。这主要是由于图像处理时间较长，以及机器人的自由度多，对其控制需要话费较长时间。3机器人的制造成本较高，而且其应用的季节性较强，使用效率较低。展望：采摘智能化机器人的研究需要在一下几个方面进行努力：1 开发出智能化程度高的视觉处理系统，能够对要采摘的成熟果蔬进行准确的识别和精确定位。2 提高图像处理硬件的处理速度，优化软件的算法，同时简化机器人结构，降低控制难度，从而提高采摘工作效率 3 设计开放式的采摘机器人，提高机器人的通用性。通过更换末端执行器既能采摘不同的果蔬，提高机器人使用效率。另外，还需要在机械手的结构、采
13、摘工作方式和壁障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化。返回 目前，农业机器人额适应性和通用性不足，智能化程度仍旧不够高等使得难以适应复杂多变的农业生产环境；再者，现在农业机器人的生产成本高、效率低。这两方面的原因使得农业机器人尚不合适走出实验室进行广泛的推广使用。随着各国对农业机器人发展的不断重视，同时对农业机器人的开发研究在资金和人力上的不断支持，相信农业机器人会得到一个长足的发展，并最终会走出应用，为农业发展做出自己的贡献。随着我国民经济的高速发展，农业产业结构的调整以及新技术的应用，机器人也定会广泛的应用到我国农业生产中。The end
