果蔬采摘机器人的文献综述
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。
1.2 国内外果蔬采摘机器人的研究进展
果蔬采摘机器人于20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
茄、樱桃、黄瓜
甘蓝、番茄、茄子、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
车轮结构有四轮和三轮两种形式，图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撑作用，后面两个提供动力作为驱动轮，通过控制安装在轴上的直流电机的转速来控制车子的行走速度。
图2-1 三轮式行走机构
荷兰开发的黄瓜收获机器人还以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走轨道（如图2-2所示）。日本Kondo-N等人研制的番茄采摘机器人也采用了轮式移动机构(图2-3)。还有横跨于果树上方的自主导引式龙门车（图2-4）。
图2-2荷兰黄瓜收获机器人
（a）行走小车（b）摄像头（c）机械手（d）末端执行器（e）微型定位摄像头（f）工控机（g）220V电力线轴（h）空气泵（i）加热管
图2-3番茄采摘机器人
图2-4 自主导引龙门车式果蔬采摘机器人
2、履带式行走机构
履带式行走机构是将圆环状的循环轨道卷绕在若干个车轮外，使车轮不直接与地面接触，利用履带可以缓和地面的凹凸不平，具有良好的稳定性能、越障能力和较长的使用寿命，适合在崎岖的地面上行使。典型的履带式行走机构主要由导向轮、支重轮、驱动轮、履带板和拖链轮等部分构成。履带与其所绕过的驱动轮、导向轮、支重轮和拖带轮组成多位的“四轮一带”，结构如图2-5所示。
当马达带动驱动轮转动时，与驱动链轮相啮合的链轨及履带板有相对移动的趋势，由于履带板与路面之间的附着力大于驱动链轮、支重轮和导向轮的滚动阻力，所以履带板不会滑动，而驱动链轮、支重轮和导向轮则沿着铺设的链轨滚动，从而驱动整机行走。
图2-5 履带式行走机构结构简图
2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机—LG-1型多功能果园作业机（如图2-6所示）。该机器集采摘、修剪、喷药、运输和动力发电等功能与一身，采用履带式行走装置。其工作时汽油发动机将一部分动力分配给主机的变速箱，由变速箱驱动两条橡胶履带行走。采用橡胶履带行走部件，有利于在果园土壤松软和比较潮湿的环境中行走。同时，该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代。
图2-6 LG-1型多功能果园作业机
2011年，北京市农业机械试验鉴定推广站一台小型多功能遥控动力平台研制成功（如图2-7所示）。该机械平台集成了果实采摘、果蔬剪枝、打药等多种作业功能。在同类机具中，该平台首次采用手动和无线遥控相结合的操作方式，可以方便可靠地操作机器前进、转向和停车。
图2-7 小型多功能遥控动力平台
此外，日本也研制了如BP40型号的很多小型果园运输和管理机具，中国农业大学研制
的黄瓜采摘机器人等均采用了履带式行走机构。如图2-8（a）、（b）所示
图2-8（a）筑水农机公司研制的BP40型号的果园采摘运输机
2-8（b）黄瓜采摘机器人系统
3、人形行走机构
在某些采摘作业场所，例如采摘西瓜等作物，其藤茎匍匐在地面上，行走空间狭小，车轮式和履带式行走机构就不再适用了。为此，日本的Ogasawara和他的研究小组尝试将人形机器人引入到采摘机器人中。如图2-9所示人形行走机构的结构简图。人形行走机构在静态时是平衡的，但在步行时，整个质心会发生偏移而产生动不平衡，控制不好的话，机器人会倾倒，对于松软的地面，维持动不平衡会更加困难。
图2-9 人形行走机构
车轮式行走机构的结构较为简单，转弯半径小，转向灵活。但对于松软的地面适应性较差，同时，对于安装在其上的机械手的运动精度有一定的影响。相比于轮式行走机构，履带式行走机构也具有结构简单、驱动较容易的特点。相反的是履带式行走机构转弯半径大，转向不灵活，但对于地面的适应性较好，并且，履带式行走机构的稳定性、牵引附着性能、爬坡和越沟等性能也较好。就目前来讲，只有葡萄采摘机器人使用了履带式行走机构。由于人形行走机构的步态规划和维持动不平衡十分复杂，其研究成本较前两者也高。因此，在采摘机器人的应用中，目前技术上还并不成熟，仍处于试验研究阶段。但随着智能控制技术的进步，人形行走机构将会在果蔬采摘机器人中得到广泛应用。采用智能导航技术的无人驾驶自主式小车是采摘机器人行走部分的发展趋势。
2.2 机械手的结构现状分析
机械手是具有传动装置的机械实体，由关节与连杆组合成一个相互连接和相互依赖的运动机构。机械手类似于人的手臂，是机械手系列机器人的主要执行部件，主要功能是将末端执行器移动到接近目标的位置，并调整方向使其容易接触目标，同时是手腕和末端执行器的支撑体。果蔬采摘机器人机械手的结构形式和自由度适用于不同果实的采摘，直接影响末端执行器的作业空间、运动精度、灵活性以及控制系统的复杂程度。研究文献表明，大部分结构形式都是直接采用工业机器人的机械手作为采摘机器人的机械本体。从自由度的构成来看，机械手的结构形式主要有直角坐标结构、极坐标结构和关节型结构三种。
1、直角坐标结构
直角坐标机械手的手臂（如图2-10所示）前三个关节位移动关节，构造比较简单，运动方向垂直，轨迹都是直线。各关节之间没有耦合，刚性好、定位精度精度高。但是占的空间比较大，工作范围比较小，惯性大。。
1、2、3、为移动关节4为转动关节
图2-10直角坐标型
2、极坐标型
极坐标结构的机械手，其结构刚度高、末端执行器的抓持质量大。具有两个转动关
节和一个移动关节（如图2-11），灵活性较好，占地面积小，但避障能力较差。目前在黄瓜和葡萄采摘机器人中尝试了使用5自由度极坐标类型的机械手。图2-12表示黄瓜采摘机器人中极坐标结构机械手原理。该机械手共有5个自由度，其中2个旋转自由度，2个回转自由度和1个伸缩自由度。在机械手的下部还有旋转和伸缩两个自由度，作用是在采摘前使机械手的倾斜角度和培育架的倾斜角度相同。黄瓜采摘机器人7个自由度中的两个伸缩自由度增大了末端执行器的活动空间范围，增强了灵活性。
1、2、4为转动关节3为移动关节
图2-11极坐标型
图2-12 极坐标型黄瓜采摘机器人机械手示意图
3、关节坐标型
关节型机械手具有仿人臂结构（图2-13），主要有回转和旋转两种自由度组成。前单个关节都是回转关节，工作比较灵活，工作空间也较大、占地面积小，同其它结构形式相比，关节型结构对于确定三维空间中的任意位置和姿势是最有效的，但刚度和精度不高。
如图2-14所示，苹果采摘机器人的机械手的机构以关节型机械臂为基体，在腰部增加了可以升降的连杆折叠结构，在小臂上又增了伸缩关节，增加了机器人的作业空间。一共具有腰部升降、腰部转动、大臂俯仰、小臂摆动和小臂伸缩五个自由度，其自由度配置为：P-RRR-P。机器人控制系统通过视觉系统获取采摘目标的空间坐标，然后进行运动规划和运动学反解，求出关节空间的运动解。关节型机械手的运动规划和轨迹控制需要进行大量的数学计算，因此对控制系统的要求跟高。图2-15为一黄瓜采摘机器人机械手的总体结构，它有腰部、大臂、小臂和手腕通过旋转关节串联而成，一段固定在基座上，另一端自由并安装末端执行器。
图2-13 关节型机械手示意图
图2-14
苹果采摘机械手机构类型
图2-15 黄瓜采摘机械手总体结构示意图
机械手是机器人的重要组成部分，若机构设计不合理，可能会出现运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能运动等问题。在满足要求的前提下，尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。
机械手结构型式的选取取决于对机器人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制的难易的要求。以直角坐标型、极坐标型、关节坐标型的顺序来看，其活动范围和灵活度有小到大，控制的程度由易到难，位置精度由高到低负载能力由大到小。如表2-1所示。
表2-1各种类型机械手结构型式比较表
类型 优点 缺点
使用对象
直角坐标型 定位精度高、结构简单、形式多样、作业空间大、容易控制、成本低
灵活性差，末端执行器活动范围存在盲区
采摘生长于地面的果实，如甜瓜 极坐标型
灵活性有所增强、结构刚度高、末端执行器的抓持质量大 运动控制比较复杂，运动精度较低 葡萄、黄瓜等藤生
作物，苹果、柑橘
等树冠高达的果
实
关节型灵活性强、结构紧
凑、易于确定三维
空间中的任意位
置和姿态，可以有
效避开障碍物
机械刚度小，运动
精度较低，抓持质
量小，关节控制复
杂，成本高
应用较为广泛，一
般为枝叶茂密，果
实重量不大的作
物，如普通栽培的
番茄
通过表2-1分析得知，就结构形式而言，关节型机械手属于仿人臂型，适用于多果实的采摘，如番茄、苹果、柑橘等，但控制较难。及坐标型机械手适合采摘质量较大的果实，如收获地面上的西瓜，其采用的智能技术较关节型低，但是由于旋转关节的存在，使其控制也很复杂，而且运动精度低、成本高，其推广受到一定的限制。直角坐标型结构简单，定位精度高，控制较为容易，而且可以设计成适用于不同类果实的不同类型，与其它两种类型相比成本最低，但是灵活性也最差，避障性能也不高。为了弥补这个缺点，可以考虑通过改变作物的栽培方式来降低采摘的复杂性，采用结构简单的直角坐标型进行采摘。
2.3 采摘机机器末端执行器研究现状分析
末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件，它的设计通常被认为是机器人的核心技术之一。一般果蔬的外表比较脆弱，它的形状及生长状况通常复杂。在机器人采摘过程中果蔬外表发生损伤的原因主要有：
①果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执行器划伤或刺伤果蔬外表；
②末端执行器夹持或抓取力过大，压伤果蔬外表；
③末端执行器抓持不稳定导致果蔬掉落，与地面或其他坚硬物体接触而碰上外表。
作为采摘机器人的执行装置，末端执行器应根据不同果蔬果实的生物、机械特性及栽培方式，采取不同的专用机构以提高采摘的成功率并减小对果蔬的损伤为主要目标。一般集成两项功能：
①检测果实的位姿，为执行机构提供导航信息；
②以适当力度夹持果实或果梗并剪切果柄，完成采摘动作。在动作上通常包括获取果实和果实与植株分离两部分。为了安全与高效的完成采摘动作，末端执行器还可能加入吸盘、推杆等附加机构以及各类传感器以完成准确采摘并减小损伤。
2.3.1获取方式
获取和分离果实是采摘机器人末端执行器必须实现的两大关键动作，即首先通过抓取、吸入、勾取等一定方式获取果实，再通过扭断、剪切等不同方法完成果实与果梗的分离。从目前发表的文献来看，获取果实的方式主要归为非夹持类和夹持类两种。分离果实与果梗的方式有传统的扭断、折断、拉断以及通过剪刀或切刀进行切断，还有新式的热切割方法等。
1.直接切断式
这类末端执行器一般都是直接剪断果梗，由于其本身不能实现果实的回收，因此剪掉的果实直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本开发的甜椒采摘机器人末端执行器、茄子采摘末端执行器、番茄采摘末端执行器、美国柑橘采摘末端执行器均为此类结构，如图2-16,2-17,2-18所示。
图2-16 甜椒采摘末端执行器
2-17茄子采摘末端执行器
2-18番茄采摘末端执行器
这类末端执行器的结构更能较为简单，适用于植株冠层内枝叶较稀疏，且果实具有一定抗冲击能力的果蔬。对于果梗较短的植株，往往造成无法剪切或碰上果实的现象，对于冠层空间比较复杂的植株，果实下落过程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影响果实的回收。
2.吸入式
这类非夹持类末端执行器主要是通过真空系统将果实吸入末端执行器内，再通过切断、扭断等方式分离果实和果梗。
如图2-19所示的柑橘采摘末端执行器结构图，由真空吸盘先吸持住果实向
后拉动，同时末端执行器的弹性盖板向前移动，使果实进入笼体内，然后盖板收缩进而保住果实，随后一对割刀合拢切断果梗。
2-19柑橘采摘末端执行器
如图2-20（a）所示比利时开发的苹果采摘机器人末端执行器，设计成漏斗的形状，漏斗内安置摄像机，当有果实进入手爪范围的时候，真空吸引器打开将果实吸入，再通过旋转扭断果梗将果实采摘下来。图5（b）所示英国开发的苹果采摘机器人末端执行器，由一截管道、两个内置圆环和两个弹簧盖组成，该末端执行器获取果实的原理也是吸入+扭断式，当苹果的位置信息传来之后，真空系统将果实吸入，再扭断果梗采摘下苹果。
（a）（b）
图2-20 苹果采摘末端执行器
还有吸入+勾取的方式来获取果实等等。吸入式的末端执行器硬件设计简单，工作原理类似，对于果实娇嫩、果梗柔弱细长的草莓等果实，采取吸入加勾取比夹持的获取方式更可行，但这类末端执行器对果实个体尺寸差异适应能力较差动作速度较慢，稳定性不高，而且相邻的未成熟的果实也容易被一同吸入和采摘下来。
3.夹持类
这类末端执行器其夹持器通常由带有真空吸引器和数目不等的手指构成。按手爪的个数可分为两指和多指型，目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为两指，也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则或较大的果实。因此，一般情况下，对于形状较为规格，尺寸和质量部太大的果实，应首选较少手指进行抓持。
（1）两指夹持
如图2-21所示，日本东京大学乔俊（Jun Qiao）等人开发设计的甜椒采摘机
器人末端执行器，该末端执行器具有两个瘦长形的手指，长度为160mm，厚度和宽度分别只有1mm和10mm。两个手指组成的
手爪抓住果柄的过程由依靠一个凸轮的瞬时针旋转运动进行张开和夹紧动作，凸轮的旋转运动由一个步进电机进行驱动，凸轮为椭圆形，旋转90度后手爪就完成一次张开或夹紧的过程。
图2-21日本的甜椒采摘机器人末端执行器
中国农业大学张凯良等人设计了草莓采摘机器人，其机械原理如图2-22所示，该末端执行器的夹持机构主要有机械爪及其附属部件构成。丝杠与内螺纹管通过螺纹连接，由电机带动丝杠旋转，从而螺纹管进行前后运动，进而带动两根手指做闭合或张开动作，完成对果实的获取。在两手指的内侧上装有橡胶垫，增加了缓冲，可使末端执行器更可靠地夹持，同时，在靠近手指根部的位置安装了一对间距可调的机械触点，作为机械爪夹持力度的反馈装置。可见，该末端执行器的夹持装置获取果实的精确性、可靠性以及对果实的保护程度明显要好于日本的甜椒采摘机器人末端执行器。
1.手指
2.内螺纹管
3.丝杠
4.电机
图2-22 机械爪机构示意图
刘继展等研制了番茄采摘机器人末端执行器（图2-23），由于番茄的成串生长增加了真空吸盘装置，避免了采摘时将相邻的未成熟果实一同夹持。真空吸盘装置由真空发生设备、真空检测控制元件、吸盘和连接附件组成。采用小型压缩气罐为气源，采用适应曲面及不平整工件、具有良好缓冲性能的真空波纹吸盘由真空软管、接头等附件连接组成末端执行器的真空系统。真空波纹吸盘固定于齿轮的前端，通过齿轮齿条传动带动吸盘前进和后退，并与真空系统相配合，完成吸住并拉动果实的任务。
采用两指夹持机构，如图2-24所示，手指指面设计成圆弧并贴有5mm厚的橡胶，增强了夹持的可靠性。手指夹持机构由直流伺服电机驱动，通过锥齿轮
的传动，带动具有左旋和右旋两段螺纹的双向螺杆传动，使与之组成螺旋副的两手指产生平行相对运动，从而合拢或松开，完成对番茄果实的夹持。
1.手指
2.真空波纹吸盘
3.双向螺杆4、8、11.直流伺服电动机 5.激光聚
焦透镜 6.齿条7.外壳9、10.锥齿轮12.齿轮
图2-23番茄采摘机器人末端执行器主体结构示意图
图2-24手指尺寸及吸盘行程
马履中等研制的苹果采摘机器人末端执行器的夹持机构如图2-25所示，气缸的活塞杆通过销轴与两手指后端滑槽的高副连接，最终把导杆的直线运动转化成两手指绕转轴的摆动，从而组成滑槽导杆机构，实现对果实的夹持。手指圆弧面内侧设计覆盖了海绵橡胶层，这样可以保证在抓取过程中抓取力分布均匀，增大手指与苹果的摩擦力，可以减少夹持时对苹果的损伤，但海绵弹性系数过小，受很小的力就会产生过大的压缩变形，不能起到很好保护果实的作用。
1.薄型气缸
2.支架
3.活塞杆
4.导杆
5.销轴
6.转轴
7.手指
8.海
绵材料9.橡胶材料10.滑槽
图2-25苹果采摘机器人末端执行器夹持机构结构示意图
（2）多指夹持类
手指的数目越少，夹持的稳定性越差，多指的末端执行器虽然夹持更为稳定可靠，但机构和控制的复杂性大大增加，同时在采摘过程中与果梗、枝叶的干涉现象也会随之增多。
如图2-26所示的茄子采摘机器人末端执行器抓取机构简图，该抓取机构由4根夹持手指（直径4mm的钢丝，可以形变，手指外包有1cm厚的海绵）、2个滑轨（每个滑轨的一端固定在机械手本体上，另一端固定在夹持手指上）和双向丝杠（带螺母，每个螺母分别与夹持手指固定）组成。
四根夹持手指两两相对（图中仅能看到两个），左面的两个连在同一滑轨上，并与双向丝杆的左螺母固定；右面的两个连在同一滑轨上，并与双向丝杆的右螺母固定。通过电机带动双向丝杠，使左右两个滑轨相向而行。蜗轮蜗杆的传动比是1:10，电机正向转动时，双向丝杠的两个螺母沿相向方向运动，运动速度为电机的1/10。当螺母运动到定位果实的位置时，完成夹持动作。而且，双向丝杠的中间部分无螺纹结构，于是，夹持手指的预紧力可以夹持到设定的最小的茄子果实，以后丝杠转动而螺母原地不动；当两个螺母在连在其之间的回位弹簧张力的作用下，螺母向相反的方向运动随双向丝杠的转动，螺母重新回到丝杠的螺纹上，沿着螺纹向两边运动，从而完成松开夹持的果实的动作。
该末端执行器收获茄子的范围仅是3～6.5cm，作业时很容易造成遗漏掉果实，当松开夹持的果实时，回位弹簧降低了执行器的整体稳定。
1.滑轨
2.夹持手指
3.丝杠上的螺母
4.末端执行器外壁
5.双向丝杠
6.蜗杆
7.蜗轮
8.电机轴
9.回位弹簧
图2-26 末端执行器抓取机构简图
居洪玲、姬长英设计了一种多用途的末端执行器（图2-27），不仅能收获苹果和梨，其他生长类似的果实也可以一同收获。含有三个机械爪，如图2-28所示。此末端执行器的抓取机构主要由3个机械爪（宽25mm，长75mm的钢板，外包有弹性材料）、直线滑轨和止动块组成。电机反转带动齿轮转动，齿轮带动齿条，将转动化为平动，进而通过连接杆带动机械爪向里运动，实现对果实的抓取采摘。水果的直径是20～90mm。
3个机械爪分布在3600的圆周上，用螺丝与连接杆固定在一起，连接杆安装在齿条上，齿条安装在直线滑轨上。滑轨两侧用止动块限制运动界限，从而控制手爪的抓取范围。
弹性材料的变形适应能力，可以避免快速抓取带来的损害，还能依据果实的外形包裹果实，防止果实脱落。
1.机械爪2 弹性材料3 传感器4 上护盖5 齿条6 止动块
7直线滑轨8 支撑套9 定外环10 电磁离合器11 联轴器
12 座架14 电机15电磁离合器16 转盘17 垫脚18 连接杆19 齿轮
20 传动轴
图2-27末端执行器的整体结构
1.机械爪
2.弹性材料硅胶
3.连接杆
4.止动块
5.滑轨
6.转盘.
7.齿条
8.齿轮
图2-28 末端执行器的抓取机构
美国研制了研究员提出了一种西红柿采摘机器人，该机器人末端执行器采用了真空吸盘+四指机械爪，真空吸盘本身具备抓取功能，四个夹持手指对称分布，使用塑料质地代替尼龙材料，减小了夹持时的侧向运动，通过线缆连接起来共同驱动，可以更稳定的抓持住果实。如图2-29所示，这种柔性手指弯曲曲线平滑，具有一定的补偿能力，能够很好适应果实的大小差异。但该柔性手指由一个动力驱动4个手指的所有关节，属于高度欠驱动机构，当遇到枝叶稠密等障碍物时，手指容易发生弯曲，易造成果实抓取的失败。
图2-29 美国的西红柿采摘机器人末端执行器
2.3.2分离方式
无论夹持类和非夹持类采摘机器人末端执行器，都需要通过一定的方式完成果梗的切断或果梗与果实的分离，才能最终实现采摘果实。现有的采摘机器人末端执行器研究成果来看，多采用扭断、折断或剪切的分离方式，一些末端执行器对新的切割原理进行了尝试。
（1）扭断、折断、拉断
扭断是利用手腕的旋转和周转关节在执行器抓牢果实后拧断果柄，需要多次往复扭转才能断开果梗，末端执行器需要较大的工作空间，这样就难于避障。这种方式对于果柄易断的果蔬较为实用，如番茄的采摘，但对于果柄柔韧性较高的果蔬则采摘成功率较低。而且无论扭断、折断或拉断都只适用于果实被充分夹持的情况下，其优点是无需再附加另外的分离装置和动力，但这就要求末端执行器的夹持机构夹持果实要足够可靠，对果实提供充分的作用力，又不能造成对果实的损伤，这样夹持器对果实的夹持力要有较高的控制。同时，还要根据采摘对象的果梗力学特性惊醒不同方式的选择和实验，否则难以达到预期的效果。（2）剪切
相当部分的采摘机器人末端执行器安装了剪刀或切刀装置，用来切断果梗实现果实、果梗分离。
如图2-30所示马履中等人研制的苹果采摘机器人末端执行器的切割装置示意图，切割装置采用直流电机作为动力源，利用软管钢丝传动，驱动刀片绕手指外廓做近一周的旋转，以切割位于手指周向上任意位置的苹果柄。这样省掉了检测果柄方位和调整末端执行器位姿的复杂过程,提高了采摘效率。同时，刀片设计成楔形，使得在切割过程中果柄与刀刃有滑动，更易切断果柄，保证了采摘的成功率。但刀片的旋转很难保证不对周围的果实或植物进行伤害。
1 直流电机
2 微型蜗轮蜗杆减速器
3 钢丝绕盘
4 钢丝
5 下软管架
6 弹性软管
7 上软管架
8 刀架
9 刀架转轮
10 转盘轴11 契形刀片
图2-30 切割装置示意图
如图2-31所示的茄子采摘机器人末端执行器的切割机构简图，该部分主要由三角传动支架、刀架、刀架导向杆(内有导向槽)和锯齿轮盘切刀组成。三角传动支架的后端移动端固定在双向丝杠移动的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端铰接在电机轴上，前端固定在三角传动支架上，随三角传动支架移动可沿导向杆前后往复运动。随着电机转动带动夹持动作的进行，双向螺母向中间运动,三角传动支架顶点前伸，带刀架在导向槽内前进，从而使得锯齿轮盘切刀前进，完成切割。
工业机器人文献综述 生产力在不断进步，推动养科技的进步与革新，以建立更加合理 的生产关系。自工业革命以来，人力劳动己经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步时至今天，机电一体化，机械智能化等技术应运而生并己经成为时代的主旋律。 1.工业机器人的发展： 1.1 机器人概念的诞生 机器人技术一词虽然出现的较晚，但这一概念在人类的想象中却早已出现。自古以来，有不少科学家和杰出工匠都曾制造出具有人类特点或具有动物特征的机器人雏形。我国西周时期的能工巧匠就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早的涉及机器人概念的文章记录，此外春秋后期鲁班制造过一只木鸟，能在空中飞行，体现了我国劳动人民的智慧。机器人一词由捷克作家--卡雷尔.恰佩克在他的讽刺剧《罗莎姆的万能机器人》中首次提出，剧中描述了一机器奴仆Robot。此次Robot被沿用下来，中文译成机器人。1942年美国科幻作家埃萨克.阿西莫夫在他的科幻小说《我.机器人》中提出了“机器人三大定律”，这三大定律后来成为学术界默认的研发原则。现代机器人出现于20世纪中期，当计算机技术出现，电子技术的进步，数控机床的出现及与机器人相关的控制技术和零件加工技术的成熟，为现代机器人的发展打下了基础。 1.2 国内机器人的发展史 在我国目前采用工业机器人的行业主要有汽车行业、摩托车、电 器、工程机械、石油化工等行业。我国作为亚洲第三大的工业机器人需求国，对于工业机器人的需求量在逐年增加，从而吸引了大批工业机器人的制造商，加快了我国工业机器人技术的发展第一阶段是20世纪80年代，我国为t跟踪国际机器人技术的道路，当时以原机械工业部为主，航天工业部等部门联合组织国内的相关研究单位开展了工业机器人的研究，先后推出了弧焊、点焊、喷漆等多种工业机器人。直到90年代，通过国家863计划等的K77，我国具备t独!)设计不}}生产工业机器人的能力，培养了一批高水平的研究生产队伍进入21世纪，中国的工业机器人发展进入t一个崭新的阶段，其中最大的特点是以企业为主体，以市场为导向、赢利为目标的机器人产业开发群体止在形成。尽管国外大的工业机器人公司为了占领中国不断扩大的市场，加大了其在中国的经销力度，但是中国的机器人企业以自己独有的市场信息优势、售前售后的服}}c势、针对中国企业的工艺特点的专门化设计优势努力争取自己的市场地位随养全球经济的一体化发展，世界制造中心向中国转移的趋势，中国工业机器人的产业会快速的发展起来，特别重要的是研制单位必须和需求紧密结合，让机器人走进工厂，实现真止的产业化。 经过20多年的探索，我国的工业机器人自动化技术取得t长足的发展，但是与世界发达国家相比，还有不小的差距;机器人应用工程起步也较晚，应用领域窄，生产线系统技术落后随养我国制造业-尤其是汽车行业的发展，对工业机器人的需求日益增长，工业机器人的拥有量远远不能满足需求量。尤其是基础零部件和元器件生产和制造、机器人可靠性以及成木等问题，都存在很多问题。尤其在大负载工业机器人方而，不仅产品长期大量依靠从国外引进，在维护、更新改造方而对国外的依赖也相当严重。 1.3国内外工业机器人的发展方向
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910369070.7 (22)申请日 2019.05.05 (71)申请人 安徽工程大学 地址 241000 安徽省芜湖市鸠江区北京中 路8号 (72)发明人 高洪 孙孟洋 王亚军 贡军 段陈义 王永强 方啸宇 代贡献 叶凯强 (74)专利代理机构 芜湖安汇知识产权代理有限 公司 34107 代理人 朱顺利 (51)Int.Cl. A01D 46/24(2006.01) G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称水果采摘机果柄切割装置的设计方法(57)摘要本发明公开了一种水果采摘机果柄切割装置的设计方法，包括步骤：S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔；S2、根据固定盘的第二避让孔的直径和旋转盘的定位孔的直径，确定刀片本体的刀口的弦长；S3、根据固定盘的第二避让孔的直径，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离；S4、根据固定盘的第二避让孔的直径和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离，确定旋转盘的转角。采用该方法设计的水果采摘机果柄切割装置可以使果柄很好的定位被切断，减少采摘时对水果造 成的损伤。权利要求书2页 说明书10页 附图6页CN 110063136 A 2019.07.30 C N 110063136 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110063136 A 1.水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，包括步骤： S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔； S2、切割刀片设计成具有刀片本体以及与刀片本体连接的第一销轴和第二销轴，旋转盘设计成具有让第一销轴插入的导向孔，固定盘设计成具有让第二销轴插入的安装孔和让水果通过的第二避让孔； 根据固定盘的第二避让孔的直径D1和旋转盘的定位孔的直径D2，确定刀片本体的刀口的弦长l1， S3、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和固定盘的内直径D3，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2， S4、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2，确定旋转盘的转角α， 2.根据权利要求1所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，90°＜θ≤120°。 3.根据权利要求1或2所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述导向孔设计为圆弧形孔，导向孔的长度大于所述第一销轴的直径且导向孔的轴线与第一销轴的轴线相平行。 4.根据权利要求3所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，对于周向上相邻的两个切割刀片，让其中一个切割刀片的第一销轴插入的导向孔的轴线与另一个切割刀片的第二销轴的轴线共线，导向孔以位于其径向上的第二销轴的圆心为圆心。 5.根据权利要求1至4任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述旋转盘上设有拨柄，拨柄用于承受外界施加的使旋转盘旋转的旋转力矩，所述固定盘设计成具有让拨柄穿过的第三避让孔。 6.根据权利要求1至5任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成具有第一盘体和设置于第一盘体上的凸台，凸台设计成插入定位孔中，所述第二避让孔为在凸台上贯穿设置的圆孔，所述切割刀片通过第二销轴与凸台转动连接。 7.根据权利要求6所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成还具有与所述第一盘体连接的外檐和与第一盘体相对布置的第二盘体，第一盘体和第二盘体均为圆盘状结构且第一盘体和第二盘体为同轴设置。 8.根据权利要求7所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述外檐为圆环形结构且外檐与所述第一盘体和第二盘体的外边缘连接，外檐与第一盘体和第二盘体为同轴设置，所述切割刀片位于第二盘体和所述凸台之间。 9.根据权利要求1至8任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于， 2
果蔬采摘机器人的研究 陈磊，陈帝伊，马孝义 （西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100） 摘要：果蔬采摘机器人是实现农业自动化的一项重要技术。为了掌握果蔬采摘机器人的最新研究动态，将其尽早应用到生产实际，根据近年来国内外最新的研究资料，简要阐述了果蔬采摘机器人的特点和国内外的研究进展，结合当前在此领域的一些研究实例进行比较分析；从采摘机器人的移动机构、机械手、识别和定位系统、末端执行器4部分介绍了其结构组成与设计技术，并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题，提出了未来研究开发的技术关键与方向。 关键词：果蔬采摘；机器人；机械手；控制系统 中图分类号：S24；S225．93文献标识码：A文章编号：1003－188X（2011）01－0224－04 0引言 随着电子计算机和自动控制技术的迅速发展、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，研究和开发果蔬采摘的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、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重要的意义。 1果树采摘机器人的特点 工业领域是机器人技术的传统应用领域，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，采摘机器人具有以下的特点［1］：①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；②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 收稿日期：2010－03－31 基金项目：国家自然科学基金项目（50879072）；国家级大学生创新实验项目（2009－2011） 作者简介：陈磊（1988－），男，陕西商洛人，在读本科生，（E－mail）chenlei055@nwsuaf．edu．cn。 通讯作者：陈帝伊（1982－），男，河北遵化人，讲师，博士研究生，（E －mail）diyichen@nwsuaf．edu．cn。避障提出了更高的要求；③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、知识推理和判断等方面有相当高的智能；④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；⑤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；⑥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。 2国内外采摘机器人的研究进展 果蔬采摘机器人的研究开始于20世纪60年代的美国（1968年）［2］，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。其缺点是果实易损、效率不高，特别是无法进行选择性的收获，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。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，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。目前，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色列、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［3］。 我国在农业机器人领域的研究相对开始较晚，但
重庆理工大学 毕业设计（论文）文献综述题目机器人行走机构设计 二级学院重庆汽车学院 专业机械设计制造及其自动化班级 姓名学号 指导教师系主任 时间
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机器人行走机构 吴俊 摘要：行走机器人是机器人学中的一个重要分支。行走机构可以是轮式的、履带式的 和腿式的等，能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。本 文从国内外的研究状况着手，介绍了行走机器人的发展历史，研究现状和发展趋势。本文还介绍了国内最新的研究成果。 关键字：机器人行走机构发展现状应用 Keyword:robot travelling mechanism developing current situation application 一，前言 行走机器人是机器人学中的一个重要分支。关于行走机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的和腿式的等；其次，必须考虑 驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为；第三，必须考虑导航或路径规划。因此，行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体 的综合系统。机器人的机械结构形式的选型和设计，应该根据实际需要进行。在机器 人机构方面，应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用，开展丰富而富有创造性 的工作。对于行走机器人，研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的 各种移动机构。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多，但大多数 仍处于实验阶段，而轮式移动机器人由于其控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展，从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车 到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和 广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。 二、课题国内外现状 多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构, 是模仿多足 动物运动形式的特种机器人, 是一种足式移动机构。所谓多足一般指四足及四足其以上, 常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。 步行机器人历经百年的发展, 取得了长足的进步, 归纳起来主要经历以下几个 阶段: 第一阶段, 以机械和液压控制实现运动的机器人。 第二阶段, 以电子计算机技术控制的机器人。 第三阶段, 多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。 三、研究主要成果 国内多足步行机器人的研究成果[1]： 1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM[1]系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成,每条腿有3个自由度,由直流伺服
机器视觉技术发展现状 人类认识外界信息的80%来自于视觉，而机器视觉就是用机器代替人眼来做 测量和判断，机器视觉的最终目标就是使计算机像人一样，通过视觉观察和理解 世界，具有自主适应环境的能力。作为一个新兴学科，同时也是一个交叉学科，取“信息”的人工智能系统，其特点是可提高生产的柔性和自动化程度。目前机器视觉技术已经在很多工业制造领域得到了应用，并逐渐进入我们的日常生活。 机器视觉是通过对相关的理论和技术进行研究，从而建立由图像或多维数据中获机器视觉简介 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉主要利用计算机来模拟人的视觉功能，再现于人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一项综合技术，其包括数字处理、机械工程技术、控制、光源照明技术、光学成像、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等，这些技术相互协调才能构成一个完整的工业机器视觉系统[1]。 机器视觉强调实用性，要能适应工业现场恶劣的环境，并要有合理的性价比、通用的通讯接口、较高的容错能力和安全性、较强的通用性和可移植性。其更强调的是实时性，要求高速度和高精度，且具有非接触性、实时性、自动化和智能 高等优点，有着广泛的应用前景[1]。 一个典型的工业机器人视觉应用系统包括光源、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块以及控制执行模块。通过 CCD或CMOS摄像机将被测目标转换为图像信号，然后通过A/D转换成数字信号传送给专用的图像处理系统，并根据像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换成数字化信息。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、 数量、位置和长度等，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作[1]。 机器视觉一般都包括下面四个过程：
燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：顺序动作机械手 学院（系）：机械工程学院 年级专业：机电控制 学生姓名：杨忠合 指导教师：郑晓军 完成日期： 2014.03.25
一、课题国内外现状 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 二、研究主要成果 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 搬运机械手仿真设计和制作，机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的气缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个转速不同的电动机分别通过两线圈控制电动机的正反转，从而实现小车的进退运动，并利用ADAMS 软件对搬运机械手进行建模，对其进行运动学及动力学仿真，
果实采摘机器人有关论文-刘今朝
果实采摘机器人有关论文 机化141 刘今朝 摘要：果园收获作业机械化、自动化是广大果农关注的热点问题。进行果树采摘机器人研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的意义。 关键词：果树采摘机器人现状，发展，常见问题等。 机器人技术是一门新兴的多学科交叉的综合性高新技术，涉及机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、计算机、人工智能、仿生学等多个学科领域。机器人作为高自动化、智能化的机电一体化设备，通过计算机编程能够自动完成目标操作或移动作业，具有较高的可靠性、灵活性。因此，机器人技术已成为当今应用广泛、发展迅速和最引人注目的高新技术之一。 随着科学技术的发展和社会的进步，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、国防、科技等各个领域。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等原因，传统的机械通常存在着许多的缺点。为了解决这个问题，国内、外都在进行农业机器人的研究，对农业机器人的需求极其迫切。就我国而言，机械化、自动化程度比较落后。农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行研究开发。农业机器人在农业领域得到很大进展，其功能已经非常完备。农业机器人正在或已经替代人的繁重体力劳动，可以连
续不间断地工作，极大地提高了劳动生产率，是农业智能化不可缺少的重要环节。 采摘机器人是21世纪精确农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。采摘机器人是针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学，需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面的学科领域知识。 果实采摘机器人特点： (1) 作业对象的非结构性和不确定性； (2) 作业对象的娇嫩性和复杂性； (3) 良好的通用性和可编程性； (4) 操作对象和价格的特殊性。 果树采摘机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。 国外研究进展 ①日本的西红柿采摘机器人 日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。 水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%采摘作业质量的好 坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%高枝水果的采摘还带 有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、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重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的收获机械。采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。 从20世纪80年代中期开始，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，以日本为代表的西方发达国家，包括美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机
攀爬机器人文献综述 攀爬机器人文献综述 对攀登机器人结构点性能计算和实验的研究 摘要 本文介绍了并联攀爬机器人性能的运动学和动力学研究，从而避免结构框架上的节点。为了避免结构节点，攀爬并联机器人可以取得某种确定的动作。一系列的动作组合起来，可以方便沿着结构节点的攀登运动。必须对并联攀爬机器人的姿态予以研究，因为在其独特的配置下，姿势能够驱动机器人。此外，需要对执行机构为了避免机构节点而产生的力进行评估。因此本文的目的要表明，Stewart–Gough 并行平台能够作为攀爬机器人，与其他机器人相反，并行攀爬机器人能后轻易而优雅地避免结构节点。为了支持第一部分中描述的模拟结果，实验测试平台已经发展到围绕结构节点对并联攀爬机器人地动力性能进行研究。获得的结果非常有趣，显示了潜在的在工业中使用平行S-G机器人作为攀岩机器人的存在。 关键词：爬壁机器人、动力学、并联机器人、奇点
一简介 当需要在一些危险或者难以到达的地方执行任务时，具有在不同结构上攀爬和滑行能力的机器人是非常重要的，比如在检查和维修金属桥梁、通信天线以及深入核工业结构内部过程中使用的机器人。通常，这些类型的金属结构是由聚合在一起的杆构成，是一种联合机械，每一个都可以描述为棱柱元素变截面和尺寸的扩展。所有这些元素组合产生晶格不同的几何结构，其中结构性因素在不同点的结合称为结构节点。这类结构的尺寸和形状取决于它应用的设计。在这一类型设置中不同任务的机器人化已经被广泛地记载在文献中。在许多情况下，有人提出使用连接机构和多腿机器人来实现位移的随即移动。另外，许多这些机器人是被设计用来在墙壁或管道攀爬和工作。一些建议的解决方案在机械上是非常复杂的，需要在运动控制方面有高水平的发展和阐述。一种用来给双层底部板件焊接的机器人正在研制当中。该型机器人是由一种有选择顺应性装配机器手臂配置的四足机器组成。该机器人通过抓住加强筋移动，但由于其几何结构不能移动通过结构节点。Balaguer提出了一种能够在复杂的三维金属基结构的爬壁机器人。该机器人采用“毛毛虫“的概念来取代这些结构，并实时生成控制设计从而确保稳定的自我支持。Longo建议一个城市侦察双足机器人。这种机器人能够在表面上实现交替移动，并且小到足以穿越密闭空间。Minor and Rossman 提出了一种有腿的机器人，能够通过移动其身体从而产生推力。这些机器人的结构让它们沿着管道和梁结构，并通过内爬管道，但机器人不能够避免节点。在本篇论文中提出的机器人能够围绕结构节点移动。 对于位移和攀爬金属结构的最优解问题在理论上是基于一种原理，动力执行机构是机器人结构的一部分，直接连接到并联机器人地末端，并用一种几何技巧克服了用于微小运动时的障碍。此外，机器人要轻便，机械结构简单，具有大的载荷和高速运转能力。这些条件基本都是由并联机器人实现。基于这个原因，用一种改进的的并联机器人作为攀爬机器人完全是有可能的。 基本上，并联机器人用于攀登必须用适当的夹具系统改变两个环中的一个，并取代另一个环，并通过预先设定的位移方向实现几何构型的动作。对并联机器人而言，这个过程简单且自然。
水果采摘机械手的设计 发表时间：2019-07-29T10:22:58.127Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：李永峰闫晓桂王光宇裴福玉 [导读] 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。 哈尔滨远东理工学院黑龙江哈尔滨 150025 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下： 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取物件位置的不确定性，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度。 由于系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用机械传动方式。考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。 4、水果采摘机械手的设计内容 语音驱动技术：利用语音识别系统，声电转化系统，电路系统等，对采集的目标语音进行处理，将发出的声音指令进行信息化处理，最后由指令声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开关，并经过延时后能自动断开电源，从而达到声控制动的效果。 传感技术：在机器上安装相应的传感器，使其达到预想的结果。红外传感：检测物体信息执行动作；声音传感：检测声音执行动作；倾角传感器：用倾斜角度的大小来实现对机器的旋转。 开发无人操控，将机器开发为可人为控制和自行运行模式，运用单片机编程技术，和红外传感技术，对机器进行软件编程，在无人操作下，开启自动运行，实现对果物的自行摘取。 体感技术：运用体感技术，以达到人机合一的效果。 机器驱动设计：由于工作环境不用，对机器行驶要求不同，而在果园大都为凹凸不平的土质地面，所以在驱动方面采用履带式设计，其好处在于其可以减少路况对机器行驶的限制，可以在恶劣路况下完成工作。 电源设备的改进及应用：由于产品最终投入果园进行长运作，而又要确保对环境的保护，在确保不影响环境的情况下动力的选用尤为重要，供电设备的选用也将是研究的重之重。 设备的安全性：通过对设备机体结构的设计，确保其在运行过程中能够安全稳定的工作，并要对线路的安排布置也要做出相应的措施。并要对设备加装一些应急错失和短路保护装置。 5、结束语 本次设计的机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低
果蔬采摘机器人研究进展 刘长林,张铁中,杨丽 (中国农业大学,北京100083) 摘要 综述了果蔬采摘机器人的国内外研究现状,介绍了目前大部分典型的果蔬采摘机器人的研究成果。通过分析大部分采摘机器人的工作情况、功能、存在问题,指出了目前采摘机器人的应用与研究过程中的主要难点与制约因素,提出了研究开发的方向与关键技术。关键词 果蔬采摘;机器人;研究进展;关键技术中图分类号 S225 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)13-05394-04R esearch P rogress on Picking R obot for F ruits and V egetables LIU Ch ang 2lin et al (Chinese Agricultural University ,Beijing 100083) Abstract T he current situation of research on fruit and vegetable picking rob ot at h om e and broad was summ arized ,the particularly focus were on the re 2search results of m ost ty pical picking rob ots ,including rob ot principle and structure.T hrough analyzing the w orking condition ,function and problems of m ost of picking rob ot ,the present difficulties and restricted factors of picking rob ot in its research and application were point out and the research direction and key techn ology in future were provided.K ey w ords Fruit and vegetable picking ;R ob ot ;Research progress ;K ey techn ology 果蔬采摘作业是果蔬生产中最耗时、最费力的一个环节。果蔬收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%～70%。随着社会经济的发展和人口的老龄化,很多国家农业劳动力严重短缺,导致果蔬生产劳动力成本增加。为降低成本,提高劳动效率,果实采摘的自动化成为亟待解决的问题。收获作业自动化和机器人的研究开始于20世纪60年代的美国,采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高,特别是无法进行选择性的收获[1]。20世纪80年代中期以来,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,以日本为代表的发达国家,包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家,在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作。 1 国外研究进展 1.1 西红柿采摘机器人 日本近藤(K ONT O )等研制的番茄 采摘机器人,由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构组成(图1)。该采摘机器人采用了7个自由度机械手。用彩色摄像机作为视觉传感器,寻找和识别成熟果实,并采用双目视觉方法对果实进行定位,利用机械手的腕关节把果实拧下。移动系统采用4轮机构,可在垄间自动行走。该番茄采 图1 日本的番茄采摘机器人 Fig.1 T om ato picking 2robot m ade in Jap an 摘机器人采摘速度大约是15s/个,成功率在70%左右。主要存在的问题是当成熟番茄的位置处于叶茎相对茂密的地方时,机械手无法避开叶茎障碍物完成采摘[2-3]。 在2004年2月10日美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上,美国加利福尼亚西红柿机械公司展出2台全自动西红柿采摘机(图2)。如果西红柿单位面积产量有保证的话,那么这种长12.5m 、宽4.3m 的西红柿采摘机每分钟可采摘1t 多西红柿,1h 可采摘70t 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,仓内能识别红色的光谱分选设备挑选出红色的西红柿,并将其通过输送 基金项目 国家自然科学基金资助项目(60375036)。作者简介 刘长林(1979-),男,吉林榆树人,博士研究生,研究方向:农 业机器人和生物生产自动化。 收稿日期 2008203228 图2 美国的番茄采摘机器人 Fig.2 T om ato picking 2robot m ade in Am erica 带送入随行卡车的货舱内,然后将未成熟的西红柿连同枝叶 安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.S ci.2008,36(13):5394-5397 责任编辑 刘月娟 责任校对 马君叶
水果采摘机械手的设计 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物 件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自 动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、 电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用， 机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的 一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有 着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位 控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展 和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下：机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外 已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥 控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、 果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工 采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也 是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占 整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使 用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械 不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化 采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实 采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让 人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术 的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术 是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计
果树采摘机器人发展概况及特点 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现f3l。机器人集成了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向14J。21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入农、lp生产领域。目前，国内浆果采摘作业基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，费用占成本的比例约为50％．70％。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尘产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，冈而具有很大的发展潜力lM。1．2．1国外研究成果及现状自从20世纪60年代(1968年)美国人Schertz 和Brown提出，}J机器人采摘果实之后，对采摘机器人的研究便受到广泛重视。随蓿科学技术的发展，农业机器人在国外迅速发展起来。最早的机械采摘方法是机械振摇式和7 e动振摇式两种方法，但这两种方法不仅容易损伤果实，采摘效率也不高，同时容易摘到未成熟果实I61。1983年，第一台采摘机器人在美固诞生，在以后20多年的时M晕，同、韩及欧美国家相继研究了采摘番茄、黄瓜、苹果、蘑菇、柑橘、番茄和甜瓜等的智能机器人。l、日本的番茄采摘机器人：日本的果蔬采摘机器人研究始于1 984年，他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且孥硬的机械手爪容易损伤果实。日本冈山大学的Kondo等人研制的番茄采摘机器人，山机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，如图1-1所示。·—●T—争Sl7777一图1．1番茄采摘机器人结构简图S1一前后延伸棱柱关节；S2一上下延伸棱柱关节：3、4、5、6、7一旋转关节该机器人采用由彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统来寻找和识别成熟果实。考虑到番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器配带2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在!tl问自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是15s／个，成功率在70％左右。有些成熟番茄未被采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避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17,81。2、荷兰的黄瓜采摘机器人：1996年，荷兰农业环境工程研究所(1MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置；末端执行器由手爪和切割器构成，用来完成采摘作业。机械手安装在行走车上，机械手的操作和采摘系统初步定位通过移动行走车来实现，机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。该机械手有7个自山度，采用三菱公司(Mitsubishi)RV．E2的6自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自动行走的运输车来完成。整个系统无人工干预就能在温室工作，工作速度为54s／根，采摘率为80％。试验结果表明：该机器人在实验室中的采摘效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求l引。3、韩国的苹果收获机器人：韩国庆北大学的科研人员研制出节果采摘机器人，它具有4个自由度，包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器，其手心装有压力传感器，可以起到避免苹果损伤的作用。它利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部识别苹果的识别率达85％，速度达5个／s。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋，缩短了从采摘到放置的时问，提高了采摘速度。该机器人无法绕过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法【lol。4、英国的蘑菇采摘机器人：英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬挚的吸引器；视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在7s％左右，采摘速度为6．7s／个，生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个未端执行器提高生产率是亟待解决的问趔¨1。5、西班牙的柑橘采摘机器人：西班爿：科技人员发明的这种柑橘采摘机器人主体装在拖拉机上，由摘果手、彩色视觉系统和超声传感定位器3部分组成。它能依据柑桔的颜色、大小、形状束判断柑桔是否成熟?决定是否采摘。采下的桔子还可按色泽、大小分级装箱。这种采桔机器人采摘速度为1个／s，比人工提高效率6倍多‘121。6、以色列和美国联合研制的甜瓜收获机器人：以色列和美国科技人员联合开发研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人丰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。在两个季节和两个品种的}H问试验证明，甜瓜采摘机器人可以完成85％以上的}H问甜瓜的识别和采摘．1=作‘"1。表1．1给出了国外部分国家果蔬收获机器人同期研究进展统计。1．2．2国内研究成果及现状国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，与发达国家相比，虽然起步较晚，但不少大专院校、研究所都在迸行采摘机器人和智能农业机械方面的研究，已有很多研究成果披露，简介如下：l、林木球果采摘机器人：东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成，如图1．2所示。采摘时，机器人停在距离母树3．5m处，操纵机械手回转马达对准母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到～定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近I 5-2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果技，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上的球果-完成一次采摘。这种机器人效率是500k∥天，是人工的30一50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率矧川。2、蘑菇采摘机器人：吉林工qk大学的周云山等人研究了蘑菇_={壬摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、二自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。汁算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息，并且引导机器手准确抵达待采摘蘑菇的中心位置，防止因对不准造成抓取失败或损伤蘑菇il”。3、草莓采摘机器人：中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室罩垄作栽培的草莓设计了3 种采摘机器人。分别采用桥架式、4自由度』毛门式和3自由度直角坐标形式的机械手进行跨行收获，通过彩色CCD传感系统获取彩色图像，经过图像处理进行目标草莓的识别和定位，进而控制末端执行器进行收获。同时，对草莓的生物特性、成熟度、多个草莓遮挡等实际问题进行了研究，为草莓采摘提供设计依据和理论基础{161。4、番茄采摘机器人：南京农业大学的张瑞合、姬长英等人在番茄采摘中运用双目立体视觉技术对红色番茄进行定位，将图像进行灰度变换，而后对图像的二维直方图进彳亍腐蚀、膨胀以去除小团块，提取背景区边缘，然后用拟合曲线实现彩色图像的分割，将番茄从背景中分离出来。对目标进行标定后，用面积匹配实现共轭图像中目标的配准。运用体视成像原理，从两幅二维图像中恢复目标的三维坐标。通过分析实验数据得出的结论为．当目标与摄像机的距离为300mm-400mm 时，深度误差可控制在3％4％t”I。5、黄瓜采摘机器人：中国农业大学汤修映等人研制了6自由度黄瓜采摘机器人，采用基于RGB三基色模型的G分量来进行图像分割，在特征提取后确定出黄瓜果实的采摘点，未端执行器的活动刃口平移接近固定刃口，通过简单的开合动作剪切掉黄瓜。同时，提出了新的适合机器人自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。6、节果采摘机器人：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，并成功研究了一种使二值图像的像素分割J下确率大于80％的彩色图像处王甲技术。通过对果实、叶、茎等的色泽信号浓度频率谱图的分析，求}l{闽值，然后运用此值对彩色图像进行二值化处理l。引。1．2．3果树采摘机器人的特点1、采摘对象的非结构性和不确定性果实的生长是随着时fHJ和空问而变化的。生长的环境是变化的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果树采摘机器人不但要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应多变的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有很高的智能性。2、采摘对象的娇嫩性和复杂性果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理；并且其形状复杂，生长发育程度不一，导致相互差异很大。果蔬采摘机器人一般是采摘、移动协调进行，行走轨迹不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离以及遍及整个果园表面等特点。3、具备良好的通用性和可编程性因为果树采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，这就要求采摘机器人具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，就能进行多种作业。4、操作对象的特殊性和价格的实惠性农民是果树采摘机器人的主要操作者，他们不具有相关的机电理论知识，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。