果蔬采摘机器人研究进展与展望
金慧迪
（西北农林科技大学，机械与电子工程学院，712100）
摘要：本文主要介绍了果树采摘机器人的特点及国内和美国、日本、荷兰、英国等国外的研究进展，并且对研究过程中所存在的一些问题提出了一系列的解决方案，对未来果蔬机器人的发展进行了展望。
关键词：机器人：果树采摘：研究进展
在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%。采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前国内果蔬采摘作业基本上还是手工完成。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也将提高。因此，发展机械化收获技术，研究开发果蔬采摘机器人，具有重要的意义。
一、果蔬采摘机器人的特点
1.1 作业对象的非结构性和不确定性
果实的生长是随着时间和空间而变化的，生长的环境是变化的、未知的和开放性的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果蔬采摘机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应变化无常的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有相当高的智能。
1.2 作业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。且其形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大。果蔬采摘机器人一般是作业、移动同时进行，行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离及遍及整个田间表面等特点。
1.3 良好的通用性和可编程性
由于果蔬采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，变更判断基准，变更动作顺序，就能进行多种作业。例如，温室果蔬采摘机器人，更换不同的末端执行器就能完成施肥、喷药和采摘等作业。
1.4 操作对象和价格的特殊性
果蔬采摘机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果蔬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。
二、国内外研究进展
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)，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，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。
2.1机器人可能成为美国农场的重要组成部分
由于美国政府采取了更加严格的边境管理政策，一些依靠外来移民劳动力的农场主正将他们的视野转向一种正在发展中的新一代摘果机器人。此类机器人可以从事从采集酿酒用的葡萄直至清洗和摘取莴苣心的工作。目前这类机器人正处于全面发展时期，将成为收获精致水果和蔬菜的基本工具，目前这些工作仍由手工完成。
圣地亚哥视觉机器人技术发明者德里克·莫里卡瓦认为：新采摘机器人要依靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力。现代成像技术同样也使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。方法就是将一台机械化扫描机器送入果园。装备有数字成像技术设备的机器人能够生成一张三维地图，显示位置、成熟度和水果质量。一台采摘机器人按照这些画面，使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果。
加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作开发一种水果采摘机器人。上个月研究人员对原型机进行了检测，但是距离真正的广泛商业应用还有很长的路要走。
另外，加州州立大学弗雷斯诺分校一个葡萄酒专家小组正在研制一种自动采摘机器人，目的是使葡萄酒业实现更多的机械化。该新技术包括一种称之为近红外线分光计的装置，它可以在采摘之前检测葡萄样品中的糖含量和化学成分。然后利用这些数据绘制一幅全球定位系统地图，收割机器人可以使用这些地图进行导航，在葡萄园中采摘特定的理想成熟葡萄串。
位于萨利纳斯山谷的拉姆齐·黑蓝德公司销售能够部分自动使用带状锯或水刀的机器人,机器人从地面收割莴苣，并将莴苣进行装箱，以便清洗和加工。该公司首席执行官弗兰克·梅肯纳奇称，拉姆齐·黑蓝德公司开发的一种新机器模型已接近完工，这种新机器人可以采摘、清洗、取心和对莴苣和其他绿色蔬菜进行打包。
2.2日本的果蔬采摘机器人
自1983年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发历经20多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能机器人。目前，日本在水果采摘机器人领域中研究颇丰，其研究出的采摘机器人主要有以下几类。
2.2.1西红柿采摘机器人
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。西红柿一簇可长4-6个果实，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，能避开障碍物，所以机器人的采摘机械手设计成具有7自由度，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成；视觉传感器主要由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；移动机构采用4轮结构，能在垄间自动行走。采摘时，移动机构行走一定的距离后，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。
2.2.2草莓采摘机器人
Kondo-N等人还针对草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和传统模式)研制
出了相应的采摘机器人。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用。该机器人采用5自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动直到把草莓吸入；由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。
2.2.3黄瓜采摘机器人
黄瓜采摘机器人，采用6自由度的机械手，能在倾斜棚支架下工作，这种支架栽培方式是专门为机械化采摘而设计。黄瓜果实在倾斜棚的下侧，便于黄瓜与茎叶分离，使检测与采摘更容易。在摄像机前加了滤波片，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，果梗探测器寻找果梗，然后切割器切断果梗。
2.2.4功能葡萄采摘机器人
葡萄采摘机器人采用5自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动。视觉传感器一般采用彩色摄像机，采用PSD三维视觉传感器效果更好些，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。在开放式的种植方式下，由于采摘季节太短，单一的采摘功能使得机器人的使用效率太低，因此开发了多种末端执行器，如分别用于采摘和套袋的末端执行器、装在机械手末端的喷嘴等。用于葡萄采摘的末端执行器有机械手指和剪刀，采摘时，用机械手指抓住果房，用剪刀剪断穗柄。
除了以上介绍的几种类型的采摘机器人，日本还开发了用于柑橘采摘、蘑菇和西瓜收获等的机器人。目前，果蔬采摘机器人的智能水平还很有限，离实用化和商品化还有一定的距离。主要存在的问题，一是果实的识别率和采摘率不高，损伤率较高；二是果实的平均采摘周期较长；三是采摘机器人制造成本较高；随着传感器及计算机视觉等技术的发展，果蔬采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力：一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位；二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是要提高采摘机器人的通用性，提高机器人的利用率。
2.3 荷兰的黄瓜采摘机器人
1996年，荷兰农业环境工程研究所(MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人。该研究在荷兰2 hm 2的温室里进行，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它培养为高拉线缠绕方式吊挂生长。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。机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。采摘通过末端执行器来完成，它由手爪和切割器构成。机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统初步定位。机械手有7 个自由度，采用三菱公司(Mitsubishi) RV—E26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走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室工作。试验结果为工作速度10 s/根，在实验室中效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求。
2.4 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垫的吸引器；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75% 左右，采摘速度为617 个/s，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末端执行器提高生产率是亟待解决的问题。
2.5国内研究进展
在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。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。采摘时机器人停在距离母树3～5m，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一定高度，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1.5～2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效率是500 kg/天，是人工的30～50 倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。
图3 林木球果采摘机器人原理图
另外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义斌等完成了水果自动分级机器人的研究开发。赵杰文等研究了基于HIS颜色特征的田间成熟番茄识别技术，该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果。梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动学优化与仿真试验，取得了较好的效果。
三、存在的问题与展望
3.1 存在的问题
(1) 果实的识别率和采摘率不高
目前识别果实和确定果实位置主要有灰度阈值、颜色色度法和几何形状特性等法。其中，前两者主要基于果实的光谱反射特性，但在自然光照情况下，由于图像中存在噪声和各种干扰信息，效果并不是很好。采用形状定位方式，要求目标具有完整的边界条件，由于水果和叶子等往往容易重叠在一起，很难真正区别出果实的具体形状。而且，果实识别需要进行灰度值临域分析，这个过程很耗时，因此往往无法满足重复、快速的预处理要求。
(2) 果实的平均采摘周期较长
生产实际中的采摘作业要求机器人不仅减轻劳动强度，而且更要提高作业效
率。而目前的果实收获机器人由于图像处理、控制系统等原因，大多数采摘机器人的效率不高。例如采摘机器人收获一个柑橘约为3～7 s，收获一个甜瓜约15 s，摘取一个黄瓜需要10 s，收获一个茄子需1 min。为使果蔬采摘机器人实用化，提高作业效率是关键问题之一。
(3) 采摘机器人的制造成本较高
同工业机器人相比，采摘机器人的结构和控制系统更加复杂，制造成本更高。而且工作具有周期性、短时间等特点，设备利用率低。对于采摘机器人这样复杂的光机电一体化产品而言，设备的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。
3.2 解决方法
3.2．1加强关键技术的研究开发
1.开放式的控制系统体系结构
目前已有的果蔬采摘机器人一般采用两种实现方式: 工业机器人和独立设计的专用机电系统。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。机器人由机械部分、视觉系统、控制部分3 大部分组成, 通过更换不同自由度的机械部分适应不同类型的农作物(如垂直栽培作物、棚架栽培作物、地表栽培作物及球状栽培作物等) , 而且更换不同的末端执行器可以进行不同的操作(如采摘、喷雾、剪枝及套袋等)。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。
采用PC 机与Galil 运动控制器构成开放式控制系统的采摘机器人系统包括工业PC 机、Galil 多轴运动控制器、安川交流伺服驱动系统、大恒DH CG320 机器视觉系统、机器人本体、末端执行器和行走机构。系统采用层次结构, PC 机作为主控制器, 其上运行机器人控制主程序, 提供用户界面, 并根据机器视觉系统提供的信息完成作业任务规划、运动学正反解和坐标变换等, 并将规划得到的机器人关节目标任务(以多大的速度、加速度运动到达相应的位置) 下达给Galil 运动控制器。运动控制器作为底层控制器, 运用一定的控制算法, 经电机驱动器完成关节电机的运动控制。
系统软件在W indow s 系统下, 采用VC+ + 编程。系统对用户完全开放, 用户不仅可以通过交互式平台对机器人本体进行基本操作和在线调试, 而且可以通过VC+ + 离线编程环境进行各种控制算法的研究。
通过以上分析可以看出, 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。
2.智能化的果实识别和定位
在果蔬采摘机器人系统中, 由于作业环境的复杂性, 特别是存在光照条件的不确定性和果实部分或完全遮挡问题, 采摘对象的智能化识别和定位问题还需要进一步研究。
(1) 开发智能化的图像处理算法
模糊神经网络是一种高度并行的分布式系统,应用模糊理论指导学习, 是在无监督情况下具有自学能力的自适应系统, 可以对图像进行智能化处理。另外, 小波变换具有良好的时频局部化分析特征, 能同时给出图像信号的时域和频域
信息, 能有效检测图像的边缘, 应用前景较好。
(2) 视觉传感器与非视觉传感器融合
在采摘机器人视觉感知过程中, 二维图像的处理必然涉及视觉不适定问题的求解, 引入非视觉传感器的辅助支持是求解不适定问题的有力手段, 如将视觉传感器与PSD 测距仪或超声波测距仪结合
使用, 可以实现果实的精确定位。通过视觉传感器与非视觉传感器的优势互补, 可以大大提高采摘机器人的感知功能。
(3) 采用主动光源的视觉系统
视觉系统根据图像采集的需要, 自行发出具有特定特征的光源, 可以在一定程度上改善图像质量。
3.机械本体的优化设计
机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。采摘机器人必须紧凑, 行走、转弯灵活。当前, 大部分的采摘机器人借用的工业机械手, 体积较大, 成本高。在满足机器人性能的前提下, 设计简单、紧凑、轻巧, 而且运动平稳和灵活避障的机械手, 是必须解决的问题。同时, 现代机械设计理论和方法也使问题的解决成为可能。例如, 采用三维实体造型技术、虚拟样机技术和优化理论等可以大大缩短设计周期, 而且可以进行机构的运动学和动力学仿真, 优化机器人结构。
3.2.2正确处理农艺与农机的关系
放眼世界，许多国家农业机械化发展速度快、机械化水平高的一个重要原因就是，不光强调农机一定要适应当地农艺的要求，而是从生物学角度、农艺角度加大科研力度，开发利于机械化作业的新品种、新农艺等，为机械化作业创造条件，促进农机化的大力发展。国外通过对农艺的改革来促进农业机械化发展的实例不少，下面介绍几个比较典型的改农艺促农机的实例。
水果蔬菜的收获要实现机械化，比粮食作物难度要大，有些至今还没有解决如何机械化的问题。这是因为果树果实和蔬菜的生长形态不适于机械化采摘，而市场对于果实外观要求又较高的缘故。当前其他国家良种培育的趋向是发展半矮化果树、无支架蔬菜的品种，并要求被采摘的果实成熟期一致，以便于机械化管理和收获。
在法国和意大利，为实现水果作业机械化，把葡萄树普遍栽成扁平形，并花了很大的力量栽培修剪。树与树排列成行，既有较好的光照与通风，又便于拖拉机进入行间松土、施肥、喷药和采摘。法国的勃拉特研究所据此设计制造了一种高架式葡萄收获机，成功地解决了酿酒用葡萄的收获问题。
在美国，为了用机械收获番茄，早就开始培育新的番茄品种，上世纪五十年代末期就育成了韧皮番茄，能用机器采摘而不致造成损失。但是由于果实是圆形的，在运输过程中还是容易损坏。农艺专家分析了不同形状番茄在用传送带输送时的情况，认为长而略带方形的番茄在输送时排列较好，不易损伤，于是便致力于育种。到上世纪80年代，加利福尼亚州已经培育出了略带方形的番茄，而且比普通番茄硬而丰满，比较能经受住机具采摘和运输中的碰撞。这种番茄在加利福尼亚州已大面积种植。
综上所述，国外在发展农业机械化方面并没有单纯强调就机械本身问题去研究机械，而是通过多部门多角度，多管齐下的方式来进行攻关。农机、农艺部门以整体农业经济效益最大化为目标，进行通力合作。
当然也不是说每种农业机械的发展都必须要由农艺的变化来让步，农业机械
的设计制造也必须充分考虑到一些农艺要求的特殊性。改农机适应农艺的实例也不少，比较典型的有：
水果采摘机械化发展相对较缓，美国于上世纪四十年代初就基本上实现了农业机械化，但到目前为止，作为鲜果上市的水果收获仍没有完全实现机械化。目前常用的水果收获机械为采摘器。水果采摘器的结构设计就充分考虑到果实在果树上位置的不确定性、果实碰撞易造成损伤降低品质和腐烂等问题。
借鉴国外农机农艺相适应的成功经验，我们认为，不论是农艺还是农机工作者，共同的工作目标都是为了实现农业的现代化。那么选择实现现代化的途径，当以最快、最好、最经济为原则。有些作物、品种需要机械化适应农艺技术，有些则需要农艺适应农机，到底谁当家，我们认为应当“因事而异”。谁当家最经济、快捷、最有利于农业可持续发展，谁就当一回家。不要从部门利益出发，更没有必要确定以谁为核心。加快我国现代化农业的步伐，应当朝着共同的目标、争取共赢的结果。
四、结束语
果蔬采摘机器人的作业对象是水果蔬菜, 是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、农业和生物等学科技术于一体的交叉边缘性科学, 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。研究采摘机器人不仅具有巨大的应用价值, 而且具有深远的理论意义。
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专题综述 课程名称工业自动化专题 题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号 学生姓名___ _ _ 指导教师_____ _____ 2013 年 6月 27日
工业机器人的运动轨迹综述 【摘要】：随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此，多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重，在得到反馈信息之后，如何作出应答，并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合，为此也要进行追踪与动作修正。 【关键词】：工业机器人，视觉，路径跟踪，轨迹规划，高精度 1.机器人视觉，运动前的准备 实际的工业现场环境复杂，多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低，引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等，使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大，因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准，从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 建立的工业机器人单目视觉系统，整个系统主要由单目视觉单元，监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机，负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区；监控单元负责监控各工作站的当前状态，并完成对存储图像进行相关处理的工作，达到识别定位目标的目的；执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 以立体视觉理论为基础，研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系，建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案．对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明，该检测方法简单实用，基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究 为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标，提出了一种基于计算机视觉引导的解决 方法。该方法利用指定目标的3D数据模型，以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获；取到的数字图像，经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像，再利用投影
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
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
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
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。
《农业生产机械化》课程论文论文题目：果蔬采摘机器人国内外研究现状 学院: 专业: 班级: 学号: 学生姓名： 指导教师： 年月日
果蔬采摘机器人国内外研究现状 摘要 本文描述了什么是果蔬机器人，果蔬采摘机器人的作用以及国内外果蔬采摘机器人的研究现状并对其作以评价。 关键词：果蔬采摘机器人国内外研究现状 Fruit and vegetable picking robot research status at home and abroad Abstract In this paper, What fruit and vegetable is robot are described in this paper, the effect of harvesting robot, and the research status of fruit and vegetable picki ng robot at home and abroad and its evaluati on. Keywords: fruit and vegetable pick ing robot research status at home and abroad 农业是国民经济的基础，这是不以人们意志为转移的客观经济规律。农业生产力发展的水平和农业劳动生产率的高低，决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力的数量，进而制约着这些部门的发展规模和速度。只有农业发展了 ， 国民经济其他部门才能得以进一步的发展。⑴农业机械化是农业现代化的中心环节，它凝聚着现代科学技术的最新成果，并配合农业生物等农业技术，成为发挥增产作用的基本手段和提高劳动生产率、减轻繁重体力劳动的必要条件和根本途径，从而带来生产力
国内机器人技术研究现状分析 王守龙 摘要：随着经济全球化对工农业生产提出越来越高的要求，计算机技术向着智能化发展，机器人越来越普遍的被工农业应用，其在提高工农业产品质量，增加经济效益方面发挥着重大作用。本文又介绍分析了移动机器人和小口径管内机器人及其在我国的技术研究现状。中国的机器人事业面临着新的机遇和挑战。 关键词：机器人；技术研究；移动机器人；小口径管内机器人
前言 有人认为, 应用机器人只是为了节省劳动力, 而我国劳动力资源丰富, 发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国, 会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益, 而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。 1 工农业机器人 1.1 工业机器人研究现状分析 机器人产业是近30年发展起来的新型产业。我国政府早在“七·五”期间就开始组织了对工业机器人的攻关,到了1987年，国家高技术研究开发计划就把智能机器人作为七大重点领域之一进行集中研究。经过十几年的艰苦奋斗，我国在水下、空间、核领域等特殊机器人方面取得了令人欣慰的成果，一批机器人产品和机器人应用工程应运而生。到20世纪90年代末，我国共完成了l00多项工业机器人应用工程，建成了20个机器人产业化基地，从事机器人研究、开发和应用工程单位200多家，专业从事机器人产业开发的50家左右，全国工业机器人用户近800家，拥有工业机器人约4000台。2006年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》前沿技术中，我国将智能服务机器人列为重点方向，提出加大科技投入与科技基础条件平台建设。 然而，由于主要依靠科技部门研究开发计划的支持，从资金到产业的支持力度不够，在机器人关键技术方面，我国与国外的差距并没有明显缩小，在关键部件、产品产业化以及基础研究方面的差距还在拉大。到1998年，863计划推动的几个机器人产业化基地产值仅仅1亿元。然而，国外各大机器人公司认识到高速发展中的中国机器人市场的巨大潜力，凭借其技术和资金的优势纷纷进入了中国市场。可以说，目前的中国机器人市场仍然是外国企业一统天下，我国机器人发展尚未进入规模开发利用和产业化的阶段。 我国经过几十年来的研究与引进, 在机器人运动学仿真、动力学仿真和某些典型工业机器人机构分析软件方面取得了一些成果，但总的看来, 我国机器人机械技术的研究状况与国外相比还有较大的差距, 目前既没有建立一种多功能的机器人系统, 也缺乏利用技术对机器人机械学的很多专门问题进行深人研究。我国目前研制的几种工业机器人机型结构主要是直接仿制日本90年代初的样机, 一些主要关键元器件依赖国外进口。虽然国家“七五”期间安排了一些单项研究课题, 但这些课题一时还难于直接用于国产工业机器人, 还远不能从理论及实际技术上建立起我国机器人的完整设计体系, 这与国外相比差距较大。国内利用国产机器人开展应用工程的研究工作刚刚起步。我国对移动机器人研究, 近年来在步行机基础理论方面的成果较多, 而步行机实物模型或样机较少，与国外先进水平相比也存在较大的差距。
苹果采摘简易机械手设计说明书 一、引言 近年来，随着农业产业机构的调整，林果生产已经成为很多地区经济发展和农民增收的支柱产业，随着种植面积的不断扩大，果园规模化发展和规范化管理的要求日益提高，从而果园机械化日益重要。果园收获机械的发展，可以减轻果农的劳动强度，提高生产效率，节约劳动成本，提高经济效益。由于我国果园作业机械研究起步较晚，基础相对较差，因此，果园作业机械化程度和欧美等国家还是存在差距。所以，针对我国各地林果生产特点研究相应的作业机械，对林果产业的发展有重要意义。 我国是世界第一大水果生产国，也是世界第一大水果消费国。水果种植业的迅速发展提升了果园机械的市场需求。采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33%～50%，目前我国的水果采摘绝大部分还是以人工采摘为主。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，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。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，因此提高采摘作业机械化程度有重要的意义。随着现代农业机械化生产，大面积的种植果树，农民朋友的农产品获得丰收，果实的采摘问题也凸显而出，在面对果树高而无法采摘造成了苹果的摔落，因而这些苹果无法上市进行出售，为解决高空采摘苹果难，故设计此苹果采摘简易机械手来解决此问题。 二．项目设计的内容 （1）果蔬收获机器人作业环境和工作对象的特殊性 工业领域是机器人技术的传统应用领域.由于在工业生产中,机器人的工作位置 和障碍往往都能够事先预知,因此机器人的性能能得到很好的体现。和工业机器人相
采摘机器人设计开题报告 本科毕业设计开题报告 1.本课题的概述一．课题研究的目的和意义在果蔬生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%，采摘作业质量的好坏直接影响到果蔬的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低，目前国内果蔬采摘作业基本上还是手工完成。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本的提高，果蔬采摘这个问题已经慢慢被人们所重视。近些年来，陕西省已成为全国苹果产量大省。白水、礼泉、洛川、等地的果农们有的每户每年大多需要手工收获5-10万多斤的苹果，采摘劳动强度大，非常辛苦。摘果时常因上梯或上树而感到非常劳累不便，也常听到有人不慎从树上或梯子上掉下来的消息，这就对果农们的安全生产带来不便。所以，设计一种既能有效采摘果实又能减轻果农劳动负担的小型实用机械就显得非常重要了。目前市面上此类工具很少，况且有很多弊端。因此，设计一种更为先进的果实采摘机对实现农业机械自动化和提高农业生产效率有重大意义。二．本课题国内外研究状况分析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，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，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的研究人员研制了林木球果采摘机器人，主要5自度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。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一定高 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，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效率是500kg/天，是人工的30-50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。通过上文不难看出，国内外专家在果蔬采摘机器人这一领域都有不同程度的研究。 2.课题总体方案设计一．苹果采摘机基本组成控制机构动力系统苹果采摘机
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
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。
(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 201910354270.5 (22)申请日 2019.04.29 (71)申请人 重庆科技学院 地址 401331 重庆市沙坪坝区大学城东路 20号 (72)发明人 刘佳音 胡桂川 韩克堃 任静 何鸿宇 杨磊 高瑞阳 赵杭 (74)专利代理机构 重庆蕴博君晟知识产权代理 事务所(普通合伙) 50223 代理人 王玉芝 (51)Int.Cl. A01D 46/30(2006.01) (54)发明名称 一种园林式水果采摘机器人 (57)摘要 本发明公开了一种园林式水果采摘机器人， 包括移动平台、机械臂和采摘机构；所述移动平 台包括水平设置的主连接板以及用于带动主连 接板进行运动的履带式运动机构，所述机械臂包 括第一支臂和第二支臂，所述采摘机构包括剪切 机构、动力机构和安装板，所述动力机构安装在 所述安装板上并用于带动剪切机构动作对水果 果蒂进行剪切。本发明提供的园林式水果采摘机 器人，能够结合水果生产种植的环境和实际采摘 的过程，适应果林环境需求、并且对水果进行智 能采摘。权利要求书2页 说明书8页 附图3页CN 109937707 A 2019.06.28 C N 109937707 A
权 利 要 求 书1/2页CN 109937707 A 1.一种园林式水果采摘机器人，其特征在于，包括移动平台、机械臂和采摘机构； 所述移动平台包括水平设置的主连接板以及用于带动主连接板进行运动的履带式运动机构，所述主连接板上固定安装有第一视觉摄像头，所述主连接板下端固定安装有电连接设置的供电电池和控制电路板，所述主连接板上端设置有用于与机械臂进行连接的圆盘组件，所述圆盘组件上设置有用于带动机械臂沿Y轴转动的圆盘单轴舵机； 所述机械臂包括第一支臂和第二支臂，所述第一支臂一端与第一双轴舵机的旋转轴固定连接，所述第一双轴舵机固定安装在第一双轴舵机安装法兰上，所述圆盘单轴舵机的旋转轴与所述第一双轴舵机安装法兰固定连接；所述第一支臂另一端固定安装有第二双轴舵机安装法兰，所述第二双轴舵机安装法兰上固定安装有第二双轴舵机，所述第二支臂一端与所述第二双轴舵机的旋转轴固定连接，所述第二支臂另一端与第三双轴舵机的旋转轴固定连接，所述第三双轴舵机固定连接有第三双轴舵机安装法兰，所述第三双轴舵机安装法兰上固定安装有第四单轴舵机安装法兰，所述第四单轴舵机安装法兰上固定安装有第四单轴舵机，所述第四单轴舵机的旋转轴与所述采摘机构连接并用于带动采摘机构转动； 所述采摘机构包括剪切机构、动力机构和安装板，所述第四单轴舵机用于带动所述安装板转动，所述动力机构安装在所述安装板上并用于带动剪切机构动作对水果果蒂进行剪切，所述安装板上安装有第二视觉摄像头，所述第一视觉摄像头和第二视觉摄像头均与所述控制电路板电连接设置。 2.根据权利要求1所述的一种园林式水果采摘机器人，其特征在于：所述履带式运动机构包括两个驱动轮系，所述驱动轮系设置在所述主连接板两侧；所述驱动轮系包括竖向设置的矩形侧板、驱动电机、驱动轮、履带和履带支撑轮；所述驱动电机通过电机安装法兰固定安装在所述矩形侧板上，所述驱动轮和履带支撑轮转动安装在所述矩形侧板上，所述履带安装在所述驱动轮和履带支撑轮外侧，所述驱动电机的输出轴与所述驱动轮中间设置的转轴同轴固定连接。 3.根据权利要求2所述的一种园林式水果采摘机器人，其特征在于：所述圆盘组件包括依次固定连接的下盘、中盘和上盘；所述下盘固定安装在所述主连接板上，所述下盘上固定安装有圆盘单轴舵机；所述中盘与上盘之间设置有滚动轴承，所述圆盘单轴舵机的旋转轴与所述滚动轴承内圈过盈配合连接，所述圆盘单轴舵机的旋转轴上端与所述第一双轴舵机安装法兰固定连接。 4.根据权利要求3所述的一种园林式水果采摘机器人，其特征在于：所述第一支臂包括两个开口相对设置的U型侧板以及固定板，两个所述U型侧板通过固定板进行固定连接，所述第一支臂和第二支臂结构一致。 5.根据权利要求4所述的一种园林式水果采摘机器人，其特征在于：所述第二支臂的U 型侧板内侧通过螺栓固定安装有舵机安装板，所述舵机安装板与所述U型侧板之间设置有垫片，所述第三双轴舵机的旋转轴固定安装在所述舵机安装板上，所述第三双轴舵机的侧面固定安装有所述第三双轴舵机安装法兰，所述第三双轴舵机安装法兰与第四单轴舵机安装法兰固定连接，所述第四单轴舵机安装法兰上固定安装有第四单轴舵机。 6.根据权利要求5所述的一种园林式水果采摘机器人，其特征在于：所述剪切机构包括夹持端和剪切端，所述夹持端和剪切端相对设置，所述夹持端的外端相对剪切端方向延伸设置有弯钩，所述剪切端正对夹持端的表面固定安装有刀片，所述动力机构用于带动所述 2