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21 世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要時(shí)期。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、多樣化和精確化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求逐漸提高，許多作業(yè)項(xiàng)目（如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等）都是勞動(dòng)密集型工作，再加上時(shí)令的要求，保證作業(yè)質(zhì)量成為關(guān)鍵問題；同時(shí)，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力將逐漸向社會(huì)其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移；隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣大大降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高，因此保證果實(shí)適時(shí)采收、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍然很低。目前，國(guó)內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進(jìn)行， 其費(fèi)用約占成本的50%~70%，并且時(shí)間較為集中。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高工人勞動(dòng)舒適性、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)采收，提高產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有很大潛力。
國(guó)內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展
果蔬采摘機(jī)器人的研究開始于20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)( 1968 年) ，采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式。其缺點(diǎn)是果實(shí)易損、效率不高，特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲，在采摘柔軟、新鮮的果蔬方面還存在很大的局限性。但在此后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。自1983年第1臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國(guó)誕生以來，日本、荷蘭、法國(guó)、英國(guó)、意大利、美國(guó)、以色列、西班牙等國(guó)都展開了果蔬收獲機(jī)器人方面的研究工作，涉及到的研究對(duì)象主要有甜橙、蘋果、西紅柿、櫻桃西紅柿、蘆筍、黃瓜、甜瓜、葡萄、甘藍(lán)、菊花、草莓、蘑菇等，部分已經(jīng)有了一些研究成果
例如1 人機(jī)協(xié)作型柑橘采摘機(jī)器人
人機(jī)協(xié)作型研究思想是將采摘機(jī)器人尋找、定位待摘果實(shí)以及機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)由人來完成，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)控制和末端執(zhí)行器控制等任務(wù)由機(jī)器人的控制系統(tǒng)完成。西班牙工業(yè)自動(dòng)化研究所基于人機(jī)協(xié)作思想開發(fā)的柑橘采摘機(jī)器人Agribot。該機(jī)器人由操作臺(tái)、輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、末端執(zhí)行器、激光測(cè)距儀和控制系統(tǒng)等組成。操作人員發(fā)現(xiàn)待采摘果實(shí)后，利用游戲桿操縱移動(dòng)/傾斜機(jī)構(gòu)，使激光測(cè)距儀的激光束對(duì)準(zhǔn)果實(shí)，獲取待采摘果實(shí)的坐標(biāo)，并將其放入一動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)。控制系統(tǒng)從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)中取出坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并和機(jī)械手末端執(zhí)行器的當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)行比較，規(guī)劃最優(yōu)采摘路徑的同時(shí)控制關(guān)節(jié)軸電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，使機(jī)械手末端執(zhí)行器到達(dá)指定位置。
合理的人機(jī)分工與協(xié)作不僅增強(qiáng)了智能機(jī)器人處理突發(fā)事件的能力和系統(tǒng)的魯棒性，還可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的前提下，提高采摘成功率。人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，它不僅提高了采摘機(jī)器人的采摘效率和成功率，還能大幅度降低系統(tǒng)成本，有利于盡早實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化。
2 西紅柿采摘機(jī)器人
日本Kondo-N 等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成
西紅柿各個(gè)果實(shí)不一定是同時(shí)成熟，并且果實(shí)有時(shí)被葉莖擋住，收獲時(shí)要求機(jī)械手活動(dòng)范圍大，且能避開障礙物，所以機(jī)器人的采摘機(jī)械手采用7自由度的SCORBOT－ER 工業(yè)機(jī)器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘。用彩色攝像機(jī)作為視覺傳感器來尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位；移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用4輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動(dòng)行走。采摘時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一定距離后就進(jìn)行圖像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測(cè)出果實(shí)相對(duì)機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息，判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi)。若可以收獲，則控制機(jī)械手靠近并摘取果實(shí)，吸盤把果實(shí)吸住后，機(jī)械手指抓住果實(shí)，然后通過機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。
3 蘑菇采摘機(jī)器人
英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人[ 9 ] ,它可以自動(dòng)檢測(cè)蘑菇的位置、大小,并選擇性地采摘和修剪。它的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器。采摘速度為1. 5 s/個(gè),成功率約為75%。
國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)對(duì)采摘機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代中期,雖然與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距,但是在不少院校和研究學(xué)者的努力下也取得了一些進(jìn)展。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的湯修映等人研制了一個(gè)6自由度黃瓜采摘機(jī)器人,該機(jī)器人基于RGB三基色模型的G分量來進(jìn)行圖像分割,在特征提取后確定黃瓜的采摘點(diǎn)。同時(shí)提出了新的適合自動(dòng)化采摘的斜柵網(wǎng)架式黃瓜栽培模式。孫明等為蘋果采摘機(jī)器人開發(fā)了一套果實(shí)識(shí)別視覺系統(tǒng),并研究成功了一種使二值圖像的像素分割正確率大于80%的彩色圖像處理技術(shù)。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人。主要由5自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。浙江大學(xué)提出了基于彩色信息和紅外熱成像技術(shù)的樹上水果識(shí)別方法。并且對(duì)7自由度番茄收獲機(jī)械手進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的姬長(zhǎng)英等人在番茄采摘中運(yùn)用了雙目立體視覺技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位。上海交通大學(xué)的曹其新等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,開發(fā)了草莓揀選機(jī)器人。江蘇大學(xué)的陳樹人和尹建軍等提出了基于彩色柱狀圖算法的番茄采摘機(jī)器人視覺系統(tǒng)。趙杰文等研究了基于H IS顏色特征的田間成熟番茄識(shí)別技術(shù)。
課題所涉及的任務(wù)及實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的可行性
根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)一款適合采摘果實(shí)的自動(dòng)化機(jī)械裝置，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能使用，操作性能好。具體要求如下：
1.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有三個(gè)手指的仿人機(jī)械手外形，每個(gè)手指具有二個(gè)關(guān)節(jié)。
2.繪制二維裝配圖和零件圖。
3.選擇合適的動(dòng)力配置和控制部件，能對(duì)手指進(jìn)行簡(jiǎn)單地抓取操作。
4.要求利用Solidworks繪制三維圖，完成運(yùn)動(dòng)仿真。
本課題總體設(shè)計(jì)面很廣，設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是機(jī)械手部分的設(shè)計(jì)。
機(jī)械手又稱操作機(jī)，是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能，并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置，是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在收獲機(jī)器人中，機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置，其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個(gè)目標(biāo)果實(shí)。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機(jī)械手又稱為擬人( 類人) 機(jī)器人，相比其它結(jié)構(gòu)比較起來，要求更加靈活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一，它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。
果蔬采摘機(jī)器人往往工作于非結(jié)構(gòu)性環(huán)境中，工作對(duì)象常常是隨機(jī)分布的，因此在機(jī)械手的設(shè)計(jì)過程中，必須考慮采用最合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括機(jī)器人類型、工作空間、機(jī)械臂數(shù)量( 機(jī)械臂越多，機(jī)構(gòu)越靈活，但控制也越復(fù)雜，消耗的時(shí)間也越多。因此，必須在系統(tǒng)數(shù)量和性能之間進(jìn)行平衡) 以及機(jī)器人結(jié)構(gòu)方式( 串聯(lián)式、并聯(lián)式) 等。評(píng)價(jià)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)主要有工作空間、可操作度、位置多樣性和冗余度等。為了設(shè)計(jì)出最合適的操作手機(jī)構(gòu)，還必須進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究，同時(shí)還要考慮其運(yùn)動(dòng)平衡性能，綜合優(yōu)化算法設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能靈巧無碰撞地完成采摘任務(wù)。
總體分析，目前，采摘機(jī)器人研究領(lǐng)域主要存在以下幾個(gè)問題:
①果實(shí)的識(shí)別率、定位精度低
果蔬采摘機(jī)器人的首要任務(wù)是識(shí)別和定位水果。然而果實(shí)的形狀、尺寸、顏色、成熟度、表皮外傷程度差異性大,而且果實(shí)總是隨機(jī)分布生長(zhǎng),這給果實(shí)的識(shí)別帶來很大的困難。目前識(shí)別果實(shí)的方法主要有灰度閾值、顏色識(shí)別法和區(qū)域識(shí)別法等。前兩種方法都要基于果實(shí)的光譜反射特性,因此還極易受到自然光照的影響。而區(qū)域定位方式,則要求目標(biāo)具有完整的邊界
條件,但是由于果實(shí)往往被枝干和葉子遮擋,很難真正區(qū)別出完整的輪廓。
②果實(shí)的損傷率較大。
果實(shí)是很嬌嫩的,在采摘過程中必須保證以不損傷果實(shí)為前提,目前人們?cè)谀┒藞?zhí)行器上安裝傳感器以感知抓取的力度,但是在實(shí)際操作中仍然未能避免對(duì)果實(shí)造成抓取傷痕。另一種方法是切斷果柄,這種辦法的問題是切刀極易磨損,另外就是當(dāng)果柄過短時(shí)無法應(yīng)用。
③采摘環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化給采摘帶來困難
大部分果實(shí)都是在自然環(huán)境中生長(zhǎng),因此果實(shí)的采摘將受到自然環(huán)境改變的影響。如刮風(fēng)導(dǎo)致果實(shí)搖動(dòng)而不斷改變位置,采摘果實(shí)被樹葉樹枝等掩蓋,這就要求采摘機(jī)器人不僅能將這樣的果實(shí)識(shí)別出來,還需要有成功的避障規(guī)劃和靈巧的機(jī)械手結(jié)構(gòu)。
④果實(shí)平均采摘周期較長(zhǎng)、效率低
研究采摘機(jī)器人的目的之一就是為了提高采摘的效率,但是目前的采摘機(jī)器人效率還不夠高。比如采摘1個(gè)甘藍(lán)需要55 s,采摘一根黃瓜需要10～16 s,采摘一個(gè)茄子需要64. 1 s,采摘一個(gè)甜瓜需要15 s。
⑤采摘機(jī)器人的制造成本高、應(yīng)用推廣難
果蔬采摘機(jī)器人的采摘對(duì)象具有多樣性,工作時(shí)間具有季節(jié)性,設(shè)備利用率低,操作對(duì)象大部分為農(nóng)民,這就要求其要具有良好的通用性、可編程性、高可靠性和操作簡(jiǎn)單性。另外采摘機(jī)器人的使用和維護(hù)都需要相當(dāng)高的技術(shù)水平和費(fèi)用。只有當(dāng)其使用成本低于人工收獲成本時(shí),采摘機(jī)器人才會(huì)真正被普及。因此,成本問題將成為制約采摘機(jī)器人市場(chǎng)化的瓶頸問題。
解決對(duì)策
每一個(gè)事物的發(fā)展都是一個(gè)遇到問題解決問題的過程。為了很好的解決以上問題,解除限制采摘機(jī)器人發(fā)展的因素,可以從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)探索與研究:
(1) 研究出一種高可靠性、高精度的視覺系統(tǒng)技術(shù),可以使所有成熟果實(shí)都能夠識(shí)別出來并能精確地對(duì)其定位。這就需要在三維立體視覺技術(shù)、視覺傳感器技術(shù)、圖像獲取和處理等方面進(jìn)行更深入的研究。
(2) 機(jī)械結(jié)構(gòu)直接決定機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性、平穩(wěn)性和控制的復(fù)雜性。采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)必須更加緊湊和簡(jiǎn)化,優(yōu)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)。提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的柔性和靈巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果實(shí)的損傷率。
(3) 可以研究適合采摘機(jī)器人工作的果蔬栽培模式,通過降低作物生長(zhǎng)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和復(fù)雜性,便于采摘機(jī)器人的視覺定位和移動(dòng)。
(4) 提高圖像處理速度,優(yōu)化軟件算法,縮短機(jī)器視覺部分在整個(gè)采摘過程中所占用的時(shí)間,以提高采摘效率。
(5) 采用開放式的控制系統(tǒng),提高采摘機(jī)器人的通用性。只要改變機(jī)器人的機(jī)械本體和末端執(zhí)行器,用一套控制系統(tǒng)就能完成不同果蔬的采摘,從而提高控制系統(tǒng)的利用率、降低成本。
課題任務(wù)計(jì)劃
第1～2周 查閱相關(guān)文獻(xiàn)，撰寫開題報(bào)告。
第3～4周 根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械手的設(shè)計(jì)確定采摘手的設(shè)計(jì)方案。
第5～6周 根據(jù)工作要求，計(jì)算并查閱相關(guān)手冊(cè)，選擇和設(shè)計(jì)各零部件。
第7～9周 運(yùn)用AutoCAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。
第10～11周 運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
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