果樹采摘機器人的發(fā)展現(xiàn)狀及運動學分析-文庫吧
2025-06-01 12:45 本頁面
【正文】 機投影模型 13 13 13 攝像機模型 14 14第五章 果樹采摘機器人機械臂運動學分析 17 17 19第六章 總結(jié)與展望 21 總結(jié) 21 不足之處與未來展望 21參考文獻 22致 謝 23第一章 農(nóng)業(yè)采摘機器人的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 機器人技術(shù)是一門新興的多學科交叉的綜合性高新技術(shù)，涉及機構(gòu)學、機械設(shè)計學、自動控制、傳感技術(shù)、計算機、人工智能、仿生學等多個學科領(lǐng)域。機器人作為高自動化、智能化的機電一體化設(shè)備，通過計算機編程能夠自動完成目標操作或移動作業(yè)，具有較高的可靠性、靈活性。因此，機器人技術(shù)已成為當今應用廣泛、發(fā)展迅速和最引人注目的高新技術(shù)之一。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會的進步，機器人技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技等各個領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于易對植被造成損害、易污染環(huán)境等原因，傳統(tǒng)的機械通常存在著許多的缺點。為了解決這個問題，國內(nèi)、外都在進行農(nóng)業(yè)機器人的研究，對農(nóng)業(yè)機器人的需求極其迫切。就我國而言，機械化、自動化程度比較落后。農(nóng)業(yè)機器人的問世，有望改變傳統(tǒng)的勞動方式，改善農(nóng)民的生活勞動狀態(tài)。因此，世界各國對農(nóng)業(yè)機器人非常重視，投入了大量的資金和人力進行研究開發(fā)。農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到很大進展，其功能已經(jīng)非常完備。農(nóng)業(yè)機器人正在或已經(jīng)替代人的繁重體力勞動，可以連續(xù)不間斷地工作，極大地提高了勞動生產(chǎn)率，是農(nóng)業(yè)智能化不可缺少的重要環(huán)節(jié)。 采摘機器人是21世紀精確農(nóng)業(yè)的重要裝備之一，是未來智能農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展方向。采摘機器人是針對水果和蔬菜，可以通過編程來完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運、打包等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)，是集機械、電子、信息、智能技術(shù)、計算機科學、農(nóng)業(yè)和生物等學科于一體的交叉邊緣性科學，需要涉及機械結(jié)構(gòu)、視覺圖像處理、機器人運動學動力學、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計算信息處理等多方面的學科領(lǐng)域知識。 農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究意義 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)朝著規(guī)?；?、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力的成本必然迅速上升，勞動力不足的現(xiàn)象也會日趨明顯，因而作為高科技的機器人技術(shù)進入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域變得越來越現(xiàn)實。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，許多作業(yè)項目如蔬菜、果實的收獲和分選、苗木嫁接、秧苗移植、灌溉田地等都是大量重復性繁重的工作，工作人員容易產(chǎn)生疲勞，導致工作效率下降。如果機器人應用于農(nóng)業(yè)，可節(jié)省人力，降低勞動強度，并且可以大大提高工作效率,同時還可以充分發(fā)揮機器人的信息感知能力，對水果的成熟度進行鑒別和空間定位，從而保證了采摘果實的質(zhì)量和工作效率。因此，加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化，為農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展培育新的增長點，對推進我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，提高農(nóng)產(chǎn)品的國際競爭力有著重要的意義。 農(nóng)業(yè)采摘機器人的特點(1) 作業(yè)對象的非結(jié)構(gòu)性和不確定性；(2) 作業(yè)對象的嬌嫩性和復雜性；(3) 良好的通用性和可編程性；(4) 操作對象和價格的特殊性。 果樹采摘機器人操作者是農(nóng)民，不是具有機電知識的工程師，因此要求果樹采摘機器人必須具有高可靠性和操作簡單的特點；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個體經(jīng)營為主，如果價格太高，就很難普及。 農(nóng)業(yè)采摘機器人國內(nèi)外研究進展(1) 國外研究進展① 日本的西紅柿采摘機器人 日本的果蔬采摘機器人研究始于1980年，他們利用紅色的番茄與背景(綠色)的差別，采用機器視覺對果實進行判別，研制了番茄采摘機器人。該機器人有5個自由度，對果實實行三維定位。由于不是全自由度的機械手，操作空間受到了限制，而且堅硬的機械爪容易造成果實的損傷。 日本岡山大學的Kondo等人研制的番茄采摘機器人，由機械手、末端執(zhí)行器、行走裝置、視覺系統(tǒng)和控制部分組成，如圖11所示。用彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺系統(tǒng)，尋找和識別成熟果實。由于番茄的果實經(jīng)常被葉莖遮擋，為了能夠靈活避開障礙物，采用具有冗余度的7自由度機械手。為了不損傷果實，其末端執(zhí)行器設(shè)計有2個帶有橡膠的手指和1個氣動吸嘴，把果實吸住抓緊后，利用機械手的腕關(guān)節(jié)把果實擰下。行走機構(gòu)有4個車輪，能在田間自動行走，利用機器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測是否到達土埂，到達后自動停止，轉(zhuǎn)向后再繼續(xù)前進。該番茄采摘機器人從識別到采摘完成的速度大約是15s/個，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置處于葉莖相對茂密的地方，機器手無法避開葉莖障礙物。因此需要在機器手的結(jié)構(gòu)、采摘工作方式和避障規(guī)劃方面加以改進，以提高采摘速度和采摘成功率，降低機器人自動化收獲的成本，才可能達到實用化。圖11 番茄采摘機器人結(jié)構(gòu)簡圖S1—前后延伸棱柱關(guān)節(jié)；S2—上下延伸棱柱關(guān)節(jié)；7—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)② 日本的茄子采摘機器人 日本國立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學聯(lián)合研制了茄子采摘機器人。機器人由CCD機器視覺系統(tǒng)、5自由度工業(yè)機械手、末端執(zhí)行器以及行走裝置組成，作業(yè)對象是溫室中按照V形生長方式種植的茄子。該機器人的末端執(zhí)行器設(shè)計復雜，包括4個手指、2個吸嘴、2個誘導桿、氣動剪子和光電傳感器，如圖12所示。工作中，利用模糊視覺反饋系統(tǒng)引導末端執(zhí)行器靠近果實，完成采摘作業(yè)。在實驗室中進行了試驗，%。影響成功率的主要原因是機器視覺系統(tǒng)對采摘位置的判斷不正確；同時，視覺系統(tǒng)占用了72%的工作時間()，也是影響采摘效率的主要因素。圖12 茄子采摘機器人末端執(zhí)行器原理圖1—光電傳感器；2—引導桿；3—橡膠手爪；4—攝像機
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