果蔬采摘機(jī)器人的綜述報(bào)告(編輯修改稿)
2025-03-12 12:41 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為一黃瓜采摘機(jī)器人機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，它有腰部、大臂、小臂和手腕通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，一段固定在基座上，另一端自由并安裝末端執(zhí)行器。 圖 213 關(guān)節(jié)型機(jī)械手示意圖 圖 214 蘋果采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)類型 圖 215 黃瓜采摘機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械手是機(jī)器人的重要組成部分，若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉或驅(qū)動(dòng)裝置無(wú)法設(shè)置，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，使相鄰運(yùn)動(dòng)副的軸線相互平行或正交。 機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式的 選取取決于對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。以直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型的順序來看，其活動(dòng)范圍和靈活度有小到大，控制的程度由易到難，位置精度由高到低負(fù)載能力由大到小。如表 21 所示。 表 21 各種類型機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式比較表 類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 使用對(duì)象 直角坐標(biāo)型 定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、作業(yè)空間大、容易控制、成本低 靈活性差，末端執(zhí)行器活動(dòng)范圍存在盲區(qū) 采摘生長(zhǎng)于地面的果實(shí)，如甜瓜 極坐標(biāo)型 靈活性有所增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持 質(zhì)量大 運(yùn)動(dòng)控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度較低 葡萄、黃瓜等藤生作物，蘋果、柑橘等樹冠高達(dá)的果實(shí) 關(guān)節(jié)型 靈活性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、易于確定三維空間中的任意位置和姿態(tài)，可以有效避開障礙物 機(jī)械剛度小，運(yùn)動(dòng)精度較低，抓持質(zhì)量小，關(guān)節(jié)控制復(fù)雜，成本高 應(yīng)用較為廣泛，一般為枝葉茂密，果實(shí)重量不大的作物，如普通栽培的番茄 通過表 21 分析得知，就結(jié)構(gòu)形式而言，關(guān)節(jié)型機(jī)械手屬于仿人臂型，適用于多果實(shí)的采摘，如番茄、蘋果、柑橘等，但控制較難。及坐標(biāo)型機(jī)械手適合采摘質(zhì)量較大的果實(shí)，如收獲地面上的西瓜，其采用的智能技術(shù)較關(guān)節(jié)型低 ，但是由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的存在，使其控制也很復(fù)雜，而且運(yùn)動(dòng)精度低、成本高，其推廣受到一定的限制。直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，控制較為容易，而且可以設(shè)計(jì)成適用于不同類果實(shí)的不同類型，與其它兩種類型相比成本最低，但是靈活性也最差，避障性能也不高。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，可以考慮通過改變作物的栽培方式來降低采摘的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直角坐標(biāo)型進(jìn)行采摘。 采摘機(jī)機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀分析 末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，它的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長(zhǎng)狀況 通常復(fù)雜。在機(jī)器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有： ① 果蔬位置識(shí)別或機(jī)械臂控制規(guī)劃有誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表； ② 末端執(zhí)行器夾持或抓取力過大，壓傷果蔬外表； ③ 末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導(dǎo)致果蔬掉落，與地面或其他堅(jiān)硬物體接觸而碰上外表。 作為采摘機(jī)器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實(shí)的生物、機(jī)械特性及栽培方式，采取不同的專用機(jī)構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對(duì)果蔬的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能： ① 檢測(cè)果實(shí)的位姿，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供導(dǎo)航信息； ② 以適當(dāng)力度夾持果實(shí)或果梗并剪切果柄，完成采摘?jiǎng)?作。在動(dòng)作上通常包括獲取果實(shí)和果實(shí)與植株分離兩部分。為了安全與高效的完成采摘?jiǎng)幼?，末端?zhí)行器還可能加入吸盤、推桿等附加機(jī)構(gòu)以及各類傳感器以完成準(zhǔn)確采摘并減小損傷。 獲取方式 獲取和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實(shí)現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動(dòng)作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實(shí)，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實(shí)與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，獲取果實(shí)的方式主要?dú)w為非夾持類和夾持類兩種。分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。 斷式 這類末端執(zhí)行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實(shí)現(xiàn)果實(shí)的回收，因此剪掉的果實(shí)直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國(guó)柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如圖 216,217,218 所示。 圖 216 甜椒采摘末端執(zhí)行器 217 茄子采摘末端執(zhí)行器 218 番茄采摘末端執(zhí)行器 這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡(jiǎn)單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實(shí)具有一定抗沖擊能力的果蔬。對(duì)于果梗較短的植株，往往造成無(wú)法剪切或碰上果實(shí)的現(xiàn)象，對(duì)于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實(shí)下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實(shí)的回收。 這類非夾持類末端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式分離果實(shí)和果梗。 如圖 219 所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實(shí)向后拉動(dòng)，同時(shí)末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動(dòng)，使果實(shí)進(jìn)入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進(jìn)而保住果實(shí)，隨后一對(duì)割刀合攏切斷果梗。 219 柑橘采摘末端執(zhí)行器 如圖 220（ a）所示比利時(shí)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)成漏斗的 形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入手爪范圍的時(shí)候，真空吸引器打開將果實(shí)吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實(shí)采摘下來。圖 5（ b）所示英國(guó)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個(gè)內(nèi)置圓環(huán)和兩個(gè)彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實(shí)的原理也是吸入 +扭斷式，當(dāng)蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。 （ a） （ b） 圖 220 蘋果采摘末端執(zhí)行器 還有吸入 +勾取的方式來獲取果實(shí)等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作原理 類似，對(duì)于果實(shí)嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長(zhǎng)的草莓等果實(shí)，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)個(gè)體尺寸差異適應(yīng)能力較差動(dòng)作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實(shí)也容易被一同吸入和采摘下來。 這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的
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