【正文】 ，=Z (216) 機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)建立 采用移動(dòng)平臺(tái)的采摘機(jī)器人之所以得到廣泛應(yīng)用，很大的原因是它的靈活性好，可以到達(dá)的空間比較大，當(dāng)單獨(dú)的機(jī)械手不能到達(dá)指定的位置時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)可以通過(guò)向x，y方向的混合移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)末端操作器的運(yùn)動(dòng)。 圖28 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖對(duì)于攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系可由圖29所示的幾何解法求得[22]：圖29 采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)幾何關(guān)系 (213) (214) (215)式中 、分別為腰部、大臂、小臂的長(zhǎng)度；、分別為機(jī)械手臂第二、三、四自由度關(guān)節(jié)角度。圖28所示為機(jī)器人結(jié)構(gòu)關(guān)系，采摘機(jī)器人的攝像機(jī)采用eyeinhand方式安裝，攝像機(jī)坐標(biāo)系與機(jī)器人基座坐標(biāo)系的各坐標(biāo)軸相互平行，假設(shè)目標(biāo)果實(shí)在基坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為，其在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的坐標(biāo)為。由上，可得： (27) (28) (29)由如圖所示的幾何關(guān)系可得： (210) (211) (212) 果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析果樹(shù)采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)以及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)問(wèn)題，它們之間的關(guān)系如圖 27所示，本文根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，采用幾何算法求解機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。,：左右輪轉(zhuǎn)過(guò)的角度；：左右兩輪間的距離； ，：左右輪從到達(dá)點(diǎn)所走的距離；：移動(dòng)平臺(tái)從到達(dá)點(diǎn)的轉(zhuǎn)彎半徑；：中心點(diǎn)到下一點(diǎn)距離；：車輪的半徑；其他符號(hào)如圖26所示。 履帶式移動(dòng)平臺(tái)模型本課題所研究的移動(dòng)車體由剛性車體和剛性履帶組成，移動(dòng)車體的左右兩邊的履帶模型可以簡(jiǎn)化為兩輪模型，且車體模型在忽略了一些如延遲、變形等作用的情況下，作了如下假設(shè)：1) 剛性車體在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)2) 車體的運(yùn)動(dòng)速度較低，低于3) 忽略車體的縱向滑動(dòng)4) 車胎受到的橫向力垂直于其縱向負(fù)載在對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行分析時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，即為移動(dòng)平臺(tái)順時(shí)針轉(zhuǎn)彎的情況；當(dāng)時(shí)，則移動(dòng)平臺(tái)順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)彎；當(dāng)=時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)。每一個(gè)像素在x軸與y軸方向的物理尺寸為dx與dy（單位為mm/像素）。(2) 圖像平面坐標(biāo)系設(shè)(u,v)是以像素為單位的以點(diǎn)為原點(diǎn)的圖像坐標(biāo)系坐標(biāo)，(x,y)是以物理單位(毫米)表示的圖像坐標(biāo)系，如圖25所示。軸和軸分別與圖像平面的軸和軸平行，光軸與圖像平面的交點(diǎn)即為圖像坐標(biāo)系的原點(diǎn)。然而人們?yōu)榱擞?jì)算上的方便，在保持?jǐn)?shù)學(xué)關(guān)系不變的前提下，通常采用與場(chǎng)景同向的正立虛像成像平面幾何模型，在選取合適的坐標(biāo)系后，其計(jì)算模型如圖24所示。一般情況下，可以將透視投影中的成像設(shè)備—攝像機(jī)線性化，等效為小孔成像模型。圖22 末端操作器實(shí)物圖 攝像機(jī)投影模型(1) 攝像機(jī)成像原理攝像機(jī)是一種能夠攝取連續(xù)視頻圖像的設(shè)備，幾何成像主要分為三類：透視投影(或稱中心射影)成像、仿射投影與正射投影成像。其中，前端為勺狀?yuàn)A持裝置，由方形氣缸驅(qū)動(dòng)其開(kāi)合，在夾持裝置的一側(cè)裝有旋轉(zhuǎn)切刀，由末端操作器后端的伺服電機(jī)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)，切斷果柄。表21 機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)主要參數(shù)關(guān)節(jié)參數(shù)升降臺(tái)腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)機(jī)棱柱關(guān)節(jié)目前越來(lái)越多的新型末端操作器應(yīng)用于農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)中，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出帶有手指、吸引器、桶狀、剪刀等各式各樣的末端操作器[1720]，以實(shí)現(xiàn)采摘、移栽、噴霧等生物生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程。機(jī)械手的升降由氣泵驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)完成，能應(yīng)對(duì)采摘過(guò)程中遇到較高果樹(shù)作物的特殊情況；機(jī)械手旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、棱柱關(guān)節(jié)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。圖21 果實(shí)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械臂為PRRRP結(jié)構(gòu)，第一個(gè)自由度為升降自由度，中間三個(gè)自由度為旋轉(zhuǎn)自由度，第五個(gè)自由度為棱柱關(guān)節(jié)。移動(dòng)載體為履帶式底盤，加裝了工控機(jī)、電源箱、采摘輔助裝置、多種傳感器；五自由度機(jī)械臂為自行設(shè)計(jì)，由相應(yīng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。首先，分析了果樹(shù)采摘機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)；其次，研究了攝像機(jī)投影模型和履帶式移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；最后，完成了果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解。開(kāi)展果樹(shù)采摘機(jī)器人研究，不僅對(duì)于適應(yīng)市場(chǎng)需求、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高經(jīng)濟(jì)效率有著一定的現(xiàn)實(shí)意義，而且對(duì)于跟蹤世界農(nóng)業(yè)新技術(shù)、促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重大的歷史意義。一方面，由于加入WTO，農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展正面臨著世界各地的沖擊和挑戰(zhàn)；另一方面也給我國(guó)帶來(lái)了一次加快農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整的絕好的機(jī)遇。中國(guó)水果產(chǎn)量已占世界總產(chǎn)量的40%。到2002年，果園面積達(dá)9098千公頃，總產(chǎn)量達(dá)萬(wàn)噸，分別比年增長(zhǎng)223%和456%。 本課題研究意義果蔬產(chǎn)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)中的重要產(chǎn)業(yè)之一，近幾十年來(lái)，我國(guó)果蔬產(chǎn)業(yè)規(guī)模和產(chǎn)量有大幅度的增長(zhǎng)，特別是中國(guó)加入WTO以來(lái)，增長(zhǎng)速度更加明顯。利用固高PANamp。分析、研究了關(guān)節(jié)型機(jī)械手避障方法，對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人實(shí)時(shí)避障方法進(jìn)行了探討。(4) 根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和機(jī)器人機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，提出在機(jī)器人采摘作業(yè)的初始階段，根據(jù)視覺(jué)傳感器獲取的環(huán)境信息，控制機(jī)器人腰部、大臂、小臂的關(guān)節(jié)做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以消除攝像頭捕捉到的圖像中目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心與圖像中心的誤差，使機(jī)械臂末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)，實(shí)現(xiàn)初始定位功能。(3) 采摘機(jī)器人傳感器設(shè)計(jì)。(2) 果樹(shù)采摘機(jī)器人控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人工作環(huán)境和作業(yè)特點(diǎn)，采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，不僅可以迅速構(gòu)建新的機(jī)器人系統(tǒng)，減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，還可以減少對(duì)用戶的培訓(xùn)。專用控制系統(tǒng)基本是封閉式的，這種控制系統(tǒng)使機(jī)器人的可擴(kuò)展性、靈活性都受到很大的限制。(5) 采用開(kāi)放式控制系統(tǒng)目前采摘機(jī)器人，甚至整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究都是沿襲工業(yè)機(jī)器人的研究思路。(4) 改變作物的培育模式日本在黃瓜采摘機(jī)器人研究項(xiàng)目中，采用傾斜的培育系統(tǒng)，將黃瓜和葉、莖分開(kāi)，便于采摘機(jī)器人的視覺(jué)定位和采摘。通過(guò)視覺(jué)傳感器與非視覺(jué)傳感器的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，可以大大提高采摘機(jī)器人的感知功能。另外，小波變換具有良好的時(shí)頻局部化分析特征，能同時(shí)給出圖像信號(hào)的時(shí)域和頻域信息，能有效檢測(cè)圖像的邊緣，應(yīng)用前景較好。 技術(shù)難題解決方法在果樹(shù)采摘機(jī)器人系統(tǒng)中，由于作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜性，特別是存在光照條件的不確定性和果實(shí)部分或完全遮擋問(wèn)題，采摘對(duì)象的智能化識(shí)別和定位問(wèn)題還需要進(jìn)一步研究。而且工作具有周期性、短時(shí)間等特點(diǎn)，設(shè)備利用率低。為使果蔬采摘機(jī)器人實(shí)用化，提高作業(yè)效率是關(guān)鍵問(wèn)題之一。而目前的果實(shí)收獲機(jī)器人由于圖像處理、控制系統(tǒng)等原因，大多數(shù)采摘機(jī)器人的效率不高。采摘環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化，要求采摘機(jī)器人的機(jī)械手和末端執(zhí)行器需要具有相當(dāng)高的柔性和靈巧性，幫助機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)避障，提高采摘的成功率。其中，前兩者主要基于果實(shí)的光譜反射特性，但在自然光照情況下，由于圖像中存在噪聲和各種干擾信息，效果并不是很好。4) 成本應(yīng)比較低。2) 為了能在壟溝或其它野外環(huán)境中行走，機(jī)器人必須緊湊，轉(zhuǎn)彎靈活。(4) 操作對(duì)象和價(jià)格的特殊性果樹(shù)采摘機(jī)器人操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的工程師，因此要求果樹(shù)采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果價(jià)格太高，就很難普及[15]。只要改變部分軟、硬件，變更判斷基準(zhǔn)，變更動(dòng)作順序，就能進(jìn)行多種作業(yè)。果蔬采摘機(jī)器人一般是作業(yè)、移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，行走不是連接出發(fā)點(diǎn)和終點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄的范圍、較長(zhǎng)的距離及遍及整個(gè)田間表面等特點(diǎn)。(2) 作業(yè)對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性果實(shí)具有軟弱易傷的特性，必須細(xì)心輕柔地對(duì)待和處理。生長(zhǎng)的環(huán)境是變化的、未知的和開(kāi)放性的，直接受土地、季節(jié)和天氣等自然條件的影響。由于位置誤差，它采摘的成功率約為75%，對(duì)于實(shí)際需要，這個(gè)數(shù)字是可以接受的。我國(guó)還成功地研制出了采摘西紅柿機(jī)器人。目前，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的科技人員對(duì)機(jī)器人的機(jī)器結(jié)構(gòu)和控制軟件進(jìn)行了改進(jìn)，提高了機(jī)器作業(yè)的可靠性及其操作的方便性。計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)為蘑菇采摘機(jī)器提供分類所需的尺寸、面積信息，并且引導(dǎo)機(jī)器手準(zhǔn)確抵達(dá)待采摘蘑菇的中心位置，防止對(duì)不準(zhǔn)，以致影響吸盤的密封，造成抓取失敗或損傷蘑菇的現(xiàn)象[14]。周云山等研究了蘑菇采摘機(jī)器人。而且，采摘時(shí)對(duì)母樹(shù)的破壞較小，采凈率高[12]。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度，采摘爪張開(kāi)并擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹(shù)枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，～2m，然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。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，如圖13所示。但不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)的研究。表11給出了國(guó)外部分國(guó)家果蔬收獲機(jī)器人研究進(jìn)展統(tǒng)計(jì)。采摘成功率在75%左右， /個(gè)，生長(zhǎng)傾斜是采摘失敗的主要原因。⑥ 英國(guó)的蘑菇采摘機(jī)器人[11]英國(guó)Silsoe研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、大小，并選擇性地采摘和修剪。整個(gè)系統(tǒng)無(wú)人工干預(yù)就能在溫室工作。機(jī)械手有7個(gè)自由度，采用三菱公司(Mitsubishi)RVE2 6自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。采摘通過(guò)末端執(zhí)行器來(lái)完成，它由手爪和切割器構(gòu)成。該機(jī)器人利用近紅外視覺(jué)系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)，并探測(cè)它的位置。腕部的2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)非常有用，它可以保證末端執(zhí)行器水平和垂直接近葡萄，即使葡萄束傾斜也可以達(dá)到目標(biāo)。其機(jī)械部分是一個(gè)具有5個(gè)自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手，具有4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(其中腰部1個(gè)、肩部1個(gè)、腕部2個(gè))和1個(gè)棱柱型的直動(dòng)關(guān)節(jié)。影響成功率的主要原因是光照條件的不穩(wěn)定、超聲波測(cè)距傳感器的誤差、葉子的遮擋以及機(jī)械故障等。系統(tǒng)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(NN算法)提取果實(shí)的二值圖像，采用模板匹配的方法識(shí)別合格的甘藍(lán)。影響成功率的主要原因是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)采摘位置的判斷不正確；同時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)占用了72%的工作時(shí)間()，也是影響采摘效率的主要因素。工作中，利用模糊視覺(jué)反饋系統(tǒng)引導(dǎo)末端執(zhí)行器靠近果實(shí)，完成采摘作業(yè)。機(jī)器人由CCD機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、5自由度工業(yè)機(jī)械手、末端執(zhí)行器以及行走裝置組成，作業(yè)對(duì)象是溫室中按照V形生長(zhǎng)方式種植的茄子。因此需要在機(jī)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(jìn)，以提高采摘速度和采摘成功率，降低機(jī)器人自動(dòng)化收獲的成本，才可能達(dá)到實(shí)用化。行走機(jī)構(gòu)有4個(gè)車輪，能在田間自動(dòng)行走，利用機(jī)器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測(cè)是否到達(dá)土埂，到達(dá)后自動(dòng)停止，轉(zhuǎn)向后再繼續(xù)前進(jìn)。由于番茄的果實(shí)經(jīng)常被葉莖遮擋，為了能夠靈活避開(kāi)障礙物，采用具有冗余度的7自由度機(jī)械手。日本岡山大學(xué)的Kondo等人研制的番茄采摘機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、行走裝置、視覺(jué)系統(tǒng)和控制部分組成，如圖11所示。該機(jī)器人有5個(gè)自由度，對(duì)果實(shí)實(shí)行三維定位。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，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，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家，在收獲采摘機(jī)器人的研究上做了大量的工作，試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人，如番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜收獲機(jī)器人、西瓜收獲機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人等。采摘機(jī)器人是針對(duì)水果和蔬菜，可以通過(guò)編程來(lái)完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運(yùn)、打包等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué)，需要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、視覺(jué)圖像處理、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)以及計(jì)算信息處理等多方面的學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)。采摘機(jī)器人是21世紀(jì)精確農(nóng)業(yè)的重要裝備之一，是未來(lái)智能農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展方向。它們可以從事在艱苦條件下的重體力勞動(dòng)、單調(diào)重復(fù)的工作，如噴灑農(nóng)藥、收割及分選作物等有望由多農(nóng)業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)完成，以解放出大量的人力資源。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到很大進(jìn)展，其功能已經(jīng)非常完備。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的問(wèn)世，有望改變傳統(tǒng)的勞動(dòng)方式，改善農(nóng)民的生活勞動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠更好地適應(yīng)生物技術(shù)的新發(fā)展。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于易對(duì)植被造成損害、易污染環(huán)境等原因，傳統(tǒng)的機(jī)械通常存在著這樣或那樣的缺點(diǎn)。s realtime obstacle avoidance.Finally, to verify the correctness of the designed sensor, sensor experimental platform was set up. GUGAO PAN amp。 關(guān)鍵詞：果樹(shù)采摘機(jī)器人，視覺(jué)伺服控制，避障，傳感器74ABSTRACT Orchard mechanized and automation harvesting operation have bee the hot issue of majority fruit growers the fruit harvesting robot research not only has a certain degree of practical significance to meet market de