1、 毕业设计开题报告 机械设计制造及自动化 温室采摘车的机电液一体化设计 1 引言 果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环 节，其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的作 业 。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少，单靠人工劳作已经不能满足现有的需要 。 处在 21世纪，每天都能感觉到日新月异，伴随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在许多领域得到日益广泛的应用。尤其是农业机器人的应用，更是如雨后春笋般的迅速兴起，农业采摘机器人是 21世纪精 准农业的重要装备之一。采摘机器人是一类针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成
2、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割系统， 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、视觉例像处理、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 。 果蔬收获属于一类劳动密集型工作，在很多国家，由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏，劳动力不仅成本高而且还不容易得到，而人工收获的成本在果蔬的整个生产成本中所占的比 例高达 33 50，因此实现果蔬收获的的机械化变得越来越追切。 果蔬的机械化作业最早可以追溯到上个世纪六十年代，但由于简单的机械收获易造成果蔬损 伤，因此
3、在收获柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性；而且果蔬收获往往需要有选择性地进行 i此外市场对果蔬的新鲜度也有很高的要求，这就要求果蔬的收获要有很高的时效性。冈此，在果蔬收获中采用机器人作业，实现果蔬收获的自动化和智能化，是解决上述问题的最好方式。 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首次应用机器人技术进行果蔬收获的是美国学者 Schertz和 Brown于 1968年提出的旧 J，但当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械 H1。 随着计算机图像处理技术、工业机器人技术
4、以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作，并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性，目前市场上仍没有商品化的采摘机器人。 2.国外研究进展 2 1西红柿采摘机器人 日本近藤 (KCINlD)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，可在垄问自动
5、行走。该番茄采摘机器人采摘速度大约是 15 s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 。 图 1 日本的番茄采摘机器人 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)。图 2 美国的番茄采摘机器人 如果西红柿单位面积产量有保证的话，那么这种长 12 5 in、宽 4 3 m的两红柿采摘机每分钟可采摘 1 t多西红柿， 1 h可采摘 70 t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
6、设备挑选出红色的西红柿，并将其通过输送 2 2茄子采摘机器 人 日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。机器人由CCD机器视觉系统、 5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照 V形生长方式种植的 Senryo-2号茄子。该机器人的末端执行器没计复杂，包括 4个手指、 2个吸嘴、 2个诱导杆、气动剪子和光电传感器 (图 3)。图 3 日本的茄子采摘机器人 在实验室中进行了试验，采摘成功率为 62 5，工作速度为 64 1 s个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确；同时， 视觉系统占用了 72的工作时间 (46 1 s)，也是影
7、响整个机器人采摘效率的主要因素。 2 3甘蓝采摘机器人 日本国立农业研究中心的 Murakami等研制了甘蓝采摘机器人，由极坐标机械手、4个手指的末端执行器、履带式行走装置和 CCD机器视觉系统组成，整个系统采用液压驱动 (图 4)。图 4 日本的甘蓝采摘机器人 系统利用人工神经网络 (NN算法 ) 提取果实的二值图像，采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。试验表明，采摘的成功率为 43，工作速度为 55个。影响成功率的 主要原因是光照条件的不稳定、超声波测距传感器的误差、叶子的遮挡以及机械故障等。 2 4葡萄采摘机器人 日本冈山大学研制出一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人，机械部分是一个具
8、有 5个自由度的极坐标机械手，具有 4个旋转关节 (其中腰部 1个、肩部 1个、腕部 2个 )和 1个棱柱型的直动关节 (图 5)。图 5 日本的葡萄采摘机器人 这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作，旋转关节可以以不同的速度旋转，直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。为了提高使用率，更换不同 的末端执行器，还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业。 2 5黄瓜采摘机器人 日本的近藤直等研制的黄瓜采摘机器人，采用三菱 MITSUBISHIRV， E2型六自由度工业机器人利用 CCD摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的 原理来识别黄瓜、叶茎 (图 6)。图 6 日本的黄瓜采摘
9、机器人 黄瓜、果梗的连接与番茄不 同，采用剪断方法，先把黄瓜抓住，用接近觉传感器找出柄，然后剪断，采摘速度为 16 s个。由于黄瓜是长条形，受到茎叶的影响更大，所以采摘的成功率较低，大约 60。同样，需 要改 进该机器人机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功 能，以提高采摘成功率，提高采摘速度 _。 1996年，荷兰农业环境工程研究所 (谢 AG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人 (图7)。 图 7 荷兰的黄瓜采摘机器人 该研究在荷兰 2 hm2的温室里进行，黄瓜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，并探测其位置。机械手只收获成熟黄瓜。末端执行器由手爪和切割器构成。机
10、械手有 7个 自由度，采用三菱Mitsubishi)RV-E2六自由度机械手。该机 器人视觉系统的黄 瓜检测效率大于95，采摘成功率约 80，采摘速度约为 54 s个，在实验用温室中作业效果良好。但由于采收时间过长，不能满足商用要求 . 2 6蘑菇采摘机器人 英同 Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人 (图 8)。图 8 英国的蘑菇采摘机器人 它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并且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
11、6.7个 s，生长倾斜足采摘失败的主要原因。 2 7柑橘采摘机器人 西班牙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、形状来判断柑桔是否成熟，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。 2 8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。该机器人主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 2个季节和 2个品种的田间试验证明，甜瓜采摘机
12、器人可以完成 85以上的田间甜瓜的识别和采摘工作。 2.9苹果收获机器人 韩国庆北大学研制了苹果采摘机器 人，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，内有压力传感器避免损伤苹果。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旧 J。 3.国内研究进展 国内在农业机器人方 面的研究始于 20世纪 90年代中期，相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。在国内，果蔬采摘机器人的研
13、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个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成 (图 9)。图 9 林木球果采摘机器人原理图 采摘时，机器人停在距离母树 3 5 m处，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。 2 m，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，梳下枝上的球果，完成一次采摘。这种机器人的效率是 500 ke- d，是人工的 30 50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。 另外，曹其新等运用彩色图像
14、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 j。云山等研究了蘑菇采摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、三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。计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，防止对不准，以致影响吸盘的密封，造成抓取失败或损伤蘑菇的现象 j。中国农业大学张铁中等在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬采摘机器人方面做了较深入地研究，研制出了试验样机。 4.农业采摘机器人的发展展望 从目前的研究现状来看，农业采摘机器人正在由实验研究阶段向实用化阶段过。随着高科
15、技农业发展的需求，农业采摘机器人将不断涌现和完善，在今后的发展中，农业采摘机器人应在以下几个方面有所发展。 3 1智能识别和定位能力由于作业环境的复杂性，采 摘对象的智能化识别和定位还没有完全解决，尤其是在光照条件的不确定和复杂的背景问题以及果实遮挡情况的分割问题，目前的研究系统对光照变化和复杂系统的适应性很差，所以，需要在视觉传感器技术、图像获取以 及图像处理算法上得到发展哺 -3 2成熟度检测能力果实的选择收获要求机器人具备成熟度探测的能力，尽管已经针对特定的果实提出了 些方法，也有相应的测试装置，但是这些装置需要在一定的条件下进行检测。目前研究的农业采摘机器人，还不具备很理想的成熟度传感器或感知功能，多数需用人工辅助判断。因此，针对特定果实，研制适合配置在采摘 机器人上进行成熟度传感器或使用视觉系统软件具有成熟度感知功能，都是值得深入研究的问题一 1。 3 3实时性处理能力开发控制单元的通信功能，增加执行机构及其控制系统，建立设施内试验台架，开展设施内试验研究，促进研究成果转化为生产力。为了设计出满足实际操作要求的机械本体，必须进行机构的运动学和动力学分析，同时运用优
