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1、-毕业设计（论文）开题报告-多臂采摘机器人的初步设计采摘手的设计-第 5 页21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目（如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等）都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力。果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的
2、重要途径。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行， 其费用约占成本的50%70%，并且时间较为集中。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和生产费用、提高工人劳动舒适性、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国内外采摘机器人的研究进展果蔬采摘机器人的研究开始于20 世纪60 年代的美国( 1968 年) ，采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式。其缺点是果实易损、效率不高，特别是无法进行选择性的收获，在采摘柔软、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性。但在此后，随着电子技术和
3、计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，采摘机器人的研究和开发技术得到了快速的发展。自1983年第1台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，日本、荷兰、法国、英国、意大利、美国、以色列、西班牙等国都展开了果蔬收获机器人方面的研究工作，涉及到的研究对象主要有甜橙、苹果、西红柿、樱桃西红柿、芦笋、黄瓜、甜瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇等，部分已经有了一些研究成果 例如1 人机协作型柑橘采摘机器人人机协作型研究思想是将采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成，机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。西班牙工业
4、自动化研究所基于人机协作思想开发的柑橘采摘机器人Agribot。该机器人由操作台、轮式移动机构、机械手、末端执行器、激光测距仪和控制系统等组成。操作人员发现待采摘果实后，利用游戏杆操纵移动/倾斜机构，使激光测距仪的激光束对准果实，获取待采摘果实的坐标，并将其放入一动态数据区。控制系统从动态数据区中取出坐标数据，并和机械手末端执行器的当前坐标进行比较，规划最优采摘路径的同时控制关节轴电机的运动，使机械手末端执行器到达指定位置。合理的人机分工与协作不仅增强了智能机器人处理突发事件的能力和系统的鲁棒性，还可以在不增加系统复杂程度和成本的前提下，提高采摘成功率。人机协作型采摘机器人的研究具有现实意义，
5、它不仅提高了采摘机器人的采摘效率和成功率，还能大幅度降低系统成本，有利于尽早实现采摘机器人的产业化。2 西红柿采摘机器人日本Kondo-N 等人研制的西红柿收获机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成西红柿各个果实不一定是同时成熟，并且果实有时被叶茎挡住，收获时要求机械手活动范围大，且能避开障碍物，所以机器人的采摘机械手采用7自由度的SCORBOTER 工业机器人，能够形成指定的采摘姿态进行采摘。用彩色摄像机作为视觉传感器来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用4轮结构，能在垄间自动行走。采摘时，移动机构行走一定距离后就进行图像采集，利用视觉系统检测出果
6、实相对机械手坐标系的位置信息，判断西红柿是否在收获的范围之内。若可以收获，则控制机械手靠近并摘取果实，吸盘把果实吸住后，机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。3蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人 9 ,它可以自动检测蘑菇的位置、大小,并选择性地采摘和修剪。它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器。采摘速度为1. 5 s/个,成功率约为75%。国内研究现状我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期,虽然与发达国家还有很大的差距,但是在不少院校和研究学者的努力下也取得了一些进展。中国农业大学的汤修映等人研制了一个6自由度黄瓜采摘机器人,该机器人基于RGB三基色模型的
7、G分量来进行图像分割,在特征提取后确定黄瓜的采摘点。同时提出了新的适合自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。孙明等为苹果采摘机器人开发了一套果实识别视觉系统,并研究成功了一种使二值图像的像素分割正确率大于80%的彩色图像处理技术。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。浙江大学提出了基于彩色信息和红外热成像技术的树上水果识别方法。并且对7自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化。南京农业大学的姬长英等人在番茄采摘中运用了双目立体视觉技术对红色番茄进行定位。上海交通大学的曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开发了草莓拣
8、选机器人。江苏大学的陈树人和尹建军等提出了基于彩色柱状图算法的番茄采摘机器人视觉系统。赵杰文等研究了基于H IS颜色特征的田间成熟番茄识别技术。课题所涉及的任务及实现预期目标的可行性根据国内现有的机械手的设计资料，设计一款适合采摘果实的自动化机械装置，要求结构简单，功能使用，操作性能好。具体要求如下：1.设计系统的总体结构，要求设计一个具有三个手指的仿人机械手外形，每个手指具有二个关节。2.绘制二维装配图和零件图。3.选择合适的动力配置和控制部件，能对手指进行简单地抓取操作。4.要求利用Solidworks绘制三维图，完成运动仿真。本课题总体设计面很广，设计的内容主要是机械手部分的设计。机械手
9、又称操作机，是指具有和人手臂相似的动作功能，并使工作对象能在空间内移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。在收获机器人中，机械手的主要任务就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置，其工作空间要求机器人能够达到任何一个目标果实。机械手一般可分为直角坐标、圆柱坐标、极坐标、球坐标和多关节等多种类型。多关节机械手又称为拟人( 类人) 机器人，相比其它结构比较起来，要求更加灵活和方便。机械手的自由度是衡量机器人性能的重要指标之一，它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复杂性。果蔬采摘机器人往往工作于非结构性环境中，工作对象常常是随机分布的，因此在机械手的设计过程中，必须考虑采用最合理
10、的设计参数，包括机器人类型、工作空间、机械臂数量( 机械臂越多，机构越灵活，但控制也越复杂，消耗的时间也越多。因此，必须在系统数量和性能之间进行平衡) 以及机器人结构方式( 串联式、并联式) 等。评价机械手的结构性能参数主要有工作空间、可操作度、位置多样性和冗余度等。为了设计出最合适的操作手机构，还必须进行机构的运动学和动力学研究，同时还要考虑其运动平衡性能，综合优化算法设计，使机器人能灵巧无碰撞地完成采摘任务。总体分析，目前，采摘机器人研究领域主要存在以下几个问题: 果实的识别率、定位精度低果蔬采摘机器人的首要任务是识别和定位水果。然而果实的形状、尺寸、颜色、成熟度、表皮外伤程度差异性大,而
11、且果实总是随机分布生长,这给果实的识别带来很大的困难。目前识别果实的方法主要有灰度阈值、颜色识别法和区域识别法等。前两种方法都要基于果实的光谱反射特性,因此还极易受到自然光照的影响。而区域定位方式,则要求目标具有完整的边界条件,但是由于果实往往被枝干和叶子遮挡,很难真正区别出完整的轮廓。果实的损伤率较大。果实是很娇嫩的,在采摘过程中必须保证以不损伤果实为前提,目前人们在末端执行器上安装传感器以感知抓取的力度,但是在实际操作中仍然未能避免对果实造成抓取伤痕。另一种方法是切断果柄,这种办法的问题是切刀极易磨损,另外就是当果柄过短时无法应用。采摘环境的非结构化给采摘带来困难大部分果实都是在自然环境中
12、生长,因此果实的采摘将受到自然环境改变的影响。如刮风导致果实摇动而不断改变位置,采摘果实被树叶树枝等掩盖,这就要求采摘机器人不仅能将这样的果实识别出来,还需要有成功的避障规划和灵巧的机械手结构。果实平均采摘周期较长、效率低研究采摘机器人的目的之一就是为了提高采摘的效率,但是目前的采摘机器人效率还不够高。比如采摘1个甘蓝需要55 s,采摘一根黄瓜需要1016 s,采摘一个茄子需要64. 1 s,采摘一个甜瓜需要15 s。采摘机器人的制造成本高、应用推广难果蔬采摘机器人的采摘对象具有多样性,工作时间具有季节性,设备利用率低,操作对象大部分为农民,这就要求其要具有良好的通用性、可编程性、高可靠性和操
13、作简单性。另外采摘机器人的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。只有当其使用成本低于人工收获成本时,采摘机器人才会真正被普及。因此,成本问题将成为制约采摘机器人市场化的瓶颈问题。 解决对策每一个事物的发展都是一个遇到问题解决问题的过程。为了很好的解决以上问题,解除限制采摘机器人发展的因素,可以从以下几个方面加强探索与研究:(1) 研究出一种高可靠性、高精度的视觉系统技术,可以使所有成熟果实都能够识别出来并能精确地对其定位。这就需要在三维立体视觉技术、视觉传感器技术、图像获取和处理等方面进行更深入的研究。(2) 机械结构直接决定机器人运动的灵活性、平稳性和控制的复杂性。采摘机器人结构必须更加紧
14、凑和简化,优化机器人结构。提高机械手和末端执行器的柔性和灵巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果实的损伤率。(3) 可以研究适合采摘机器人工作的果蔬栽培模式,通过降低作物生长环境的非结构化和复杂性,便于采摘机器人的视觉定位和移动。(4) 提高图像处理速度,优化软件算法,缩短机器视觉部分在整个采摘过程中所占用的时间,以提高采摘效率。(5) 采用开放式的控制系统,提高采摘机器人的通用性。只要改变机器人的机械本体和末端执行器,用一套控制系统就能完成不同果蔬的采摘,从而提高控制系统的利用率、降低成本。课题任务计划第12周 查阅相关文献，撰写开题报告。第34周 根据现有的机械手的设计确定采摘手的设计方
15、案。第56周 根据工作要求，计算并查阅相关手册，选择和设计各零部件。第79周 运用AutoCAD软件，绘制二维零件图和装配图。第1011周 运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模并进行运动仿真。参考文献1方建军.移动式采摘机器人研究进展J.农业工程学报,2004,20(2):273-278.2徐丽明.果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策J.农业工程学报,2004,20(5):38-42.3赵 匀.农业机器人的研究进展及存在的问题J.农业工程学报,2003,19(1):20-24.4张立彬.农业机器人的主要应用领域和关键技术J.浙江工业大学，2002,30(1):36-41.5梁喜凤.番茄收获机械手机构分析与优化设计研究D.杭州:浙江大学,2004.6蔡健荣，周小军，王锋，等，柑橘采摘机器人障碍物识别技术J 农业机械学报， 2009， 40( 11) : 171 1757方建军 采摘机器人开放式控制系统设计J 农业机械学报， 2005， 36( 5) : 83 86