果实采摘机器人的研究综述

分析了果实采摘机器人工作对象特点,从采摘机器人机械手的设计、末端执行器的设计、行走装置的设计、果实的识别和定位方面分析了果实采摘机器人的国内外发展现状,并探讨了采摘机器人存在的关键技术问题。     

猕猴桃采摘机器人的研究与设计

设计了一种针对规范化种植的猕猴桃采摘机构,它能够在果实成熟期的果实分布平面内对果实进行识别与定位,以夹持和扭转的方式摘取果实,实现果实的自动化采摘。所采用的传动方式简单有效,有利于在实际中推广,也为后续研究提供了基础。     

番茄果实串采摘末端执行器设计与运动仿真

为解决单果采摘效率低、果实易损伤等问题,设计了用于番茄果实串采摘的具有夹持与切割功能的末端执行器系统。夹持系统采用平行夹爪气缸结构,切割机构采用钢丝软轴带动圆形锯片的切割方式,并对末端执行器进行了静力学和运动学的分析与仿真。试验结果表明:末端执行器采摘时,夹持果梗动作需要0.5s,切割果梗动作约需7s,切割机构回到初始位置需5.5s,完成番茄果实串采摘动作共需13s,夹持机构行程12mm,切割机构行程40mm,末端执行器能够符合番茄果实串采摘要求。     

猕猴桃采摘机器人末端执行器设计

为实现猕猴桃的自动化采摘,设计了猕猴桃采摘机器人末端执行器.测定了猕猴桃抗压特性和其他相关物理特性,提出了一种机器采摘方案,设计了末端执行器的机械装置、感知系统和控制系统.试验结果表明,该末端执行器对猕猴桃的抓持成功率为100％,采摘成功率为90％,完成一次采摘动作耗时9 s.     

有色果实采摘机械手的设计

介绍了一种有色果实采摘机械手的设计。该系统以ATMEGA128为主控制芯片,用TCS230颜色传感器识别有色物体。用3个直流电机和3个步进电机作为各个机械部分的动力,控制机械手摘取物体。实验表明,抓取物体的成功率达到了95%以上。     

基于TRIZ理论的果实采摘机器人研究

在介绍发明问题解决理论-TRIZ概念的基础上,分析了40个发明原理、39项技术特性、矛盾冲突解决矩阵、物质-场分析理论以及发明问题解决算法(ARIZ)等.运用TRIZ理论对果实采摘机器人进行了具体研究,对其中的机械手和末端执行器进行分析改进,建立了只抓住果梗而不与果实本体直接接触的软质水果收获机器人模型,解决了果实采摘机器人在果实采摘过程中的一些问题.     

基于TRIZ的猕猴桃采摘机设计

针对猕猴桃采摘效率低、易损伤果实等问题,应用TRIZ理论指导猕猴桃采摘机的设计。通过需求分析,确定猕猴桃采摘机的作业流程。基于系统功能分析识别旋拧式猕猴桃采摘末端执行器的功能缺陷,应用因果分析、物场分析等TRIZ工具对采摘末端执行器求解创新方案,创新设计出一种自动定位果树—识别果实—剪断果梗—收集果实的猕猴桃采摘机。应用ADAMS对末端执行器采摘动作进行步态仿真、应用MATLAB对采摘机作业空间和采摘轨迹进行动态仿真,结果表明：猕猴桃采摘机采摘轨迹空间范围为X方向行程约1.4 m、Y方向行程约1.8 m和Z方向行程约2.3 m;采摘速度为8 s/个,末端执行器采摘过程作业动作平稳连贯,满足预期设计要求。在产品概念设计阶段应用TRIZ理论,有利于产生高质量、多层级的概念解,提高产品设计效率。     

果实采摘机械手的创新设计

果实采摘机械手是一种新型、实用的机械手,是一种为解决人们采摘高处果实难而创新设计的工具.为此,对果实采摘机械手进行了创新设计.该机械手结构轻巧,操作灵便;采用齿形剪,定位精度高;能进行自动分级采摘,避免了二次分拣;果实大小的界限、采摘高度范围均可自行调节,多方得益,市场前景广阔.     

冬枣果实特性及机械化采摘现状研究

冬枣采摘是用工量最大、用工时间最密集的作业,实现冬枣机械化采摘是冬枣种植业的一大难题。通过梳理冬枣果实特性、脱落方式及规律等信息,阐述现有相关采摘机械研究包括工作原理、作业特点、存在缺陷等方面,对比分析干果红枣采收与冬枣采收。可以发现：振动式采摘是大规模生产中应用最广泛的方式,实现高效收获,但存在收集难度大、果实损伤率高等限制;半自动辅助采摘设备每次只对单个果实作业,效率提升有限;采摘机器人的研究尚在起步阶段,存在果实识别环境影响大、执行器执行不到位、效率低等难题。最后,提出冬枣采摘机械研发与冬枣种植管理相结合、冬枣采摘机械智能化、自主研发与国外技术相互借鉴是未来的研发方向。     

采棉机采摘滚筒运动规律的研究

针对我国采棉机的发展现状,着重对水平摘锭式采棉机的采摘原理及运动规律进行研究,建立运动仿真整体模型;在运动仿真模块中得到导向槽轮廓线,提取轮廓线数据;在Matlab的基础上对所提取的数据进行处理,应用其得出的函数表达式在三维建模软件中进行重建。在运动仿真模块中,得出水平摘锭在整个采摘运动过程中的位移、速度和加速度曲线波动图,并对其进行探讨分析,为研究采摘滚筒水平摘锭采摘运动规律提供有益的参考。     

果实采摘机械手的结构设计及工作能力研究

随着社会经济水平的不断提高,我国农林业取得长足发展,果农在种植水果时开始逐渐引进机械化、自动化设备,以提高种植效率。传统收获时果农最为繁忙的季节就是成熟季,果农常需要花费大量人工采摘果实,不仅效率低,且有一定危险性,采摘机器人便在这样的背景下诞生了。为此,针对采摘机器人的工作原理、工作空间,结合采摘作业实际需求,进行采摘机械手的结构设计及工作能力评价,旨在为相关产业发展提供理论依据。     

基于MatLab的猕猴桃采摘机械臂运动学仿真研究

分析了猕猴桃棚架式生长环境,设计了一种在棚架栽培模式下工作的猕猴桃采摘机械臂;同时,并以猕猴桃采摘机械臂为研究对象,采用D-H法建立各杆件坐标系,应用齐次变换矩阵建立运动学方程。在Mat Lab的环境下,使用Robotics工具箱建立该机械臂的数学模型,并对其进行工作空间仿真及轨迹规划。实验数据表明:所建模型可以实现猕猴桃自动化采摘;仿真函数可以准确、有效地获得机械臂的运动参数和运动轨迹,为进一步的研究提供了重要的理论依据。     

采摘机器人振荡果实动态识别

提出一种采摘机器人在果实振荡状况下的动态识别方法,解决由于果实振荡影响采摘机器人识别定位时间,进而影响采摘速度和效率的问题。首先对所采集的振荡果实图像进行图像分割,将其分为果实和背景两部分;其次引入帧间差分法、水平最小外接矩形法等对分割图像进行振荡果实动态区域的区域标识,然后对其振荡果实进行识别,当图像中有多个振荡果实时,以距离图像中心最近原则确定采摘振荡目标果实。试验结果表明对实际采摘环境下遇到的多数情况,所提算法都能很好地识别出振荡果实,识别时间少于0.5 s。     

周向多工位果实采摘器的设计

对手持式果实采摘设备进行型综合设计,优化了结构参数。通过机构型综合方法,分析得出采摘设备输入和输出的运动方式为摆动,根据采摘设备的工作条件和使用要求,确定传动机构为带高副的五杆机构。选用Adams软件对采摘设备的传动机构进行动力学仿真分析,确定了相关的最优参数。     

猕猴桃采摘机器人柔性移动平台的设计

针对猕猴桃采摘机器人在果园中的移动问题,结合猕猴桃棚架式栽培模式及采摘机器人的作业特点设计了一种用于猕猴桃采摘机器人的柔性移动平台。首先,分析了猕猴桃棚架式生长环境及种植模式的参数特点,阐述了移动平台的作业要求以及其整体结构。其次,对该平台的高度调解机构建立几何模型,利用Mat Lab进行了力、角度等参数的分析计算,研究其高度调节范围和连杆角度的变化关系、液压缸的最佳安装点和调节极角。最后,利用ANSYS WORKBENCH在危险点对关键机构利用进行强度校核。本研究完成了柔性移动平台的总体设计,得出了平台作业的调节极角,通过对高度调节机构的分析校核,结果满足平台的作业要求。     

采摘机器人识别抓取重叠番茄果实的方法研究

为适应农业果实采摘机器人自主采摘的需求,针对重叠番茄果实,设计了一种在不同光照条件下改进色差算子的组合处理识别并抓取重叠果实的方法。首先,利用中值滤波滤除噪声;然后,采用改进算子的OTSU分割算法和形态学处理对番茄图像进行背景分割,通过异或运算、腐蚀操作,使未覆盖果实与被覆盖果实的分离更加明显,进而将凸包算法、泛洪填充算法和霍夫直线检测相结合,提取出番茄的真实轮廓,并利用最小二乘法对其进行椭圆拟合,计算出果实质心进行立体匹配;最后,设计了适用于番茄果实采摘的原型机器人,主要由三自由度的机械臂构成,用于抓取果实。分别从不同角度对不同光照条件下重叠的番茄果实图像进行了实验,并进行了水果立体匹配实验,结果表明:该方法是有效、可行且高效的。     

猕猴桃果实物理参数与损伤因素的研究

猕猴桃果实的物理参数和损伤因素为采摘机器人的末端执行器设计与控制提供了理论依据。统计分析了115个收获期"海沃德"猕猴桃果实的物理参数,采用正交试验以果实微损伤的力学特性参数为评价指标研究了果实的损伤因素。结果表明:猕猴桃果实厚度方向尺寸变化最小,球度均值为0.84。果实的几何平均直径与质量存在显著线性相关,相关系数R为0.964。正交试验结果表明,猕猴桃果实存在延迟损伤,早期的微损伤会导致后期果实品质下降。猕猴桃果实的损伤因素,显著性居前3位的为压缩量、加载位置和压头类型。相比前3个损伤因素,加载速率和压头材料相对影响较小。采摘机器人的末端执行器采用两个仿生弧形面、厚度方向抓持,机构简单,受力均匀,抓持稳定。     

猕猴桃采摘机器人末端执行器设计与试验

进行了棚架式栽培模式自然生长条件下簇生猕猴桃无损采摘机器人末端执行器的研究。基于果实与果柄的分离特性,提出面向机器人的果实采摘方法和简化几何模型,进行了果实与果柄分离试验的可行性验证;基于果实采摘方法设计了从底部接近、旋转包络分离毗邻果实并抓取、向上运动分离果实的末端执行器,并试制样机,进行了现场评价试验。结果表明,采摘模型能够实现果实与果柄的分离,末端执行器解决了毗邻果实分离问题,能够实现单个果实稳定抓取、无损采摘和采后抓持,成功率达到96.0%,平均单果耗时22 s。     

基于篮球运动的果实采摘机器人控制系统研制

水果和蔬菜质地柔软且形状各异,机械化收获的难度较大。控制系统作为采摘机器人的核心,对作业效率有着决定性的影响。篮球运动是集体竞技项目,对运动员的目标锁定和路线规划能力要求较高,将篮球运动的决策原理引入到采摘机器人上,可以改善机器人的控制性能。为此,基于篮球运动的决策原理,研制了果实采摘机器人的控制系统,具有目标识别、路线规划和自主避障3种控制功能,可以准确地识别目标果实。在系统的控制下,采摘机器人获得了很高的作业效率,还能够自主规划行走路线和规避障碍,具有很高的智能化水平。     

牵引式果园采摘作业平台果实输送系统的研究设计

为实现矮砧密植化苹果园采收环节机械化作业,设计一种基于人工采摘的"双侧、三高度、六工位"采摘平台,并实现对苹果自动输送和装箱。对采摘作业平台的果实输送系统进行设计,其设计充分考虑果实机械损伤理论,利用三级传送装置实现苹果从采摘工位到果箱的传送过程,对各级传送装置的空间布置、结构尺寸和工作原理进行细致而全面的设计与分析。样机试验结果表明:模拟实际采收条件下,传送带速度小于0.2m/s时,果实损伤率不超过10%,每小时的最大采摘量为9 400个,满足设计和实际作业要求。