果蔬采摘机器人末端执行器研究进展与分析

农业机器人是未来智能农业机械的发展方向之一.末端执行器的工作直接关系到采摘机器人整个采摘作业能否准确、高效.分类综述了果蔬采摘机器人末端执行器的特点和国内外研究现状,介绍了几种典型的果蔬采摘机器人末端执行器的研究成果.分析了影响果蔬采摘机器人末端执行器实用化的因素:采摘准确率、采摘速度、工作环境适应性和通用性等.指出了研究开发末端执行器的方向与关键技术.     

果蔬采摘机器人系统的应用与发展

尽管果蔬采摘机器人技术发展迅速,但果蔬采摘机器人商业化的程度不高,很多仍然处于研发阶段.本文针对现有的果蔬采摘机器人系统进行了介绍,并分别从采摘机械臂、末端执行器、移动机构、视觉系统和算法等方面对国内外采摘机器人的发展现状进行论述,分析和讨论了果蔬采摘机器人现阶段面临的挑战和潜在的发展趋势.     

果蔬采摘机器人的研究

果蔬采摘机器人是实现农业自动化的一项重要技术.为了掌握果蔬采摘机器人的最新研究动态,将其尽早应用到生产实际,根据近年来国内外最新的研究资料,简要阐述了果蔬采摘机器人的特点和国内外的研究进展,结合当前在此领域的一些研究实例进行比较分析;从采摘机器人的移动机构、机械手、识别和定位系统、末端执行器4部分介绍了其结构组成与设计技术,并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题,提出了未来研究开发的技术关键与方向.     

苹果采摘机器人末端执行器的结构设计与试验

针对目前国内外已开发的果蔬采摘末端执行器存在的不足,结合采摘苹果的具体实际,提出了一种苹果采摘机器人末端执行器.其本体结构主要由夹持机构、切割机构、气动系统和传感控制系统等组成,并制造了样机,其机械本体质量只有1.3kg.在试验室里进行了采摘苹果试验,结果表明:该末端执行器采摘方案合理有效,总体性能可满足机器人采摘苹果的要求,采摘一个苹果只需2.3s,对于采摘其他球状果实具有一定的通用性.     

高架栽培草莓采摘机器人系统设计

为了提高草莓采收自动化水平,针对高架栽培草莓设计了自动采摘机器人系统,其采用无线遥控和语音提示相结合的人机交互方式,可以对机器人本体两侧果实同时进行采摘。该系统采用机器视觉和声纳测距相结合的方式实现了自主导航,通过双目视觉相机对果实进行识别和空间定位,由关节型机械臂操纵末端执行器进行定位。系统末端执行器采用果实吸附、果柄夹持和电热切割的方式对果实进行柔性操作。针对系统控制方案,制定了采摘机器人系统作业流程,并对机械臂末端运动路径节点和时间节拍进行规划,防止与周围环境发生运动干涉,保证机器人作业效率。试验结果表明,草莓采摘机器人系统末端定位平均误差小于2.2mm,单次采摘作业平均耗时10.99s。     

采摘机器人执行端机械结构优化和电量模糊控制设计

末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件,通常被认为是机器人的核心技术之一。为了提高采摘机器人执行末端的工作效率,增加机器人的有效作业时间,提出了一种新的优化方法。该方法将采摘机器人执行末端采用伺服电机控制,对机器人的电量进行实时显示,以备及时充电;对机械手在运动学上进行优化设计,采用模糊控制理论实现了执行末端输出功率和电量的模糊控制。该设计缩短了采摘机器人执行末端的响应时间,降低了果实破损率,提高了作业的有效时间,为采摘机器人的现代化和自动化设计提供了较有价值的参考。     

一种果实采摘末端执行器设计与仿真分析

为了实现球状果实的自动化采摘,设计了一种能够完成多种球状果实采摘的机器人末端执行器。其具有无需检测与果实的接触力和无需检测果柄与末端执行器的相对方位的突出优点,大大降低了机器人末端执行器的控制和操作难度,降低了制造成本,可采摘软硬程度不同的球状果实,具有较强的通用性。该机器人末端执行器整体结构由Pro/E进行三维建模,利用ADAMS仿真软件对其采摘方案进行运动仿真和分析,验证了方案的可行性。     

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.     

AMR果蔬自动收获机器人动力学建模与实时控制

现代农业的高速发展促使我国农业向精细农业、精准农业的方向深入发展,由此果蔬自动收获机器人的发展进入快车道。为此,设计研发了带有6自由度机械臂的果蔬自动收获机器人AMR1。该机器人为通用型果蔬自动收获机器人,可改装各种专用末端执行器以实现专用采摘。为了验证本机器人结构的合理性与实用性,通过利用SolidWorks软件进行了实体建模,并建立了相关的运动学、动力学模型,进一步设计了6自由度机械臂的PID-SMC控制算法,实时控制机械臂末端的轨迹跟踪。通过试验仿真,验证了所提出的动力学和控制模型,为果蔬自动收获机器人AMR1的进一步应用提供了参数数据。     

果蔬采摘机器人末端执行器研究综述

从果蔬采摘的特点出发,综述了国内外各种果蔬采摘机器人末端执行器的研究现状及特点,指出末端执行器的通用性与系统成本、使用成本之间的矛盾是制约采摘机器人发展与应用推广的关键难题.提出将欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器,同时分析了欠驱动多指手国内外研究现状,并从欠驱动多指手的机构特点、抓取模式和综合成本等方面说明了这一思路的可行性.     

果园远程机器人数字视频光纤传输系统——基于DWDM

随着设施农业的发展和农业机械化的要求,对作物的种植管理和收获模式的要求也越来越高。在规模化种植背景下,随着种植面积迅速增长,种植、管理和收获的劳动量也越来越大。研究开发果实收获机器人,实现机械化、自动化与智能化,是现代农业工程的重要课题。在果园采摘机器人自动化作业过程中,远程监控是关键,其不仅可以观测到采摘机器人的作业状态,对于机器人的远程控制也发挥重要的作用。为此,提出了一种基于DWDM光纤传输的采摘机器人远程监控系统,并对系统的性能进行了测试,包括数据传输性能和采摘机器人的作业性能。测试结果表明:采用DWDM光纤传输系统可以成功地将白天和夜间的作业场景图像传输到远程控制终端,在远程控制终端的协同控制作用下,采摘机器人具有较高的果实识别效率和采摘准确率。     

基于改进蚁群算法的果蔬采摘机器人三维路径规划

近年来,我国"农民荒"问题越演越烈,大量年轻劳动力外出务工,农村土地荒置越来越多。我国人口高龄化严重,农业人口的减少,劳动力缺口过大,导致对农业机器人的需求极为迫切。随着农业机械和自动化技术的快速发展,农业机器人也在不断发展,其可以更好地适应生物技术种植产业发展,过去传统的采摘方式将会有很大改变,农民种植的侧重点即将改善。为此,基于改进蚁群算法,设计和规划了果蔬采摘机器人行走的三维路径,并增加在前进过程中的自适应调整功能。实验仿真结果表明:基于改进蚁群算法的果蔬采摘移动机器人三维空间路径规划在路径和转弯个数上都做到了最小化,能够很好地满足采摘机器人运行需求。     

传感器在农业采摘机器人中的应用

作为智能机器人的一种,农业采摘机器人是机器人技术应用的典范.与工业机器人相比较,农业采摘机器人工作环境的特殊性、非结构性,对农业采摘机器人的智能程度提出了更高的要求.为此,针对农业采摘机器人工作特性,叙述了传感器在农业采摘机器人中所起的作用,分析了农业采摘机器人传感器选取的方法,介绍了多传感器信息融合技术在采摘机器人中的应用,为农业采摘机器人智能传感器的选取与研究提供了依据.     

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。     

基于滑觉检测的农业机器人果蔬柔性抓取控制研究

果蔬采摘是水果蔬菜生产种植中最繁琐、最耗时间、最费精力的部分之一,直接影响果蔬日后的价值和销售。随着经济的快速发展、外出务工人员增多及农业劳动力减少,劳动力在果蔬种植成本所占比例越来越大。实现果蔬自动化采摘是降低成本、释放农业劳动力的重要举措。20世纪80年代,美国成功生产了世界上第1台西红柿采摘机器人。近年来,随着信息技术和自动化技术的高速发展,农业采摘机器人的研究和开发取得了很大进步,但对果蔬柔性抓取的研究进展较慢。为此,基于滑觉传感检测技术与果蔬损伤机理,以农业机器人采摘控制系统为研究平台,运用离散小波变换算法,从传感器和抓取力控制着手,深入研究和设计了农业机器人柔性无损采摘控制系统。试验表明:系统运行稳定,可靠性强,对实现果蔬柔性采摘具有十分重要的应用意义。     

国内外采摘机器人机械手结构比较的研究

采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向,具有广阔的应用前景.国外采摘机器人发展非常迅速,但国内采摘机器人的研制与开发才刚刚起步.为此,通过采摘机器人机械手3种自由度结构形式一直角坐标型、极坐标型、关节型比较分析,以及末端执行器类型的比较研究并考虑了不同栽培方式对结构设计的影响,提出了适合于不同蔬菜和水果采摘的机械手结构,为采摘机器人机械手设计提供理论依据.     

基于3D打印的柔性机械手研制及试验研究

果实采摘是农业种植生产过程中最耗时费力的环节。为了实现果实的良好抓取,本研究设计了一款结构精简、具有自适应性的柔性机械手。该机械手由柔性手指、气动元件、手腕和底座组成,基于3D打印制作,装配简单。其中,气动元件和柔性手指由柔性材料TPU和PLA打印而成,手腕为具有柔性的一体件打印而成;利用气动元件的伸缩功能实现对手腕的驱动,带动柔性手指自适应变形抓取果实。结合常曲率变形和D-H坐标法建立了单手腕的运动学模型。在此基础上,进行了柔性机械手功能性验证试验和安全测试试验。试验结果表明,柔性机械手具有适应果实的形状进行自适应抓取的功能,对表皮较为脆弱的果实没有损伤;气动元件满足使用要求,可以完成对手腕的动作驱动。研究结果将为机械手柔性抓取结构的设计提供参考价值。     

收获采摘机器人的运动学分析及仿真——基于ADMAS

为了对五自由度关节式收获机器人五自由度关节机器人末端执行器的位姿和运动进行描述,运用传统的D-H法建立各关节运动学数学模型,进行运动学正、逆解,求得末端执行器的位置关系式。基于UG软件建立了该机械手的三维立体模型,并通过ADMAS软件对机械手抓取、采摘和放下过程进行仿真分析,确定其运动轨迹。结果表明:所建立的运动学方程正确,设计的机械手满足工作要求,有较强的操作性,为收获采摘机械手的设计制造奠定了基础。