移动式采摘机器人研究现状与进展

采摘机器人是21世纪精准农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。移动式采摘机器人由机械手、末端执行器、移动机构、机器视觉系统以及控制系统等构成。机械手的结构形式和自由度直接影响采摘机器人智能控制的复杂性、作业的灵活性和精度。移动机构的自主导航和机器视觉系统解决采摘机器人的自主行走和目标定位，是整个机器人系统的核心和关键。该文对移动式采摘机器人的研究现状进行综合，提出目前采摘机器人技术发展中面临的技术难题及相应的对策，包括采用开放式控制系统。     

温室对靶喷雾机器人控制系统

为提高施药作业中农药的有效利用率,减少农药残留与化学污染,根据现代化温室中篱架型植物的种植方式和生长特点,设计了3自由度喷雾机器人控制系统。机器人能够在高架导轨上根据黄瓜病害垄位置启停,并控制机械臂对植株病害表面进行预定位。设计了机器人系统手动与自动两种工作模式。研究了基于PC—PLC的机器人系统对靶喷雾策略,由电磁阀单独控制喷杆上各喷嘴的开闭。实现了对黄瓜植株以200 mm×200 mm区域的对靶作业。试验表明,机器人控制系统定位工作稳定,操作灵活,系统X轴定位精度：±3.6 mm,Y轴定位精度：±3.     

农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统设计与试验

针对一般农用轮式机器人转向方式单一、难以适应田间复杂作业环境以及推广应用成本较高等问题,该文设计了一种农用轮式机器人四轮独立转向驱动控制系统,采用模块化设计方法构建了该控制系统的底层硬件部分,结合控制器局域网络(controller area network,CAN)总线、串口通讯和传感器技术实现了该机器人移动轮转角、转速等数据的采集功能且应用了有效的硬件电路隔离保护方案;基于低速阿克曼四轮转向模型与比例积分微分(proportion,integration,differentiation,PID)控制算法分析并验证了该机器人四轮独立转向驱动控制策略的有效性。试验结果表明:该机器人能够通过上位机或遥控器实现其四轮独立转向与转速控制功能,移动轮在0~360°转向过程中,控制效果鲁棒性强、稳定且转角控制的最大平均绝对误差为0.10°,通过上位机设定转速后经0.5~1 s左右,移动轮转速达到稳态,并具有较高转速控制精度。该研究为农用轮式机器人的四轮独立转向驱动控制方法提供了参考。     

农业机器人开放式结构控制系统的研究

在农业机器人控制系统的设计上采用开放式结构的思想。分析了开放式结构控制系统对硬件和软件的要求，采用PMAC(Programmable Multi-Axes Controller)运动控制卡以PC+DSP(Personal Computer & Digital Signal Processing)模式构建硬件平台；以RTLinux(Real Time Linux)为实时操作系统建立相应的软件体系结构，编写了PMAC基于RTLinux的驱动程序，并开发了相应的控制软件，设计出了具有开放式结构的农业机器人控制系统。以二自由度运动平台为控制对象进行了控制性能和实时性测试，当控制参数调整为：比例增益为19000，积分增益为1000，微分增益为1000，速度前馈为4700，加速度前馈为20，具有良好的瞬态特征、位置控制和速度控制性能；在RTLinux和Linux下运行相同任务消耗的时间分别为28.03s和30.28s。结果表明，该系统具有良好的控制性能和实时性。     

定制家居柔性化生产线控制系统信息交互模型

探讨板式定制家居柔性化生产线控制系统数据信息交互方法,以期为解决中小企业由于生产线中各工段所用控制系统的类型不同、总线不同而导致数据信息前后传递不畅、动作不协调的问题提供科学依据。分析定制家居柔性化生产线组成和工艺流程,建立控制系统模型;提出基于Modbus TCP/IP协议和类对象的思想构建数据信息交互模型,抽象出5个公共类：伺服电机类、变频电机类、加工工件类、指令输入类、状态输出类和7个私有类：龙门分拣机器人类、RGV运料小车类、开料裁板锯类、立体缓存机器人类、U型封边线类、打孔机器人类、终点缓存区类;为每个工段主机分配Modbus寄存器的起始、终止地址和数据缓冲区长度从而将数据交互方法实例化。研究结果表明所建数据信息交互模型可实现生产线不同工段间的信息流转和几种主流PLC之间的数据交互,达到5Hz的数据采样与交互频率且正确率达到了100%;易于实现扩展和移植,满足板式定制家居柔性化生产线的工艺需求,为板式定制家居柔性化生产线提供数据交互范式和接口技术。     

2PRC-PRS并联平台运动学分析与控制系统开发

为拓展少自由度并联机器人在农业工程中的应用,提出一种具有两转一移(2R1T)3自由度的2PRC-PRS并联机构,基于反螺旋理论对机构的自由度及运动特性进行了分析,并推导出了机构的位置反解;设计制造了2PRC-PRS并联平台样机,结合贝加莱公司生产的伺服运动控制器,添加相应外围设备,对并联平台设计了一套基于Powerlink总线的网络化运动控制系统,组装了电控柜,并以Automation Studio 3.0为软件开发平台,基于ST编程语言开发了控制软件;在并联平台和电控柜以及控制软件的基础上,完成了伺服电机三环参数整定、电子齿轮试验、平台综合运动控制试验以及无线网络远程控制试验。为深入研究此类少自由度并联机器人奠定了理论和试验基础,丰富了工业网络实时控制系统的实践经验,也为此类机电一体化设备的研发提供了参考。     

玉米除草机器人视觉导航系统设计与试验

玉米苗带准确检测与精准跟踪是玉米除草机器人实现自主作业的重要基础。针对玉米除草机器人苗带检测,该研究提出了基于感兴趣区域更新的玉米苗带实时识别及导航线提取方法,首先利用单目相机采集机器人前向玉米苗带,将苗带图像进行归一化和超绿处理,采用改进自适应响应阈值SUSAN（small univalue segment assimilating nucleus）角点法以及冗余离群特征点剔除法获得玉米苗特征点,以改进的顺序聚类算法对视频帧进行玉米苗带聚类处理,再利用最小二乘法拟合出各玉米苗带,最后基于机器人航向偏差和其相对玉米苗带的横向偏差实时调整感兴趣区域和更新导航线;同时,针对除草机器人苗带行线跟踪,提出以运动学为模型的PID（proportion integration differentiation）转向角决策方法,建立了导航跟踪控制模型;并在Visual Studio平台下,利用OpenCV库开发了导航控制系统。试验结果表明,玉米除草机器人导航线提取准确率为96.8%,每帧图像平均处理时间为87.39 ms,具有较好的实时性和抗干扰性;在模拟环境下,玉米苗带直线和曲线跟踪平均误差≤1.42 cm,标准误差≤0.41 cm;在农田环境下,不同速度导航跟踪平均误差≤1.51 cm,标准误差≤0.44 cm。研究结果可为玉米除草机器人田间自主作业提供关键技术支撑。     

“农业智能机器人”专题导读

农业机器人是一种新型的多功能农业机械。农业机器人的广泛应用,改变了传统的农业生产方式,提高了劳动生产率,促进了现代农业的发展,具有先进人工智能（AI）技能和内置分析体系的农业机器人正被广泛应用于各种场合,如耕作机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、采摘机器人、温室作业机器人等。为全面、深入了解中国农业机器人的发展现状和趋势,反映农业机器人发展过程中存在的问题及技术难点,明确行业未来发展趋势,本刊特策划“农业智能机器人”专题,共刊发6篇相关研究成果报道。赵春江院士团队对存在重叠访问域的多臂协同采摘机器人任务规划进行分析,将多机械臂协同作业任务规划问题归纳为异步重叠访问域的多旅行商问题,并给出了基于遗传算法的优化求解方法。该方法能够协调规划多臂采摘机器人系统的作业任务,确保各个机械臂避免发生冲突,以较短时间遍历所有目标果实,作业效率大幅提高,可为其他多机械臂采摘机器人任务规划提供参考。兰玉彬院士团队基于分区思想,自适应改变交叉概率与变异概率增强了算法的寻优能力,应用混合粒子群算法的交叉操作提高了算法的收敛速度,通过改进路径搜索规则,实现了异质机器人群的全区域覆盖,对农业机器人群协同作业具有重要参考意义。靳航嘉等设计了可行驶灵活的螺旋驱动式粮面行走机构,通过对螺旋驱动轮与粮面相互作用关系分析,确定其行驶控制方法并开发了控制系统,可实现机器人在粮面上前进、后退、旋转和差速转向行驶,对开发该领域机器人有一定参考价值。陈子文等设计了一种气动吸-夹一体式类球形果实无损采摘机械手,实现了吸盘回拉和夹持爪闭合两个动作由单一主动气缸驱动并完成顺序运动,获得了机械手的相关结构参数,具有较好的采摘效果,对实现水果自动化采摘具有重要参考。蔡舒平等对已有目标检测网络进行改进,提出一种基于改进型YOLOv4的果园障碍物实时检测方法,分别对检测速度和密集目标的检测能力进行优化,提升了模型的现实表现,增强了果园作业机器人障碍物识别的准确性与实时性,具有一定的实际应用价值和参考意义。高可可等提出一种采用高分子材料制作的固定式割胶机器人,提出一种先扫描后切割的割胶控制方式。利用超声波传感器预先扫描树围,通过建立测量误差控制模型得到刀尖与树皮的距离,利用PID控制算法控制刀具进给量。论文研究结果对控制割胶机器人的割胶误差及节省电能、促进橡胶割胶作业自动化有一定的借鉴价值。本专题集中刊发的6篇系列文章,分别来自北京市农林科学院北京农业智能装备技术研究中心、山东理工大学、吉林大学、江苏大学、西南大学、北京信息科技大学等机构,源于国家重点研发计划、国家自然科学基金、山东省重点研发计划项目、重庆市技术创新与应用发展专项重点项目、江苏省重点研发计划、江苏省自然科学基金等的研究成果,从理论研究到实用技术,具有创新性和实用性,对促进国内农业机器人事业发展和未来智慧农业的发展与实现具有重要的理论和现实意义。     

随焊锤击自动控制系统的电路设计

针对现有气动随焊锤击装置附加设备多、控制精度等特点,设计了一套适时进行随焊锤击的自动化控制系统。系统采用AT89C52单片机为控制核心,MAX191为A/D转换器,FA2B型红外测温仪跟踪采集焊道温度与85BYG-450B型步进电机作为动作执行部件,构成了由温度信号采集单元、锤击力和锤击频率控制单元和步进电机控制单元组成的控制电路。低碳钢磨损试件进行随焊锤击修复试验表明：控制系统结构紧凑、电路工作可靠,锤击参数控制准确,试件焊接气孔、裂缝等缺陷得到明显改善。     

四摆臂-六履带机器人单侧台阶障碍越障仿真与试验

为了实现机器人代替人类在农业环境下作业,减轻人类的劳作负担,该文设计了一种四摆臂-六履带机器人(4SA-6TR),机器人采用套筒轴传动形式,其摆臂旋转运动与履带轮旋转运动相互独立,可实现多姿态变化,适应野外复杂地形。为掌握机器人的越障稳定性,建立了4SA-6TR机器人运动学关系矩阵方程,并借助重心定理对机器人运动姿态进行分析,得到机器人在全局坐标系下的重心坐标方程,并利用重心投影法判断机器人越障的稳定性。为实现机器人稳定越障,研究SA-6TR机器人单侧障碍地形的越障机理,建立机器人摆臂旋转角度与机器人横滚角度关系的数学模型;对数学模型进行推导,得到机器人在攀越单侧台阶平稳越障时机器人摆臂旋转角度?与台阶高度H的关系式。通过Soliworks三维设计软件及Adams仿真软件建立4SA-6TR机器人虚拟样机模型及仿真环境,完成单侧双重障碍地形越障仿真试验。通过室内测试试验,完成150 mm高的障碍测试,测试发现机器人的俯仰角度偏差较大,最大偏差2.4?,但最终俯仰角度稳定在0.1?左右;横滚角度偏差较小,最终横滚角度稳定在0.3?左右,达到了机器人平稳越障的控制目的,并验证机了器人摆臂角度控制策略的正确性及可行性。本文推导的单侧障碍越障姿态调整控制方案可为4SA-6TR机器人自主越障提供理论依据。     

鞭式刀具的失效及火焰喷焊NiWC强化的可行性研究

为解决秸秆根茬切碎还田机鞭式刀具成本高、寿命短的问题，在45#钢基体上制备了火焰喷焊Ni60和NiWC喷焊层。分析了鞭式刀具的失效机理；用金相显微镜观察了刀具的宏观磨损形貌和喷焊层的结合状况；运用能模拟刀具实际工作状况的自制磨损试验机进行了磨损实验，对比了65Mn淬火回火与火焰喷焊Ni60和NiWC喷焊强化刀具的耐磨性能；探讨了火焰喷焊NiWC喷焊层用于鞭式刀具强化的可行性。结果表明，火焰喷焊NiWC喷焊层具有良好的耐磨性，可用于秸秆根茬切碎还田机鞭式刀具的表面强化和修复。     

反应电火花堆焊修复齿轮轴

利用DZ-1400型电火花堆焊机,以工业纯钛TA2为电极,以工业纯氮为保护气和反应气,在45号钢试件表面上制备了TiN金属陶瓷堆焊层。采用KYKY-2800型扫描电镜观察了堆焊层表面形貌、显微组织和磨损形貌,采用D/max-RA型X射线衍射仪分析了堆焊层物相,采用MH-6型显微硬度计测定了堆焊层显微硬度,采用自制磨损实验机对比了堆焊层与淬火回火65Mn钢的磨损性能,分析了电火花堆焊TiN金属陶瓷层用于轴颈修复的可行性。结果表明:反应电火花堆焊TiN金属陶瓷层与母材之间为冶金结合,堆焊层主要由电极材料钛、反应合成的TiN和基体材料铁组成,堆焊层显微硬度高,耐磨性好。变速箱齿轮轴修复实践表明,反应电火花堆焊TiN金属陶瓷层可用于修复损伤轴类件。     

粉末等离子弧堆焊工艺在修复农机零件中的应用

对粉末等离子弧堆焊工艺用于修复磨损的锤片、犁铧、钉齿和螺旋挖沟机叶片等四种零件进行了试验研究。优选出两种合金粉末并选配一种合金粉末,确定了堆焊部位、焊层厚度和堆焊各零件的工艺规范参数。室内磨损试验及生产试验均证明了修复零件的使用寿命比新品提高一倍以上,作业成本降低49％-77％。     

转鼓式固体发酵罐支承结构设计及有限元分析

为实现以甜高粱为原料的先进固态发酵法(advancedsolid-statefermentation,ASSF)生产燃料乙醇工艺的大规模、自动化、连续生产而开发的大型转鼓式固体发酵罐,其支承结构的设计是影响设备安全稳定运行的决定性因素。通过分析甜高粱秆碎料在发酵罐内的运动特点,确定了加载在筒体和支承结构上的载荷状况。应用有限元分析软件ANSYS对的支承系统各部件进行了三维实体建模,考虑了各部件间的接触关系,对工作状态下的非线性接触应力做出了理论分析和数值模拟,分别得出了支承系统内摩擦环、支撑轮和轮轴的应力分布规律。根据有限元分析结果,以限制筒体变形量和避免疲劳裂纹扩散作为主要关注点,提出了在制造过程中需要控制焊接变形和减少焊接残余应力的重点部位和技术要求。通过电测应力法在工程现场对仿真结果进行验证,结果表明:有限元计算对应力峰值部位预测结果与试验值一致,得到的应力分布规律具有较高的准确性。该研究可为类似大型回转式农业机械的支承结构的设计提供参考。     

葡萄分层旋抛式清土起藤机高效旋抛刀设计与试验

针对中国西北地区酿酒葡萄清土作业缺乏与土壤颗粒群相互作用的研究,凭经验设计使得单层旋抛清土方法效率低以及清土部件功耗高的问题,设计了一种分层旋抛式清土起藤机并对旋抛刀与土壤相互作用进行研究。首先,根据中国西北地区酿酒葡萄种植及清土的农艺要求,完成分层旋抛刀的设计,然后对旋抛式清土起藤机的运动进行理论分析,确定影响旋抛刀功耗和抛送距离的主要因素,并通过EDEM-Recurdyn耦合仿真,以旋抛刀不同焊接角度、转速及整机的前进速度为试验因素,以清土率、旋抛刀扭矩为评价指标,分析土壤离散颗粒群与旋抛刀之间的相互作用,得到最优参数组合,进一步基于台架试验对仿真试验进行验证。结果表明,当旋抛刀焊接角度为30°,转速为270 r/min,前进速度为0.4 m/s时,清土率为49.1%,旋抛刀平均扭矩为13.09 N·m,土壤抛送距离集中在1.52～1.75 m之间,与仿真优化结果（清土率为55.9%）相对误差为13.8%,研究结果可为后续研制分层旋抛式清土起藤机提供理论依据及技术参考。     

玉米收获机车架应力及模态数值模拟焊点模型优选

玉米收获机车架作为一种典型的薄壁焊合结构,各结构件主要通过焊接关系连接,该文针对车架有限元建模分析中焊点连接关系复杂、不同焊点模型引起数值模拟精度差异的问题,以提高车架有限元建模准确性与计算精度为目标,研究不同焊点模型对收获机械车架有限元计算精度的影响。首先,研究了有限元建模中常用4种不同焊点模型的构造机理与数学描述,并分别建立了4种焊点的车架有限元分析模型,计算静态加载下不同焊点模型车架的应力分布;其次,设计了玉米收获机车架应变试验,得到不同测点的应力分布规律。通过对比分析仿真与试验数据得出:采用RBAR(rigid-bar)焊点模型计算结果与试验结果吻合,相关系数为0.993 2,较适合模拟计算应力-应变模式的静态工况。通过Block Lanzcos算法计算不同焊点模型的车架模态振动频率与振型,获取不同焊点模型对车架频率和振型的影响规律,得出采用ACM2(area contact model 2)焊点模型的计算结果与二阶四面体单元计算结果相关性较高,相关系数为0.995 9。综合考虑不同焊点模型的适用性与建模效率得出:对于应力-应变模式的静态分析,建议采用RBAR焊点模型;对于模态分析模式的车架动态振动特性分析,建议采用ACM2焊点模型。研究结果为收获机械焊接结构件的有限元建模方法、焊点模型的选用以及提高数值模拟精度和建模效率等问题提供依据。     

CXZL80装载机结构件焊接残余应力变形分析研究

采用自动动态增量非线性分析有限元程序对ＣＸＺＬ８０装载机执行装置进行了焊接残余应力变形的分析研究，计算结果与实测数据进行了对比。结果表明，动臂横梁焊缝附近存在较大的焊接残余应力变形，它们直接影响结构件的强度及加工精度     

双电磁机构锤击系统的高频调控及试验

针对现有随焊锤击装置电磁锤锤击频率低(1～3Hz),难以满足生产要求的现状,该文开发了双电磁机构锤击系统。以电磁理论为基础,设计了双电磁锤击装置;以AT89C52单片机为控制核心,设计了高频锤击控制电路、键盘输入及显示电路,并对程序进行调试、试验。试验表明:锤击装置可实现6～8Hz的高频锤击;与对照组相比,当锤击频率为3Hz时,魏氏组织晶粒视场面积为原来的23.9%,晶粒仍较大,组织性能改善不太明显;当频率为7Hz时,魏氏组织晶粒视场面积为原来的3.8%,组织明显得到细化,晶粒细小,组织的塑性韧性提高,改善了焊缝的力学性能。     

旋耕刀Fe/WC/CeO2等离子堆焊层制备及其组织性能

针对农业触土部件因耐磨性能差、冲击韧性低而导致刀具寿命短、失效频繁等问题,采用等离子堆焊技术在Q235钢基材上成功制备了Fe/WC/CeO2金属陶瓷复合涂层,分析了CeO2对Fe/WC/CeO2金属陶瓷复合涂层性能的影响及其对涂层的作用机理。以堆焊电流、堆焊速度、送粉速率、堆焊距离为试验因素,磨损量为评价指标,通过正交试验优化了Fe/WC/CeO2等离子堆焊层制备工艺参数：堆焊电流50 A,堆焊距离5 mm,堆焊速度15 cm/min,送粉速率25 g/min。利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪分析了堆焊层显微组织、物相组成,采用维氏显微硬度计、摩擦磨损试验机、冲击试验机、土槽试验台等测试了堆焊层显微硬度、耐磨性和冲击韧性,利用电化学工作站分析了堆焊层的耐蚀性。结果表明,堆焊层与基体呈良好的冶金结合,涂层主要有鱼骨状、长杆状、球状、六方形状等组织构成,堆焊层主要由γ-Fe、Fe-Cr-Ni固溶体、WC、M7C3、Cr7C3、Cr23C6、W2C等物相组成。与Fe/WC堆焊层相比,Fe/WC/CeO2堆焊层平均显微硬度提高22%,冲击韧性提高29%。土槽试验与田间试验表明,与65Mn旋耕刀相比,Fe/WC/CeO2堆焊层旋耕刀的磨损量分别降低71%和65%;与Fe/WC堆焊层旋耕刀相比,Fe/WC/CeO2堆焊层旋耕刀的磨损量分别降低17%和15%。Fe/WC/CeO2堆焊层具有较好的耐磨、耐蚀和耐冲击综合性能,研究结果可为犁铧、深松铲等农业触土部件强化提供参考。