【采摘機器人研究國內(nèi)外文獻綜述4000字】

采摘機器人研究國內(nèi)外文獻綜述1國外研究現(xiàn)狀歐美國家對機械人的研究較早，技術(shù)較發(fā)達，存在一個科技進步的飛速發(fā)展階段，但是隨著時間的推移，歐美國家對機械采摘機械手的研究進入了瓶頸期[1]。1968年，美國學(xué)者開始將精力用于果蔬采摘機器人方面的研究，并取得了一定的成果REF_Ref70609026\r\h[3]。但當(dāng)時研制出的采摘機器人因為收獲方式缺乏一定的合理性，從而導(dǎo)致了果實很容易受到損傷和破壞，這些采摘的缺點可能給經(jīng)濟造成一定的損失。到了80年代，美國、荷蘭、日本等發(fā)達國家，利用電氣自動化技術(shù)、圖像處理技術(shù)和計算機技術(shù)等，研究出了功能各方面都比較好的采摘機器人。例如：葡萄采摘機器人、草莓采摘機器人、黃瓜采摘機器人、蘋果采摘機器人等REF_Ref70609062\r\h[4]。從1980年開始，歐洲國家基于雄厚的財力支持，對采摘機器人進行了深入的研究。美國公司是最開始開展對采摘機器人研究的公司，其第一個研究對象是草莓[2]。由于新鮮草莓質(zhì)地較軟，比較害怕磕碰等情況的發(fā)生，所以草莓采摘機器人的采摘機構(gòu)使用柔軟的硅膠制成硅爪[3]。草莓被放在收集裝置中，機器人使用皮策輪在草莓地移動。草莓最后被收集進裝袋設(shè)備之中裝袋。英國在1987年設(shè)計出一款蘑菇采摘機器人，該機器人使用步進電機驅(qū)動，安裝有氣動開關(guān)[4]。其機械手裝置為爪狀機械手。日本公司設(shè)計制造了一款草莓采摘機器人，這個機器人與美國不一樣的地方在于它的工作時間在12到22小時左右，可以在無人工的情況下完成草莓采摘的任務(wù)。白天晚上都可以工作，大大增加了農(nóng)民的收益。除此之外還研究出了一種甘藍采摘機器人[5]。一臺名為sweeper的機器人是以色列和歐洲的科學(xué)家一起研發(fā)的，如圖1.1所示。該機器人可自主的在溫室里來回的巡視，可以辨別辣椒的成熟程度是否達到了采摘的最佳時期，如果確認合適采摘，機器人就會將辣椒采摘放到籃子中。該種機器人很合適于在葉子數(shù)量比較小的農(nóng)作物中進行采摘作業(yè)。該機器人采摘一個果實大約需要花24秒，而且它們所采取的速度相對于人類來說是更慢的。但是研發(fā)人員說，由于機器人的運行工作周期相對較長，他們可以在夜間或無人時間段采摘果實，這很大的提高了采摘效率。圖1.1辣椒采摘機器人據(jù)《麻省理工學(xué)院技術(shù)評論》網(wǎng)站于2019年3月28日的新聞報導(dǎo)，美國abundantrobotics公司與新西蘭研發(fā)了一款蘋果采摘機器人REF_Ref70609093\r\h[5]。如圖1.2所示，這款采摘機器人利用了先進的影響處理技術(shù)來分辨蘋果的成熟程度，以真空吸取蘋果的方式采摘果實，避免了機械設(shè)備采割對果實表面的損傷。該款機器人解決了新西蘭因水果采摘季節(jié)性強、勞動短缺的問題，提高了果實的采摘效率REF_Ref70609662\r\h[6]。圖1.2蘋果采摘機器人人口老齡化越來越嚴重，農(nóng)業(yè)勞動也逐漸變得嚴重短缺，這已成為日本目前最大的社會問題之一。日本松下集團根據(jù)這一現(xiàn)象，研發(fā)了一款番茄采摘機器人，如圖1.3所示，并計劃于2019年上市推廣使用。該款機器人借助了計算機圖像處理技術(shù)，能夠利用該技術(shù)通過圖像識別的方式，識別出紅色的成熟果實，接著就是對果實的形狀、位置進行精確定位及采摘，而且番茄采摘機器人的手爪附有彈性材料，在采摘的過程中不會損傷果實的外表皮，起到很好的保護作用。采摘一顆番茄果實大約需要花6秒的時間。番茄采摘機器人還可以連續(xù)24小時不間斷的進行果實采摘作業(yè)，這極大的為日本解決了季節(jié)性采摘期短、勞動力不足的問題。圖1.3番茄采摘機器人2019年6月，澳大利亞的中央昆士蘭大學(xué)的研發(fā)團隊研發(fā)了一款采摘芒果的機器人，而且還在當(dāng)?shù)氐娜》晷℃?zhèn)的農(nóng)植場進行了實驗，表現(xiàn)非常出色，提高了75%的收獲效率，這款機器人利用計算機技術(shù)可以識別出水果的成熟程度以及水果的位置、重量，而且在采摘水果的過程中盡量保護果實的外表皮。此外，該機器人還可以根據(jù)果實的成熟程度、果實大小來進行分批采摘，為下一道工序的果品分級包裝提供了更多的便利。除了像昆士蘭大學(xué)以外，還有英國普利茅斯大學(xué)、比利時企業(yè)、挪威等多個機構(gòu)團體已經(jīng)推出各類的果蔬采摘機器人。截止到2020年。國際市場上對于采摘機器人研究最詳細的國家是美國，其所生產(chǎn)的臍橙采摘機器人采用了國際上最先進的技術(shù)。這兩種臍橙采摘機器人的結(jié)構(gòu)分別如下兩圖所示，如圖1.4所示，臍橙采摘機器人的工作原理與家用電器吸塵器相似[6]。這種形式的臍橙采摘機器人是通過視覺模擬來對成熟的臍橙進行識別，然后通過氣壓將內(nèi)部變?yōu)檎婵?，從而達到臍橙摘取的目的，這種臍橙采摘機器人具有較高的采摘效率，但是其所采摘的臍橙很容易在采摘過程中發(fā)生損傷。如圖1.5所示為美國所研制的臍橙采摘機器人二號[7]。這個機器人可以將果實實現(xiàn)自動挑選。摘取機構(gòu)為三爪的機械手。這個機器人采用果實識別算法[8]。通過將果園中的品種及其結(jié)構(gòu)區(qū)別進行區(qū)分，使其在工作過程中減少失誤，從而提高準(zhǔn)確率。圖1.4吸盤式采摘機器人圖1.5三爪卡盤式采摘機器人2國內(nèi)研究現(xiàn)狀中國科技發(fā)展一直落后于歐美國家，在歐美國家技術(shù)發(fā)展到巔峰時期，中國才意識到機器人的研究對于實現(xiàn)工業(yè)自動化、智能化的重要性[9]。因此，我國對于采摘機器人的研究更是遠遠落后于國外發(fā)達國家。隨著我國科技的飛速發(fā)展，人們對于科技的意識逐漸增強，進幾十年中，我國工業(yè)發(fā)展上發(fā)生的天翻地覆的變化，出現(xiàn)了很多顯著的成果，我國在采摘機器人等領(lǐng)域上都取得了很多的成就[10]。目前，我國機械手研究發(fā)展迅速。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機器人研究所及其他眾多企業(yè)、研究機構(gòu)對機械手的研究，使得機械手應(yīng)用發(fā)展方向極為廣泛。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)最先開始展開了對草莓采摘機器人的研究，基于美國之前的草莓采摘機器人技術(shù)，做大量的研究與試驗，設(shè)計出了第一個中國草莓采摘機器人[11]。草莓采摘機器人使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實現(xiàn)對草莓的識別，其誤差為千分之一。成功的做到了將草莓與草莓的生長環(huán)境相分離。繼中國農(nóng)業(yè)大學(xué)之后，河南工業(yè)學(xué)院基于大棚種植草莓設(shè)計了草莓采摘機器人的雙目視覺采集圖像信息[12]。這種方法可以有效的進行避障和草莓的識別，是一種先進的智能控制系統(tǒng)[12]。對于黃瓜采摘機器人的設(shè)計，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團隊在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上研發(fā)了一款黃瓜采摘機器人，主要用于種植在大棚溫室里的黃瓜，種植比較規(guī)范化，地勢平坦。這款采摘機器人的底部是選用履帶式的運輸方式，底盤有自主導(dǎo)航的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的實現(xiàn)路徑的規(guī)劃。黃瓜采摘機器人是借助了計算機影像處理技術(shù)來識別黃瓜的大小、成熟度及位置，并通過定位坐標(biāo)來控制機械手臂和末端執(zhí)行器來完成對黃瓜的采摘任務(wù)，這大大的提高了黃瓜的采摘效率[13]。洛陽理工學(xué)院針對現(xiàn)有黃瓜采摘機器人的結(jié)構(gòu)笨重，智能化不全面的問題展開了深入研究，設(shè)計了一款利用機械手對黃瓜進行采摘的機器人，該機器人具有多自由度。大大的改善了黃瓜采摘過程中由于采摘結(jié)構(gòu)與行走機構(gòu)結(jié)構(gòu)過于笨重而導(dǎo)致的采摘困難的問題。北京大學(xué)對黃瓜采摘機器人進行了樣機制作，通過對首先對黃瓜采摘機器人進行了理論分析，研究與設(shè)計，并對其關(guān)鍵部位的設(shè)計進行了仿真分析[15]。通過大量的運動情況分析和仿真分析，逐漸模擬黃瓜采摘機器人的使用環(huán)境，并對溫室環(huán)境下的黃瓜采摘機器人的工況進行了大量的了解與研究，最后利用圖象識別原理，將黃瓜果實與黃瓜莖葉的信息分別利用不同的表達方式儲存至黃瓜采摘機器人內(nèi)，從而實現(xiàn)了圖像識別的功能，有效進行黃瓜的采摘。在臍橙采摘機器人的研究領(lǐng)域內(nèi)。北京科技大學(xué)結(jié)合國內(nèi)外的臍橙采摘機器人的結(jié)構(gòu)及國內(nèi)臍橙采摘的工作情況，提出了一種新型采摘機器人結(jié)構(gòu)并制造了臍橙采摘機器人樣機[16]。除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)展開了對臍橙采摘機器人樣機的試驗與研究。對其視覺定位精度進行了深入的研究，所制作的臍橙采摘機器人樣機具有較高的定位精度，并且所設(shè)計的臍橙采摘機器人的結(jié)構(gòu)與運動均能正常工作[17]，馬貴飛等人基于市場上現(xiàn)有的臍橙采摘機器人結(jié)構(gòu)進行了運動學(xué)分析和仿真，進行了一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[18]。如圖1.6所示，履帶式采摘機器人使用履帶完成機器人的移動。履帶具有兩個自由度。完成水果采摘的機械手是由大臂、小臂及末端所組成，具有五個自由度。驅(qū)動的電機及液壓系統(tǒng)均在機械手臂后側(cè)，該種履帶式采摘機器人結(jié)構(gòu)笨重，適合在較為平緩的土地上進行使用[19]。圖1.6履帶式采摘機器人在2015年，蘇州博田自動化有限公司根據(jù)田園環(huán)境設(shè)計了一款實用性極高的、以履帶式移動移動的農(nóng)業(yè)采摘機器人。履帶式的減震性好，且移動速度快，比較適合用于規(guī)范化的果蔬種植園。根據(jù)試驗結(jié)果顯示：該款果蔬采摘機器人的果蔬采摘準(zhǔn)確率極高，采摘果實所花的時間較短。此款果蔬采摘機器人的研發(fā)為后來的各類采摘機器人的研究做了鋪墊，具有較高的指導(dǎo)意義。通過將國內(nèi)采摘機器人與國外采摘機器人的研究情況進行對比，可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對于采摘機器人的研究時間較短，因此所研究的采摘機器人大多效率較低，使用范圍小。只有小部分的采摘機器人能夠完成實地采摘的任務(wù)。而且國外對于采摘機器人領(lǐng)域的研究投入了很大的財力，物力，并且國外政府對于工業(yè)的發(fā)展大力支持。很多大型科技公司自主研發(fā)所研究的采摘機器人，具有更加先進的技術(shù)。國外所研制的采摘機器人使用了更加先進的控制系統(tǒng)、集成化模塊等先進裝置。因此，國內(nèi)所生產(chǎn)的采摘機器人，不論是在結(jié)構(gòu)上還是在工作效率上均弱于國外發(fā)達國家的采摘機器人。參考文獻[1]張曉偉,葛云,張立新,陳飛,馬文霄.直角坐標(biāo)紅花采摘機器人的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)機化研究,2018,44(01):79-84.[2]史亞貝.基于DSP的三自由度采摘機械手控制系統(tǒng)研究[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