果蔬采摘機(jī)器人的綜述報(bào)告

果蔬采摘機(jī)器人的文獻(xiàn)綜述摘要介紹了國內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的類型和特點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展，總結(jié)了果蔬采摘機(jī)器人的特點(diǎn)，歸納了果蔬采摘機(jī)器人研究中的關(guān)鍵問題并分析了典型的果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的過程機(jī)理等，比較了果蔬采摘機(jī)器人的動(dòng)力源系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)果蔬采摘機(jī)器人的研究前景進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：引言隨著電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣，農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，并將促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機(jī)械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)要求高的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，使用人工采摘不僅效率低、勞動(dòng)量大，而且對(duì)果蔬也造成了一定量的損害。研究和開發(fā)果蔬采摘的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì)，以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著很重要的意義。并且，隨著我國農(nóng)業(yè)從業(yè)者的減少和老齡化趨勢(shì)的不斷加大，果蔬采摘機(jī)器人的開發(fā)利用具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀1.1果蔬采摘機(jī)器人的特點(diǎn)工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人處于可控制的人工環(huán)境內(nèi)，并以均勻材質(zhì)、確定的尺寸和形狀的物體為操作對(duì)象，目前已經(jīng)得到了相當(dāng)成熟的應(yīng)用，而采摘機(jī)器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下，作業(yè)對(duì)象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機(jī)器人相比，果蔬采摘機(jī)器人具有以下特點(diǎn)：1、作業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性。由于農(nóng)作物隨著時(shí)間和空間而變化，工作環(huán)境是變化的、未知的，是開放性的。作物生長(zhǎng)環(huán)境除受地形條件的約束外，還直接受季節(jié)、天氣等自然條件的影響。這就要求采摘機(jī)器人不僅要具有與生物體柔性相適應(yīng)的處理功能，而且還要能夠順應(yīng)變化的自然環(huán)境，在視覺、觸覺、多傳感器融合等知識(shí)推理和判斷等方面具有相當(dāng)?shù)闹悄堋?、采摘對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性。果實(shí)具有軟弱易傷的特性，其形狀復(fù)雜，生長(zhǎng)發(fā)育程度各異；而且采摘對(duì)象大多被植物的枝葉所遮蓋，增大了視覺定位的難度，是采摘速度和成功率降低，同時(shí)也對(duì)機(jī)械手的避障提出了更高的要求。3、作業(yè)對(duì)象大多數(shù)被樹葉、樹枝所掩蓋，增大了機(jī)器人的視覺識(shí)別、定位的難度，降低了采摘成功率，這就對(duì)機(jī)器人機(jī)械手的避障提出了更高的要求。4、作業(yè)動(dòng)作的復(fù)雜性。采摘機(jī)器人一般是作業(yè)移動(dòng)同時(shí)進(jìn)行，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的行走不是連接出發(fā)點(diǎn)和重點(diǎn)的最短距離，而是具有狹窄的范圍，較長(zhǎng)的距離甚至遍及整個(gè)田間等特點(diǎn)。5、作業(yè)對(duì)象和價(jià)格的特殊性。采摘機(jī)器人操作者大都是農(nóng)民，因此要求采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。另外，高智能性導(dǎo)致果蔬采摘機(jī)器人的制造成本較高，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)經(jīng)營者或無法接受，并且采摘機(jī)器人的使用受到時(shí)間和季節(jié)性的限制，使用效率不高，也是限制采摘機(jī)器人推廣的重要因素。1.2國內(nèi)外果蔬采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展果蔬采摘機(jī)器人于20世紀(jì)60年代在美國開始研究，當(dāng)時(shí)的采摘方法是采用機(jī)械振動(dòng)搖式和氣動(dòng)振搖式，容易造成果實(shí)的損傷，效率也不高。但在此后，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟，果蔬采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。1983年，第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生。在其后的20多年時(shí)間里，以日本為代表的發(fā)達(dá)國家，包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼實(shí)驗(yàn)成功了多種采摘機(jī)器人，如蘋果、柑橘、番茄、葡萄、西瓜等的智能機(jī)器人，但這些機(jī)器人都還沒能真正的實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。表1為部分國家果蔬采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展情況。表1果蔬采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展統(tǒng)計(jì)商業(yè)化階段樣機(jī)階段研究階段日本/甘藍(lán)、葡萄、番茄、櫻桃、黃瓜甘藍(lán)、番茄、茄子、西瓜、甜橙、草莓荷蘭蘿卜、蘑菇番茄、蘆筍黃瓜、葡萄法國葡萄、橄欖、蘋果、甜橙//英國/蘑菇定期收獲水果的攀爬機(jī)器人美國椰菜、甜橙、柑橘//我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)90年代中期，相對(duì)于發(fā)達(dá)國家起步較晚，但發(fā)展速度很快，不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人的研究。如上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機(jī)器人的研究，浙江大學(xué)對(duì)七自由度番茄收獲機(jī)械手進(jìn)行了機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對(duì)采摘機(jī)器人的視覺識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了研究等。通過跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)，我國在機(jī)器人采摘領(lǐng)域中也取得了初步的成果，但都是出于實(shí)驗(yàn)階段，距投入農(nóng)業(yè)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)還需時(shí)日。果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析2.1行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析行走機(jī)構(gòu)主要用于機(jī)械手和末端執(zhí)行器的初步定位，上面裝有完成收獲任務(wù)的所有硬件和軟件部分。不同于一般的工業(yè)機(jī)器人，果蔬采摘機(jī)器人一般不是靜止的，它往往需要安裝在小巧的平臺(tái)上，以便于在野外不同的土壤地勢(shì)條件下移動(dòng)。目前，移動(dòng)式采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式、履帶式和人形結(jié)構(gòu)三種。其中以車輪式行走機(jī)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，應(yīng)用也最為廣泛。輪式行走機(jī)構(gòu)車輪結(jié)構(gòu)有四輪和三輪兩種形式，圖2-1所示為一種三輪結(jié)構(gòu)的行走機(jī)構(gòu)。車體前面的輪子主要起導(dǎo)向和支撐作用，后面兩個(gè)提供動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)輪，通過控制安裝在軸上的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制車子的行走速度。圖2-1三輪式行走機(jī)構(gòu)荷蘭開發(fā)的黃瓜收獲機(jī)器人還以鋪設(shè)于溫室內(nèi)的加熱管道作為小車的行走軌道（如圖2-2所示）。日本Kondo-N等人研制的番茄采摘機(jī)器人也采用了輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖2-3)。還有橫跨于果樹上方的自主導(dǎo)引式龍門車（圖2-4）。圖2-2荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人（a）行走小車（b）攝像頭（c）機(jī)械手（d）末端執(zhí)行器（e）微型定位攝像頭（f）工控機(jī)（g）220V電力線軸（h）空氣泵（i）加熱管圖2-3番茄采摘機(jī)器人圖2-4自主導(dǎo)引龍門車式果蔬采摘機(jī)器人履帶式行走機(jī)構(gòu)履帶式行走機(jī)構(gòu)是將圓環(huán)狀的循環(huán)軌道卷繞在若干個(gè)車輪外，使車輪不直接與地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平，具有良好的穩(wěn)定性能、越障能力和較長(zhǎng)的使用壽命，適合在崎嶇的地面上行使。典型的履帶式行走機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)向輪、支重輪、驅(qū)動(dòng)輪、履帶板和拖鏈輪等部分構(gòu)成。履帶與其所繞過的驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪、支重輪和拖帶輪組成多位的“四輪一帶”，結(jié)構(gòu)如圖2-5所示。當(dāng)馬達(dá)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與驅(qū)動(dòng)鏈輪相嚙合的鏈軌及履帶板有相對(duì)移動(dòng)的趨勢(shì)，由于履帶板與路面之間的附著力大于驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪的滾動(dòng)阻力，所以履帶板不會(huì)滑動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)鏈輪、支重輪和導(dǎo)向輪則沿著鋪設(shè)的鏈軌滾動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)整機(jī)行走。圖2-5履帶式行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2007年新疆機(jī)械研究院研制了我國第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)—LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)（如圖2-6所示）。該機(jī)器集采摘、修剪、噴藥、運(yùn)輸和動(dòng)力發(fā)電等功能與一身，采用履帶式行走裝置。其工作時(shí)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)將一部分動(dòng)力分配給主機(jī)的變速箱，由變速箱驅(qū)動(dòng)兩條橡膠履帶行走。采用橡膠履帶行走部件，有利于在果園土壤松軟和比較潮濕的環(huán)境中行走。同時(shí)，該作業(yè)機(jī)的研制成功標(biāo)志著我國果園單一的采摘機(jī)械進(jìn)入到了多功能作業(yè)機(jī)械時(shí)代。圖2-6LG-1型多功能果園作業(yè)機(jī)2011年，北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定推廣站一臺(tái)小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)研制成功（如圖2-7所示）。該機(jī)械平臺(tái)集成了果實(shí)采摘、果蔬剪枝、打藥等多種作業(yè)功能。在同類機(jī)具中，該平臺(tái)首次采用手動(dòng)和無線遙控相結(jié)合的操作方式，可以方便可靠地操作機(jī)器前進(jìn)、轉(zhuǎn)向和停車。圖2-7小型多功能遙控動(dòng)力平臺(tái)此外，日本也研制了如BP40型號(hào)的很多小型果園運(yùn)輸和管理機(jī)具，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的黃瓜采摘機(jī)器人等均采用了履帶式行走機(jī)構(gòu)。如圖2-8（a）、（b）所示圖2-8（a）筑水農(nóng)機(jī)公司研制的BP40型號(hào)的果園采摘運(yùn)輸機(jī)2-8（b）黃瓜采摘機(jī)器人系統(tǒng)人形行走機(jī)構(gòu)在某些采摘作業(yè)場(chǎng)所，例如采摘西瓜等作物，其藤莖匍匐在地面上，行走空間狹小，車輪式和履帶式行走機(jī)構(gòu)就不再適用了。為此，日本的Ogasawara和他的研究小組嘗試將人形機(jī)器人引入到采摘機(jī)器人中。如圖2-9所示人形行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。人形行走機(jī)構(gòu)在靜態(tài)時(shí)是平衡的，但在步行時(shí)，整個(gè)質(zhì)心會(huì)發(fā)生偏移而產(chǎn)生動(dòng)不平衡，控制不好的話，機(jī)器人會(huì)傾倒，對(duì)于松軟的地面，維持動(dòng)不平衡會(huì)更加困難。圖2-9人形行走機(jī)構(gòu)車輪式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活。但對(duì)于松軟的地面適應(yīng)性較差，同時(shí)，對(duì)于安裝在其上的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)精度有一定的影響。相比于輪式行走機(jī)構(gòu)，履帶式行走機(jī)構(gòu)也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、驅(qū)動(dòng)較容易的特點(diǎn)。相反的是履帶式行走機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)彎半徑大，轉(zhuǎn)向不靈活，但對(duì)于地面的適應(yīng)性較好，并且，履帶式行走機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性、牽引附著性能、爬坡和越溝等性能也較好。就目前來講，只有葡萄采摘機(jī)器人使用了履帶式行走機(jī)構(gòu)。由于人形行走機(jī)構(gòu)的步態(tài)規(guī)劃和維持動(dòng)不平衡十分復(fù)雜，其研究成本較前兩者也高。因此，在采摘機(jī)器人的應(yīng)用中，目前技術(shù)上還并不成熟，仍處于試驗(yàn)研究階段。但隨著智能控制技術(shù)的進(jìn)步，人形行走機(jī)構(gòu)將會(huì)在果蔬采摘機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。采用智能導(dǎo)航技術(shù)的無人駕駛自主式小車是采摘機(jī)器人行走部分的發(fā)展趨勢(shì)。2.2機(jī)械手的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析機(jī)械手是具有傳動(dòng)裝置的機(jī)械實(shí)體，由關(guān)節(jié)與連桿組合成一個(gè)相互連接和相互依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械手類似于人的手臂，是機(jī)械手系列機(jī)器人的主要執(zhí)行部件，主要功能是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到接近目標(biāo)的位置，并調(diào)整方向使其容易接觸目標(biāo)，同時(shí)是手腕和末端執(zhí)行器的支撐體。果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式和自由度適用于不同果實(shí)的采摘，直接影響末端執(zhí)行器的作業(yè)空間、運(yùn)動(dòng)精度、靈活性以及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。研究文獻(xiàn)表明，大部分結(jié)構(gòu)形式都是直接采用工業(yè)機(jī)器人的機(jī)械手作為采摘機(jī)器人的機(jī)械本體。從自由度的構(gòu)成來看，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)、極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)三種。1、直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)直角坐標(biāo)機(jī)械手的手臂（如圖2-10所示）前三個(gè)關(guān)節(jié)位移動(dòng)關(guān)節(jié)，構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)方向垂直，軌跡都是直線。各關(guān)節(jié)之間沒有耦合，剛性好、定位精度精度高。但是占的空間比較大，工作范圍比較小，慣性大。。1、2、3、為移動(dòng)關(guān)節(jié)4為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)圖2-10直角坐標(biāo)型2、極坐標(biāo)型極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持質(zhì)量大。具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)（如圖2-11），靈活性較好，占地面積小，但避障能力較差。目前在黃瓜和葡萄采摘機(jī)器人中嘗試了使用5自由度極坐標(biāo)類型的機(jī)械手。圖2-12表示黃瓜采摘機(jī)器人中極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)械手原理。該機(jī)械手共有5個(gè)自由度，其中2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，2個(gè)回轉(zhuǎn)自由度和1個(gè)伸縮自由度。在機(jī)械手的下部還有旋轉(zhuǎn)和伸縮兩個(gè)自由度，作用是在采摘前使機(jī)械手的傾斜角度和培育架的傾斜角度相同。黃瓜采摘機(jī)器人7個(gè)自由度中的兩個(gè)伸縮自由度增大了末端執(zhí)行器的活動(dòng)空間范圍，增強(qiáng)了靈活性。1、2、4為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)3為移動(dòng)關(guān)節(jié)圖2-11極坐標(biāo)型圖2-12極坐標(biāo)型黃瓜采摘機(jī)器人機(jī)械手示意圖3、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型關(guān)節(jié)型機(jī)械手具有仿人臂結(jié)構(gòu)（圖2-13），主要有回轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)兩種自由度組成。前單個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，工作比較靈活，工作空間也較大、占地面積小，同其它結(jié)構(gòu)形式相比，關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)對(duì)于確定三維空間中的任意位置和姿勢(shì)是最有效的，但剛度和精度不高。如圖2-14所示，蘋果采摘機(jī)器人的機(jī)械手的機(jī)構(gòu)以關(guān)節(jié)型機(jī)械臂為基體，在腰部增加了可以升降的連桿折疊結(jié)構(gòu)，在小臂上又增了伸縮關(guān)節(jié)，增加了機(jī)器人的作業(yè)空間。一共具有腰部升降、腰部轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂俯仰、小臂擺動(dòng)和小臂伸縮五個(gè)自由度，其自由度配置為：P-RRR-P。機(jī)器人控制系統(tǒng)通過視覺系統(tǒng)獲取采摘目標(biāo)的空間坐標(biāo)，然后進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，求出關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)解。關(guān)節(jié)型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和軌跡控制需要進(jìn)行大量的數(shù)學(xué)計(jì)算，因此對(duì)控制系統(tǒng)的要求跟高。圖2-15為一黃瓜采摘機(jī)器人機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)，它有腰部、大臂、小臂和手腕通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，一段固定在基座上，另一端自由并安裝末端執(zhí)行器。圖2-13關(guān)節(jié)型機(jī)械手示意圖圖2-14蘋果采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)類型圖2-15黃瓜采摘機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)械手是機(jī)器人的重要組成部分，若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)干涉或驅(qū)動(dòng)裝置無法設(shè)置，機(jī)構(gòu)不能運(yùn)動(dòng)等問題。在滿足要求的前提下，盡量采用特殊結(jié)構(gòu)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，使相鄰運(yùn)動(dòng)副的軸線相互平行或正交。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式的選取取決于對(duì)機(jī)器人的活動(dòng)范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制的難易的要求。以直角坐標(biāo)型、極坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)坐標(biāo)型的順序來看，其活動(dòng)范圍和靈活度有小到大，控制的程度由易到難，位置精度由高到低負(fù)載能力由大到小。如表2-1所示。表2-1各種類型機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式比較表類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)使用對(duì)象直角坐標(biāo)型定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、作業(yè)空間大、容易控制、成本低靈活性差，末端執(zhí)行器活動(dòng)范圍存在盲區(qū)采摘生長(zhǎng)于地面的果實(shí)，如甜瓜極坐標(biāo)型靈活性有所增強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度高、末端執(zhí)行器的抓持質(zhì)量大運(yùn)動(dòng)控制比較復(fù)雜，運(yùn)動(dòng)精度較低葡萄、黃瓜等藤生作物，蘋果、柑橘等樹冠高達(dá)的果實(shí)關(guān)節(jié)型靈活性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、易于確定三維空間中的任意位置和姿態(tài)，可以有效避開障礙物機(jī)械剛度小，運(yùn)動(dòng)精度較低，抓持質(zhì)量小，關(guān)節(jié)控制復(fù)雜，成本高應(yīng)用較為廣泛，一般為枝葉茂密，果實(shí)重量不大的作物，如普通栽培的番茄通過表2-1分析得知，就結(jié)構(gòu)形式而言，關(guān)節(jié)型機(jī)械手屬于仿人臂型，適用于多果實(shí)的采摘，如番茄、蘋果、柑橘等，但控制較難。及坐標(biāo)型機(jī)械手適合采摘質(zhì)量較大的果實(shí)，如收獲地面上的西瓜，其采用的智能技術(shù)較關(guān)節(jié)型低，但是由于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的存在，使其控制也很復(fù)雜，而且運(yùn)動(dòng)精度低、成本高，其推廣受到一定的限制。直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度高，控制較為容易，而且可以設(shè)計(jì)成適用于不同類果實(shí)的不同類型，與其它兩種類型相比成本最低，但是靈活性也最差，避障性能也不高。為了彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)，可以考慮通過改變作物的栽培方式來降低采摘的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直角坐標(biāo)型進(jìn)行采摘。2.3采摘機(jī)機(jī)器末端執(zhí)行器研究現(xiàn)狀分析末端執(zhí)行器是果蔬采摘機(jī)器人的另一重要部件，它的設(shè)計(jì)通常被認(rèn)為是機(jī)器人的核心技術(shù)之一。一般果蔬的外表比較脆弱，它的形狀及生長(zhǎng)狀況通常復(fù)雜。在機(jī)器人采摘過程中果蔬外表發(fā)生損傷的原因主要有：①果蔬位置識(shí)別或機(jī)械臂控制規(guī)劃有誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器劃傷或刺傷果蔬外表；②末端執(zhí)行器夾持或抓取力過大，壓傷果蔬外表；③末端執(zhí)行器抓持不穩(wěn)定導(dǎo)致果蔬掉落，與地面或其他堅(jiān)硬物體接觸而碰上外表。作為采摘機(jī)器人的執(zhí)行裝置，末端執(zhí)行器應(yīng)根據(jù)不同果蔬果實(shí)的生物、機(jī)械特性及栽培方式，采取不同的專用機(jī)構(gòu)以提高采摘的成功率并減小對(duì)果蔬的損傷為主要目標(biāo)。一般集成兩項(xiàng)功能：①檢測(cè)果實(shí)的位姿，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供導(dǎo)航信息；②以適當(dāng)力度夾持果實(shí)或果梗并剪切果柄，完成采摘?jiǎng)幼?。在?dòng)作上通常包括獲取果實(shí)和果實(shí)與植株分離兩部分。為了安全與高效的完成采摘?jiǎng)幼?，末端?zhí)行器還可能加入吸盤、推桿等附加機(jī)構(gòu)以及各類傳感器以完成準(zhǔn)確采摘并減小損傷。2.3.1獲取方式獲取和分離果實(shí)是采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器必須實(shí)現(xiàn)的兩大關(guān)鍵動(dòng)作，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實(shí)，再通過扭斷、剪切等不同方法完成果實(shí)與果梗的分離。從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來看，獲取果實(shí)的方式主要?dú)w為非夾持類和夾持類兩種。分離果實(shí)與果梗的方式有傳統(tǒng)的扭斷、折斷、拉斷以及通過剪刀或切刀進(jìn)行切斷，還有新式的熱切割方法等。1.直接切斷式這類末端執(zhí)行器一般都是直接剪斷果梗，由于其本身不能實(shí)現(xiàn)果實(shí)的回收，因此剪掉的果實(shí)直接落地或者落入事先放置的果箱中。例如，日本開發(fā)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器、茄子采摘末端執(zhí)行器、番茄采摘末端執(zhí)行器、美國柑橘采摘末端執(zhí)行器均為此類結(jié)構(gòu)，如圖2-16,2-17,2-18所示。圖2-16甜椒采摘末端執(zhí)行器2-17茄子采摘末端執(zhí)行器2-18番茄采摘末端執(zhí)行器這類末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更能較為簡(jiǎn)單，適用于植株冠層內(nèi)枝葉較稀疏，且果實(shí)具有一定抗沖擊能力的果蔬。對(duì)于果梗較短的植株，往往造成無法剪切或碰上果實(shí)的現(xiàn)象，對(duì)于冠層空間比較復(fù)雜的植株，果實(shí)下落過程中很容易被碰上，并且下落的位置也不定，影響果實(shí)的回收。2.吸入式這類非夾持類末端執(zhí)行器主要是通過真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入末端執(zhí)行器內(nèi)，再通過切斷、扭斷等方式分離果實(shí)和果梗。如圖2-19所示的柑橘采摘末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖，由真空吸盤先吸持住果實(shí)向后拉動(dòng)，同時(shí)末端執(zhí)行器的彈性蓋板向前移動(dòng)，使果實(shí)進(jìn)入籠體內(nèi)，然后蓋板收縮進(jìn)而保住果實(shí)，隨后一對(duì)割刀合攏切斷果梗。2-19柑橘采摘末端執(zhí)行器如圖2-20（a）所示比利時(shí)開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)成漏斗的形狀，漏斗內(nèi)安置攝像機(jī)，當(dāng)有果實(shí)進(jìn)入手爪范圍的時(shí)候，真空吸引器打開將果實(shí)吸入，再通過旋轉(zhuǎn)扭斷果梗將果實(shí)采摘下來。圖5（b）所示英國開發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，由一截管道、兩個(gè)內(nèi)置圓環(huán)和兩個(gè)彈簧蓋組成，該末端執(zhí)行器獲取果實(shí)的原理也是吸入+扭斷式，當(dāng)蘋果的位置信息傳來之后，真空系統(tǒng)將果實(shí)吸入，再扭斷果梗采摘下蘋果。（a）（b）圖2-20蘋果采摘末端執(zhí)行器還有吸入+勾取的方式來獲取果實(shí)等等。吸入式的末端執(zhí)行器硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作原理類似，對(duì)于果實(shí)嬌嫩、果梗柔弱細(xì)長(zhǎng)的草莓等果實(shí)，采取吸入加勾取比夾持的獲取方式更可行，但這類末端執(zhí)行器對(duì)果實(shí)個(gè)體尺寸差異適應(yīng)能力較差動(dòng)作速度較慢，穩(wěn)定性不高，而且相鄰的未成熟的果實(shí)也容易被一同吸入和采摘下來。3.夾持類這類末端執(zhí)行器其夾持器通常由帶有真空吸引器和數(shù)目不等的手指構(gòu)成。按手爪的個(gè)數(shù)可分為兩指和多指型，目前大多數(shù)果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器為兩指，也有一些三指和四指的末端執(zhí)行器，用于外形不規(guī)則或較大的果實(shí)。因此，一般情況下，對(duì)于形狀較為規(guī)格，尺寸和質(zhì)量部太大的果實(shí)，應(yīng)首選較少手指進(jìn)行抓持。（1）兩指夾持如圖2-21所示，日本東京大學(xué)喬?。↗unQiao）等人開發(fā)設(shè)計(jì)的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，該末端執(zhí)行器具有兩個(gè)瘦長(zhǎng)形的手指，長(zhǎng)度為160mm，厚度和寬度分別只有1mm和10mm。兩個(gè)手指組成的手爪抓住果柄的過程由依靠一個(gè)凸輪的瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行張開和夾緊動(dòng)作，凸輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由一個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，凸輪為橢圓形，旋轉(zhuǎn)90度后手爪就完成一次張開或夾緊的過程。圖2-21日本的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張凱良等人設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)器人，其機(jī)械原理如圖2-22所示，該末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)主要有機(jī)械爪及其附屬部件構(gòu)成。絲杠與內(nèi)螺紋管通過螺紋連接，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而螺紋管進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)兩根手指做閉合或張開動(dòng)作，完成對(duì)果實(shí)的獲取。在兩手指的內(nèi)側(cè)上裝有橡膠墊，增加了緩沖，可使末端執(zhí)行器更可靠地夾持，同時(shí)，在靠近手指根部的位置安裝了一對(duì)間距可調(diào)的機(jī)械觸點(diǎn)，作為機(jī)械爪夾持力度的反饋裝置?？梢?，該末端執(zhí)行器的夾持裝置獲取果實(shí)的精確性、可靠性以及對(duì)果實(shí)的保護(hù)程度明顯要好于日本的甜椒采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器。1.手指2.內(nèi)螺紋管3.絲杠4.電機(jī)圖2-22機(jī)械爪機(jī)構(gòu)示意圖劉繼展等研制了番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器（圖2-23），由于番茄的成串生長(zhǎng)增加了真空吸盤裝置，避免了采摘時(shí)將相鄰的未成熟果實(shí)一同夾持。真空吸盤裝置由真空發(fā)生設(shè)備、真空檢測(cè)控制元件、吸盤和連接附件組成。采用小型壓縮氣罐為氣源，采用適應(yīng)曲面及不平整工件、具有良好緩沖性能的真空波紋吸盤由真空軟管、接頭等附件連接組成末端執(zhí)行器的真空系統(tǒng)。真空波紋吸盤固定于齒輪的前端，通過齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)吸盤前進(jìn)和后退，并與真空系統(tǒng)相配合，完成吸住并拉動(dòng)果實(shí)的任務(wù)。采用兩指夾持機(jī)構(gòu)，如圖2-24所示，手指指面設(shè)計(jì)成圓弧并貼有5mm厚的橡膠，增強(qiáng)了夾持的可靠性。手指夾持機(jī)構(gòu)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過錐齒輪的傳動(dòng)，帶動(dòng)具有左旋和右旋兩段螺紋的雙向螺桿傳動(dòng)，使與之組成螺旋副的兩手指產(chǎn)生平行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而合攏或松開，完成對(duì)番茄果實(shí)的夾持。1.手指2.真空波紋吸盤3.雙向螺桿4、8、11.直流伺服電動(dòng)機(jī)5.激光聚焦透鏡6.齒條7.外殼9、10.錐齒輪12.齒輪圖2-23番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)示意圖圖2-24手指尺寸及吸盤行程馬履中等研制的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)如圖2-25所示，氣缸的活塞桿通過銷軸與兩手指后端滑槽的高副連接，最終把導(dǎo)桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成兩手指繞轉(zhuǎn)軸的擺動(dòng)，從而組成滑槽導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的夾持。手指圓弧面內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)覆蓋了海綿橡膠層，這樣可以保證在抓取過程中抓取力分布均勻，增大手指與蘋果的摩擦力，可以減少夾持時(shí)對(duì)蘋果的損傷，但海綿彈性系數(shù)過小，受很小的力就會(huì)產(chǎn)生過大的壓縮變形，不能起到很好保護(hù)果實(shí)的作用。1.薄型氣缸2.支架3.活塞桿4.導(dǎo)桿5.銷軸6.轉(zhuǎn)軸7.手指8.海綿材料9.橡膠材料10.滑槽圖2-25蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖（2）多指夾持類手指的數(shù)目越少，夾持的穩(wěn)定性越差，多指的末端執(zhí)行器雖然夾持更為穩(wěn)定可靠，但機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜性大大增加，同時(shí)在采摘過程中與果梗、枝葉的干涉現(xiàn)象也會(huì)隨之增多。如圖2-26所示的茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該抓取機(jī)構(gòu)由4根夾持手指（直徑4mm的鋼絲，可以形變，手指外包有1cm厚的海綿）、2個(gè)滑軌（每個(gè)滑軌的一端固定在機(jī)械手本體上，另一端固定在夾持手指上）和雙向絲杠（帶螺母，每個(gè)螺母分別與夾持手指固定）組成。四根夾持手指兩兩相對(duì)（圖中僅能看到兩個(gè)），左面的兩個(gè)連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的左螺母固定；右面的兩個(gè)連在同一滑軌上，并與雙向絲桿的右螺母固定。通過電機(jī)帶動(dòng)雙向絲杠，使左右兩個(gè)滑軌相向而行。蝸輪蝸桿的傳動(dòng)比是1:10，電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，雙向絲杠的兩個(gè)螺母沿相向方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度為電機(jī)的1/10。當(dāng)螺母運(yùn)動(dòng)到定位果實(shí)的位置時(shí)，完成夾持動(dòng)作。而且，雙向絲杠的中間部分無螺紋結(jié)構(gòu)，于是，夾持手指的預(yù)緊力可以夾持到設(shè)定的最小的茄子果實(shí)，以后絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)而螺母原地不動(dòng)；當(dāng)兩個(gè)螺母在連在其之間的回位彈簧張力的作用下，螺母向相反的方向運(yùn)動(dòng)隨雙向絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母重新回到絲杠的螺紋上，沿著螺紋向兩邊運(yùn)動(dòng)，從而完成松開夾持的果實(shí)的動(dòng)作。該末端執(zhí)行器收獲茄子的范圍僅是3～6.5cm，作業(yè)時(shí)很容易造成遺漏掉果實(shí)，當(dāng)松開夾持的果實(shí)時(shí)，回位彈簧降低了執(zhí)行器的整體穩(wěn)定。1.滑軌2.夾持手指3.絲杠上的螺母4.末端執(zhí)行器外壁5.雙向絲杠6.蝸桿7.蝸輪8.電機(jī)軸9.回位彈簧圖2-26末端執(zhí)行器抓取機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖居洪玲、姬長(zhǎng)英設(shè)計(jì)了一種多用途的末端執(zhí)行器（圖2-27），不僅能收獲蘋果和梨，其他生長(zhǎng)類似的果實(shí)也可以一同收獲。含有三個(gè)機(jī)械爪，如圖2-28所示。此末端執(zhí)行器的抓取機(jī)構(gòu)主要由3個(gè)機(jī)械爪（寬25mm，長(zhǎng)75mm的鋼板，外包有彈性材料）、直線滑軌和止動(dòng)塊組成。電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)齒條，將轉(zhuǎn)動(dòng)化為平動(dòng)，進(jìn)而通過連接桿帶動(dòng)機(jī)械爪向里運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的抓取采摘。水果的直徑是20～90mm。3個(gè)機(jī)械爪分布在3600的圓周上，用螺絲與連接桿固定在一起，連接桿安裝在齒條上，齒條安裝在直線滑軌上?；墐蓚?cè)用止動(dòng)塊限制運(yùn)動(dòng)界限，從而控制手爪的抓取范圍。彈性材料的變形適應(yīng)能力，可以避免快速抓取帶來的損害，還能依據(jù)果實(shí)的外形包裹果實(shí)，防止果實(shí)脫落。1.機(jī)械爪2彈性材料3傳感器4上護(hù)蓋5齒條6止動(dòng)塊7直線滑軌8支撐套9定外環(huán)10電磁離合器11聯(lián)軸器12座架14電機(jī)15電磁離合器16轉(zhuǎn)盤17墊腳18連接桿19齒輪20傳動(dòng)軸圖2-27末端執(zhí)行器的整體結(jié)構(gòu)1.機(jī)械爪2.彈性材料硅膠3.連接桿4.止動(dòng)塊5.滑軌6.轉(zhuǎn)盤.7.齒條8.齒輪圖2-28末端執(zhí)行器的抓取機(jī)構(gòu)美國研制了研究員提出了一種西紅柿采摘機(jī)器人，該機(jī)器人末端執(zhí)行器采用了真空吸盤+四指機(jī)械爪，真空吸盤本身具備抓取功能，四個(gè)夾持手指對(duì)稱分布，使用塑料質(zhì)地代替尼龍材料，減小了夾持時(shí)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)，通過線纜連接起來共同驅(qū)動(dòng)，可以更穩(wěn)定的抓持住果實(shí)。如圖2-29所示，這種柔性手指彎曲曲線平滑，具有一定的補(bǔ)償能力，能夠很好適應(yīng)果實(shí)的大小差異。但該柔性手指由一個(gè)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)4個(gè)手指的所有關(guān)節(jié)，屬于高度欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，當(dāng)遇到枝葉稠密等障礙物時(shí)，手指容易發(fā)生彎曲，易造成果實(shí)抓取的失敗。圖2-29美國的西紅柿采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器2.3.2分離方式無論夾持類和非夾持類采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器，都需要通過一定的方式完成果梗的切斷或果梗與果實(shí)的分離，才能最終實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)。現(xiàn)有的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究成果來看，多采用扭斷、折斷或剪切的分離方式，一些末端執(zhí)行器對(duì)新的切割原理進(jìn)行了嘗試。（1）扭斷、折斷、拉斷扭斷是利用手腕的旋轉(zhuǎn)和周轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在執(zhí)行器抓牢果實(shí)后擰斷果柄，需要多次往復(fù)扭轉(zhuǎn)才能斷開果梗，末端執(zhí)行器需要較大的工作空間，這樣就難于避障。這種方式對(duì)于果柄易斷的果蔬較為實(shí)用，如番茄的采摘，但對(duì)于果柄柔韌性較高的果蔬則采摘成功率較低。而且無論扭斷、折斷或拉斷都只適用于果實(shí)被充分夾持的情況下，其優(yōu)點(diǎn)是無需再附加另外的分離裝置和動(dòng)力，但這就要求末端執(zhí)行器的夾持機(jī)構(gòu)夾持果實(shí)要足夠可靠，對(duì)果實(shí)提供充分的作用力，又不能造成對(duì)果實(shí)的損傷，這樣夾持器對(duì)果實(shí)的夾持力要有較高的控制。同時(shí)，還要根據(jù)采摘對(duì)象的果梗力學(xué)特性驚醒不同方式的選擇和實(shí)驗(yàn)，否則難以達(dá)到預(yù)期的效果。（2）剪切相當(dāng)部分的采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器安裝了剪刀或切刀裝置，用來切斷果梗實(shí)現(xiàn)果實(shí)、果梗分離。如圖2-30所示馬履中等人研制的蘋果采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的切割裝置示意圖，切割裝置采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源，利用軟管鋼絲傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)刀片繞手指外廓做近一周的旋轉(zhuǎn)，以切割位于手指周向上任意位置的蘋果柄。這樣省掉了檢測(cè)果柄方位和調(diào)整末端執(zhí)行器位姿的復(fù)雜過程,提高了采摘效率。同時(shí)，刀片設(shè)計(jì)成楔形，使得在切割過程中果柄與刀刃有滑動(dòng)，更易切斷果柄，保證了采摘的成功率。但刀片的旋轉(zhuǎn)很難保證不對(duì)周圍的果實(shí)或植物進(jìn)行傷害。1直流電機(jī)2微型蝸輪蝸桿減速器3鋼絲繞盤4鋼絲5下軟管架6彈性軟管7上軟管架8刀架9刀架轉(zhuǎn)輪10轉(zhuǎn)盤軸11契形刀片圖2-30切割裝置示意圖如圖2-31所示的茄子采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的切割機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該部分主要由三角傳動(dòng)支架、刀架、刀架導(dǎo)向桿(內(nèi)有導(dǎo)向槽)和鋸齒輪盤切刀組成。三角傳動(dòng)支架的后端移動(dòng)端固定在雙向絲杠移動(dòng)的螺母上，前端同刀架固定在一起。刀架的后端鉸接在電機(jī)軸上，前端固定在三角傳動(dòng)支架上，隨三角傳動(dòng)支架移動(dòng)可沿導(dǎo)向桿前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)夾持動(dòng)作的進(jìn)行，雙向螺母向中間運(yùn)動(dòng),三角傳動(dòng)支架頂點(diǎn)前伸，帶刀架在導(dǎo)向槽