关于采果机器人研究文献综述湖州师范学院机械工程系 06082439 崔晓峰摘要 本文归纳了机器人爬楼梯、下坡和果实的摘取、放置以及可靠性设计研究中的关键问题，为了更好的完成任务，我们创新的开发了跨越式履带行走机构、升降台、夹式机械手、自动转向装置，最后分析了采果机器人的研究现状和发展趋势，此外对采果机器人在现实中的应用做了展望。关键词 机器人，夹式机械手，履带行走，采果机器人1、引言机器人，按字面有意思拆开来讲，一方面是机器，一方面是人。人是高级动物，可以独立自主的完成每件事，而机器是无生命的，它是人类为了更方便而开发出来帮助我们完成事情，因此它就要按照人的意愿来做事。这才提出了本文的问题，人要让机器代替人类完成爬楼梯、下坡和果实的摘取、放置。当前，机器人的研究已经趋于人工智能化，已经不需要人来直接控制，而是通过事先编好的程序来实现控制。随着科技的进步，也会添加一些新的系统，如声音识别系统，传感技术，仿生系统。机器人的出现，使企业的工业化程度越高，效率也大大提高。未来机器人也慢慢的从工业用转向了民用，本文所研究的采果机器人就是作为民用型机器人。国内采果机器人只是出于研究阶段，比如在大学生的各类机器人竞赛中都会或多或少的设置采果类的机器人题目，然而在现实中的应用比较少。然而在国外，采果机器人有些有些还尚出于研究当中，而已经投入了实际生产中。在现实的果园中，路面不可能是平整的，所以我们采用了履带式行走机构。根据果实的形状设计出了夹式机械手，可以用于夹取苹果、橘子、桃子、梨子等球状水果，也可以根据水果的形状来加工相应的机械手。升降台的设计是为了满足不同高度水果的摘取。2、采果机器人的研究现状与发展趋势2.1基本知识机器人是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动1。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。在日本，农业劳动力老龄化和农业劳动力不足的问题十分突出，为了解决这一问题，日本开发除了一系列不同用途的农业机器人，这其中就包括采摘水果的机器人。这种机器人有他自身的特点：它们一般是在室外工作，作业环境较差，但是在精度上却没有工业机器人那样要求高；这种机器人的使用者不是专门的技术人员，而是普通的农民，所以技术不能太复杂，而且价格也不能太高。2.2 研究现状机器人的行走方式主要有是轮式、履带式、足式以及仿生物的蛇行机器人、可控鸟等3。现已投入使用的在特种行业执行特定任务的机器人基本上是轮式和履带式两种，而在爬越坡面、跨越障碍、壕沟以及在湿地、碎石路面、泥泞地面上行走时，履带式机器人具有一定的优越性，因此在本次设计中采用履带式行走系统，以解决爬楼梯、下坡的问题。手爪的抓取过程分为3 个主要阶段：趋近物体。此阶段中采用位置控制模式，机械手低速平稳进给，直到指端开始接触物体。状态判断。在至少一指接触物体后，进行首次尝试接触，判断物体抓取可靠程度。抓取保持。在确定抓取有效的情况下，保持指端与物体深度接触，同时切换到力控制模式4。根据以上三个阶段，采果机器人需要设计一种专用的夹式手爪。机械手放置物品主要就是定位准确。可靠性是产品的一个重要性能特征。人们总希望自己所使用的产品能够有效可靠地工作，因任何的故障和失效都肯能对使用者带来经济随时，甚至会造成灾难性的后果。比如，这次所做的采果机器人在比赛中发生的连接线断掉就属于可靠性问题，这提醒了我们在以后的设计中应该把可靠性设计放在首位。2.3 发展趋势采摘机器人是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5。首先，国外的研究进展，日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，Kawamura等人开展了番茄采摘机器人的研究5。他们利用红色的番茄与背景（绿色）的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度!对果实实行三维定位。以及日本的茄子采摘机器人、日本的甘蓝采摘机器人、日本的葡萄采摘机器人、荷兰的黄瓜采摘机器人、英国的蘑菇采摘机器人。其次，国内研究进展，在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成6。3、开发平台的比较与分析3.1 行走系统对比轮式行走系统，转弯半径小，转向灵活，但轮式结构对松软的地面适应性较差，对安装在其上的机械手运动精度有较大的影响。同轮式结构相比，履带式行走机构对现有地面的适应性好，但由于转弯半径大，因此转向不灵活。在行走空间受到限制的场合，就不能选择这种移动机构，目前只有葡萄采摘机器人使用履带式行走机构。和轮式行走机构一样，履带行走机构的结构简单，驱动较容易。3.2 机械手爪对比直角坐标结构的机械手，具有结构简单、运动精度高、坐标计算和控制容易等优点，应用于早期研究的采摘机器人7。这种机器人的工作空间较小，末端执行器的活动范围内存在盲区，对于采摘机器人而言，其应用必然受到限制。关节型机械手具有仿人臂结构，主要由回转和旋转两种自由度组成8。同其它结构形式相比，关节型结构对于确定三维空间中的任意位置和姿态是最有效的。采摘机器人的作业对象分布在空间的任意位置，并且其周围存在很多的障碍物。4、结束语果蔬采摘机器人的作业对象是水果蔬菜，是通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科技术于一体的交叉边缘性科学，涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学、动力学、传感器技术、控制技术，以及计算信息处理等多方面的学科领域知识，研究采摘机器人不仅具有巨大的应用价值，而且具有深远的理论意义。虽然采果机器人现在存在制造成本高、果实的识别率和采摘率不高、果实的平均采摘周期长等现实问题而不能投入实际生产中，但它是真实的服务于人类，能够经受恶劣环境的考验。恰好国内这方面的研究不是很多，因此才要加大研究力度，使国内在这方面不至于落后国际水平。克服各种技术难关，把采果机器人带进每个农户。参考文献：1陈恳等著. 机器人技术与应用. 北京清华大学出版社,2006,5.2David Cook著.毕树生等译.机器人制作提高篇.北京航空航天大学出版社,2005,10.3葛兆斌等著.履带式机器人行走系统结构分析.机械制造,2009,47(8).4侯宪伦等著.履带式机器人的设计.机械制造,2009,47(7).5方建军著.移动式采摘机器人研究现状与进展J.农业工程学报,2004,20(2).6宋健等著.果蔬采摘机器人研究进展与展望J.农业机械学报,2006,37(5). 7李亮等著.机械手对目标物体抓取研究.工业计算机,2009,(1).8高微著.苹果包装抓取搬运机械手的研究D.西北农林科技大学,2006.9蔡健荣等著.水果收获机器人避障路径规划J.农业机械学报,2007,38(3).10刘继展等著.番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计J.农业机械学报,2008,39(3).11张永贵等著.基于动力学的机器人手臂上零部件安装位置优化J.农业机械学报,2006,37(3).12陆怀民.林木球果采集机器人设计与试验J.农业机械学报,2001,32(6).13黄永安等著.智能机器人与应用的现状与发展趋势.国际学术动态,2009,(4).14王伟等著.未来20年(2002-2022)欧洲机器人发展路线图选摘之一J.机器人技术与应用,2006,(3).15孝文著.机器人发展的三大趋势J.科技潮,2008,(6).16Van Henten E J and soon .Field test of an autonomous cucumber picking robot J.Biosystems Engineering,2003,86(3).