摘 要:随着工业迅速发展以及人口老龄化的加剧,我国在农业方面的劳动力资源逐渐减少,农业生产行业已经不能单单靠人工劳作｡苹果种植是我国山东､陕西､河北等省的主要农作物,苹果采摘是苹果种植过程中最费时､费力的环节,为提高采摘效率,同时保证采摘质量需要借助机械人｡采摘机械人的出现和发展促进了我国农业科技的进步,加速了农业收获作业的机械化､现代化,对推动农业现代化进程有着重大意义｡采摘机器人是一个集环境感知､动态策划与规划､行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统,其中机械臂系统包括模块化机械臂和灵巧手两部分｡在机械臂设计中需要考虑结构设计､控制系统设计､运动学分析等部分｡本文将从苹果采摘机械臂的发展历史､研究现状和发展前景等方面进行综述｡
关键词:苹果采摘机械人;机械臂;控制系统;动力学分析
引言
农业是国民经济的基础,现代农业装备是现代农业的重要支撑[1]｡随着计算机技术和自动化技术的快速发展,我们正朝着一个智能化的机械时代迈进,农业机器人已经渗入到了农业生产的方方面面,成为了农业生产趋于智能化､自动化的重要标志｡果蔬采摘机器人的研究和开发对解放劳动力､提高劳动生产率､降低劳动生产成本､满足作物生长实时性要求[2]等方面都有着重要意义｡
果实采摘机器人是工作在非结构环境下的机器人系统｡其通过各种传感器,对被采摘对象进行识别､定位｡利用机械臂与末端执行器实现果实的抓取与分割｡机械臂是果实采摘机器人的最重要组成部分,其结构及运动精度直接决定了末端执行器的工作范围和采摘成功率｡而在非结构化的农业环境中,对机械臂的自由度及灵敏度要求与工业机器人相比更高[3-5]｡因此,机械臂的优化设计在采摘机器人的设计中,占据重要地位 [6]｡
为全面了解采摘机械臂及其控制系统的开发与应用情况,本文通过查询CNKI中国期刊全文数据库与万方数据知识服务平台,参考了近些年来的相关文献,并进行综述｡
2 研究现状
美国是最早进行采摘机械人研究的国家｡1968年,学者Schertz和Brown首次提出了运用机械人来采摘果蔬的先进思想,而第一台采摘机械人也是于1983年在美国诞生[7]｡对于苹果采摘机械人在美国､韩国､日本等国家均有研究,其中影响较大的是Johan Baeten 等人研制的苹果采摘机械人[8]｡此机械人将工业机器人的六自由度手臂作为机械臂的主体,与其他机械人相 比,它不仅可以进行水平方向上的移动,还可以竖直移动,最大程度的扩大了采摘范围｡但是整个机器人还存在占地面积较大且质量重,成本高,适用范围小(仅适用于植株较矮的苹果树)等诸多问题,因此商品化程度较低｡
20世纪90年代中期,国内才开始对采摘机械人技术进行研究,相对于其他发达国家起步晚､投资少､发展慢[9],目前仍处于起步阶段｡但随着技术的不断发展,科技的不断创新,国内的一些院校､学者开始对采摘机械人进行了广泛深入的研究,同类型产品也不断更新换代,已经取得了很不错的阶段性成果｡桂林电子科技大学黄国明等人发明了一种新型的自动采摘苹果的 机器人[10]｡该苹果采摘机器人由4部分组成,分别是四轮驱动的移动平台､双目视觉系统､机械臂和末端执行器,它的四轮驱动解决了地面崎岖不平走不动的问题,并且在移动平台前装有激光测距仪,防止撞到前面的障碍物,机械臂采用柔性的特点使机械臂能够更加灵活,末端执行器采摘水果时用的是气动铡刀｡双目视觉系统用的是两台CCD摄像机,用来辨别成熟的果实和确定果实的位置｡该苹果自动采摘机器人识别果实的正确率达到了90%,采摘的成功率达到了91.31%,每采摘一个平均花费29s,然而该机器人自由度并不多,所达到的工作范围有限,并且制造成本高,还不能商品化[11]｡
采摘机械臂的结构
机械手臂是机械手的主要部分,它是支撑手腕､手指和工件并使它们运动的机构,一般有伸缩､旋转和升降三个运动[12]｡机械手臂依据构造方式的不一样分为多关节机械手臂,直角坐标系机械手臂,球坐标系机械手臂,极坐标机械手臂,柱坐标机械手臂等｡目前针对苹果采摘所研究出的有三自由采摘机器人､五自由度采摘机械手､多末端采摘机械手等｡
2.1.1 三自由度苹果采摘机器人
三自由度苹果采摘机器人的外形示意如图1所示,该苹果采摘机械臂是基于圆柱坐标所设计的,只需要一个旋转关节以及两个移动关节便可覆盖半苹果树的采空间区域[13]｡
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