资源描述
生物生产是指利用生物所含有各种机能作为生产媒体，生物生产是指利用生物所含有各种机能作为生产媒体，制造出人类生存所必需食物和其它原料而进行人类活动。制造出人类生存所必需食物和其它原料而进行人类活动。它包含植物生产（作物、果树、数目、海藻等）、动物生它包含植物生产（作物、果树、数目、海藻等）、动物生产（家禽、鱼类、野生或试验动物等）和微生物生产。生产（家禽、鱼类、野生或试验动物等）和微生物生产。生物生产要素包含：生物代谢必要物质，如营养、空气、水物生产要素包含：生物代谢必要物质，如营养、空气、水等；生物生长必要条件，如温度、湿度等环境原因；物质等；生物生长必要条件，如温度、湿度等环境原因；物质转移、环境维持等必要能量，进行生产必要物资和情报等。转移、环境维持等必要能量，进行生产必要物资和情报等。生物生产系统是生物生产各个要素以及它外部环境所生物生产系统是生物生产各个要素以及它外部环境所组成系统，它组成了物质和能源可再生系统，即闭环系统。组成系统，它组成了物质和能源可再生系统，即闭环系统。第6章 生物生产机器人6.16.1生物生产机器人概述生物生产机器人概述第1页 在生物生产领域中，有很多无人操作机械系统，比如无人驾驶拖拉机、联合收割机（如图所表示）、移植机以及自驱动机器等，它们在传感系统控制下能够自行在田间行走。一样在植物工厂，许各种植、间苗、施肥、收获及包装等过程都发展成为无人操作自动化机械系统；许多谷物干燥机、水稻磨粉机和剥壳去皮机在一定智能化水平下都能够实现全自动作业。第6章 生物生产机器人第2页 6.1.1 生物生产机器人独特征生物生产机器人独特征 普通说来，工业机器人擅长于处理那些物理特征含有普通说来，工业机器人擅长于处理那些物理特征含有规律性且静止不动对象，但生物生产机器人需要处理处于规律性且静止不动对象，但生物生产机器人需要处理处于生长状态生物体。处于生长状态植物和动物属性是动态改生长状态生物体。处于生长状态植物和动物属性是动态改变，生物生产机器人常需适应作业对象个别改变特征。在变，生物生产机器人常需适应作业对象个别改变特征。在生物生产很多情况下，耕作方法改进能够提升产品品质和生物生产很多情况下，耕作方法改进能够提升产品品质和产量，改进劳动者和机器作业环境；基因工程和其它技术产量，改进劳动者和机器作业环境；基因工程和其它技术也促进了产品状态改进。在生物生产中，用机器人来替换也促进了产品状态改进。在生物生产中，用机器人来替换人类劳动时，采取一定系统方法而不是单单地让机器人仿人类劳动时，采取一定系统方法而不是单单地让机器人仿效常规人力劳动方式来完成任务是很主要，这种系统方法效常规人力劳动方式来完成任务是很主要，这种系统方法将会给操作方式改进带来良机，而这在以前是不显著。将将会给操作方式改进带来良机，而这在以前是不显著。将机器人技术融入生物生产潜力是无限，这么结合往往需要机器人技术融入生物生产潜力是无限，这么结合往往需要众多不一样学科专业技术知识来有效地发掘它潜力。众多不一样学科专业技术知识来有效地发掘它潜力。第6章 生物生产机器人第3页 6.1.2 生物生产机器人作业对象生物生产机器人作业对象 在生物生产系统中，机器人大都是自动处理工作对象。在生物生产系统中，机器人大都是自动处理工作对象。所以，在机器人设计中，工作对象及其生长过程起着非常所以，在机器人设计中，工作对象及其生长过程起着非常主要作用。生物生产机器人工作对象包括植物、动物、微主要作用。生物生产机器人工作对象包括植物、动物、微生物和农产品，当前研究比较多是植物切除、收获和分类，生物和农产品，当前研究比较多是植物切除、收获和分类，剪毛、挤奶以及农产品分级与包装。与传统工业机器人作剪毛、挤奶以及农产品分级与包装。与传统工业机器人作业对象和过程相比，生物生产机器人要操纵一个大小、形业对象和过程相比，生物生产机器人要操纵一个大小、形状、颜色和表面特征各种多样而且改变无常主体。另外，状、颜色和表面特征各种多样而且改变无常主体。另外，生物生产机器人可能作业在一个非常小结构环境中，作业生物生产机器人可能作业在一个非常小结构环境中，作业受到一定限制。受到一定限制。第6章 生物生产机器人第4页 6.1.1 生物生产机器人独特征生物生产机器人独特征 普通说来，工业机器人擅长于处理那些物理特征含有普通说来，工业机器人擅长于处理那些物理特征含有规律性且静止不动对象，但生物生产机器人需要处理处于规律性且静止不动对象，但生物生产机器人需要处理处于生长状态生物体。处于生长状态植物和动物属性是动态改生长状态生物体。处于生长状态植物和动物属性是动态改变，生物生产机器人常需适应作业对象个别改变特征。在变，生物生产机器人常需适应作业对象个别改变特征。在生物生产很多情况下，耕作方法改进能够提升产品品质和生物生产很多情况下，耕作方法改进能够提升产品品质和产量，改进劳动者和机器作业环境；基因工程和其它技术产量，改进劳动者和机器作业环境；基因工程和其它技术也促进了产品状态改进。在生物生产中，用机器人来替换也促进了产品状态改进。在生物生产中，用机器人来替换人类劳动时，采取一定系统方法而不是单单地让机器人仿人类劳动时，采取一定系统方法而不是单单地让机器人仿效常规人力劳动方式来完成任务是很主要，这种系统方法效常规人力劳动方式来完成任务是很主要，这种系统方法将会给操作方式改进带来良机，而这在以前是不显著。将将会给操作方式改进带来良机，而这在以前是不显著。将机器人技术融入生物生产潜力是无限，这么结合往往需要机器人技术融入生物生产潜力是无限，这么结合往往需要众多不一样学科专业技术知识来有效地发掘它潜力。众多不一样学科专业技术知识来有效地发掘它潜力。第6章 生物生产机器人第5页 1 1生物体特征生物体特征 生物对象特征能够用各种方法来描述，基本生物特征生物对象特征能够用各种方法来描述，基本生物特征包含大小、形状、质量、密度和表面组织，在开发生物生包含大小、形状、质量、密度和表面组织，在开发生物生产机械系统时，通常被作为首先指标。机器视觉技术已经产机械系统时，通常被作为首先指标。机器视觉技术已经发展到对形态特征进行测定，比如，形状、大小测量。对发展到对形态特征进行测定，比如，形状、大小测量。对一个植物形状测量，看起来好像很复杂，但它常有一些规一个植物形状测量，看起来好像很复杂，但它常有一些规律性特征。律性特征。第6章 生物生产机器人第6页第6章 生物生产机器人特征特征特征基本物理特征形状、大小、形状、大小、质质量、密度、表量、密度、表观观动态特征剪切阻力、摩擦阻力、剪切阻力、摩擦阻力、弹弹性、粘性性、粘性光学特征反射率、透射率反射率、透射率声学特征振动特征、波传输特征电学特征电阻、电容、静电特征第7页第6章 生物生产机器人第8页 2.生物生产机器人特征 要使生物生产机器人适合生物体特征，生物生产机器人组成和性能就可能与工业机器人不一样。首先，生物体属性是各种各样且多变，因而生物生产机器人在处理生物体时必须是灵活、多功效。在大多数情况下，当末端执行器与生物体相接触时，柔性处理是必要。第二，在识别周围环境时常希望机器人含有一定程度智能。第三，机器人常要在非结构化、苛刻和改变环境下作业。第四，除了那些传统机器人所具备安全装置之外，当生物生产机器人与操作人员一起作业时可能还需要一些特殊安全装置。最终，为使机器人能取得潜在使用者认可，它操作界面必须简单，轻易掌握，而且必须有很好经济效益。第6章 生物生产机器人第9页 3.对生物生产机器人期望 虽然从19世纪70年代开始，生物生产机器人研发一直在进行，而且取得了可喜成果，但由于生物生产多样性，这个领域至今仍被认为是一片热土。生物生产机器人能弥补季节性劳动力不足和人员安排困难，降低作业成本。机器人有每天工作多于8小时能力，一些机器人还能一天不间断地工作二十四小时。由于机器人能在任何时间段工作，很多生产系统就可利用这一优点降低非高峰期使用率。机器人可用于替代工人完成危险、脏作业，其次，机器人也适应于对人工出入有较高要求无菌环境工作，如许多生物技术。第6章 生物生产机器人第10页第6章 生物生产机器人第11页 生物生产机器人（如图所表示）主要包含机械手、末生物生产机器人（如图所表示）主要包含机械手、末端执行器、传感器和机器视觉、移动机构、控制机构和执端执行器、传感器和机器视觉、移动机构、控制机构和执行机构行机构6部分。部分。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第12页1.1.机械手结构机械手结构生物生产系统包含作物种类、种植模式、生长特点等各种生物生产系统包含作物种类、种植模式、生长特点等各种多样，对于不一样作物、不一样种植模式需要设计不一样多样，对于不一样作物、不一样种植模式需要设计不一样机械手进行作业，而有些作物传统种植模式不能适应机器机械手进行作业，而有些作物传统种植模式不能适应机器人作业要求，需要在确保其正常生长情况下加以改进。由人作业要求，需要在确保其正常生长情况下加以改进。由此，日本学者提出了作物培养系统，作物在经过了培养系此，日本学者提出了作物培养系统，作物在经过了培养系统培养后，更适合机器人进行作业，进而提升生产效率和统培养后，更适合机器人进行作业，进而提升生产效率和产品质量。比如，为了预防高湿度造成危害，番茄种在田产品质量。比如，为了预防高湿度造成危害，番茄种在田垄垂直面上，葡萄种在与人身高相近水平棚架上。垄垂直面上，葡萄种在与人身高相近水平棚架上。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第13页2 2末端执行器末端执行器 机器人末端执行器是安装在机械手前端并直接与作业机器人末端执行器是安装在机械手前端并直接与作业对象接触部分。因为它直接接触作业对象，饰演着类似于对象接触部分。因为它直接接触作业对象，饰演着类似于人手一样角色，所以，有时也叫做机器人手，也有学者把人手一样角色，所以，有时也叫做机器人手，也有学者把它叫做手爪。它由它叫做手爪。它由2 2个或多个手指组成，手指能够个或多个手指组成，手指能够“开开”与与“合合”，实现抓取动作和细微操作。不过它机构又与人，实现抓取动作和细微操作。不过它机构又与人手完全不一样，由此也极难叫它手完全不一样，由此也极难叫它“手手”。生物生产机器生物生产机器人末端执行器所处理对象是各种多样，假如实、秧苗、子人末端执行器所处理对象是各种多样，假如实、秧苗、子叶、嫩枝、动物等，依据这些对象特点，可使用手指、吸叶、嫩枝、动物等，依据这些对象特点，可使用手指、吸引垫、针、喷嘴、刀片等进行操作。引垫、针、喷嘴、刀片等进行操作。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第14页3.3.传感器传感器 机器人传感器按用途分为内部和外部传感器两大类。机器人传感器按用途分为内部和外部传感器两大类。内部传感器是每个机器人必需，有些机器人可能不要外部内部传感器是每个机器人必需，有些机器人可能不要外部传感器。不需要外部传感器机器人，普通来说，其工作环传感器。不需要外部传感器机器人，普通来说，其工作环境是固定，工作对象也是标准化和统一化。外部传感器广境是固定，工作对象也是标准化和统一化。外部传感器广泛应用于生物生产机器人，因为其工作对象光学特征、形泛应用于生物生产机器人，因为其工作对象光学特征、形态特征和环境条件特殊且多变。态特征和环境条件特殊且多变。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第15页4.4.移动机构移动机构 生物生产机器人所处理工作对象是生长在温室或露地生物生产机器人所处理工作对象是生长在温室或露地植物，它作业空间要比工业机器人大，这就需要采取移动植物，它作业空间要比工业机器人大，这就需要采取移动机构。所以，能够说移动机构增加了生物生产机器人自由机构。所以，能够说移动机构增加了生物生产机器人自由度。生物生产机器人移动机构包含轮式移动机构、轨道式度。生物生产机器人移动机构包含轮式移动机构、轨道式移动机构、履带式移动机构、龙门式移动机构和腿式移动移动机构、履带式移动机构、龙门式移动机构和腿式移动机构。机构。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第16页5 5控制机构控制机构 机器人由计算机经过一个接口进行控制。计算机中最机器人由计算机经过一个接口进行控制。计算机中最主要是中央处理机（主要是中央处理机（CPUCPU）：许多其它单元与）：许多其它单元与CPUCPU一起工作，一起工作，如存放器、外部集成电路、输入如存放器、外部集成电路、输入/输出端口。这些元件经输出端口。这些元件经过地址总线、数据总线和控制总线与过地址总线、数据总线和控制总线与CPUCPU相连，从而相连，从而CPUCPU能能发送和接收数据。发送和接收数据。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第17页6 6执行机构执行机构执行机构就是按照电信号指令，将电动、液压和气压等各执行机构就是按照电信号指令，将电动、液压和气压等各种起源能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能种起源能量转换成旋转运动、直线运动等方式机械能机构。机构。机器人组成（机械手、末端执行器和移动装置）都与执行机器人组成（机械手、末端执行器和移动装置）都与执行机构相关连。用于机器人执行机构需要满足以下条件：机构相关连。用于机器人执行机构需要满足以下条件：（1 1）能够承受重复开启、停顿、正反转等操作；）能够承受重复开启、停顿、正反转等操作；（2 2）加速性和分辨率好；）加速性和分辨率好；（3 3）小型、轻便、刚度好；）小型、轻便、刚度好；（4 4）可靠性、维护性好。）可靠性、维护性好。第6章 生物生产机器人6.26.2生物生产机器人基本组成生物生产机器人基本组成第18页 执行机构主要分为三类：电动执行机构、液压执行机构和气动执行机执行机构主要分为三类：电动执行机构、液压执行机构和气动执行机构。构。电动执行机构主要由电力驱动，因而比较轻易控制且结构紧凑。迄今，电动执行机构主要由电力驱动，因而比较轻易控制且结构紧凑。迄今，直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机广泛应用于生物生产直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机广泛应用于生物生产机器人。伺服电动机由闭环系统控制，而步进电机则由开环系统控制，机器人。伺服电动机由闭环系统控制，而步进电机则由开环系统控制，步进电机转角与发动机驱动器脉冲数成正比。步进电机转角与发动机驱动器脉冲数成正比。另外，形状记忆合金有时也会用作机器人末端执行器执行机构。形状另外，形状记忆合金有时也会用作机器人末端执行器执行机构。形状记忆合金含有小型轻便优点，可用于生物生产机器人。记忆合金含有小型轻便优点，可用于生物生产机器人。液压执行机构是将液能转换成机械能，输出功率大，能使机器人处理液压执行机构是将液能转换成机械能，输出功率大，能使机器人处理重物。液压缸和液压马达能够进行直线和旋转运动。机器人采取这种重物。液压缸和液压马达能够进行直线和旋转运动。机器人采取这种执行机构，需要液压泵、泵动力供给系统、油箱和安全阀等，当然连执行机构，需要液压泵、泵动力供给系统、油箱和安全阀等，当然连接执行机构和设备管道也是必不可少。接执行机构和设备管道也是必不可少。气动执行机构是将压缩空气能量转变为机械能机构，能够实现往复运气动执行机构是将压缩空气能量转变为机械能机构，能够实现往复运动、摆动、旋转运动或夹持动作。气动执行机构优点是便于处理简单动、摆动、旋转运动或夹持动作。气动执行机构优点是便于处理简单轻便物体。它将空气压能转换成机械能，但极难实现对机械手、末端轻便物体。它将空气压能转换成机械能，但极难实现对机械手、末端执行器或气动泵、管道和阀门等设备准确定位。气动执行机构可分为执行器或气动泵、管道和阀门等设备准确定位。气动执行机构可分为气缸、气压和摆动马达三类。与液压执行机构相比，气动执行机构适气缸、气压和摆动马达三类。与液压执行机构相比，气动执行机构适合小型轻便物体。合小型轻便物体。第6章 生物生产机器人第19页6.3.16.3.1番茄收获机器人番茄收获机器人 机器人在进入生物生产系统领域早期是从果实收机器人在进入生物生产系统领域早期是从果实收获开始，但因为果实各种多样、环境复杂等原因，收获开始，但因为果实各种多样、环境复杂等原因，收获机器人至今仍是研究热点。番茄是人们常见蔬菜，获机器人至今仍是研究热点。番茄是人们常见蔬菜，其果实呈红色，与绿色背景相差大，用彩色摄像机就其果实呈红色，与绿色背景相差大，用彩色摄像机就能够将其识别。能够将其识别。1 1.栽培方式栽培方式 设施农业中番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直生设施农业中番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直生长，果实暴露在外侧，有部分叶子遮挡。传统栽培和长，果实暴露在外侧，有部分叶子遮挡。传统栽培和高架栽培番茄果实与果梗连接方式不一样，能够采取高架栽培番茄果实与果梗连接方式不一样，能够采取不一样采摘方式。传统栽培中在果梗处有结点，经过不一样采摘方式。传统栽培中在果梗处有结点，经过折断或强力拉扯都可使果实脱落。折断或强力拉扯都可使果实脱落。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第20页第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例（a）传统栽培方式）传统栽培方式 （b）高架栽培方式）高架栽培方式第21页2.2.龙门式五自由度番茄收获机器人龙门式五自由度番茄收获机器人日本农林水产省农业研究中心依据地块大小，在田埂上分日本农林水产省农业研究中心依据地块大小，在田埂上分别铺上铁轨，将龙门车架横跨在田地上方，沿铁轨移别铺上铁轨，将龙门车架横跨在田地上方，沿铁轨移动。收获机器人安装在龙门车架上进行收获。动。收获机器人安装在龙门车架上进行收获。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第22页（1 1）机械手和末端执行器）机械手和末端执行器该机器人属关节型机器人，在手腕法兰盘处，安装了拥有该机器人属关节型机器人，在手腕法兰盘处，安装了拥有视觉部和刀具部末端执行器，采取半圆环状刀片收获视觉部和刀具部末端执行器，采取半圆环状刀片收获果实。果实。（2 2）视觉系统）视觉系统该收获机器人末端执行器上安装有小型电视摄像机和中心该收获机器人末端执行器上安装有小型电视摄像机和中心波长为波长为680nm680nm、半值幅为、半值幅为10nm10nm光波过滤器，与闪光灯组光波过滤器，与闪光灯组成视觉系统。成视觉系统。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第23页3 3七自由度番茄收获机器人七自由度番茄收获机器人日本依据番茄传统栽培模式，研究了含有日本依据番茄传统栽培模式，研究了含有5 5个自由度收获个自由度收获机器人，但实际收获效果不是很理想，在此基础上，机器人，但实际收获效果不是很理想，在此基础上，又研制了七自由度番茄收获机器人。又研制了七自由度番茄收获机器人。（1 1）机械手）机械手将五自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动直动将五自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动直动关节座上，既能够摘取高处果实，又能够从下向上靠关节座上，既能够摘取高处果实，又能够从下向上靠近果实，形成七自由度机械手，这种机械手适合传统近果实，形成七自由度机械手，这种机械手适合传统生产方式番茄收获。生产方式番茄收获。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第24页（2 2）末端执行器）末端执行器末端执行器由末端执行器由1 1个吸盘和个吸盘和2 2个手指组成，吸盘在手爪中间。个手指组成，吸盘在手爪中间。10mm10mm厚吸盘厚吸盘首先吸住果实，预防果实受伤，手指长、宽和厚分别为首先吸住果实，预防果实受伤，手指长、宽和厚分别为155mm155mm、45mm45mm和和10mm10mm，手指抓取力能够在，手指抓取力能够在0 033.3N33.3N之间进行调整，吸盘由之间进行调整，吸盘由直流电动机和齿轮驱动，速度能够到达直流电动机和齿轮驱动，速度能够到达38mm/s38mm/s。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第25页1 1）吸盘运动）吸盘运动吸盘后面连接一个检测阀，真空泵产生一定真空压力，使吸盘吸住果吸盘后面连接一个检测阀，真空泵产生一定真空压力，使吸盘吸住果实，吸力为实，吸力为0 010N10N。压力传感器与检测阀相连，经过管路检测空。压力传感器与检测阀相连，经过管路检测空气压力。检测阀位于吸盘和真空泵之间，经过空气流动检测出气气压力。检测阀位于吸盘和真空泵之间，经过空气流动检测出气体压力。当吸盘没有吸住果实时，空气从吸盘经过检测阀流向真体压力。当吸盘没有吸住果实时，空气从吸盘经过检测阀流向真空泵。空泵。当吸盘吸住果实时，气流停顿流动，检测阀关闭，此时，吸盘内气体当吸盘吸住果实时，气流停顿流动，检测阀关闭，此时，吸盘内气体小于真空泵气压。小于真空泵气压。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第26页2 2）末端执行器运动）末端执行器运动末端执行器运动方式如图所表示。当机械手带动末端执行器靠近目标末端执行器运动方式如图所表示。当机械手带动末端执行器靠近目标时，吸盘首先伸出，靠近目标并吸住果实，向后运动。此时，手时，吸盘首先伸出，靠近目标并吸住果实，向后运动。此时，手指以与吸盘相同速度伸出，夹住果实，末端执行器抓住果实后，指以与吸盘相同速度伸出，夹住果实，末端执行器抓住果实后，拧断果梗，摘下果实，将果实放在盘中。拧断果梗，摘下果实，将果实放在盘中。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第27页（3 3）3D3D视觉传感器视觉传感器 采取采取3D3D视觉传感器来检测对象三维形态。该传感器有视觉传感器来检测对象三维形态。该传感器有2 2个激光二极管个激光二极管从绿色背景中检测出红色果实，其中一个用红光（从绿色背景中检测出红色果实，其中一个用红光（670nm670nm波长），另一个用波长），另一个用红外线光（红外线光（830nm830nm波长），二者有一样光轴。这些光被以不一样频率发射，波长），二者有一样光轴。这些光被以不一样频率发射，由一面镜子将其反射。光从对象表面经过聚焦镜反射到位置检测装置，位由一面镜子将其反射。光从对象表面经过聚焦镜反射到位置检测装置，位置检测装置有两个极，反射回来光点位置不一样，两个极电流比就不一样，置检测装置有两个极，反射回来光点位置不一样，两个极电流比就不一样，由这些电流比就能够计算出对象距离。对象在垂直方向上可经过两个镜子由这些电流比就能够计算出对象距离。对象在垂直方向上可经过两个镜子完成扫描，两个镜子分别由步进电机驱动，在水平方向上可经过架子旋转完成扫描，两个镜子分别由步进电机驱动，在水平方向上可经过架子旋转来完成，由此取得对象三维图像。来完成，由此取得对象三维图像。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第28页4 4高架栽培番茄采摘机械手高架栽培番茄采摘机械手（1 1）机械手）机械手在单串高架番茄生产系统中，果实垂落在垂直面上，果实周围障碍物在单串高架番茄生产系统中，果实垂落在垂直面上，果实周围障碍物少，可采取五自由度直角坐标式机械手进行采摘，控制简单，定少，可采取五自由度直角坐标式机械手进行采摘，控制简单，定位精度高。位精度高。（2 2）手爪）手爪采取一个带有吸盘手爪，手爪有采取一个带有吸盘手爪，手爪有4 4个含有弹性手指和个含有弹性手指和1 1个吸盘，没有切个吸盘，没有切刀。刀。4 4个手指均匀分布在吸盘周围，相对两个手指距离为个手指均匀分布在吸盘周围，相对两个手指距离为60mm60mm。每。每个手指有个手指有4 4个关节，关节是由橡胶制造，橡胶关节固定在一个支架个关节，关节是由橡胶制造，橡胶关节固定在一个支架上。一条缆绳固定在关节内侧，能够拉动关节。每个手指外径、上。一条缆绳固定在关节内侧，能够拉动关节。每个手指外径、厚度和长度分别为厚度和长度分别为10 mm10 mm、2 mm2 mm和和60mm60mm。当缆绳不用力时，手指张。当缆绳不用力时，手指张开。当缆绳受力拉紧后，带动关节弯曲，形成不一样弯曲角度，开。当缆绳受力拉紧后，带动关节弯曲，形成不一样弯曲角度，从而使手爪形成不一样内部容积，适合收获不一样形状果实。从而使手爪形成不一样内部容积，适合收获不一样形状果实。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第29页第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第30页5 5日本京都大学研制番茄收获机器人日本京都大学研制番茄收获机器人 日本京都大学针对番茄垄作栽培研制了收获机器人，主要包日本京都大学针对番茄垄作栽培研制了收获机器人，主要包含电瓶车、五自由度关节型机械手、末端执行器、摄像机和微型含电瓶车、五自由度关节型机械手、末端执行器、摄像机和微型计算机。电瓶车靠微机控制行走和停顿，摄像机检测出果实位置计算机。电瓶车靠微机控制行走和停顿，摄像机检测出果实位置后，机械手和末端执行器进行收获。后，机械手和末端执行器进行收获。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第31页(1)(1)末端执行器末端执行器 末端执行器采取左右安装、内侧贴有一层橡胶皮弯曲手指，手指张末端执行器采取左右安装、内侧贴有一层橡胶皮弯曲手指，手指张开和闭合采取小型直流电机驱动，经过控制电流强度控制手指力度，开和闭合采取小型直流电机驱动，经过控制电流强度控制手指力度，并经过拉扯摘下果实。但手指力度不易控制，所以设计了柔性手爪。并经过拉扯摘下果实。但手指力度不易控制，所以设计了柔性手爪。有有3 3个橡胶手指柔性手爪，采取了气压驱动橡胶人工肌肉作为执行机构，个橡胶手指柔性手爪，采取了气压驱动橡胶人工肌肉作为执行机构，能柔性地抓住果实且不易脱落。能柔性地抓住果实且不易脱落。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第32页(2)(2)收获作业收获作业番茄收获机器人收获流程如图所表示。电瓶车移动时，机械手处于易番茄收获机器人收获流程如图所表示。电瓶车移动时，机械手处于易移动、不碰到周围作物状态。电瓶车停顿后，摄像机输入图像，移动、不碰到周围作物状态。电瓶车停顿后，摄像机输入图像，利用两眼立体视觉器检测红色果实位置，将此位置变换成机械手利用两眼立体视觉器检测红色果实位置，将此位置变换成机械手坐标系位置，判断是否在收获范围内。若能够收获，判断是否在坐标系位置，判断是否在收获范围内。若能够收获，判断是否在此位置收获第此位置收获第1 1个果实，若是，此位置为第个果实，若是，此位置为第1 1个点，则转个点，则转 C C处计算处计算摘果实要经过第摘果实要经过第2 2点坐标，然后机械手经过第点坐标，然后机械手经过第2 2点靠近并拧断果梗。点靠近并拧断果梗。计算第计算第2 2点到第点到第1 1点坐标距离，手腕向下倾斜，手指张开，将果实点坐标距离，手腕向下倾斜，手指张开，将果实放入搜集筐中。放入搜集筐中。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第33页6 6樱桃番茄收获机器人樱桃番茄收获机器人樱桃番茄是最近几年新开发一个新产品，一个果柄上能够结多个果实，樱桃番茄是最近几年新开发一个新产品，一个果柄上能够结多个果实，而且有果实已经成熟，而有未成熟，所以，收获时需要进行选择。而且有果实已经成熟，而有未成熟，所以，收获时需要进行选择。另外，收获时必须带有果梗，才能拥有较高商品价值。另外，收获时必须带有果梗，才能拥有较高商品价值。（1 1）极坐标收获机器人）极坐标收获机器人极坐标樱桃番茄收获机器人能够进行选择性收获，机器人主要包含小极坐标樱桃番茄收获机器人能够进行选择性收获，机器人主要包含小电瓶车、一个机械手、末端执行器、电瓶车、一个机械手、末端执行器、3D3D视觉传感器和控制系统。视觉传感器和控制系统。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第34页（2 2）多功效机器人）多功效机器人日本研制多功效机器人，类似于番茄收获机器人，只要更换其末端执日本研制多功效机器人，类似于番茄收获机器人，只要更换其末端执行器、传感系统和软件，就能够进行各种作业。收获樱桃番茄末行器、传感系统和软件，就能够进行各种作业。收获樱桃番茄末端执行器包含吸管、夹子、弹簧、线圈和端执行器包含吸管、夹子、弹簧、线圈和3 3对光电传感器等。当吸对光电传感器等。当吸管吸住果实后，经过管吸住果实后，经过3 3对光电传感器检测果实位置。假如果实位置对光电传感器检测果实位置。假如果实位置适当，夹子就将果梗剪断，将果实经过气管进入搜集箱中。适当，夹子就将果梗剪断，将果实经过气管进入搜集箱中。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第35页6.3.2 黄瓜收获机器人黄瓜收获机器人黄瓜是常见蔬菜，设施农业中种植面积非常大，而且生长快，成熟后黄瓜是常见蔬菜，设施农业中种植面积非常大，而且生长快，成熟后易肥大，收获最正确期短，果实不定时成熟，所以，急需收获机易肥大，收获最正确期短，果实不定时成熟，所以，急需收获机器人。器人。1 1 栽培方式栽培方式设施栽培中常见黄瓜栽培方式是将黄瓜用细绳垂直向上牵引生长，果设施栽培中常见黄瓜栽培方式是将黄瓜用细绳垂直向上牵引生长，果实与叶子茎秆混杂在一起，大叶子经常遮住黄瓜，不利于人工或实与叶子茎秆混杂在一起，大叶子经常遮住黄瓜，不利于人工或机器人收获。日本开发了新型栽培方式机器人收获。日本开发了新型栽培方式倾斜格子架式，黄瓜倾斜格子架式，黄瓜和茎叶分开，使机器人轻易检测出黄瓜位置，完成收获。倾斜格和茎叶分开，使机器人轻易检测出黄瓜位置，完成收获。倾斜格子架与水平面所成夹角越小，果实与茎叶分离程度将越显著，但子架与水平面所成夹角越小，果实与茎叶分离程度将越显著，但当果实越靠近地面时，作业空间越小，越不利于机器人收获。所当果实越靠近地面时，作业空间越小，越不利于机器人收获。所以，倾斜格子架要有一个适宜角度。以，倾斜格子架要有一个适宜角度。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第36页2.2.倾斜格子架栽培黄瓜收获机器人倾斜格子架栽培黄瓜收获机器人日本依据黄瓜倾斜格子架栽培，研制出了黄瓜收获机器人，包含机械日本依据黄瓜倾斜格子架栽培，研制出了黄瓜收获机器人，包含机械手、末端执行器、视觉系统和移动机构。手、末端执行器、视觉系统和移动机构。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第37页（1 1）机械手）机械手为适应黄瓜栽培模式，机械手在根部有一个与黄瓜倾斜格子架角度相为适应黄瓜栽培模式，机械手在根部有一个与黄瓜倾斜格子架角度相同直动关节，使整个机械手能够在与倾斜格子架平行方向移动，同直动关节，使整个机械手能够在与倾斜格子架平行方向移动，另另5 5个旋转关节能够做出各种姿态，靠近果实。个旋转关节能够做出各种姿态，靠近果实。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第38页（2 2）末端执行器）末端执行器 成熟黄瓜遍身带刺，而且在顶部带有黄花，这些刺和黄花是衡量黄花质量成熟黄瓜遍身带刺，而且在顶部带有黄花，这些刺和黄花是衡量黄花质量好坏标准之一，所以收获时必须尽可能降低对黄瓜表面损伤，要轻柔地抓住好坏标准之一，所以收获时必须尽可能降低对黄瓜表面损伤，要轻柔地抓住并切断果梗。并切断果梗。该机器人末端执行器包含一个手爪、一个检测器和一个剪刀。手指先用该机器人末端执行器包含一个手爪、一个检测器和一个剪刀。手指先用6N6N力力在离果实顶部在离果实顶部3cm3cm位置抓住果实，然后检测器和剪刀向上滑动，而且保持检位置抓住果实，然后检测器和剪刀向上滑动，而且保持检测器与果实一直接触，直到电位计检测到果实与果梗之间连接点，完成检测，测器与果实一直接触，直到电位计检测到果实与果梗之间连接点，完成检测，安装在检测器下方切刀用安装在检测器下方切刀用12N12N力将果梗切断。力将果梗切断。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第39页（3 3）视觉系统）视觉系统 因为黄瓜果实与茎叶颜色相同，该机器人采取远红外传感因为黄瓜果实与茎叶颜色相同，该机器人采取远红外传感器检测黄瓜距离，并利用黄瓜与茎叶不一样光反射波长进行检器检测黄瓜距离，并利用黄瓜与茎叶不一样光反射波长进行检测。这里采取带有测。这里采取带有550550和和850nm850nm过滤器黑白摄像机，利用两个不过滤器黑白摄像机，利用两个不一样过滤器得到两个图像，按下述公式计算：一样过滤器得到两个图像，按下述公式计算：因为果实在因为果实在850nm850nm反射强，使果实图像灰度值增大，而其反射强，使果实图像灰度值增大，而其它对象在它对象在850nm850nm反射比较弱，这么能够很轻易区分有阴影果实反射比较弱，这么能够很轻易区分有阴影果实阀值，经过比较两个果实阀值，经过比较两个果实R R值，就能够判断哪个果实距离更近。值，就能够判断哪个果实距离更近。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第40页（4 4）作业流程）作业流程 该收获机器人收获流程框图如图所表示。机器人采取三维视觉传感器，该收获机器人收获流程框图如图所表示。机器人采取三维视觉传感器，获取果实位置。张开手爪抓住果实，检测和切断机构上升，直至检测出果获取果实位置。张开手爪抓住果实，检测和切断机构上升，直至检测出果梗位置，判断出果梗直径是否小于梗位置，判断出果梗直径是否小于6mm6mm。若小于。若小于6mm6mm，检测机构停顿上升，检测机构停顿上升，切断机构闭合，切断果梗，把持机构闭合，检测切断机构下降，结束作业。切断机构闭合，切断果梗，把持机构闭合，检测切断机构下降，结束作业。若果梗直径大于若果梗直径大于6mm6mm，重新检测果梗位置。，重新检测果梗位置。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第41页3 3荷兰黄瓜收获机器人荷兰黄瓜收获机器人荷兰黄瓜种植面积和产量大，人工收获费用占整个温室黄瓜生荷兰黄瓜种植面积和产量大，人工收获费用占整个温室黄瓜生产费用产费用50%50%，所以迫切需要自动收获。荷兰农业环境工程研，所以迫切需要自动收获。荷兰农业环境工程研究所研究出一个多功效模块式黄瓜收获机器人。究所研究出一个多功效模块式黄瓜收获机器人。（1 1）黄瓜生长系统）黄瓜生长系统荷兰黄瓜采取新型高拉线种植模式，每一株植物在垂直拉线上，荷兰黄瓜采取新型高拉线种植模式，每一株植物在垂直拉线上，该垂直拉线绕在一个线轴上，线轴固定在该垂直拉线绕在一个线轴上，线轴固定在4m4m高水平拉线上。高水平拉线上。当植物顶部抵达水平拉线时，经过线轴将垂直拉线往下放，当植物顶部抵达水平拉线时，经过线轴将垂直拉线往下放，使作物顶部下降至水平拉线下方使作物顶部下降至水平拉线下方500mm500mm处，在降低植物高度处，在降低植物高度之前，应将植物底部叶子摘掉。之前，应将植物底部叶子摘掉。（2 2）自走式黄瓜收获机器人）自走式黄瓜收获机器人自走式黄瓜收获机器人由自走式黄瓜收获机器人由4 4部分组成：行走车、机械手、视觉系部分组成：行走车、机械手、视觉系统和末端执行器组成。统和末端执行器组成。第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第42页4 4日本东京大学研制黄瓜收获机器人手爪日本东京大学研制黄瓜收获机器人手爪第6章 生物生产机器人6.3 6.3 应用实例应用实例第43页5 5 黄瓜等级级别黄瓜等级级别 为提升黄瓜商品价值，有必要对黄瓜进行分级。黄瓜属为提升黄瓜商品价值，有必要对黄瓜进行分级。黄瓜属于长型瓜类，人工分级时主要以瓜均匀性、长度、直径等作于长型瓜类，人工分级时主要以瓜均匀性、长度、直径等作为评价指标。日本经济农业协同连合会制订出了黄瓜等级标为评价指标。日本经济农业协同连合会制订出了黄瓜等级标准，黄瓜品质等级分为准，黄瓜品质等级分为A A、B B、C C级级3 3个等级：个等级：A A级形状匀称，级形状匀称，弯度不超出弯度不超出1.5cm1.5cm，色泽和鲜度品质良好，无病虫害；，色泽和鲜度品质良好，无病虫害；B B级形级形状较为均匀，弯度不超出状较为均匀，弯度不超出3cm3cm，
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