农业生产机械化果蔬采摘机器人国内外研究现状.doc

《农业生产机械化》课程论文

论文题目：果蔬采摘机器人国内外研究现状

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果蔬采摘机器人国内外研究现状
摘要
本文描述了什么是果蔬机器人，果蔬采摘机器人的作用以及国内外果蔬采摘机器人的研究现状并对其作以评价。
关键词：果蔬采摘机器人 国内外 研究现状
Fruit and vegetable picking robot research status at home and abroad
Abstract
In this paper, What fruit and vegetable is robot are described in this paper, the effect of harvesting robot, and the research status of fruit and vegetable picking robot at home and abroad and its evaluation.
Keywords: fruit and vegetable picking robot research status at home and abroad

农业是国民经济的基础, 这是不以人们意志为转移的客观经济规律。农业生产力发展的水平和农业劳动生产率的高低, 决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力的数量, 进而制约着这些部门的发展规模和速度。只有农业发展了, 国民经济其他部门才能得以进一步的发展。[1]农业机械化是农业现代化的中心环节, 它凝聚着现代科学技术的最新成果, 并配合农业生物等农业技术, 成为发挥增产作用的基本手段和提高劳动生产率、减轻繁重体力劳动的必要条件和根本途径, 从而带来生产力的质的飞跃。
农业机械化是现代农业的重要组成部分[2]：农业机械化就是农业劳动者在进行农业生产过程中，利用机械化代替手工和畜力作业，减轻农业劳动者的劳动强度，从而提高劳动生产效率。农业机械化是建设现代农业的客观要求，现代农业和农村经济结构较之过去有了大的调整，不再是过去的单一经济形式，而是大力发展特色农业、畜牧业等多种经济形式。农业机械化为建设现代农业提供有力的物质技术保证，农业机械在农业生产中的应用，不但突破传统农业生产模式的限制，把人从大量繁重的手工体力劳动中解脱出来，而且实现了人工所不能达到的现代科学农艺要求，提高了农业生产水平。[3]农业机械化为农产品的专业化、商品化生产提高了可能，为农业生产的专业化、规模化奠定了基础，同时农业机械化的发展拓宽了现代农业生产的广度和深度，使农村的二、三产业得到发展，农业生产链得到延长。
果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节，其成本高，需要大量的劳动力高强度的工作，但是由于工业生产化的一迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因，使得能够从事农业生产的劳动力越来越少了，单靠人工劳动已经不能满足现状的需要。为解决农业采摘中的实际问题，果蔬采摘机器人的研究与应用已成为一种迫切需要。
果蔬机器人是一类针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成采摘等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统【1】，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于一体的交叉边缘性科学，需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算机处理等多方面学科领域知识【2】。采摘机器人在解决劳动力不足，降低工人劳动强度，提高工人劳动舒适性，减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力多方面具有很大作用。
首先，谈谈国内果蔬采摘机器人的研究现状：
我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期，虽然与发达国家还有很大的差距，但是在不少院校和研究学者的努力下也取得了一定的进展。中国农业大学的汤修映等人研制了一个6自由度黄瓜采摘机器人，该机器人基于RGB三基色模型的采摘点。同时提出了新的适合自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。孙明等人为苹果采摘机器人开发了一套果实识别视觉系统，并研究成功了一种使二值图像的像素分割正确率大于80%的彩色图像处理技术【3】。
东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人【4】，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片控制系统组成。浙江大学提出了基于彩色信息和红外热成像技术的树上水果识别方法。并且对7自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化。南京农业大学的姬长英等人在番茄采摘中运用了双目立体视觉技术对红色番茄进行定位。上海交通大学的曹其新等人运用了彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人【5】。江苏大学的陈树人和尹建军等提出了基于彩色柱状图算法的番茄采摘机器人视觉系统。赵杰文等研究了基于HISS颜色特征的田间成熟番茄识别技术【6】。
再次，谈一下国外果蔬采摘机器人的研究现状：
首次应用机器人技术进行果蔬采摘的是美国学者Schertz和Brown于1968年提出的【7】，但是当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械。随着计算机图形处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作，并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性，目前市场上任然没有商品化的采摘机器人。
蘑菇机器人：英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人【8】，它可以自动检测蘑菇的位置，大小，并选择性地采摘和修剪。它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器。采摘速度为1.5g/个，成功率约为75%。
甜瓜收获机器人：以色列和美国联合研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上，采用黑白图像处理技术的方法进行甜瓜的识别和定位，并根据甜瓜的特殊性来增加识别的成功率。试验表明。该机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作【9】。
苹果采摘机：该采摘机机械手具有4自由度，工作空间可以达到3m。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实，识别率达85%。该机器人末端执行器下方装有果实收集袋，缩短了从摘取到放置的时间，提高了采摘速度。缺点是该机器人无法绕过障碍物采摘苹果，也没有给出完全被茎叶遮盖的苹果的识别和采摘方法【10】。
西红柿采摘机器人：1993年，日本近腾等人研制出一台具有7自由度的西红柿收获机器人。该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成。末端执行器有两个机械手指和一个吸盘组成。通过彩色摄像机来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位。采摘时，4轮行走机构行走指定的距离后，进行图像采集，利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息，判断西红柿是否符合收获标准，如果符合，则控制吸盘把果实吸住，再由机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。该采摘机器人的采摘速度约为15g/个，成功率约为70%。该机器人存在的问题是有些被叶茎遮挡的成熟西红柿没有被成功摘取。
2004年，美国加利福尼亚西红柿机械公司在当地农业博览会上展出2台全自动西红柿采摘机。该采摘机长12.5m,宽4.3m，每分钟可采摘1g多西红柿。这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶搁到后卷入分选仓，分选设备挑选出红色的西红柿，并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内，然后将未成熟的西红柿连同枝叶一道粉碎喷洒在田里做肥料【11】。
柑橘采摘机：西班牙自动化研究所基于人机协作思想研究出一种柑橘采摘机器人该机器人主体装在拖拉机上，有机械手、彩色视觉系统和超声传感定位器组成。它能通过柑橘的颜色、大小和形状来判断柑橘是否达到采摘标准，还可以按照色泽、大小进行分级装箱。该机器人采摘速度为1s/个。这个机器人的特点在于：采摘机器人寻找、定位待栽果实以及机器人导航任务由人来完成，机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的采摘效率好成功率，还能大幅度降低系统成本，有利于尽早实现采摘机器人的产业化【12】。
草莓采摘机器人：日本近腾等人研制出一种气吸式草莓采摘机器人。实验证明利用真空设备可以有效的补偿摄像机检测果实的位置误差，并且最大程度减少了跟果实娇嫩表皮的接触。该机器人对成熟果实也会随着目标果实被吸起，因此需要控制真空吸力的强度等方面进行改进【13】。
甘蓝采摘机器人：日本国立农业研究中心的Murakami等人研制了甘蓝采摘机器人【14】。该机器人由极坐标机械表、手指的末端执行器、履带式行走装置和机器视觉系统组成。整个系统采用减压驱动，系统利用人工神经网络算法提取果实的二值图像，采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。采用速度为55g/个，成功率为43%。
从国内外果蔬采摘机器人的研究现状来看，目前果蔬采摘机器人的研究正处于一种由试验阶段向实用推广阶段的过度时期，我国在这方面的研究更只是只处于起步阶段。要想让采摘机器人真正造福于人，必须进行更深入广泛的研究，改进目前采摘机器人存在的问题与不足，研究开发采摘机器人的新功能新特点。
参考文献：
[1 ]Edan Y ,Caines E.Systems engineering of argicul-tural ro-bot design[J].IEEE Transaction on Systems,Man,and Cybernectica,1994,24(8):1259-1265.
[2]汤修映，张铁中，果蔬收获机器人研究综述[J].机器人。2005.27(1):90-95.
[3] 周天娟，张铁中，果实采摘机器人技术研究进展和分析[J]。中国农机化，2002（5）:45-47.
[4]陆怀民。林木球果蔬采摘机器人的开发与应用[J].中国农机化，2002(5);45-47.
[5 ]曹其新，吕恬生，永田雅辉等，草莓拣选机器人的开发[J]。农业机械，2006（22）：38-39.
[6]赵杰文，刘木华，杨国斌，基于HIS颜色特征田间成熟番茄识别技术[J]。农业机械学报，2004，,35（5）：122-124.
[7] Harrell R C ,Adsit P D ,Pool TA,etAL.Design and imple-mentation of and mided fruit-harvesting Robot[J].Industri-al Robot,1998,25(5)；337-346.
[8]赵匀，武传宇，胡旭东等农业机器人的研究进进展分析 [D].北京：中国农业大学，2006.
[9] Edan Y ,Rogoizn D Flash T ,et al .Robotic melon harves-ting[J].Roboties an Automation,2000,16(6):831-835,
[10]Kondo N ,Ting K C.Robties for Bio prodcction system [M]New York:ASAE Publication,1998.
[11] 赵金英，基于三维机器视觉的西红柿采摘机器人技术研究[D]。北京：中国农业大学2006.
[12]胡桂仙，于勇，王俊。农业机器人的开发与应用[J].中国农机化，2002（5）：45-47.
[13] 周天娟，张铁中，果实采摘机器人技术研究进展和分析[D]。北京农业大学，2006.
[14]MurakamiN,InoueK,OtsukaK.Selective harvesting robot of cabbage [J].JSAM,1995(2):24_31.目 录
第一章 总论 1
1.1项目名称与承办单位 1
1.2研究工作的依据、内容及范围 1
1.3编制原则 3
1.4项目概况 3
1.5技术经济指标 5
1.6结论 6
第二章 项目背景及建设必要性 8
2.1项目背景 8
2.2建设的必要性 9
第三章 建设条件 11
3.1项目区概况 11
3.2建设地点选择 错误！未定义书签。
3.3项目建设条件优劣势分析 错误！未定义书签。
第四章 市场分析与销售方案 13
4.1市场分析 13
4.2营销策略、方案、模式 14
第五章 建设方案 15
5.1建设规模和产品方案 15
5.2建设规划和布局 15
5.3运输 18
5.4建设标准 18
5.5公用工程 20
5.6工艺技术方案 21
5.7设备方案 21
5.8节能减排措施 24
第六章 环境影响评价 25
6.1环境影响 25

6.2环境保护与治理措施 26
6.3评价与审批 28
第七章 项目组织与管理 29
7.1组织机构与职能划分 29
7.2劳动定员 29
7.3经营管理措施 30
7.4技术培训 30
第八章 劳动、安全、卫生与消防 31
8.1编制依据及采用的标准 31
8.2安全卫生防护原则 31
8.3自然灾害危害因素分析及防范措施 32
8.4生产过程中产生的危害因素分析及防范措施 32
8.5消防编制依据及采用的标准 34
8.6消防设计原则 35
8.7火灾隐患分析 35
8.8总平面消防设计 35
8.9消防给水设计 36
8.10建筑防火 36
8.11火灾检测报警系统 37
8.12预期效果 37
第九章 项目实施进度 38
9.1实施进度计划 38
9.2项目实施建议 38
第十章 项目招投标方案 40
10.1招标原则 40
10.2项目招标范围 40
10.3投标、开标、评标和中标程序 40
10.4评标委员会的人员组成和资格要求 42
第十一章 投资估算和资金筹措 43
11.1投资估算 43
11.2资金筹措及使用计划 45
第十二章 财务评价 47
12.1费用与效益估算 47
12.2财务分析 48
12.3不确定性分析 49
12.5财务评价结论 50
第十三章 建设合理性分析 51
13.1产业政策符合性分析 51
13.2清洁生产符合性分析 51
13.3规划符合性分析 51
13.4项目建设环保政策符合性分析 51
13.5环境承载性分析 51
13.6结论 52
第十四章 结论与建议 53