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国际竞争力有着重要的意义。

1.2 农业采摘机器人的特点

(1) 作业对象的非结构性和不确定性； (2) 作业对象的娇嫩性和复杂性； (3) 良好的通用性和可编程性； (4) 操作对象和价格的特殊性。

果树采摘机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。

1.3 农业采摘机器人国内外研究进展

(1) 国外研究进展

① 日本的西红柿采摘机器人

日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，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。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且坚硬的机械爪容易造成果实的损伤。

日本冈山大学的Kondo等人研制的番茄采摘机器人，由机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，如图1-1所示。用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统，寻找和识别成熟果实。由于番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能够灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器设计有2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在田间自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是15s/个，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化。

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图1-1 番茄采摘机器人结构简图

S1—前后延伸棱柱关节；S2—上下延伸棱柱关节；3、4、5、6、7—旋转关节 ② 日本的茄子采摘机器人

日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。机器人由CCD机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照V形生长方式种植的茄子。该机器人的末端执行器设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器，如图1-2所示。工作中，利用模糊视觉反馈系统引导末端执行器靠近果实，完成采摘作业。在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5%，工作速度为64.1s/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确；同时，视觉系统占用了72%的工作时间(46.1s)，也是影响采摘效率的主要因素。

图1-2 茄子采摘机器人末端执行器原理图

1—光电传感器；2—引导杆；3—橡胶手爪；4—摄像机

(2) 国内研究进展

国内在农业机器人方面的研究始于20 世纪90 年代中期，相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学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，

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如图1-3所示。采摘时，机器人停在距离母树3～5m处，操纵机械手回转马达对准母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.5～2m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效率是500kg/天，是人工的30～50倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。

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图1-3 林木球果采摘机器人原理图

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第二章 农业采摘机器人研究存在的问题与解决方法

2.1 存在的技术难题

采摘机器人要真正达到代替人类完成采摘任务，并且实用化、普及化，需要解决如下技术难题：

(1) 果实的识别率和采摘率不高问题； (2) 果实的平均采摘周期较长问题； (3) 采摘机器人的制造成本较高问题。

2.2 技术难题解决方法

在果蔬采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，特别是存在光照条件的不确定性和果实部分或完全遮挡问题，采摘对象的智能化识别和定位问题还需要进一步研究。方法如下：

(1) 开发智能化的图像处理算法； (2) 视觉传感器与非视觉传感器融合； (3) 采用主动光源的视觉系统；

(4) 改变作物的培育模式； (5) 采用开放式控制系统。

2.3 本设计主要研究内容

(1) 研究果树采摘机器人的发展及现状；

(2) 研究果树采摘机器人的机械结构；

(3) 研究果树采摘机器人运动学、动力学方程； (4) 研究运动正解与反解建模方法。

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第三章 果树采摘机器人机械结构

果树采摘机器人主要包括两部分：两自由度的移动载体部分和五自由度机械手部分。移动载体为履带式底盘，加装了工控机、电源箱、采摘辅助装置、多种传感器；五自由度机械手为自行设计，由相应关节驱动装置进行驱动。此开链连杆式关节型机器人，机械手固定在履带式行走机构上，采摘机器人机械臂为PRRRP结构，作业时直接与果实相接触的末端操作器固连于机械臂末端，机械结构如图3-1所示。

图3-1 果实采摘机器人机械结构示意图

机械臂第一个自由度为升降自由度，中间三个自由度为旋转自由度，第五个自由度为棱柱关节。第一个自由度主要是起抬升机械臂的作用，第二个自由度带动机械臂绕腰部旋转；第三、四个自由度是旋转轴，起升降末端操作器的作用，中间二、三、四自由度能够实现末端操作器在工作空间中朝向于任意方向；第五个自由度是伸长自由度，根据机器人控制指令，将末端操作器送到作业对象的位置，实现果实的采摘，采摘机器人基本框图如图3-2所示。

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