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浅谈国内外采摘机器人
 

                           浅谈国内外采摘机器人


随着新农业生产模式和新技术的发展与应用,农业机器人逐步迈向农业生产主力军的行列。采摘机器人作为农业机器人的重要类型,具有很大的发展潜力。当前,国外农业机器人发展迅速,国内同类产品迅速跟进,现已取得阶段性成果。

美国是最早进行采摘机器人研究的国家。1968年,美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人进行果蔬采摘的思想,1983年,第一台采摘机器人在美国诞生,此后的30多年里,美国、英国、法国、荷兰、比利时、以色列、日本、韩国等国家相继展开了各种采摘机器人的研究和开发,涉及到的研究对象主要有苹果、柑橘、草莓、葡萄、西瓜、黄瓜、番茄/樱桃番茄、茄子、甘蓝、生菜、莴苣、蘑菇等。

                             葡萄采摘机器人

在美国,佛罗里达大学进行了橙子采摘机器人的研究。甜橙采摘机器人最新的设计提议是采用两个相对独立,有不同功能特点同时又能相互配合无间的机器人,第一个机器人负责寻找和发现各个甜橙的位置,并计算最有效率的采摘路径,将信息和数据传至第二个机器人,第二个机器人负责在不损坏甜橙树的情况下得到果实。

                           甜橙采摘机器人

Energid公司获得美国农业部的资助正在开发一种收获柑橘的机器人。该公司所开发的机器人具有机器视觉和操作的能力,适用于收获柑桔、苹果等。该公司的方案结合了机器人的智能和批量收获的经济性,使用一种低成本的机制,通过视觉传感器和高速的计算机进行信息处理和控制。水果摘取的末端执行器为一次性使用,可快速更换,维修费用低廉。该系统可以远程控制,系统的设计目标是每秒钟摘取32个水果,持续摘取16次,留在树上的水果将少于4%。该水果采摘系统有多个网格盘,每个网格盘有16个气动驱动采摘装置,通过许多相机的视觉反馈,引导采摘装置末端执行器剪断水果的茎。

日本在采摘机器人的研究方面进展很快。如由日本久保田试验开发的柑橘采摘机器人。因为柑橘树很大,该机器人在移动台车上安装了可升降悬臂,在悬臂前端的基座平台上安装机械臂。机械臂为三自由度垂直多关节型,小臂和大臂等长,末端执行器像直动关节一样沿直线运动。采用这样的机构,机械臂不会像一般极坐标型关节一样伸向背后,从而避免了与背后的果树发生干扰。工作时频闪光源发光,末端执行器内部的摄像机开始采集图像,检测果实,然后机械臂靠近果实,用吸盘吸引目标果实,将目标果实吸入梳状罩,使其和其他果实分开,由理发推子形状的切刀将果梗切断。

日本冈山大学研制了高架栽培草莓采摘机器人。采用三自由度直角坐标型机械臂作业,也有两种末端执行器:旋转式末端执行器为了补偿视觉传感器的位置误差,采用了送风机吸引的方法收获,可收获不同大小的果实。为判断果实是否被吸引进来,采用了三组光电阻断器,通过吸盘旋转,将果梗送到切刀的位置切断。收下的果实在送风机引力作用下通过管道,落入果盘。试验结果表明,该机器人采摘一个果实,作为目标的果实能够全部采摘,但是采摘时连同未成熟果实一起一次收获多个果实的情况有50%。后又经试验,钩式末端执行器在机构上方安装了钩子,可以把目标果实拉住继而进行采摘,所以将邻近果实一起收下来的情况基本没有。

                            苹果采摘机器人

在我国,现已自行研制了苹果采摘机器人,该机器人主要由两部分组成:两自由度的移动载体和五自由度的机械手。移动载体为履带式平台,加装了主控PC机、电源箱、采摘辅助装置、多种传感器;五自由度机械手由各自的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定于机械臂上。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。

由于苹果采摘机器人工作于非结构性、未知和不确定的环境中,其作业对象也是随机分布的,所以加装了不同种类的传感器以适应复杂的环境。采用的传感器分为视觉传感器、位置传感器和避障传感器三类。其中视觉传感器采用Eye—in—hand安装方式,完成机器人或末端操作器与作业对象之间相对距离,工作对象的品质、形状及尺寸等任务。位置传感器包括安装在腰部、大臂、小臂旋转关节处和直动关节首尾两端的8个霍尔传感器,以用来控制旋转关节的旋转角度和直动关节的直行进程,另外还包括末端执行器上的2个切刀限位开关和用于提供所采摘苹果相对于末端夹持机构位置信息的两组红外光电对管。避障传感器包括安装在小臂上、左、右三个方向上的五组微动开关和末端执行器前端的力敏电阻,以求采摘机器人在工作过程中能够有效躲避障碍物。


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