杨梅采摘机器人轮式移动平台设计【文献综述】

毕业论文文献综述机电一体化杨梅采摘机器人轮式移动平台设计1、研究背景及意义我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，可预计农业劳动力将逐步向社会其它产业转移，实际上进人21世纪后，我们将面临着比世界任何国家都要严重的人口老化的问题，农业劳动力不足的问题将逐步变为现实[1]。

因此对于农业机器人的研究就刻不容缓，特别在水果，蔬菜等方面，这类农作物的种植面积和产量逐年提高。

据统计，2002年中国果品种植面积893万h㎡，产量6225万t，占世界果品产量的l3% 。

蔬菜种植面积1523万h㎡，产量4．24亿t，占世界蔬菜总产量的4O％。

在果实类的水果和蔬菜生产中，需要人工不定时的对果实进行成熟度判断和收获，并不时地移动梯子登高或弯腰。

因此收获作业是一项劳动强度大、消耗时间长、具有一定危险性的作业[2]。

与此同时，采摘作业质量的好坏还直接影响到产品的后续加工和储存。

如何以低成本获得高品质的产品是水果生产环节中必须重视和考虑的问题。

由于采摘作业的复杂性。

采摘自动化程度仍然很低。

目前国内水果采摘作业基本上都是手工进行，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样会大大降低产品的市场竞争力[3]。

所以研究开发适合目前生产实际的果蔬果实收获机器人不仅可以在很大程度上减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的市场应用前景。

特别的，针对采摘机器人，其具有的一般特点有：1)作业对象的娇嫩性和复杂性；：生物具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。

且其形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大；2)作业环境的非结构性；：由于农作物随着时间和空间而变化，工作环境是变化的、未知的，是开放性的。

作物生长环境除受地形条件的约束外，还直接受季节、天气等自然条件的影响。

这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应变化无常的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有相当的智能；3)作业动作的复杂性；：农业机器人一般是作业、移动同时进行，农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围，较长的距离及遍及整个田间表面等特点4)操作对象和价格的特殊性：农业机器人操作者是农民，不是具有机械电子知识的工程师，因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业机器人以个体经营为主，如果不是低价格，就很难普及[3]。

因此针对采摘机器人的以上特点，研制和开发一个简单，紧凑，轻巧，灵活，承载能力好的移动平台是非常必要的。

2、国内外研究现状一个完整的移动采摘机器人是由许多子系统组成的，如图1所示[4]。

图1 移动采摘机器人的系统组成可以看出，移动机构是采摘机器人运动的基础。

当前，农业移动机器人大体分为两类：一是在大面积农田或山林的室外型，一类是在大棚温室或设施内作业的室内型。

不论哪一类，绝大多数都需要移动作业。

由于采摘对象的复杂性和环境的非结构化，移动机器人的平台设计也呈现出多样性。

移动机器人按照行走机构一般可分为车轮式、履带式、轮--履带式和步行结构4种。

2.1轮式行走机构车轮式行走机构最简单，应用也最为广泛。

目前轮式移动机器人研究已取得的成果，按车轮数目对地面移动机器人进行了归类，单轮滚动机器人、两轮移动机器人、三轮及四轮移动机器人[5]。

在农业中，常见的有四轮或三轮式机器人。

国际上一些发达国家，从上世纪80年代起，纷纷重视农业机器人的研究开发，特别是日本，由于其老龄化社会现实和农业劳动力的不足，促使其开发出一系列的农用机器人。

这些机器人大都以移动车体作为行走平台，并且以两轮驱动最为常见。

如图2所示为日本的N．Kondo等人研制的番茄收获机器人[6][7]。

图2 番茄收获机器人此行走机构有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，转动后再继续前进。

轮式移动机器人虽然具有运动稳定性与路面的路况有很大关系、在复杂地形如何实现精确的轨迹控制等问题，但轮式移动机构仍具有明显的优势，轮式移动机构自重轻，承载能力大，移动速度快，能耗较小，并且由于轮式移动机构控制简单，运动较稳定，能源利用率高，现今正向实用化迅速发展[4]。

2.2履带式行走机构从20世纪80年代起，国外就对小型履带式机器人展开了系统的研究，比较有影响的是美国的Packbot[8]机器人、URBOT、NUGV和talon[9]机器人。

此外，英国研制的Supper Wheelbarrow排爆机器人、加拿大谢布鲁克大学研制的AZIMUT机器人[10]、日本的Helios VII机器人[11]都属于履带式机器人。

我国对履带式机器人的研究也取得了一定的成果，如沈阳自动化研究所研制的CLIMBER机器人[12]、北京理工大学研制的四履腿机器人[13]、北京航空航天大学研制的可重构履腿机器人等。

履带式移动机器人具有以下特点[14]：(1)支撑面积大，接地比压小，适合于松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，越野机动性能好。

(2)履带支撑面上有履齿，不易打滑，牵引附着性能好，有利于发挥较大的牵引力。

(3)具有良好的自复位和越障能力，带有履带臂的机器人还可以像腿式机器人一样实现行走。

同轮式移动机构相比，履带式行走机构由于其接地面积大，附着能力强，可以减少对土壤的碾压，对地面的适应性好，具有更好的通过性，配上各种农具可在湿烂田进行大部分农田作业，但由于转弯半径大，因此转向不灵活。

在行走空间受到限制的场合，就不能选择这种移动机构。

目前只有葡萄采摘机器人使用履带式行走机构。

和轮式行走机构一样，履带行走机构的结构简单、驱动较容易[4]。

2.3轮-履带式行走机构鉴于轮式和履带式移动机构的优缺点，机器人移动方式还有一种轮-履带式行走机构，这种机构在兼顾了前两者的优点的同时，还开发出了摆臂的新功能，已逐渐成为现代地面移动机器人的发展趋向。

如图3所示[15]为一种轮履复合式行走机构农业机器人平台，其目的是保证农业机器人在平坦路面快速行驶的同时，又能适应复杂的农田行走环境。

图3 农业机器人平台如图3所示，农业机器人平台由摆臂履带l、前行走轮2、行走履带3、机体4、后行走轮5、摆臂7等组成。

6为加装在机器人平台上的不同作业机具。

摆臂可以绕前轮轴心转动，通过控制摆动关节角形成不同的运动姿态，以适应不同的环境变化。

农业机器人平台在平坦的路面上行驶时，采用四轮着地运动模式。

该模式具有普通轮式机器人的运动特性，可以前进、倒退、转弯，并具有摩擦阻力小、能耗低、运动灵活平稳、工作空间小等特点，能实现农业机器人平台在平坦路面上长距离运动要求，保证其快速、高效地进入工作地点。

农业机器人平台另一种运动模式是四轮着地、履带辅助行驶。

此种模式主要用于农业机器人平台通过松软或凹凸不平的地形，此时，行走履带根据道路凹凸不平的实际情况，自动辅助行走轮驱动农业机器人平台前进。

农业机器人平台的第三种运动模式是攀爬台阶或通过沟壕时，两个前臂下摆，摆臂履带与障碍物表面接触，与行走轮或行走履带共同驱动农业机器人平台前进。

此种模式加大了农业机器人平台与地面的接触跨距，增加了行走机构与地面的接触长度，增多了接触点。

但是类似这样的复合式机器人虽能适应复杂环境或某些特殊环境，如管道，有的甚至还可以变形，但其结构及控制都比较复杂[15]。

2.4步行机构机器人采用两腿行走，一直是人类的梦想。

两腿行走，无论是对地面环境的适应性还是躲避障碍物的能力，都是轮式、履带或轮一履带结构所无法比拟的[3]。

在国内，对多足步行机器人的研究是在20世纪80年代末90年代初起步的，近些年来，多足步行机器人技术也有了较大的发展。

中国科学院长春光学精密机械研究所、中国科学院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交通大学等单位和院校都先后开展了多足步行机器人技术的研究[16]。

其中比较有代表性的有上海交通大学研制的小型六足仿生机器人[17]，中国科学院沈阳自动化所成功研制了水下全方位六足步行机器人LR一1。

清华大学开发了“DTWM”——框架式双三足步行机器人、五足爬杆机器人[18]。

上海交通大学祝捷等人研究的SMA 驱动的微型双三足步行机器人[19]等等。

但是这样的移动机器人目前仍处于试验研究阶段，特别是开发适合复杂的农田地面的步行机构还存在很多的困难。

同时类似与人腿的步行机构也存在不足之处，步行机器人虽能够满足某些特殊的性能要求，能适应复杂的地形，但多足步行机器人研究平台的承载能力不强[20]，从而导致它们没有能力承载各种必需的设备。

并且，多足步行机器人虽有很好的地面适应能力，但在某些地貌，其行走效率很低，而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏。

再者，其结构自由度太多、机构复杂，导致难于控制、移动速度慢、功耗大[5]。

因此，这些不足之处将使其应用于农业领域带来的很多困难。

不过，可以相信，随着控制技术的进步，步行机器人将会得到很广泛的应用。

3、发展趋势综上所述，农业机器人移动机构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性，在满足机器人性能的前提下，结构要求尽可能简单、紧凑和轻巧，能适应相应的农业地形，并且还要尽可能保障机器人运动平稳和灵活避障。

在这点上轮式移动机器人具有优势，由于其具有自重轻、承载大、机构简单、驱动和控制相对方便、行走速度快、机动灵活、工作效率高等优点，现今正向实用化迅速发展。

履带式移动机构由于支承面积大，接地比压小，比轮式机构更适合松软或泥泞的农田，但其结构复杂，重量大，运动惯性大，减振性能差，零部件易损坏[21]，因此在水田地区可以考虑采用这种移动机构作为开发农业机器人的移动平台。

轮-履带式行走机构虽有其独特的优点，但其结构相对复杂，机械结构较大，灵活性不够。

而对于步行机构，虽然研究较多，但大多处于试验阶段，特别是对于步行机器人的动平衡问题和承载力的问题，目前正在发展和完善中，将其应用于农业方面还存在较多的困难。

4、结束语各类机器人的移动平台都有各自得优缺点，受到现有技术水平的限制，以上缺点不可能马上得以解决。

因而这些移动平台应用到采摘机器人上必会影响采摘效率和采摘成功率。

对此，可以采取人机协作的形式，在某些移动轨迹不需要很精确的地方而平台承载的设备较重时（例如，在山林里采摘水果），可以采取轮式移动平台，其移动轨迹由人操纵。

如此人机协作，在现有技术水平的前提下，合理定位采摘机器人的智能化程度，不仅提高了机器人的采摘效率和成功率，还能大幅度降低系统的成本，有利于尽早实现采摘机器人的产业化。

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