开放式近地面蔬收获机器人及其关键技术研究可行性研究报告_

开放式近地面果蔬收获机器人关键技术研究可行性研究报告毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日1．项目概述开发农业机器人是21世纪农业机械自动化和智能化的发展趋势之一。

用于采摘、收获、修剪、耕耘、嫁接和农产品分级等方面的各具特色的农业机器人已在许多国家得以研究和开发应用。

但这些农业机器人只是具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下，间接地增加了成本。

因此，研究具有通用性、适应性强、可扩展的和低成本的开放式农业机器人是农业机器人走向实用普及的重要举措之一。

将农业机器人应用于农业生产，不仅需要能提高劳动生产率，合理利用劳动力资源，而且还能改善农业的生产环境，提高作业质量等。

但是，农业机器人所具有的作业对象的娇嫩性和不确定性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性、操作对象与价格的特殊性等特点，需要农业机器人具有高度的智能系统，实现最佳的作业内容与作业方法；需要其结构简单，价格合理，便于操纵与推广使用；需要其具有较强的适应性，符合农业生产的多样性与作业对象的多变性等要求。

目前，农业机器人的实现方式主要体现为2种，一种是利用现有的工业机器人实现具体的农业生产作业，另一种是研制专用机电系统的农业机器人来实现具体的农业人生产作业。

而已经开发出来的农业机器人主要分为两大类，一类为行走系列机器人，其主要目标是自助行走，边行走变作业，技术比较成熟，此类机器人有自行走耕耘机器人、施肥机器人、和除草机器人等；另一类为机械手系列机器人，其作业对象是果实、家畜等离散个体，由于作业对象的基本形态特征和力学特征的不用，对机器人的目标识别技术和机械手的控制技术有很高的要求，此类机器人主要有嫁接机器人、采摘机器人和移栽（育苗）机器人等。

但这些机器人由于仅仅是为解决专门农业生产中的自动化与智能化而研制的，因而只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下，间接地增加了农业生产成本。

国内外对适用于农作物不同生产任务的开放式机器人的研究较少，仅有M等与anontaV entenH等开展了相关工作的研究。

尽管研究不多，但这类机器人的开发，特别是针对具有类似工作条件、易于操作转换的开放式农业机器人而言具有广阔前景。

笔者主要针对近地面果蔬的除草、喷药、喷水和采摘等作业任务，分析开放式农业机器人的特性要求与关键技术。

本项目的研究具有先进性和综合性的特点，将在末端执行器的更换和开放式系统的研究上取得重要突破，具有重要的理论与应用价值。

项目研究内容将直接应用于农业生产领域，项目研究成果将有力促进我国农业现代化的科技水平与发展进程。

2.必要性、可行性和重大意义2．1 必要性（1）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，农业劳动力必将逐步向社会其它产业转移，可以预计进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力将严重短缺。

（2）在农业生产项目中，许多环节如水果、蔬菜的采摘与挑选等都是劳动密集型工作，再加上农业季节性强的特点，使得果蔬采摘既耗时又费力，且效率低下，采摘成本占整个生产成本的很大部分。

（3）现在各国已研发出各种不同功能的农业机器人，但这些机器人大都只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于农业季节性问题导致农业机器人的使用效率低下，间接的增加了成本，这也是农业机器人无法普及的主要原因。

（4）目前，已在应用的农业机器人均以CCD摄像机作为视觉传感器，易受自然环境的干扰，可靠性不高；此外，因为现代控制算法的封闭式局限，使得农业机器人控制较为复杂，加上农民的文化素质普遍较低，所以可操作性较低。

（5）现有的农业机器人大都是专用的机电系统，而专用机电系统存在着通用性、可扩展性差的问题，如用采摘西瓜的机器人采摘苹果，那么从末端执行器、机械部分、控制部分至传感器部分都要换，这意味着又重设计了一个新的机电系统。

使得农业机器人的开发周期较长，成本较高，不利于推广和普及。

这些问题严重影响着农业生产现代化的工作进程，劳动力的日益萎缩，劳动生产率一直无法快速提高，都是我国农业发展亟待解决的重点问题，给农业机器人的推广和普及带来极大的障碍。

这些问题同时严重的阻碍农业机器人研究工作的高速发展，致使国民经济增长受到极大拖累。

因此，开展开放式农业机器人的关键技术研究，解决现有系统存在的问题，是十分必要的。

2．2 可行性（1）21世纪，随着工业现代化进程不断加快，农业现代化也取得了长足进步，国家“十二五规划”表明了我国要进一步实现现代化的决心，开发农业机器人已是农业现代化的必然趋势。

国家已设置现代农业产业化与农业科技攻关专项，加快发展现代农业，提高农业综合生产能力，完善现代农业体系。

为农业机器人的研发提供了政策和资金的保证。

（2）现代农业机器人大多是在已有的工业机器人技术基础之上，配以农业特殊性要求的专用系统的技术结晶。

本实验室对各种工业机器人已进行多年的深入研究，具备了大量的关键技术知识储备，尤其在多关节联动控制和多视觉信息融合控制上具有相当完善的成果，这也是多功能农业机器人开发的最主要也最关键的技术。

（3）本项目提出的多功能收获机器人系统是建立在前期大量调研的基础之上，主要针对近地面果蔬收获所面临的各种实际问题。

同时，充分考虑了多种末端执行器的更换和多视觉信息融合控制的要求，设计了具体可行的研究方案，将多种末端执行器的更换与机器人多视觉信息融合控制实现真正意义上的有机结合提供必要依据。

（4）项目研究目标和研究内容的构建既参考了实际应用背景的需要，也充分结合了项目研究者自身的技术优势，做到有的放矢，有力放矢。

项目研究目标明确，专注于构建多种末端执行器与多视觉控制相结合的智能控制系统，研究开放式农业机器人的若干关键问题。

研究内容虽然具有很大的挑战性，但课题组在要解决的多项关键技术上都有相似工作积累，经过深入的研究，完全可以实现预期目标。

综上所述，本项目的研究方案是切实可行的，具有创新性和前瞻性，研究团队具有良好的理论与技术积累，具有良好的前期工作基础，可以保证本项目树立完成，并取得预期的研究成果。

2．3重大意义开展开放式农业机器人的关键技术研究，解决末端执行器更换的问题，改进现有系统的性能，具有如下的重大意义：（1）随着工业现代化进程的不断加快，必然要求农业现代化的同步，进而要求解决农业中存在的大量消耗劳动力的现状，所以研发具有高科技，智能化的农业机器人势在必行。

（2）具有可更换多种末端执行器的机器人可以实现“一机多用”，增加了机器人的多功能性和性价比，从而降低成本，这将大大增强农民的购买力，为农业机器人的推广和普及奠定基础。

（3）随着现代农业生产的高科技化，具有高投入高产出、无明显季节性、可以连续耕作等特点的设施农业的不断发展和完善，都为农业机器人提供了广阔的市场和应用前提。

3.国内外发展现状及趋势，市场需求分析3.1国内外发展现状及趋势目前对农业机器人的研究多处于实验室的试验阶段。

没有得到实际应用。

这成为制约农业机器人进一步研究应用的瓶颈问题。

法国是研究果蔬采摘机器人较早的国家之一，但由于技术、市场和价格等因素的影响，大部分果蔬采摘机器人的研发工作已基本陷入停顿。

美国在自动化收获机器人方面没有一个清晰的战略，研究工作也趋于缓和。

荷兰收获机器人的研究工作走在很多国家的前面，但在果蔬采摘方面的种类并不多。

日本近年来开展了大量收获机器人项目研究，进展很快，但离真正的实现商业化还有段距离。

我国的研究工作正处于上升的阶段，但大部分研究都是针对采摘机器人的某一部分进行的，如视觉、机械臂、末端执行器等。

加快农业现代化发展，尤其是加快农业机械化发展已成为中国当前和今后相当长时期内的重要战略任务，中央和各级政府正在不断加大促进农业机械化发展的扶持力度，同时出台了一系列的农业科技攻关项目。

随着中国农业机械化事业的快速发展，农业机器人技术也必将成为中国未来农业技术装备研发的重要内容，并将取得较好较快的发展。

针对农业机器人的智能化程度问题，现阶段农业工程领域的专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面，力图解决农业机器人的智能问题。

从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案，但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善。

很多任务无法由农业机器人单独完成；另一方面，即使是农业机器人具备了相当的智能，能够完成某种任务，然而由于其制造成本过高，开发难度极大而难以实际应用。

目前对于农业机器人的研究一般是采用上文提及的两种实现方式：采用工业机器人和独立设计专用机电系统。

由于当前工业机器人局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。

封闭的控制器结构使工业机器人具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进，如增加传感器控制等功能模块。

工业机器人的封闭式结构也限制了农业机器人柔性生产能力和智能的扩展。

设计的专用农业机电系统的实现方式同样存在着扩展性、通用性差的问题。