生物生产机器人

第6章 生物生产机器人
3. 对生物生产机器人的期望 虽然从19世纪70年代开始，生物生产机器人的研发一 直在进行，并且取得了可喜的成果，但由于生物生产的多 样性，这个领域至今仍被认为是一片热土。 生物生产机器人能弥补季节性劳动力不足和人员安排 的困难，降低作业成本。机器人有每天工作多于8小时的 能力，一些机器人还能一天不间断地工作24小时。由于机 器人能在任何时间段工作，很多生产系统就可利用这一优 点降低非高峰期的使用率。机器人可用于替代工人完成危 险的、脏的作业，另一方面，机器人也适应于对人工出入 有较高要求的无菌环境的工作，如许多生物技术。
6.3 应用实例
（1）机械手和末端执行器 该机器人属关节型机器人，在手腕的法兰盘处，安装了拥 有视觉部和刀具部的末端执行器，采用半圆环状的刀 片收获果实。 （2）视觉系统 该收获机器人的末端执行器上安装有小型电视摄像机和中 心波长为680nm、半值幅为10nm的光波过滤器，与闪光 灯组成视觉系统。
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执行机构主要分为三类：电动执行机构、液压执行机构和气动执行 机构。 电动执行机构主要由电力驱动，因而比较容易控制且结构紧凑。迄今， 直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机广泛应用于生物生 产机器人。伺服电动机由闭环系统控制，而步进电机则由开环系统 控制，步进电机的转角与发动机驱动器的脉冲数成正比。 此外，形状记忆合金有时也会用作机器人末端执行器的执行机构。 形状记忆合金具有小型轻便的优点，可用于生物生产机器人。 液压执行机构是将液能转换成机械能，输出功率大，能使机器人处 理重物。液压缸和液压马达可以进行直线和旋转运动。机器人采用 这种执行机构，需要液压泵、泵的动力供应系统、油箱和安全阀等， 当然连接执行机构和设备的管道也是必不可少的。 气动执行机构是将压缩空气的能量转变为机械能的机构，可以实现 往复运动、摆动、旋转运动或夹持动作。气动执行机构的优点是便 于处理简单轻便物体。它将空气压能转换成机械能，但很难实现对 机械手、末端执行器或气动泵、管道和阀门等设备的精确定位。气 动执行机构可分为气缸、气压和摆动马达三类。与液压执行机构相 比，气动执行机构适合小型轻便的物体。
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在生物生产领域中，有很多无人操作的机械系统， 例如无人驾驶拖拉机、联合收割机（如图所示）、移 植机以及自驱动机器等，它们在传感系统控制下可以 自行在田间行走。同样在植物工厂，许多种植、间苗、 施肥、收获及包装等过程都发展成为无人操作的自动 化机械系统；许多谷物干燥机、水稻磨粉机和剥壳去 皮机在一定的智能化水平下都可以实现全自动作业。
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特性 基本物理特性 动态特性 特征 形状、大小、质量、密度、表观 剪切阻力、摩擦阻力、弹性、粘性
光学特性
声学特性 电学特性
反射率、透射率
振动特性、波传播特性 电阻、电容、静电ຫໍສະໝຸດ Baidu性
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2.生物生产机器人的特征 要使生物生产机器人适合生物体的特征，生物生产机 器人的组成和性能就可能与工业机器人不一样。首先，生 物体的属性是各种各样且多变的，因而生物生产机器人在 处理生物体时必须是灵活的、多功能的。在大多数情况下， 当末端执行器与生物体相接触时，柔性处理是必要的。第 二，在识别周围环境时常希望机器人具有一定程度的智能。 第三，机器人常要在非结构化的、苛刻的和变化的环境下 作业。第四，除了那些传统机器人所具备的安全装臵之外， 当生物生产机器人与操作人员一起作业时可能还需要一些 特殊的安全装臵。最后，为使机器人能获得潜在的使用者 的认可，它的操作界面必须简单，容易掌握，而且必须有 较好的经济效益。
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6.2生物生产机器人基本组成
5．控制机构 机器人由计算机通过一个接口进行控制。计算机中最 重要的是中央处理机（CPU）：许多其他单元与CPU一起工 作，如存储器、外部集成电路、输入/输出端口。这些元 件通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU相连，从而 CPU能发送和接受数据。
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6.2生物生产机器人基本组成
4.移动机构 生物生产机器人所处理的工作对象是生长在温室或露 地的植物，它的作业空间要比工业机器人大，这就需要采 用移动机构。因此，可以说移动机构增加了生物生产机器 人的自由度。生物生产机器人的移动机构包括轮式移动机 构、轨道式移动机构、履带式移动机构、龙门式移动机构 和腿式移动机构。
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6.1.1 生物生产机器人的独特性 一般说来，工业机器人擅长于处理那些物理特性具有 规律性且静止不动的对象，但生物生产机器人需要处理处 于生长状态的生物体。处于生长状态的植物和动物的属性 是动态变化的，生物生产机器人常需适应作业对象的个别 变化特性。在生物生产的很多情况下，耕作方法的改进可 以提高产品品质和产量，改善劳动者和机器的作业环境； 基因工程和其它技术也促进了产品状态的改善。在生物生 产中，用机器人来替代人类劳动时，采用一定的系统方法 而不是单单地让机器人仿效常规的人力劳动方式来完成任 务是很重要的，这种系统方法将会给操作方式的改善带来 良机，而这在以前是不明显的。将机器人技术融入生物生 产的潜力是无限的，这样的结合往往需要众多不同学科的 专业技术知识来有效地发掘它的潜力。
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6.1.2 生物生产机器人的作业对象 在生物生产系统中，机器人大都是自动处理工作对象。 因此，在机器人的设计中，工作对象及其生长过程起着非 常重要的作用。生物生产机器人的工作对象涉及植物、动 物、微生物和农产品，目前研究比较多的是植物的切除、 收获和分类，剪毛、挤奶以及农产品的分级与包装。与传 统工业机器人的作业对象和过程相比，生物生产机器人要 操纵一个大小、形状、颜色和表面特征多种多样并且变化 无常的主体。此外，生物生产机器人可能作业在一个非常 小的结构环境中，作业受到一定的限制。
6.3 应用实例
3．七自由度番茄收获机器人 日本根据番茄传统的栽培模式，研究了具有5个自由度的 收获机器人，但实际收获效果不是很理想，在此基础 上，又研制了七自由度的番茄收获机器人。 （1）机械手 将五自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动的直 动关节座上，既可以摘取高处的果实，又可以从下向 上接近果实，形成七自由度机械手，这种机械手适合 传统生产方式的番茄收获。
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6.1生物生产机器人概述
生物生产是指利用生物所具有的各种机能作为生产媒 体，制造出人类生存所必需的食物和其他原料而进行的人 类活动。它包括植物生产（作物、果树、数目、海藻等）、 动物生产（家禽、鱼类、野生或实验动物等）和微生物生 产。生物生产的要素包括：生物代谢的必要物质，如营养、 空气、水等；生物生长的必要条件，如温度、湿度等环境 因素；物质转移、环境维持等的必要能量，进行生产的必 要物资和情报等。 生物生产系统是生物生产的各个要素以及它的外部环 境所构成的系统，它构成了物质和能源的可再生系统，即 闭环系统。
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6.2生物生产机器人基本组成
生物生产机器人（如图所示）主要包括机械手、末端 执行器、传感器和机器视觉、移动机构、控制机构和执行 机构6部分。
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6.2生物生产机器人基本组成
1. 机械手的结构 生物生产系统包含的作物种类、种植模式、生长特点等多 种多样，对于不同的作物、不同的种植模式需要设计不同 的机械手进行作业，而有些作物传统的种植模式不能适应 机器人的作业要求，需要在保证其正常生长的情况下加以 改进。由此，日本学者提出了作物培养系统，作物在经过 了培养系统培养后，更适合机器人进行作业，进而提高生 产效率和产品质量。例如，为了防止高湿度造成的危害， 番茄种在田垄的垂直面上，葡萄种在与人身高相近的水平 棚架上。
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1．生物体的特性 生物对象的特性可以用多种方法来描述，基本生物特 性包括大小、形状、质量、密度和表面组织，在开发生物 生产的机械系统时，通常被作为首先指标。机器视觉技术 已经发展到对形态特性进行测定，例如，形状、大小的测 量。对一个植物的形状的测量，看起来好像很复杂，但它 常有一些规律性的特性。
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6.2生物生产机器人基本组成
3.传感器 机器人传感器按用途分为内部和外部传感器两大类。 内部传感器是每个机器人必需的，有些机器人可能不要外 部传感器。不需要外部传感器的机器人，一般来说，其工 作环境是固定的，工作对象也是标准化和统一化的。外部 传感器广泛应用于生物生产机器人，因为其工作对象的光 学特性、形态特性和环境条件特殊且多变。
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6.3 应用实例
6.3.1番茄收获机器人 机器人在进入生物生产系统领域的早期是从果实 收获开始的，但由于果实多种多样、环境复杂等因素， 收获机器人至今仍是研究的热点。番茄是人们常见的 蔬菜，其果实呈红色，与绿色的背景相差大，用彩色 摄像机就可以将其辨认。 1.栽培方式 设施农业中的番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直 生长，果实暴露在外侧，有部分叶子的遮挡。传统栽 培和高架栽培的番茄果实与果梗的连接方式不同，可 以采用不同的采摘方式。传统栽培中在果梗处有结点， 通过折断或强力拉扯都可使果实脱落。
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6.3 应用实例
（2）末端执行器 末端执行器由1个吸盘和2个手指组成，吸盘在手爪的中间。10mm厚的 吸盘首先吸住果实，防止果实受伤，手指的长、宽和厚分别为 155mm、45mm和10mm，手指的抓取力可以在0～33.3N之间进行调 节，吸盘由直流电动机和齿轮驱动，速度可以达到38mm/s。
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6.1.1 生物生产机器人的独特性 一般说来，工业机器人擅长于处理那些物理特性具有 规律性且静止不动的对象，但生物生产机器人需要处理处 于生长状态的生物体。处于生长状态的植物和动物的属性 是动态变化的，生物生产机器人常需适应作业对象的个别 变化特性。在生物生产的很多情况下，耕作方法的改进可 以提高产品品质和产量，改善劳动者和机器的作业环境； 基因工程和其它技术也促进了产品状态的改善。在生物生 产中，用机器人来替代人类劳动时，采用一定的系统方法 而不是单单地让机器人仿效常规的人力劳动方式来完成任 务是很重要的，这种系统方法将会给操作方式的改善带来 良机，而这在以前是不明显的。将机器人技术融入生物生 产的潜力是无限的，这样的结合往往需要众多不同学科的 专业技术知识来有效地发掘它的潜力。
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6.3 应用实例
（a）传统栽培方式
（b）高架栽培方式
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6.3 应用实例
2.龙门式五自由度番茄收获机器人 日本农林水产省农业研究中心根据地块的大小，在田埂上 分别铺上铁轨，将龙门车架横跨在田地上方，沿铁轨 移动。收获机器人安装在龙门车架上进行收获。
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6.2生物生产机器人基本组成
6．执行机构 执行机构就是按照电信号的指令，将电动、液压和气压等 各种来源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的 机械能的机构。 机器人的组成（机械手、末端执行器和移动装臵）都与执 行机构相关连。用于机器人的执行机构需要满足以下 条件： （1）能够承受反复启动、停止、正反转等操作； （2）加速性和分辨率好； （3）小型、轻便、刚度好； （4）可靠性、维护性好。
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6.2生物生产机器人基本组成
2．末端执行器 机器人的末端执行器是安装在机械手前端并直接与作 业对象接触的部分。由于它直接接触作业对象，扮演着类 似于人的手一样的角色，因此，有时也叫做机器人的手， 也有的学者把它叫做手爪。它由2个或多个手指组成，手 指可以“开”与“合”，实现抓取动作和细微操作。但是 它的机构又与人的手完全不同，由此也很难叫它“手”。 生物生产机器人的末端执行器所处理的对象是多种多样的， 如果实、秧苗、子叶、嫩枝、动物等，依据这些对象的特 点，可使用手指、吸引垫、针、喷嘴、刀片等进行操作。