果蔬收获机器人研究综述_汤修映
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果蔬收获机器人往往工 作于非结构性 环境中 , 工作对象常常是随机分布的 , 因此在机械手的设计 过程中 , 必须考虑采用最合理的设计参数 , 包括机器 人类型 、工作空间 、机械臂数量以及机器人结构方式 (串联式 、并联式)等[ 1] .
机器人类型与目标对象的分布特点有关 , 例如 ,
(2)作业对象的个体差异和随机分布性 果蔬收 获机 器人的 首要任 务是 识别 和定 位水
果, 而果实有的可能单个生长 , 有的则是一簇一簇 的 , 形状 、尺寸 、颜色 、成熟度也 都不一样 , 而且果实 总是随机分布在田地 、藤蔓或树枝上 , 有的可能被茎 杆和叶子遮挡 , 还要遇到不同的自然条件 , 如刮风可 能导致果实摇动而不断改变其位置 , 并且果树和藤 蔓的形状大小也往往不一样 , 从而使得机器人检测 和接近果实变得异常困难 [.17～ 19]
一 , 它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复 杂性[ 2, 14 , 27, 30] .
日本冈山大学研制出一种具有 7 个自由度的西 红柿收获机械手(如图 3 所示), 其中包括 2 个直动关 节 , 该机械手还可用于樱桃西红柿的收获[ 27] .冈山大 学还研制了一种适用于果园棚架栽培模式的葡萄收
2 果蔬收获机器人作业环境和工作对象的特 殊性 (Particularity of work environ-ment and operation object of fruit-vegetable harvesting robot)
工业领域是机器 人技术的传统应 用领域 .由 于 在工业生产中, 机器人的工作位置和障碍往往都能 够事先 预知 , 因此 机 器人 的性 能 能得 到 很好 的 体 现[ 12, 13] .和工业机器人相比 , 果蔬收获机器人有很多 独特的特点 , 主要表现在 :
1 引言(Introduction)
果蔬收获机器人是一类针 对水果和蔬菜 , 可以 通过编程来完成这些作物的采摘 、转运 、打包等相关 作业任 务 的 具 有 感 知 能 力 的 自动 化 机 械 收 获 系 统[ 1] , 是集机械 、电子 、信息 、智能技术 、计算机科学 、 农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学 , 需要 涉及机 械结构 、视觉 图像处理 、机器 人运动学 动力 学 、传感器技术 、控制技术以及计算信息处理等多方 面的学科领域知识[ 2, 3] .
获机器人 , 其操作手部分是一个具有 5 个自由度的极 坐标机械手 , 由 4 个旋转关节和一个棱柱型直动关节 构成 .旋转关节可以保证末端执行器以更灵活的角 度接近不同姿态的葡萄束 , 直动关节则简化了控制 方式[ 8] .美国佛罗里达大学开发了一种由 两个转动 副和一个滑动副构成的球型坐标机器人 , 该机器人 的摄像系统固定在操作手末端 , 水果图像位于滑动 轴中心 , 因此 , 滑动轴稍稍张开一定角度即可接触到 水果 , 有利于水果的采摘 [.30]
要收获分布于地面的甜瓜, 常采用结构简单的直角 坐标型 , 而对于黄瓜等生长于空中的果实 , 则常采用 更易于灵活定 位的多关节型坐标机械手[ 1] ;机械 手
的工作空间要 求机器 人能够 达到 任何一 个目标 果 实[ 18] ;机械臂数量和结构方式也是设计时需要考虑 的因素 , 机械臂越多 , 机构越灵活 , 但控制也越复杂 , 消耗的时间也越多 .因此 , 必须在系统数量和性能之 间进行平 衡 , 意大 利的 Buemi 等 人提出了“ 成本/ 效 益” 优 化 模 型 来 对 机 器 人 的 性 能 进 行 评 价 和 分 析[ 1, 14] .
(3)作业对象的柔软 、易损性 水果等作物一般都比较娇嫩 、柔软 , 收获时很容 易遭受机械损伤 , 因此必须小心处理 .这需要从机器 人结 构 、传 感 器 、控 制 系 统 等 方 面 加 以 协 调 和 控 制[ 7 , 20] . (4)收获机器人成本方面的特殊性 农业机器人要想成功地应 用 , 其成本 必须低于 同样结构的工业机器人 , 因为农业的利润往往很小 , 设备也只能季节性地使用 。 此外 , 农民一 般不具备 太多的专业知识 .因此 , 收获机器人必须结 构简单 、 操作性好 、可靠性高 , 并且价格合理 [.17]
15 年前开始研究水果收获机器人 , 目前已研制出了 应用于温室和小型农 场的西红柿 、黄瓜 、葡萄 、甜 橙 等多种 收获 机 器人 .荷兰 农业 环 境工 程 研究 所 于 1996 年开始研究温 室环境中的黄瓜收获机器人 .但 这些收 获机 器人 目前 都 还没 能 真正 实现 商 业 化[ 3, 7 , 18 , 22～ 26] .
美国学者 Schertz 和 Brown 于 1968 年首次提出应 用机器人技术进行果蔬的收获 [.211]987 年 Sistler 在回 顾自动化收获领域的研究进展时指出 , 当时开发的 收获机器人样机几乎都需要有人的参与 , 因此只能 算是半自动 化的收获机械[ 13] .目前 , 日本 、荷兰 、法 国 、英国 、意大利 、美国 、以色列 、西班牙等 国都展开 了果蔬收获机器人方面的研究工作 .涉及到的研究 对象主要有甜橙 、苹果 、西红柿 、樱桃西红柿 、芦笋 、 黄瓜 、甜瓜 、葡萄 、甘蓝 、菊花 、草莓 、蘑菇等 .日本在
目前的果 蔬收获机器人一般可 分为行走部分 、 机械手 、识别和定位系统 、末端执行器等 4 大部分 .日 本大阪府立大 学研制 出了一 种黄 瓜收获 机器人 样 机 , 该样机由一个小型电瓶车(在沟垄里行走)、一个 机械手 、一个三维视觉传感器(彩色摄像机)、一个末 端执行器和一台计算机组成 .其工作过程为 :电瓶车 向前行走 , 当电瓶车停下后 , 位于其上的摄像机开始 检测和定位黄瓜 , 然后计算机判断成熟的黄瓜 , 最后 机械手进行采摘 .当采摘完成 , 电瓶车向前行驶一段 位移 , 再开始执行下一次相同的收获操作[ 26～ 28, 31] . 3 .1 行走部分
Abstract :For fruit and vegetable harvesting robot, the R&D status in the world is reviewed and the basic strucutre is presented in this paper.Also , the relevant key techniques are summarized, and the existing problems are pointed out . Keywords:robot;harvesting ;picking ;fruit-vegetable
图 1 温室黄瓜收获机器人 Fig .1 Harvesting robot for cucumber in greenhouse
92
机 器 人
2005 年 1 月
图 2 自主导引龙门式水果采摘机器人 Fig .2 Self-guided gantry robot for picking fruits
3 .2 机械手部分 机械手又称操作机 , 是指具有和人手 臂相似的
动作功能 , 并使工作对象能在空间内移动的机械装 置 , 是机器人赖以完成工作任务的实体 .在收获机器 人中 , 机械手的主要任务就是将末端执行器移动到 可以采摘的目标果实所处的位置[ 3] .机械 手一般可 分为直角坐标 、圆柱坐标 、极坐标 、球坐标 和多关节 等多种类型 .多关节机械手又称为拟人(类人)机器 人 , 和其它结构比较起来 , 要求更加灵活和方 便 .机 械手的自 由度数 是衡量 机器人 性能的 重要指 标之
(1)作业环境的非结构性 收获机器人的工 作环境往往是非 结构性的 、未 知的和不确定的 .例如 , 机器人所处的地势可能崎岖 不平 , 天气条件(如光照)也可能随时改变 .即使在温
收稿日期:2004 -02 -15
第 27 卷第 1 期
汤修映等 : 果蔬收获机器人研究综述
91
室环境中 , 也必须考虑温度 、湿度 、天气以 及其它环 境参数的影ห้องสมุดไป่ตู้ .在这种复杂多变的环境条件中 , 机器 人必须具有智能化的传感 、规划和控制能力 , 要有很 强的自适应能力[ 13 ～ 16] .
器人作业 , 实现果蔬收获的自动化和智能化 , 是解决 上述问题的最好方式 .研究和开发果蔬收获的智能 机器人技术对于解放劳动力 、提高劳动生产效率 、降 低生产成本 、保证新鲜果蔬品质 , 以及满足作物生长 的实时性要求等方面都有着重要的意义 [ 6.～ 11]
本文详细介绍了国内外果蔬收获机器人的研究 现状 , 总结了果蔬收获机器人涉及的关键技术 , 并指 出了目前还存在的问题 .
3 果蔬收获机器人研究进展 (Research development of fruit-vegetable harvesting robot)
果蔬的机械化收 获技术已有 30 余年的研究历 史 .最早的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇 式 , 其缺点是果实易损 , 效率不高 , 尤其无 法进行有 选择性的收获 .随着新的果园果树栽培方式的出现 , 人们开始用梯子 、升降台等设备辅助采摘水果 , 但劳 动密集型的特点依然存在 .因此 , 应用机器人技术进 行水果的自动化收获得到了快速的发展[ 2, 4, 25] .
关键词 :机器人 ;收获 ;采摘 ;果蔬 中图分类号 : TP24 文献标识码 : B
Robotics for Fruit and Vegetable Harvesting :a Review
TANG Xiu-ying , ZHANG Tie-zhong
(College of Engineering , China Agricultural University , Beijing 100083 , China)
果蔬收获属于一类劳动密 集型工作 , 在很多国 家 , 由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏 , 劳 动力不仅成本高 , 而且还不容易得到 , 而人工收获的 成本在果蔬的整个生产成本中所占的比例高达 33 ～ 50 %, 因此实现果蔬收获的的机械化变得越来越迫切 [ 2., 4 ～ 7]
水果的机械化作业最早可以追溯到上个世纪 60 年代 , 但由于简单的机械收获易造成果蔬损伤 , 因此 在收获柔软 、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性 ; 而且果蔬收获往往需要有选择性地进行 ;此外市场 对果蔬的新鲜度也有很高的要求 , 这就要求果蔬的 收获要有很高的时效性 .因此 , 在果蔬收获中采用机
第 27 卷第 1 期 2005 年 1 月 文章编号 :1002-0446(2005)01-0090-07
机器人 ROBOT
Vol.27 , No .1 Jan ., 2005
果蔬收获机器人研究综述
汤修映 , 张铁中
(中国农业大学工学院 , 北京 100083)
摘 要 :对国内外果蔬收获机器 人的研究现状进行了综述 , 介绍了果蔬收获机器人的 基本结构 , 总结了 果蔬收 获机器人所涉及的关键技术 , 并指出 了目前还存在的问题 .
不同于一般工业 机器人的是 , 收获机器人一 般 不是静止的 , 往往需要安装在小巧的平台上 , 以便于 在野外不同的土壤地势条件下移动 .机器人的行走 机构多为轮式结构的移动小车 , 它是一个承载平台 , 机械手 、识别和定位系统 、末端执行器和控制系统等 均安装于其上 .行走路面为野外的自然地面或者经 过改造的水泥等光顺地面 .荷兰开发的黄瓜收获机 器人还以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走 轨道 , 如图 1 所示[ 28] .图 2 则为一种横跨于果树上方 的自主导引式龙门车 .行走机构常采用蓄能器供电 (电瓶车), 对于大型的水果收获机器人(如甜橙收获 机器人)往往用拖拉机牵引 .采用智能导航技术的无 人驾驶自主式小车是智能收获机器人行走部分的发 展趋势[ 2, 7 , 15, 29] .
机器人类型与目标对象的分布特点有关 , 例如 ,
(2)作业对象的个体差异和随机分布性 果蔬收 获机 器人的 首要任 务是 识别 和定 位水
果, 而果实有的可能单个生长 , 有的则是一簇一簇 的 , 形状 、尺寸 、颜色 、成熟度也 都不一样 , 而且果实 总是随机分布在田地 、藤蔓或树枝上 , 有的可能被茎 杆和叶子遮挡 , 还要遇到不同的自然条件 , 如刮风可 能导致果实摇动而不断改变其位置 , 并且果树和藤 蔓的形状大小也往往不一样 , 从而使得机器人检测 和接近果实变得异常困难 [.17～ 19]
一 , 它直接决定了机器人的运动灵活性和控制的复 杂性[ 2, 14 , 27, 30] .
日本冈山大学研制出一种具有 7 个自由度的西 红柿收获机械手(如图 3 所示), 其中包括 2 个直动关 节 , 该机械手还可用于樱桃西红柿的收获[ 27] .冈山大 学还研制了一种适用于果园棚架栽培模式的葡萄收
2 果蔬收获机器人作业环境和工作对象的特 殊性 (Particularity of work environ-ment and operation object of fruit-vegetable harvesting robot)
工业领域是机器 人技术的传统应 用领域 .由 于 在工业生产中, 机器人的工作位置和障碍往往都能 够事先 预知 , 因此 机 器人 的性 能 能得 到 很好 的 体 现[ 12, 13] .和工业机器人相比 , 果蔬收获机器人有很多 独特的特点 , 主要表现在 :
1 引言(Introduction)
果蔬收获机器人是一类针 对水果和蔬菜 , 可以 通过编程来完成这些作物的采摘 、转运 、打包等相关 作业任 务 的 具 有 感 知 能 力 的 自动 化 机 械 收 获 系 统[ 1] , 是集机械 、电子 、信息 、智能技术 、计算机科学 、 农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学 , 需要 涉及机 械结构 、视觉 图像处理 、机器 人运动学 动力 学 、传感器技术 、控制技术以及计算信息处理等多方 面的学科领域知识[ 2, 3] .
获机器人 , 其操作手部分是一个具有 5 个自由度的极 坐标机械手 , 由 4 个旋转关节和一个棱柱型直动关节 构成 .旋转关节可以保证末端执行器以更灵活的角 度接近不同姿态的葡萄束 , 直动关节则简化了控制 方式[ 8] .美国佛罗里达大学开发了一种由 两个转动 副和一个滑动副构成的球型坐标机器人 , 该机器人 的摄像系统固定在操作手末端 , 水果图像位于滑动 轴中心 , 因此 , 滑动轴稍稍张开一定角度即可接触到 水果 , 有利于水果的采摘 [.30]
要收获分布于地面的甜瓜, 常采用结构简单的直角 坐标型 , 而对于黄瓜等生长于空中的果实 , 则常采用 更易于灵活定 位的多关节型坐标机械手[ 1] ;机械 手
的工作空间要 求机器 人能够 达到 任何一 个目标 果 实[ 18] ;机械臂数量和结构方式也是设计时需要考虑 的因素 , 机械臂越多 , 机构越灵活 , 但控制也越复杂 , 消耗的时间也越多 .因此 , 必须在系统数量和性能之 间进行平 衡 , 意大 利的 Buemi 等 人提出了“ 成本/ 效 益” 优 化 模 型 来 对 机 器 人 的 性 能 进 行 评 价 和 分 析[ 1, 14] .
(3)作业对象的柔软 、易损性 水果等作物一般都比较娇嫩 、柔软 , 收获时很容 易遭受机械损伤 , 因此必须小心处理 .这需要从机器 人结 构 、传 感 器 、控 制 系 统 等 方 面 加 以 协 调 和 控 制[ 7 , 20] . (4)收获机器人成本方面的特殊性 农业机器人要想成功地应 用 , 其成本 必须低于 同样结构的工业机器人 , 因为农业的利润往往很小 , 设备也只能季节性地使用 。 此外 , 农民一 般不具备 太多的专业知识 .因此 , 收获机器人必须结 构简单 、 操作性好 、可靠性高 , 并且价格合理 [.17]
15 年前开始研究水果收获机器人 , 目前已研制出了 应用于温室和小型农 场的西红柿 、黄瓜 、葡萄 、甜 橙 等多种 收获 机 器人 .荷兰 农业 环 境工 程 研究 所 于 1996 年开始研究温 室环境中的黄瓜收获机器人 .但 这些收 获机 器人 目前 都 还没 能 真正 实现 商 业 化[ 3, 7 , 18 , 22～ 26] .
美国学者 Schertz 和 Brown 于 1968 年首次提出应 用机器人技术进行果蔬的收获 [.211]987 年 Sistler 在回 顾自动化收获领域的研究进展时指出 , 当时开发的 收获机器人样机几乎都需要有人的参与 , 因此只能 算是半自动 化的收获机械[ 13] .目前 , 日本 、荷兰 、法 国 、英国 、意大利 、美国 、以色列 、西班牙等 国都展开 了果蔬收获机器人方面的研究工作 .涉及到的研究 对象主要有甜橙 、苹果 、西红柿 、樱桃西红柿 、芦笋 、 黄瓜 、甜瓜 、葡萄 、甘蓝 、菊花 、草莓 、蘑菇等 .日本在
目前的果 蔬收获机器人一般可 分为行走部分 、 机械手 、识别和定位系统 、末端执行器等 4 大部分 .日 本大阪府立大 学研制 出了一 种黄 瓜收获 机器人 样 机 , 该样机由一个小型电瓶车(在沟垄里行走)、一个 机械手 、一个三维视觉传感器(彩色摄像机)、一个末 端执行器和一台计算机组成 .其工作过程为 :电瓶车 向前行走 , 当电瓶车停下后 , 位于其上的摄像机开始 检测和定位黄瓜 , 然后计算机判断成熟的黄瓜 , 最后 机械手进行采摘 .当采摘完成 , 电瓶车向前行驶一段 位移 , 再开始执行下一次相同的收获操作[ 26～ 28, 31] . 3 .1 行走部分
Abstract :For fruit and vegetable harvesting robot, the R&D status in the world is reviewed and the basic strucutre is presented in this paper.Also , the relevant key techniques are summarized, and the existing problems are pointed out . Keywords:robot;harvesting ;picking ;fruit-vegetable
图 1 温室黄瓜收获机器人 Fig .1 Harvesting robot for cucumber in greenhouse
92
机 器 人
2005 年 1 月
图 2 自主导引龙门式水果采摘机器人 Fig .2 Self-guided gantry robot for picking fruits
3 .2 机械手部分 机械手又称操作机 , 是指具有和人手 臂相似的
动作功能 , 并使工作对象能在空间内移动的机械装 置 , 是机器人赖以完成工作任务的实体 .在收获机器 人中 , 机械手的主要任务就是将末端执行器移动到 可以采摘的目标果实所处的位置[ 3] .机械 手一般可 分为直角坐标 、圆柱坐标 、极坐标 、球坐标 和多关节 等多种类型 .多关节机械手又称为拟人(类人)机器 人 , 和其它结构比较起来 , 要求更加灵活和方 便 .机 械手的自 由度数 是衡量 机器人 性能的 重要指 标之
(1)作业环境的非结构性 收获机器人的工 作环境往往是非 结构性的 、未 知的和不确定的 .例如 , 机器人所处的地势可能崎岖 不平 , 天气条件(如光照)也可能随时改变 .即使在温
收稿日期:2004 -02 -15
第 27 卷第 1 期
汤修映等 : 果蔬收获机器人研究综述
91
室环境中 , 也必须考虑温度 、湿度 、天气以 及其它环 境参数的影ห้องสมุดไป่ตู้ .在这种复杂多变的环境条件中 , 机器 人必须具有智能化的传感 、规划和控制能力 , 要有很 强的自适应能力[ 13 ～ 16] .
器人作业 , 实现果蔬收获的自动化和智能化 , 是解决 上述问题的最好方式 .研究和开发果蔬收获的智能 机器人技术对于解放劳动力 、提高劳动生产效率 、降 低生产成本 、保证新鲜果蔬品质 , 以及满足作物生长 的实时性要求等方面都有着重要的意义 [ 6.～ 11]
本文详细介绍了国内外果蔬收获机器人的研究 现状 , 总结了果蔬收获机器人涉及的关键技术 , 并指 出了目前还存在的问题 .
3 果蔬收获机器人研究进展 (Research development of fruit-vegetable harvesting robot)
果蔬的机械化收 获技术已有 30 余年的研究历 史 .最早的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇 式 , 其缺点是果实易损 , 效率不高 , 尤其无 法进行有 选择性的收获 .随着新的果园果树栽培方式的出现 , 人们开始用梯子 、升降台等设备辅助采摘水果 , 但劳 动密集型的特点依然存在 .因此 , 应用机器人技术进 行水果的自动化收获得到了快速的发展[ 2, 4, 25] .
关键词 :机器人 ;收获 ;采摘 ;果蔬 中图分类号 : TP24 文献标识码 : B
Robotics for Fruit and Vegetable Harvesting :a Review
TANG Xiu-ying , ZHANG Tie-zhong
(College of Engineering , China Agricultural University , Beijing 100083 , China)
果蔬收获属于一类劳动密 集型工作 , 在很多国 家 , 由于劳动力的高龄化和人力资源越来越缺乏 , 劳 动力不仅成本高 , 而且还不容易得到 , 而人工收获的 成本在果蔬的整个生产成本中所占的比例高达 33 ～ 50 %, 因此实现果蔬收获的的机械化变得越来越迫切 [ 2., 4 ～ 7]
水果的机械化作业最早可以追溯到上个世纪 60 年代 , 但由于简单的机械收获易造成果蔬损伤 , 因此 在收获柔软 、新鲜的果蔬方面还存在很大的局限性 ; 而且果蔬收获往往需要有选择性地进行 ;此外市场 对果蔬的新鲜度也有很高的要求 , 这就要求果蔬的 收获要有很高的时效性 .因此 , 在果蔬收获中采用机
第 27 卷第 1 期 2005 年 1 月 文章编号 :1002-0446(2005)01-0090-07
机器人 ROBOT
Vol.27 , No .1 Jan ., 2005
果蔬收获机器人研究综述
汤修映 , 张铁中
(中国农业大学工学院 , 北京 100083)
摘 要 :对国内外果蔬收获机器 人的研究现状进行了综述 , 介绍了果蔬收获机器人的 基本结构 , 总结了 果蔬收 获机器人所涉及的关键技术 , 并指出 了目前还存在的问题 .
不同于一般工业 机器人的是 , 收获机器人一 般 不是静止的 , 往往需要安装在小巧的平台上 , 以便于 在野外不同的土壤地势条件下移动 .机器人的行走 机构多为轮式结构的移动小车 , 它是一个承载平台 , 机械手 、识别和定位系统 、末端执行器和控制系统等 均安装于其上 .行走路面为野外的自然地面或者经 过改造的水泥等光顺地面 .荷兰开发的黄瓜收获机 器人还以铺设于温室内的加热管道作为小车的行走 轨道 , 如图 1 所示[ 28] .图 2 则为一种横跨于果树上方 的自主导引式龙门车 .行走机构常采用蓄能器供电 (电瓶车), 对于大型的水果收获机器人(如甜橙收获 机器人)往往用拖拉机牵引 .采用智能导航技术的无 人驾驶自主式小车是智能收获机器人行走部分的发 展趋势[ 2, 7 , 15, 29] .