果蔬采摘机器人的研究现状_问题及对策_图文

1、第27卷第6期2010年6月机械设计J O URNAL OF MAC H I NE DES I GNVo.l27No.6Jun.2010果蔬采摘机器人的研究现状、问题及对策*张洁,李艳文(燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004摘要:为解决农业采摘中的实际问题,果蔬采摘机器人的研究与应用成为一种迫切需要。综述了国内外果蔬采摘机器人的研究进展与现状,介绍了几种典型的果蔬采摘机器人的研究成果。通过分析这些采摘机器人,指出了限制采摘机器人商品化的几点因素:采摘的效率、成功率及成本问题。并针对这些问题提出了解决对策,同时也指明了采摘机器人未来的研究方向。关键词:果蔬采摘机器人;研究现状;存在的问题

2、;解决对策中图分类号:TP242文献标识码:A文章编号:1001-2354(201006-0001-05果蔬采摘是农业生产链中最耗时耗力的一个环节,其成本高、季节性强、需要大量劳动力高强度的工作。但是由于工业生产的迅速发展分流了大量农业劳动力以及人口老龄化加剧等原因,使得能够从事农业生产的劳动力越来越少,单靠人工劳作已经不能满足现有的需要。随着计算机图像处理技术和各种智能控制理论的发展,使采用机器人采摘果蔬成为可能。果蔬采摘机器人是一类针对水果和蔬菜,可以通过编程来完成采摘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

3、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学科领域知识2。采摘机器人将在解决劳动力不足、降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性、减轻农业化肥和农药对人体的危害、提高采摘果蔬的质量、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果蔬的适时采收、提高产品的国际竞争力等方面具有很大潜力。国际上,一些以日本和美国为代表的发达国家,已经从20世纪80年代开始研究采摘机器人,并取得了一些成果。而我国在该领域中的研究还处于起步阶段,因此我们必须加快对采摘机器人的研究脚步以早日赶超国际水平,使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。1果蔬采摘机器人的研究现状

4、1.1国外研究现状首次应用机器人技术进行果蔬收获的是美国学者Schertz和Bro wn于1968年提出的3,但当时开发的收获机器人样机只能算是半自动化的收获机械4。随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟,日本、美国、荷兰、法国、英国、意大利、以色列、西班牙等国家在采摘机器人的研究上做了大量研究工作,并且试验成功了多种具有人工智能的采摘机器人。但是由于采摘对象的复杂性和采摘环境的特殊性,目前市场上仍没有商品化的采摘机器人。1.1.1西红柿采摘机器人1993年,日本近藤等人研制出一台具有7自由度的西红柿收获机器人。该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移

5、动机构等组成(见图1。末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成。通过彩色摄像机来寻找和识别成熟果实,利用双目视觉方法对目标进行定位。采摘时,4轮行走机构行走指定的距离后,进行图像采集,利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息,判断西红柿是否符合收获标准,若符合,则控制吸盘把果实吸住,再由机械手指抓住果实,然后通过机械手的腕关节拧下果实。该采摘机器人的采摘速度约为15s/个,成功率约为70%。该机器人存在的问题是有些被叶茎遮挡的成熟西红柿没有被成功采摘。2004年,美国加利福尼亚西红柿机械公司在当地农业博览会上展出2台全自动西红柿采摘机(见图2。该采摘机长12.5m、宽4.3m,每分钟可采

6、摘1t 多西红柿。这种西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓,分选设备挑选出红色的西红柿,并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内,然后将未成*收稿日期:2009-12-15;修订日期:2010-03-26作者简介:张洁(1987,女,河北石家庄人,硕士研究生,主要研究方向:采摘机器人视觉。熟的西红柿连同枝叶一道粉碎,喷撒在田里作肥料5 。图1 日本的西红柿采摘机器人图2 美国的西红柿采摘机器人1.1.2 草莓采摘机器人日本近藤等人研制出一种气吸式草莓采摘机器人(见图3。实验证明利用真空设备可以有效地补偿摄像机检测果实的位置误差,并且最大程度减少了跟果实娇嫩表皮的接触。该机器人对成熟果实

7、的采摘成功率达到100%。但是问题是一些未成熟的果实也会随着目标果实被吸起,因此需要在控制真空吸力的强度等方面进行改进6 。图3 日本的草莓采摘机器人1.1.3 黄瓜采摘机器人日本近藤等人研制出一种采用6自由度机械手的黄瓜采摘机器人(见图4,它能在专门为机械化采摘而设计的倾斜棚支架下工作。该机器人在摄像机前加了滤波片,可以根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。采摘时由机械手指抓住黄瓜后,果梗探测器便寻找果梗,然后切割器切断果梗,完成采摘。采摘速度为16s/个,成功率大约为60%。存在的问题是受到茎叶的影响较大。荷兰农业环境工程研究所研制出一种多功能黄

8、瓜采摘机器人(见图5,其末端执行器由一个7自由度机械手和切割器组成,采摘速度为45s /根,成功率约为80% 。图4 日本的黄瓜采摘机器人图5 荷兰的黄瓜采摘机器人1.1.4 甘蓝采摘机器人日本国立农业研究中心的Muraka m i 等人研制了甘蓝采摘机器人7。该机器人由极坐标机械手、手指的末端执行器、履带式行走装置和机器视觉系统组成。整个系统采用液压驱动,系统利用人工神经网络算法提取果实的二值图像,采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。采摘速度为55s /个,成功率为43%。1.1.5 多功能葡萄采摘机器人日本冈山大学研制的葡萄采摘机器人(见图6采用5自由度的极坐标机械手。视觉传感器一般采用彩色

9、摄像机。该机器人的特点是,为了提高使用效率,开发了多种末端执行器,除了能完成采摘作业,更换其他的末端执行器还可以完成喷雾、套袋和修剪枝叶等作业8 。图6 日本的多功能葡萄采摘机器人2机 械 设 计第27卷第6期1.1.6蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人9,它可以自动检测蘑菇的位置、大小,并选择性地采摘和修剪。它的末端执行器是带有软衬垫的吸引器。采摘速度为1.5s/个,成功率约为75%。1.1.7甜瓜收获机器人以色列和美国联合研制了一台甜瓜采摘机器人。该机器人主体架设在以拖拉机牵引为动力的移动平台上,采用黑白图像处理的方法进行甜瓜的识别和定位,并根据甜瓜的特殊性来增加识别

10、的成功率。试验表明,该机器人可以完成85%以上的田间甜瓜的识别和采摘工作10。1.1.8苹果采摘机该采摘机机械手具有4自由度,工作空间可以达到3m。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,识别率达85%。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋,缩短了从摘取到放置的时间,提高了采摘速度。缺点是该机器人无法绕过障碍物摘取苹果,也没有给出完全被茎叶遮盖的苹果的识别和采摘方法11。1.1.9柑橘采摘机器人西班牙工业自动化研究所基于人机协作思想研制出一种柑橘采摘机器人,该机器人主体装在拖拉机上,由机械手、彩色视觉系统和超声传感定位器组成。它能通过柑橘的颜色、大小和形状来判断柑橘是否达到采摘标准,还可以按色

11、泽、大小进行分级装箱。该机器人采摘速度为1s/个。这个机器人的特点在于:采摘机器人寻找、定位待摘果实以及机器人导航任务由人来完成,机器人的运动轨迹规划、关节控制和末端执行器控制等任务由机器人的控制系统完成。这样不仅提高了采摘机器人的采摘效率和成功率,还能大幅度降低系统成本,有利于尽早实现采摘机器人的产业化12。1.2国内研究现状我国对采摘机器人的研究始于20世纪90年代中期,虽然与发达国家还有很大的差距,但是在不少院校和研究学者的努力下也取得了一些进展。中国农业大学的汤修映等人研制了一个6自由度黄瓜采摘机器人,该机器人基于RGB三基色模型的G 分量来进行图像分割,在特征提取后确定黄瓜的采摘点。

12、同时提出了新的适合自动化采摘的斜栅网架式黄瓜栽培模式。孙明等为苹果采摘机器人开发了一套果实识别视觉系统,并研究成功了一种使二值图像的像素分割正确率大于80%的彩色图像处理技术13。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人14,主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。浙江大学提出了基于彩色信息和红外热成像技术的树上水果识别方法。并且对7自由度番茄收获机械手进行了机构分析与优化。南京农业大学的姬长英等人在番茄采摘中运用了双目立体视觉技术对红色番茄进行定位。上海交通大学的曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开发了草莓拣选机器人15。江苏大学的陈树人和尹建军等提出

13、了基于彩色柱状图算法的番茄采摘机器人视觉系统。赵杰文等研究了基于H I S颜色特征的田间成熟番茄识别技术16。2采摘机器人存在的问题及对策尽管很多发达国家对采摘机器人进行了大量的研究工作并且取得了一定成果,但是目前仍存在一些问题需要改进,存在一些难题需要攻破。2.1存在的问题2.1.1果实的识别率、定位精度低果蔬采摘机器人的首要任务是识别和定位水果。然而果实的形状、尺寸、颜色、成熟度、表皮外伤程度差异性大,而且果实总是随机分布生长,这给果实的识别带来很大的困难。目前识别果实的方法主要有灰度阈值、颜色识别法和区域识别法等。前两种方法都要基于果实的光谱反射特性,因此还极易受到自然光照的影响。而区域

14、定位方式,则要求目标具有完整的边界条件,但是由于果实往往被枝干和叶子遮挡,很难真正区别出完整的轮廓。2.1.2采摘环境的非结构化给采摘带来困难大部分果实都是在自然环境中生长,因此果实的采摘将受到自然环境改变的影响。如刮风导致果实摇动而不断改变位置,采摘果实被树叶树枝等掩盖,这就要求采摘机器人不仅能将这样的果实识别出来,还需要有成功的避障规划和灵巧的机械手结构。2.1.3果实的损伤率较大果实是很娇嫩的,在采摘过程中必须保证以不损伤果实为前提,目前人们在末端执行器上安装传感器以感知抓取的力度,但是在实际操作中仍然未能避免对果实造成抓取伤痕。另一种方法是切断果柄,这种办法的问题是切刀极易磨损,另外就

15、是当果柄过短时无法应用。2.1.4果实平均采摘周期较长、效率低研究采摘机器人的目的之一就是为了提高采摘的32010年6月张洁,等:果蔬采摘机器人的研究现状、问题及对策效率,但是目前的采摘机器人效率还不够高。比如采摘1个甘蓝需要55s,采摘一根黄瓜需要1016s,采摘一个茄子需要64.1s,采摘一个甜瓜需要15s。2.1.5采摘机器人的制造成本高、应用推广难果蔬采摘机器人的采摘对象具有多样性,工作时间具有季节性,设备利用率低,操作对象大部分为农民,这就要求其要具有良好的通用性、可编程性、高可靠性和操作简单性。另外采摘机器人的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。只有当其使用成本低于人工收获成本

16、时,采摘机器人才会真正被普及。因此,成本问题将成为制约采摘机器人市场化的瓶颈问题。2.2解决对策每一个事物的发展都是一个遇到问题解决问题的过程。为了很好的解决以上问题,解除限制采摘机器人发展的因素,可以从以下几个方面加强探索与研究:(1研究出一种高可靠性、高精度的视觉系统技术,可以使所有成熟果实都能够识别出来并能精确地对其定位。这就需要在三维立体视觉技术、视觉传感器技术、图像获取和处理等方面进行更深入的研究。(2可以研究适合采摘机器人工作的果蔬栽培模式,通过降低作物生长环境的非结构化和复杂性,便于采摘机器人的视觉定位和移动。(3机械结构直接决定机器人运动的灵活性、平稳性和控制的复杂性。采摘机器

17、人结构必须更加紧凑和简化,优化机器人结构。提高机械手和末端执行器的柔性和灵巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果实的损伤率。(4提高图像处理速度,优化软件算法,缩短机器视觉部分在整个采摘过程中所占用的时间,以提高采摘效率。(5采用开放式的控制系统,提高采摘机器人的通用性。只要改变机器人的机械本体和末端执行器,用一套控制系统就能完成不同果蔬的采摘,从而提高控制系统的利用率、降低成本。3结论从国内外果蔬采摘机器人的研究现状来看,目前果蔬采摘机器人的研究正处于由试验阶段向实用推广阶段的过渡时期,我国在这方面的研究更是只处于起步阶段。要想让采摘机器人真正造福于人,必须进行更深入广泛的研究,改进目前采

18、摘机器人存在的问题与不足,研究开发采摘机器人的新功能新特点。另外将开放式结构思想应用于采摘机器人是采摘机器人的发展趋势之一。未来的采摘机器人将真正做到一机多用,不仅可以采摘多种果蔬还可以实现多种用途。随着研究中遇到的问题和难题一一解决和攻破,果蔬采摘机器人将不断完善。相信在人们的不断探索和努力下,在不久的将来,采摘机器人技术会越来越成熟,采摘机器人会越来越多地应用于农业生产中并最终实现商业化。参考文献1Edan Y,Ga i nes E.Syste m s engi nee ri ng of agr i cul2t ura l ro2bot desi gnJ.IEEE Transactio n

19、s on System s,M an,andCyberne ti cs,1994,24(8:1259-1265.2汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人,2005,27(1:90-95.3H arrell R C,Adsit P D,P o ol TA,et a1.The flor i da ro boticgrove2labJ.Transacti ons of the ASAE,1990,33(2:391-399.4Ceres R,Pans F L,Ji m enez A R,et a1.Desig n and i m ple2m en tati on of and a i ded

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23、J.农业机械学报,2004,35(5:122-124.4机械设计第27卷第6期第27卷第6期2010年6月机械设计J O URNAL OF MAC H I NE DES I GNVo.l27No.6Jun.2010基于并行工程相关使能技术的协同商务建模研究*李国静,顾寄南,吕小凤(江苏大学制造业信息化研究中心,江苏镇江212013摘要:协同商务和并行工程是近年来新出现的两种产品开发模式和企业组织方式,二者在现代企业生产管理,尤其是制造业中起着不言而喻的重要作用。文中主要分析了二者相似与相通之处,探索二者结合的可能性和现实性,并演化出在此基础上一个新的制造模式,即基于并行工程使能技术的企业协同商

24、务模型。并最后提出了基于面向协同设计(Desig n For Cooperati on,DFC的协同商务建模与应用,构建出协同商务技术模型和框架。关键词:并行工程;协同商务;使能技术;DFC中图分类号:TB491文献标识码:A文章编号:1001-2354(201006-0005-03随着经济全球化的加快和企业组织的全球化分布,企业的商业流程需要面对新的环境。在网络化制造环境下,联盟企业正以其灵活的企业组织形式、经营模式和管理机制等特点适应网络化制造的要求。网络联盟内的企业通过协作与竞争,可方便地参与动态的网络化制造系统重组,以适应快速多变和不确定的市场需求,并促使联盟内企业的协同进化。协同商务

25、最初由Gartner Group提出,将其誉为/下一代的电子商务0,是/一种允许企业内部、企业与其业务伙伴之间或者贸易社区的参与者之间协同交互的基于I n ter net 技术的新型商务模式0。协同商务系统与传统信息系统最大的不同之处在于其更强调信息的集成和共享,以代替原来单纯的数据交换。企业联盟要适应快速的市场变化,就必须缩短整个产品的开发周期,显然通常意义上的串行产品开发过程模式不能满足这一要求,需对从市场调查到产品设计制造、装配及销售等整个过程进行并行化、集成化处理。因此,将并行工程的产品开发技术应用于联盟企业生产经营活动之中是解决这一问题的关键1。文中对这两种既存在于不同的应用领域又有

26、交叉的企业组织方式和先进设计制造技术进行分析和探讨,在此基础上,对在网络化制造环境和协同商务理论体系下实施并行工程的关键技术进行了研究。1面向并行工程的协同产品商务1.1协同产品商务概念Gartner G roup对协同商务的定义为:/一种激励具有共同的商业利益的价值链上的合作伙伴的商业战略,它主要是通过对商业周期所有阶段的信息共享来实现02。这一定义非常清晰地阐述了协同商务的研究工作包括商业和信息技术两个方面:(1协同商务是一种商业战略;(2信息共享是协同的主要途径3。因此,协同商务应该含有两个层次的目标:第1层次是实现企业内部价值链各个环节信息化、互动化,包括ERP,CRM,SC M,BI

27、,K M,BPR等系统的建立与有效集R esea r ch situa tion,p roble m s and sol u tions of fr u it2vege2 tab le p ick i ng r obotsZHANG J ie,LI Yan2w en(College of M echan i ca l Engi nee ri ng,Yanshan Universit y, Q i nhuangdao066004,Ch i naAbstr ac t:To sol ve t he actual proble m s i n agricu ltura l p ick2 i ng,the research and appli ca tion of fruit and vege tab l e p ick i ng ro2 bot