【《苹果采摘机械臂国内外研究进展文献综述》2100字】

苹果采摘机械臂国内外研究进展文献综述当今，苹果采摘机械臂的研究已经变成了世界上各个国家的研究分析热潮，美韩，韩日和中国都相继研究了苹果，番茄，橘子等智能机器人，从目前的研究成果来说，采摘机器人主要由采摘机构，末端执行装置，视觉系统，移动装置和控制系统等组成。国外研究进展苹果采摘机器人的研究始于法国。1983年法国Cemagref研究所研制了一种苹果采摘机器人，即“MAGAL”苹果收货机器人。机器人采用CCD摄像机和光电传感器进行果实识别，末端执行器有多个柔性手指。采摘作业时，采摘机械臂带动末端执行器伸向果实，末端执行器柔性手指抓取果实，收获的果实通过中空手臂筒内部进入到回收容器中[4]。（a）采摘机器人（b）末端执行器图1-1苹果采摘机器人及末端执行器日本北海道大学DukeM.Bulanon等开发了一种苹果采摘机器人及末端执行器，如图1-1所示。该机器人采用二指夹持式末端执行器。在末端执行器上安装有CCD摄像机和激光传感器，由CCD摄像机拍摄果实图像进行成熟果实识别，激光传感器探测确定果实位置，直流电机驱动平行二指夹持果实果梗，步进电机旋转带动腕部转动扭断果梗，试验表明该机器人采摘成功率为90.9%，平均采摘周期为7.1s。该机器人末端执行器采用二指夹持果梗，不接触果实，但对果梗较短的果实会出现夹持失败，发生果实掉落现象[4]。（a）采摘机器人（b）末端执行器图1-2苹果采摘机器人及末端执行器比利时林堡天主教高等专业大学JohanBaeten等开发了一种与工人协作作业的苹果采摘机器人及末端执行器，如图1-2所示。该采摘机器人采用工业机器人六自由度机械臂作为采摘机械臂，机械臂能在架子上进行水平和竖直方向移动。末端执行器采用漏斗形结构，漏斗直径为10.5cm，通过漏斗吸头吸持果实并通过吸头的转动扭断果梗，吸头处为硅胶材料。整个机器人由拖拉机牵引作业，果园作业试验表明该机器人采摘成功率为80%左右，单个果实采摘时间为8-10s。该机器人占地面积大，作业缺乏灵活性，并且需要作业工人驾驶拖拉机协助作业，并未实现完全自动化采摘[4]。国内研究进展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。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[5]。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人[6]，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。如图1.3所示，为国内采摘机械臂的一些研究成果。图1.3国内采摘机械臂国内外采摘机械臂存在的问题虽然许多发达国家对苹果采摘机械臂进行了大量的研究工作，并且在某些方面取得了一定的成果，但是当今采摘机械臂仍然存在着一些待完善的问题，存在着一些需要攻破的难点[7]。果实的识别率低、定位精度低；苹果采摘机器臂的第一任务是识别和定位苹果。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阀值、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。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遮盖，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。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，另外就是当果柄过短时无法应用[7]。参考文献张复宏.中国水果出口的贸易演进及优化策略研究[D].山东农业大学,2013.宋健,张铁中,徐丽明,汤修映.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报,2006(05):158-162.崔玉洁,张祖立,白晓虎.采摘机器人的研究进展与现状分析[J].农机化研究,2007(02):4-7.李国利.多末端苹果采摘机器人设计与研究[D].南京农业大学,2017.周天娟,张铁中.果蔬采摘机器人技术研究进展和分析[J].农业机械,2006(22):38-39.陆怀民.林木球果采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2001,32(6):52-58.HarrellRC,AdsitPD,PoolTA,eta1.Thefloridaroboticgrove-lab[J].TransactionsoftheASAE,1990,33(2):391-399.赵春光.苹果采摘机械手的设计与优化[D].哈尔滨商业大学,2019.李伟.果蔬采摘机器人机构设计及特性分析[D].北京林业大学,2014.徐莉,刘喜平,王国富,张建,王国庆,马驰,李子康,王静波.一种苹果采摘机器人的设计和制作[J].机械研究与应用,2018,31(05):133-134+137.李俊良,张天周,朱天奇等.基于连杆机构采摘机械手的设计[J].科技创新导报,2019,16(10):114-115.王玉荣,刘云泉,潘荣晴.农业果蔬采摘机器人机械手设计[J].电视技术,2019,43(Z2):73-75.王韧.农业采摘机器人机械臂结构设计与分析[D].湖南农业大学,2010.Shi,Yinggang(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,NorthwestAandFUniversi