农业采摘机器人设计与研究

徐世亮

摘要随着农业现代化的不断发展和完善，农业自动采集机器人的需求也越来越广泛。文章所研究的农业机器人主要由视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块所组成。在研究过程中，主要在对农业采摘机器人的总体结构进行设计的基础上，对农业采摘机器人的视觉采集系统、末端执行感知系统以及控制系统的具体设计进行详细的分析。

关键词农业自动化；采摘机器人；视觉系统；控制系统

中图分类号：S225 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在国内水果产业中果实的采摘仍然主要依靠人工来完成，使得果实采摘成为了整个水果生产链中最耗时耗力的环节，同时，果实的采摘质量也会对水果的质量造成直接影响。如何提高果实采摘作业的机械化程度，已经成为了我国水果行业发展所面临的重大课题。

1农业采摘机器人总体结构设计

本文所设计的农业采摘机器人主要包括五个自由度的机械手和两个自由度的移动载体两个部分。农业采摘机器人的整体结构如图1所示。

图1农业采摘机器人整体结构

表1农业采摘机器人结构组成简介

编号 简介

1 履带小车

2 果实收集框

3 伸展带

4 采集末端执行器

5 果实收集装置

6 伸展电动推杆

7 小臂电机

8 大臂

9 大臂电机

10 腰部电机

11 腰部

12 升降机

13 电源、控制设备

14 地面

如图1所示，采用关节型结构，可以更加有效的确定末端执行器在三维空间中的位置和姿态。由于果实在果树上的分布具有随机性，而且分布的空间也较大，在采摘时可能会遇到很多的障碍物，采用多自由度的关节型机械手可以拟合三维空间中的任意曲线，通过控制管件的运动，有效躲避障碍物。除此之外，采用气泵作为末端执行器夹持机构的动力源，可以适度补偿机械本体的位置误差，末端执行器上的旋转式果柄切割装置可以不需要对果柄位置进行检测，并且调整末端执行器的姿态就可以将果实脱离果树。

总体来说，如图1所示，采摘机器人的主要核心构成部分主要分为视觉系统、感知系统和控制系统三大模块。

2视觉采集和分析模块

视觉采集模块主要负责通过摄像机采集视觉信息，并且对视觉信息进行分析。农业采摘机器人主要通过视觉传感器来获取采摘机器人的工作环境、工作对象以及机器人自身位置等信息。与工业机器人相比，果实采集机器人所处的空间环境，以及工作的对象更加复杂，需要通过对所采集的视觉信息处理。其中视觉传感器的主要工作内容包括：

1）确定采摘机器人的末端执行器与将要采摘果实之间的相对距离。

2）确定所要采摘果实的形状、尺寸和品质。

3）作为采摘机器人行走的视觉导航。

视觉采集传感器是整个采摘机器人的核心部件，为了能够让采摘机器人有更宽阔的视觉范围，而且不被末端执行器挡住视角，在本课题中采用视觉系统安装在执行末端中间的安装方式。并且在综合考虑了可靠性、经济性和实用性之后，选用DIGI-HIBW-60视频摄像头。

3末端执行器感知系统

3.1 压力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏点来作为压力感知器。FSR-402是一种用半导体材料的压力电阻效应制成的，可以将机械能转换为电信号的特殊电子元件。当末端夹持器上的压力传感器感受到一定的压力之后，就开始启动电动道具切割果柄。由于机器人耦断执行器上的红外光电对管和力敏电阻产生的都是模拟信号，不能直接被控制设备进行处理，因此需要进行相对应的信号转换。

在电路中，RM连接FSR作为电压分配器，U1输出高电平或低电平为电压比较器，U1输入端的输入电压由RM和FSR所组成的电压分配器决定，当FSR所承受的力增大时，其输出电压也会相应的增大。在初始状况，压力感知器没有感知到力的作用时，U1比较电压器的输出电压为低电平，的那个U1比较电压器的输入电压大于反相输入端电压时，U1输出为高电平。基准电压由反相输出端的电阻R1生成，滑动变阻器R1所构成的基准电压也可以由两个固定的电阻所组成的电压分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免机器人在果实采摘过程中，末端执行器碰撞障碍物。在机器人小臂的不同方位安装4-5组微动开关来作为碰撞传感器，如果设计为三组碰撞传感器则按照安装的方位分别为CR、CU、CL；如果设计为五组碰撞传感器则根据安装的方位分别为CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞传感器可以收集水果采摘过程中的障碍物信息，并且将这些信息传送到软件控制端进行处理。

4控制系统设计

在设计中，主控系统采用KP-6420i工业控制计算机，通过视觉系统和感知系统采集相关的数据，以及实现运动学、机械臂正等功能。通过串口实现对交流伺服驱动器的控制。本课题中的采摘机器人控制系统框架如图2所示。

5总结

本文主要对农业采摘机器人的硬件结构的设计进行研究，将采摘机器人的硬件结构划分成视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块进行了设计，并且分别对每个模块的硬件选型和结构设计进行分析和研究。

图2机器人控制模块框架图

参考文献

[1]沈明霞，姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向[J].农机化研究，2010（5）：31-35.

[2]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2012，27（1）：90-96.

[3]赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2013，19（1）：20-25.

[4]陆怀民.林木球果采集机器人设计与试验[J].农业机械学报，2001，32（6）：53-58.

endprint

摘要随着农业现代化的不断发展和完善，农业自动采集机器人的需求也越来越广泛。文章所研究的农业机器人主要由视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块所组成。在研究过程中，主要在对农业采摘机器人的总体结构进行设计的基础上，对农业采摘机器人的视觉采集系统、末端执行感知系统以及控制系统的具体设计进行详细的分析。

关键词农业自动化；采摘机器人；视觉系统；控制系统

中图分类号：S225 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在国内水果产业中果实的采摘仍然主要依靠人工来完成，使得果实采摘成为了整个水果生产链中最耗时耗力的环节，同时，果实的采摘质量也会对水果的质量造成直接影响。如何提高果实采摘作业的机械化程度，已经成为了我国水果行业发展所面临的重大课题。

1农业采摘机器人总体结构设计

本文所设计的农业采摘机器人主要包括五个自由度的机械手和两个自由度的移动载体两个部分。农业采摘机器人的整体结构如图1所示。

图1农业采摘机器人整体结构

表1农业采摘机器人结构组成简介

编号 简介

1 履带小车

2 果实收集框

3 伸展带

4 采集末端执行器

5 果实收集装置

6 伸展电动推杆

7 小臂电机

8 大臂

9 大臂电机

10 腰部电机

11 腰部

12 升降机

13 电源、控制设备

14 地面

如图1所示，采用关节型结构，可以更加有效的确定末端执行器在三维空间中的位置和姿态。由于果实在果树上的分布具有随机性，而且分布的空间也较大，在采摘时可能会遇到很多的障碍物，采用多自由度的关节型机械手可以拟合三维空间中的任意曲线，通过控制管件的运动，有效躲避障碍物。除此之外，采用气泵作为末端执行器夹持机构的动力源，可以适度补偿机械本体的位置误差，末端执行器上的旋转式果柄切割装置可以不需要对果柄位置进行检测，并且调整末端执行器的姿态就可以将果实脱离果树。

总体来说，如图1所示，采摘机器人的主要核心构成部分主要分为视觉系统、感知系统和控制系统三大模块。

2视觉采集和分析模块

视觉采集模块主要负责通过摄像机采集视觉信息，并且对视觉信息进行分析。农业采摘机器人主要通过视觉传感器来获取采摘机器人的工作环境、工作对象以及机器人自身位置等信息。与工业机器人相比，果实采集机器人所处的空间环境，以及工作的对象更加复杂，需要通过对所采集的视觉信息处理。其中视觉传感器的主要工作内容包括：

1）确定采摘机器人的末端执行器与将要采摘果实之间的相对距离。

2）确定所要采摘果实的形状、尺寸和品质。

3）作为采摘机器人行走的视觉导航。

视觉采集传感器是整个采摘机器人的核心部件，为了能够让采摘机器人有更宽阔的视觉范围，而且不被末端执行器挡住视角，在本课题中采用视觉系统安装在执行末端中间的安装方式。并且在综合考虑了可靠性、经济性和实用性之后，选用DIGI-HIBW-60视频摄像头。

3末端执行器感知系统

3.1 压力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏点来作为压力感知器。FSR-402是一种用半导体材料的压力电阻效应制成的，可以将机械能转换为电信号的特殊电子元件。当末端夹持器上的压力传感器感受到一定的压力之后，就开始启动电动道具切割果柄。由于机器人耦断执行器上的红外光电对管和力敏电阻产生的都是模拟信号，不能直接被控制设备进行处理，因此需要进行相对应的信号转换。

在电路中，RM连接FSR作为电压分配器，U1输出高电平或低电平为电压比较器，U1输入端的输入电压由RM和FSR所组成的电压分配器决定，当FSR所承受的力增大时，其输出电压也会相应的增大。在初始状况，压力感知器没有感知到力的作用时，U1比较电压器的输出电压为低电平，的那个U1比较电压器的输入电压大于反相输入端电压时，U1输出为高电平。基准电压由反相输出端的电阻R1生成，滑动变阻器R1所构成的基准电压也可以由两个固定的电阻所组成的电压分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免机器人在果实采摘过程中，末端执行器碰撞障碍物。在机器人小臂的不同方位安装4-5组微动开关来作为碰撞传感器，如果设计为三组碰撞传感器则按照安装的方位分别为CR、CU、CL；如果设计为五组碰撞传感器则根据安装的方位分别为CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞传感器可以收集水果采摘过程中的障碍物信息，并且将这些信息传送到软件控制端进行处理。

4控制系统设计

在设计中，主控系统采用KP-6420i工业控制计算机，通过视觉系统和感知系统采集相关的数据，以及实现运动学、机械臂正等功能。通过串口实现对交流伺服驱动器的控制。本课题中的采摘机器人控制系统框架如图2所示。

5总结

本文主要对农业采摘机器人的硬件结构的设计进行研究，将采摘机器人的硬件结构划分成视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块进行了设计，并且分别对每个模块的硬件选型和结构设计进行分析和研究。

图2机器人控制模块框架图

参考文献

[1]沈明霞，姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向[J].农机化研究，2010（5）：31-35.

[2]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2012，27（1）：90-96.

[3]赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2013，19（1）：20-25.

[4]陆怀民.林木球果采集机器人设计与试验[J].农业机械学报，2001，32（6）：53-58.

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摘要随着农业现代化的不断发展和完善，农业自动采集机器人的需求也越来越广泛。文章所研究的农业机器人主要由视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块所组成。在研究过程中，主要在对农业采摘机器人的总体结构进行设计的基础上，对农业采摘机器人的视觉采集系统、末端执行感知系统以及控制系统的具体设计进行详细的分析。

关键词农业自动化；采摘机器人；视觉系统；控制系统

中图分类号：S225 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在国内水果产业中果实的采摘仍然主要依靠人工来完成，使得果实采摘成为了整个水果生产链中最耗时耗力的环节，同时，果实的采摘质量也会对水果的质量造成直接影响。如何提高果实采摘作业的机械化程度，已经成为了我国水果行业发展所面临的重大课题。

1农业采摘机器人总体结构设计

本文所设计的农业采摘机器人主要包括五个自由度的机械手和两个自由度的移动载体两个部分。农业采摘机器人的整体结构如图1所示。

图1农业采摘机器人整体结构

表1农业采摘机器人结构组成简介

编号 简介

1 履带小车

2 果实收集框

3 伸展带

4 采集末端执行器

5 果实收集装置

6 伸展电动推杆

7 小臂电机

8 大臂

9 大臂电机

10 腰部电机

11 腰部

12 升降机

13 电源、控制设备

14 地面

如图1所示，采用关节型结构，可以更加有效的确定末端执行器在三维空间中的位置和姿态。由于果实在果树上的分布具有随机性，而且分布的空间也较大，在采摘时可能会遇到很多的障碍物，采用多自由度的关节型机械手可以拟合三维空间中的任意曲线，通过控制管件的运动，有效躲避障碍物。除此之外，采用气泵作为末端执行器夹持机构的动力源，可以适度补偿机械本体的位置误差，末端执行器上的旋转式果柄切割装置可以不需要对果柄位置进行检测，并且调整末端执行器的姿态就可以将果实脱离果树。

总体来说，如图1所示，采摘机器人的主要核心构成部分主要分为视觉系统、感知系统和控制系统三大模块。

2视觉采集和分析模块

视觉采集模块主要负责通过摄像机采集视觉信息，并且对视觉信息进行分析。农业采摘机器人主要通过视觉传感器来获取采摘机器人的工作环境、工作对象以及机器人自身位置等信息。与工业机器人相比，果实采集机器人所处的空间环境，以及工作的对象更加复杂，需要通过对所采集的视觉信息处理。其中视觉传感器的主要工作内容包括：

1）确定采摘机器人的末端执行器与将要采摘果实之间的相对距离。

2）确定所要采摘果实的形状、尺寸和品质。

3）作为采摘机器人行走的视觉导航。

视觉采集传感器是整个采摘机器人的核心部件，为了能够让采摘机器人有更宽阔的视觉范围，而且不被末端执行器挡住视角，在本课题中采用视觉系统安装在执行末端中间的安装方式。并且在综合考虑了可靠性、经济性和实用性之后，选用DIGI-HIBW-60视频摄像头。

3末端执行器感知系统

3.1 压力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏点来作为压力感知器。FSR-402是一种用半导体材料的压力电阻效应制成的，可以将机械能转换为电信号的特殊电子元件。当末端夹持器上的压力传感器感受到一定的压力之后，就开始启动电动道具切割果柄。由于机器人耦断执行器上的红外光电对管和力敏电阻产生的都是模拟信号，不能直接被控制设备进行处理，因此需要进行相对应的信号转换。

在电路中，RM连接FSR作为电压分配器，U1输出高电平或低电平为电压比较器，U1输入端的输入电压由RM和FSR所组成的电压分配器决定，当FSR所承受的力增大时，其输出电压也会相应的增大。在初始状况，压力感知器没有感知到力的作用时，U1比较电压器的输出电压为低电平，的那个U1比较电压器的输入电压大于反相输入端电压时，U1输出为高电平。基准电压由反相输出端的电阻R1生成，滑动变阻器R1所构成的基准电压也可以由两个固定的电阻所组成的电压分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免机器人在果实采摘过程中，末端执行器碰撞障碍物。在机器人小臂的不同方位安装4-5组微动开关来作为碰撞传感器，如果设计为三组碰撞传感器则按照安装的方位分别为CR、CU、CL；如果设计为五组碰撞传感器则根据安装的方位分别为CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞传感器可以收集水果采摘过程中的障碍物信息，并且将这些信息传送到软件控制端进行处理。

4控制系统设计

在设计中，主控系统采用KP-6420i工业控制计算机，通过视觉系统和感知系统采集相关的数据，以及实现运动学、机械臂正等功能。通过串口实现对交流伺服驱动器的控制。本课题中的采摘机器人控制系统框架如图2所示。

5总结

本文主要对农业采摘机器人的硬件结构的设计进行研究，将采摘机器人的硬件结构划分成视觉采集系统模块、末端执行器感知系统模块和控制模块进行了设计，并且分别对每个模块的硬件选型和结构设计进行分析和研究。

图2机器人控制模块框架图

参考文献

[1]沈明霞，姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向[J].农机化研究，2010（5）：31-35.

[2]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2012，27（1）：90-96.

[3]赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在的问题[J].农业工程学报，2013，19（1）：20-25.

[4]陆怀民.林木球果采集机器人设计与试验[J].农业机械学报，2001，32（6）：53-58.

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