常新

摘 要：采摘機(jī)械人在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中屬于具有自動(dòng)化的技術(shù)，要想掌控該農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，就要根據(jù)其在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用與實(shí)踐，結(jié)合采摘機(jī)械人的作業(yè)特點(diǎn)以及相關(guān)設(shè)計(jì)，文章分析了其結(jié)構(gòu)的組成以及在設(shè)計(jì)上所應(yīng)用的組成，有利于在該基礎(chǔ)上分析農(nóng)業(yè)技術(shù)中存在的諸多問題，進(jìn)而提出了對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，穩(wěn)定其農(nóng)業(yè)技術(shù)在該領(lǐng)域中的自身地位。

關(guān)鍵詞：采摘；機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；分析

0 引言

伴隨機(jī)器人的設(shè)計(jì)技術(shù)在科技領(lǐng)域中發(fā)展，將其應(yīng)用在農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的采摘工藝上，取替了人工重復(fù)式的勞作。其采摘設(shè)備作為新型裝置，盡管沒有人工采摘方式靈活，但卻減少了其重復(fù)工作的頻率，以便順應(yīng)較差的農(nóng)業(yè)環(huán)境，提升其自動(dòng)化采摘的效率。因此，對(duì)其承重、定位有精準(zhǔn)性以及穩(wěn)定性操作的要求，加之人工采摘成本的增加以及勞作量，推進(jìn)了該采摘技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用與普及。

1 采摘機(jī)器人特點(diǎn)

機(jī)器人工業(yè)技術(shù)在趨于成熟化發(fā)展之下較傳統(tǒng)，但其采摘技術(shù)適應(yīng)了復(fù)雜的采摘作業(yè)環(huán)境，其作業(yè)對(duì)象也逐漸向水果、蔬菜方向發(fā)展。其具有的采摘特點(diǎn)包含：稚嫩、復(fù)雜形狀的農(nóng)作物對(duì)象，要求機(jī)器人必須協(xié)調(diào)與控制自身結(jié)構(gòu)和傳感器以及控制系統(tǒng)，但由于采摘對(duì)象的分布具有隨機(jī)性，相應(yīng)增加了在定位中的難度，不利于提升采摘速度、成功概率。加之較高的智能化成本，增加了在農(nóng)業(yè)中應(yīng)用的難度系數(shù)，但卻具有可靠的采摘特點(diǎn)。

2 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成與設(shè)計(jì)

2.1 移動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于農(nóng)作物在空間上生長具有較強(qiáng)隨機(jī)性，因此要求采摘機(jī)器人具有較高的定位精度。該定位目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)要依靠移動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該機(jī)構(gòu)分為車輪式和履帶式以及人形等結(jié)構(gòu)。其中車輪具有廣泛的農(nóng)業(yè)應(yīng)用性，但很難適應(yīng)松軟地質(zhì)，間接影響了機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)中的精度。通常采摘番茄時(shí)會(huì)選用輪式、行走的機(jī)構(gòu)，然而履帶式機(jī)構(gòu)對(duì)地面具有較好的適應(yīng)性。針對(duì)移動(dòng)機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)方面，定要確保其運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性以及靈活性。

2.2 機(jī)械手

機(jī)械手能夠令作業(yè)對(duì)象在空間上產(chǎn)生移動(dòng)，進(jìn)而完成農(nóng)業(yè)工作的任務(wù)。它主要工作的任務(wù)是要將采摘對(duì)象送至指定位置。該機(jī)械手在結(jié)構(gòu)類型上由直角坐標(biāo)和球坐標(biāo)以及多關(guān)節(jié)等，其中多關(guān)節(jié)的機(jī)械手類型具有較強(qiáng)的靈活性、方便性。由于其工作的自由度權(quán)衡了自身性能的關(guān)鍵指標(biāo)，間接決定了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性設(shè)計(jì)。因此，機(jī)械手在工作中應(yīng)該有相對(duì)合理的參數(shù)設(shè)置，若要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，就要消耗更多的采摘時(shí)間。

2.3 識(shí)別和定位系統(tǒng)

該系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及關(guān)鍵點(diǎn)，其工作方式是要先獲取數(shù)字化采摘對(duì)象的圖像，而后對(duì)其處理與識(shí)別，以此明確其采摘對(duì)象的精準(zhǔn)位置。受復(fù)雜環(huán)境的影響，要求應(yīng)用更多的傳感器參與控制系統(tǒng)、定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，有利于在該基礎(chǔ)上增強(qiáng)識(shí)別與定位采摘對(duì)象的敏感度。當(dāng)前需要設(shè)計(jì)出快速、有效的計(jì)算方法，將采摘對(duì)象的位置準(zhǔn)確識(shí)別出來。

3 采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 智能化采摘對(duì)象識(shí)別和定位技術(shù)

運(yùn)用智能化的算法處理采摘圖像，在消除干擾同時(shí)也提升了分辨率。有利于精準(zhǔn)提取出圖像的信息；采用多維視覺網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，降低了來自自然環(huán)境因素的干擾，可根據(jù)采集到的圖像落實(shí)激光掃描。由于光線具有自行發(fā)射特征，最大化完善采摘圖像的質(zhì)量，足以體現(xiàn)出系統(tǒng)內(nèi)定位、識(shí)別技術(shù)的優(yōu)越性以及傳感器響應(yīng)特性。

3.2 機(jī)械本體優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

優(yōu)化機(jī)械本體能夠提升機(jī)械部分運(yùn)動(dòng)的整體靈活性，此設(shè)計(jì)更方便后期的維護(hù)，由于工業(yè)機(jī)械手的整合也增加了體積與成本。根據(jù)采摘對(duì)象的特點(diǎn)，利于提升機(jī)械手的工作效率。例如：運(yùn)用三維、實(shí)體、造型的技術(shù)以及優(yōu)化理論，令機(jī)械結(jié)構(gòu)得到了基礎(chǔ)性優(yōu)化，解決了多種采摘問題。

3.3 開放式控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該控制體系與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)，主要是工業(yè)的機(jī)器人、獨(dú)立且專用的機(jī)電系統(tǒng)。由于它們具有封閉式設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，令采摘式機(jī)器人需具備特定功能，因此能適應(yīng)相對(duì)特定作業(yè)的農(nóng)業(yè)環(huán)境。其開放式的結(jié)構(gòu)采摘農(nóng)業(yè)對(duì)象具有較好通用性以及拓展性，機(jī)械部分在自由度上的差異性能夠適應(yīng)多種農(nóng)作物的采摘。因此，設(shè)計(jì)與構(gòu)建該設(shè)計(jì)系統(tǒng)，有利于為農(nóng)業(yè)種植戶提供標(biāo)準(zhǔn)化控制的平臺(tái)，提升系統(tǒng)應(yīng)用率以及降低成本。

4 結(jié)束語

通過分析采摘及其人的特點(diǎn)，切實(shí)了解了其在結(jié)構(gòu)上的組成以及設(shè)計(jì)，主要是有移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、識(shí)別以及定位系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用的關(guān)鍵技術(shù)，分別是對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行智能化的識(shí)別、定位技術(shù)，對(duì)機(jī)械本體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)，以及控制系統(tǒng)體系、結(jié)構(gòu)進(jìn)行開放式的設(shè)計(jì)技術(shù)等。由于農(nóng)業(yè)正向工業(yè)化的方向發(fā)展，逐漸推廣了機(jī)器人采摘的經(jīng)營模式，降低了農(nóng)業(yè)運(yùn)用人工采摘的成本，推動(dòng)了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，同時(shí)也趨于智能化以及自動(dòng)化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)成熟化的技術(shù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：哈爾濱工程大學(xué)）