亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        蘋果機(jī)器人采摘存在的關(guān)鍵問題及對策

        2022-02-05 11:12:22陳光明孔浩然章永年李佩娟
        江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報 2022年6期
        關(guān)鍵詞:執(zhí)行器機(jī)械手蘋果

        陳光明, 孔浩然, 章永年, 李佩娟

        (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京210031;2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,江蘇南京210031;3.南京工程學(xué)院工業(yè)中心/創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院,江蘇南京211167)

        在世界各國推廣農(nóng)業(yè)機(jī)械化的歷史進(jìn)程中,大多數(shù)國家都認(rèn)識到果蔬采收技術(shù)的機(jī)械化水平是阻礙農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平提高的主要障礙之一[1]。果蔬采收存在周期短、采收時期集中、工作強(qiáng)度高的問題,并且采收工作量占總工作量的比例大、勞動力短缺、人工成本高等問題較多[2-3]。因此,降低采收工作強(qiáng)度、提高果蔬采收效率和采收機(jī)械智能化水平,是提高中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的內(nèi)在必然要求[4]。

        基于電動的蘋果采摘機(jī)器人關(guān)鍵系統(tǒng)組成如圖1所示。一款適用于商業(yè)化要求的采摘機(jī)器人系統(tǒng)一般由信息采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、能源裝置等組成。信息采集系統(tǒng)由各種傳感器組成,包括相機(jī)、全球定位系統(tǒng)(GPS)及各種類型的傳感器,主要負(fù)責(zé)收集各種信息,并將其傳遞給控制系統(tǒng);控制系統(tǒng)會對各種信息進(jìn)行處理分析,進(jìn)而控制機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)和機(jī)械臂移動以及控制末端執(zhí)行器進(jìn)行采摘等動作;機(jī)械系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu),完成控制系統(tǒng)指定的命令。本研究通過研究分析近年來國內(nèi)外蘋果采摘機(jī)器人的最新研究成果,對采摘機(jī)器人關(guān)鍵系統(tǒng)面臨的難點進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)對策。

        1:雙目攝像頭;2:柔性夾爪;3:協(xié)作機(jī)械臂;4:下果臺;5:柔性夾爪控制箱;6:協(xié)作機(jī)械臂控制箱;7:顯示器;8:工控機(jī);9:電機(jī)驅(qū)動器;10:全球定位系統(tǒng)(GPS)天線;11:電氣箱;12:履帶式移動底盤;13:鋰電池系統(tǒng)。圖1 雙臂式蘋果采摘機(jī)器人示意圖Fig.1 Schematic diagram of double-arm apple picking robot

        1 國內(nèi)外有關(guān)蘋果采摘機(jī)器人的研究進(jìn)展

        美國在20世紀(jì)40-50年代便實現(xiàn)了大田作物生產(chǎn)全過程的機(jī)械化,并開始進(jìn)行水果生產(chǎn)機(jī)械化的研究。在20世紀(jì)50年代末,美國研究人員在世界范圍內(nèi)開始了蘋果機(jī)械收獲的研究,并取得了很多成果,日本、荷蘭等國同樣處于領(lǐng)先地位。然而目前國內(nèi)大多數(shù)智能采摘機(jī)器人的研究僅處于設(shè)計和試驗驗證階段,與大多數(shù)發(fā)達(dá)國家相比,中國農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的智能化程度還有很大的發(fā)展空間[5-6]。

        1.1 國外蘋果采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

        圖2是美國一家創(chuàng)業(yè)公司于2016年開發(fā)的一款負(fù)壓式蘋果采摘機(jī)器人,它能通過其搭載的三維掃描雷達(dá)實現(xiàn)自動駕駛,通過人工智能技術(shù)實現(xiàn)基于視覺的蘋果及其質(zhì)量的實時探測,使用負(fù)壓式末端執(zhí)行器從果樹上吸取蘋果,從而降低果損率,并開發(fā)了機(jī)器人自動操作軟件,單果采摘耗時2 s。然而,由于負(fù)壓管道運動距離較短,因此很難從樹冠內(nèi)部摘取蘋果。

        圖2 負(fù)壓式蘋果采摘機(jī)器人Fig.2 Picking robot of apples based on negative pressure

        為了解決上述機(jī)器人負(fù)壓管道運動距離較短的問題,2021年美國密歇根州立大學(xué)的Zhang等[7]對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,其開發(fā)的氣動式長沖程蘋果采摘機(jī)器人如圖3所示。采摘機(jī)構(gòu)在云臺模塊的基礎(chǔ)上增加了1個棱柱關(guān)節(jié),以擴(kuò)大機(jī)械手工作空間的深度,棱柱關(guān)節(jié)是1個行程長度為0.61 m的氣動無桿氣缸和1個滑塊組成,氣動系統(tǒng)由1臺113.56 L的空氣壓縮機(jī)驅(qū)動,使采摘系統(tǒng)可以在1 s內(nèi)完成整個行程;末端執(zhí)行器采用直徑為0.064 m的軟硅膠真空杯,采摘時其貼合蘋果以降低果實損傷率。機(jī)器人收獲單個蘋果的總時長為8.8 s,在無人控制的情況下,采摘成功率為64%[7]。目前,該機(jī)器人仍處于試驗階段,沒有配套果實收集轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。

        圖3 氣動式長沖程蘋果采摘機(jī)器人Fig.3 Picking robot of apples based on pneumatic type

        圖4為以色列一家科技公司于2017年公布的水果收獲機(jī)FFRobot,其能夠?qū)⒊墒?、健康的蘋果與其他蘋果加以區(qū)分并進(jìn)行精確定位。各機(jī)械手均采用3個單關(guān)節(jié)手指的結(jié)構(gòu),手指內(nèi)部呈弧形并配有柔質(zhì)護(hù)墊,模仿人手抓取蘋果時的形態(tài),抓取蘋果后,通過扭轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)方式從樹上摘下蘋果,采摘成功率為85%。雖然機(jī)械手的運動沖程較大,能夠克服普通機(jī)械手難以對樹冠內(nèi)部蘋果進(jìn)行采摘的難點,但采摘過程中容易損壞毗鄰蘋果[8]。

        圖4 FFRobot三爪機(jī)械手蘋果采摘機(jī)器人Fig.4 Picking robot of apples based on three-claw manipulator FFRobot

        日本農(nóng)業(yè)和食品技術(shù)綜合研究機(jī)構(gòu)、日本立命館大學(xué)和汽車零部件制造商日本電裝公司聯(lián)合于2021年公布1款全自動采摘機(jī)器人(圖5),該機(jī)器人通過錯位安裝2個機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)同工作,單臂、單次采摘流程用時12 s,每個機(jī)械臂配備2個相機(jī),采集數(shù)據(jù)經(jīng)控制系統(tǒng)處理后,能夠?qū)崿F(xiàn)果實的識別定位、采摘姿態(tài)選取、雙臂防碰撞等功能,可對高度為0.8~2.0 m的蘋果樹等9種果樹進(jìn)行果實識別與采摘工作,相對于單臂采摘機(jī)器人而言可以提高工作效率。

        圖5 日本雙機(jī)械臂果實采摘機(jī)器人Fig.5 Japanese double-arm fruit picking robot

        1.2 國內(nèi)蘋果采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

        南京農(nóng)業(yè)大學(xué)顧寶興[9]于2012年設(shè)計了1款智能水果采摘機(jī)器人(圖6)。該機(jī)器人選用工業(yè)機(jī)械臂與自設(shè)計末端執(zhí)行器方案,以工控機(jī)為上位機(jī),結(jié)合機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、移動平臺控制器以形成完善的控制系統(tǒng),此外,通過系統(tǒng)搭建采摘機(jī)器人遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控,開發(fā)了視覺與DGPS結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng),使得導(dǎo)航偏差率相對于單視覺導(dǎo)航與DGPS導(dǎo)航方式降低了30%。

        圖6 智能水果采摘機(jī)器人Fig.6 Smart fruit picking robot

        南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的李國利等[10]于2016年設(shè)計了1種多末端蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手(圖7),該機(jī)器人機(jī)械手通過雙目相機(jī)采集傳輸圖像,經(jīng)上位機(jī)計算,在遵循“最短路徑”與“主臂多動,從臂少動”原則的基礎(chǔ)上,對采摘點坐標(biāo)進(jìn)行確定和任務(wù)分配。經(jīng)試驗驗證,相較于夾持式末端執(zhí)行器,該機(jī)械手采摘單果的平均耗時減少了22.4%,其在實驗室環(huán)境下的采摘成功率為82.14%,與單末端執(zhí)行器采摘單果的平均耗時(16.1 s)相比,多末端蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手采摘單果的平均耗時為4.5 s,降幅達(dá)72%[10-12]。

        圖7 多末端蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手Fig.7 Manipulator of apple picking robot with multiple ends

        2 蘋果機(jī)器人采摘存在的關(guān)鍵問題及對策

        2.1 機(jī)器人采摘存在的關(guān)鍵問題

        2.1.1 工作環(huán)境復(fù)雜多變 中國蘋果生產(chǎn)以小微農(nóng)戶為主,種植區(qū)域集中在渤海灣、西北高原和黃河故道,這些地區(qū)的地形以山地、丘陵和高原為主,地面不平坦,地勢起伏較大,土壤情況復(fù)雜,氣候多變,對移動底盤的爬坡能力、抗傾覆能力要求較高;種植區(qū)域行距、株距較小,且各地環(huán)境不同,導(dǎo)致蘋果果園農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)差異過大[13],使得在設(shè)計采摘機(jī)器人的過程中,不得不考慮車身尺寸、機(jī)械臂種類與工作空間廣度、機(jī)械系統(tǒng)與能源系統(tǒng)成本之間的協(xié)調(diào)性問題,個性化的設(shè)計不利于商業(yè)化推廣,且在多種因素限制下,采摘機(jī)器人無人化駕駛技術(shù)仍處于試驗階段。

        2.1.2 復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)果實識別較難 果實、樹枝和樹葉之間相互遮擋會影響判斷,加上真實工作環(huán)境下光照條件對采集圖像質(zhì)量造成的不確定性影響以及果實振蕩等因素,均會影響蘋果果實的識別、定位精度[14]。根據(jù)設(shè)計思路不同,有時還需對果梗、果梗方向和果實質(zhì)心進(jìn)行識別與特征提取。以上問題對信息采集及處理系統(tǒng)的要求較高,雖然能夠通過相應(yīng)算法在一定程度上解決果實被遮擋及果梗振蕩等問題,但是準(zhǔn)確性較低,并且如果有實時性分析的要求時,則對控制系統(tǒng)處理器的算力要求較高。

        2.1.3 機(jī)械系統(tǒng)末端執(zhí)行器設(shè)計難度大 在多方面條件的限制下,即使換用不同機(jī)械采摘系統(tǒng),采摘過程中的剛性碰撞也不可避免,導(dǎo)致果實、果樹受損。相機(jī)參數(shù)標(biāo)定、目標(biāo)識別定位、機(jī)械臂運動等過程中產(chǎn)生的誤差都會導(dǎo)致實際工作時末端執(zhí)行器不能準(zhǔn)確移動至目標(biāo)果實處。這個問題雖然可以通過末端執(zhí)行器的設(shè)計來消除誤差,但增大了設(shè)計難度。

        2.2 解決蘋果機(jī)器人采摘關(guān)鍵問題的思路對策

        2.2.1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人與標(biāo)準(zhǔn)化果園農(nóng)藝相結(jié)合 結(jié)合國內(nèi)情況,學(xué)習(xí)國外先進(jìn)果園種植方法,通過農(nóng)藝手段,使蘋果盡可能生長在同一垂直面上,既可以省去復(fù)雜視覺定位算法的處理過程,又能消除樹冠內(nèi)部果實難采摘的問題,提高采摘率,做到農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人與標(biāo)準(zhǔn)化果園相結(jié)合。

        2.2.2 模塊化可重構(gòu)底盤的設(shè)計 將履帶式移動平臺和輪式移動平臺集中在一起,通過改進(jìn)底盤機(jī)構(gòu),可在復(fù)雜果園與平坦道路環(huán)境中自由切換履帶式與輪式底盤,以增強(qiáng)采摘機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力,減少能量損耗,降低使用成本,提高移動底盤的使用效率。該設(shè)計具有一定的經(jīng)濟(jì)價值,模塊化的設(shè)計便于功能模塊的選擇與產(chǎn)品使用和維護(hù),能夠提高移動底盤的使用率。

        2.2.3 視覺識別和快速定位 蘋果的準(zhǔn)確識別和快速定位是提高采摘效率的基本前提和保證,不同類型視覺方案的特點如表1所示[15]。通過相機(jī)獲取圖像后,由上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。傳統(tǒng)處理圖像的方法是針對識別目標(biāo)物色彩與外形特征進(jìn)行特征信息的分析提取工作,流程包括但不限于基于方向梯度直方圖(HOG)的特征提取、基于窮舉策略的區(qū)域選擇和基于自適應(yīng)提升(Adaboost)的分類器分類等[16]。隨著基于深度學(xué)習(xí)的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(DCNN)的發(fā)展,視覺識別有了新的思路,其工作流程一般分為兩類,一類是基于區(qū)域生成方法,首先由相應(yīng)算法生成目標(biāo)候選框,然后針對候選框內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行識別分類;另一類是基于回歸方法,目標(biāo)定位與預(yù)測分類工作同時進(jìn)行。第1種方法的識別成功率高,錯識率低,但工作周期長,難以滿足實時工作的需求;第2種方法的識別速度快,準(zhǔn)確性也接近第1種方法。與DCNN法相比,傳統(tǒng)圖像處理方法運行函數(shù)的復(fù)雜性更高,泛化能力差,并且后者需要足夠量的數(shù)據(jù)集,且對控制系統(tǒng)算力的要求較高。

        表1 不同類型視覺方案的特點

        隨著芯片技術(shù)的突破,DCNN的使用將更廣泛。在現(xiàn)階段,基于實時性探測需求與硬件成本考量,傳統(tǒng)圖像處理與深度學(xué)習(xí)混合探測方案已成為主流趨勢之一,既能提高識別精度,又占用相對少的系統(tǒng)資源。

        2.2.4 采摘機(jī)械臂的選擇 目前,中國大多數(shù)采摘機(jī)器人都選擇工業(yè)機(jī)械臂作為機(jī)械手系統(tǒng),這樣做的優(yōu)點很多:能夠縮短采摘機(jī)器人的研發(fā)時間;使用壽命長,定位精度高;有完整的支持程序,可以在現(xiàn)有程序的基礎(chǔ)上重新處理;具有良好的轉(zhuǎn)動慣量協(xié)調(diào)性,可有效提高采摘速度。但是該系統(tǒng)也存在成本高、功耗大、無法適應(yīng)復(fù)雜多變的采摘環(huán)境等問題。相比之下,自設(shè)計機(jī)械臂雖然在一定程度上解決了工業(yè)機(jī)械臂功率過大、成本較高、工作環(huán)境適應(yīng)性差的問題,但會延長開發(fā)周期,并且工作效率低于工業(yè)機(jī)械臂。

        結(jié)合國內(nèi)外成熟的采摘機(jī)器人,選用協(xié)作機(jī)械臂較為合適,各個機(jī)械臂分別負(fù)責(zé)不同的區(qū)域,并可有效提高采摘效率。直角坐標(biāo)系機(jī)械臂適配經(jīng)特定農(nóng)藝處理的果園,加裝可伸縮末端執(zhí)行器,可進(jìn)行樹冠內(nèi)部果實的采摘工作?,F(xiàn)階段,關(guān)于定點運動、直線及圓弧插補(bǔ)運動的控制早已趨于成熟,但在機(jī)械臂的柔順控制、運動過程避障、相鄰機(jī)械臂的防碰撞系統(tǒng)等方面仍有較大研發(fā)空間。

        2.2.5 末端執(zhí)行器設(shè)計 采摘效率和采摘過程中因機(jī)械剛性碰撞引起的果實損傷率是評估采摘機(jī)器人性能的2個重要指標(biāo)。末端執(zhí)行器作為和蘋果果實直接接觸的執(zhí)行機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)設(shè)計和采摘動作的設(shè)計是降低果實損傷率、延長果實貯藏期最直接有效的方法。不同類型的蘋果采摘端執(zhí)行器的特性如表2所示。

        表2 不同類型蘋果采摘末端執(zhí)行器的特點

        末端執(zhí)行器的設(shè)計應(yīng)集成到采摘機(jī)器人的整個工作流程中。首先針對不同品種果樹果梗及不同時期果實力學(xué)特性(如果實受壓情況等),建立專門的機(jī)械損傷評估分類模型,并以此為依據(jù),進(jìn)行末端執(zhí)行器機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助設(shè)計[17-18],復(fù)合式末端執(zhí)行器的設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流趨勢,通過創(chuàng)新性結(jié)構(gòu)拓展末端執(zhí)行器的通用性,一種結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)多種形狀相似的果蔬品種采摘工作,從而提高末端執(zhí)行器的使用頻率。同時,使用柔性傳感器代替剛性傳感器安放于末端執(zhí)行器與果實接觸部位,實時進(jìn)行力學(xué)數(shù)據(jù)的采集,通過多傳感器融合采集相關(guān)信息以實現(xiàn)柔順控制,降低果實損傷率[19-20]。

        3 展望

        蘋果采摘機(jī)器人的關(guān)鍵系統(tǒng)如下:以基于GPS等導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位移動的底盤行走機(jī)構(gòu)作為“腳”,以機(jī)械臂與末端執(zhí)行器作為“手”,以末端視覺識別與快速定位系統(tǒng)作為“眼”,以基于人工智能的總控制系統(tǒng)作為“腦”,以機(jī)械車體作為“身”。隨著充電樁的普及,電池和驅(qū)動電機(jī)組成的新能源系統(tǒng)將代替內(nèi)燃機(jī)作為“動力源”。與之配合工作的還有蘋果收集裝置與適合采摘機(jī)器人大展拳腳的智慧果園。

        根據(jù)實際研發(fā)需求,重點進(jìn)行現(xiàn)代果園無人化收獲農(nóng)藝-農(nóng)機(jī)融合模式研究與鮮食果品高效低損采收、現(xiàn)場預(yù)分選分級、果箱收集轉(zhuǎn)運等無人化關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研發(fā),進(jìn)而構(gòu)建現(xiàn)代果園無人化收獲成套技術(shù)體系并建立示范基地,以期有效解決國內(nèi)果園收獲裝備亟缺、勞動力成本上升等問題。

        蘋果采摘機(jī)器人的研發(fā)需要多領(lǐng)域、多學(xué)科交叉融合,涉及農(nóng)藝、機(jī)械設(shè)計、電氣系統(tǒng)、傳感器、機(jī)器人視覺、深度學(xué)習(xí)、控制算法、系統(tǒng)集成等多方面的關(guān)鍵技術(shù),研發(fā)難度大、成本高。針對國內(nèi)蘋果采摘機(jī)器人發(fā)展較為滯后、農(nóng)藝和農(nóng)機(jī)結(jié)合不緊密的現(xiàn)狀,本研究為國內(nèi)未來蘋果采摘機(jī)器人各系統(tǒng)的設(shè)計給出優(yōu)化設(shè)計方案。研制出一款適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的高效率、低果實損傷、低成本、維護(hù)簡單、功能較全且操作難度低的商用蘋果采摘機(jī)器人,具有十分重要的現(xiàn)實意義。

        猜你喜歡
        執(zhí)行器機(jī)械手蘋果
        抓取脆弱物體的機(jī)械手
        雙級執(zhí)行器系統(tǒng)的離散滑??刂?/a>
        飛機(jī)裝配預(yù)連接緊固件自動化安裝末端執(zhí)行器設(shè)計
        收獲蘋果
        有毒的蘋果
        拿蘋果
        搬運機(jī)械手PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
        考慮執(zhí)行器飽和的改進(jìn)無模型自適應(yīng)控制
        一類具有執(zhí)行器飽和的非線性系統(tǒng)抗飽和方法研究
        會說話的蘋果
        成人黄色网址| 中文字幕漂亮人妻在线| 亚洲国产日韩欧美综合a| 久久人人爽人人爽人人片av麻烦 | 日本在线播放不卡免费一区二区| 华人在线视频精品在线| 国产h视频在线观看| 亚洲欧美在线播放| 国产精品综合色区av| 亚洲一区二区三区偷拍女| 色噜噜狠狠综曰曰曰| 黄视频国产| 国产精品不卡在线视频| 国内精品少妇高潮视频| 国产亚洲精品久久久ai换| 久久精品—区二区三区无码伊人色 | 亚洲无码中文字幕日韩无码| 亚洲一区二区蜜桃视频| 欧美日韩精品久久久久| 18无码粉嫩小泬无套在线观看| 国产av91在线播放| 极品一区二区在线视频观看| 精品久久欧美熟妇www| 亚洲精品123区在线观看| 国产丝袜长腿在线看片网站| 欧美牲交a欧美牲交aⅴ| 99久久综合狠狠综合久久| 亚洲伊人成综合人影院| 久久精品国产av一级二级三级| 黄色a级国产免费大片| 呦泬泬精品导航| 成人性生交大片免费看l| 亚洲婷婷五月综合狠狠爱| 91精品视品在线播放| 国产偷拍自拍在线观看| 国产免码va在线观看免费| 少妇人妻偷人精品无码视频| 午夜国产小视频在线观看黄| 大尺度无遮挡激烈床震网站| 无码午夜人妻一区二区三区不卡视频| 国产一区二区精品网站看黄|