[發明專利]一種輪式移動水果采摘機器人及水果采摘方法

有效

• 申請號: 201110021812.0
• 申請日: 2011-01-19
• 公開（公告）號: CN102124866A
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 顧寶興;姬長英;安秋;彭磊
• 申請（專利權）人: 南京農業大學
• 主分類號: A01D46/00
• 分類號: A01D46/00;A01D46/22;B25J5/00;B25J9/08
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤

技術領域

本發明涉及農業機器人技術領域，尤其是一種輪式移動水果采摘機器人及水果采摘方法。

背景技術

水果是我國重要的經濟作物，目前水果己成為繼糧食、蔬菜之后的第三大農作物。水果產業在國民經濟中具有重要地位。在食品消費結構中，隨著主食消費比重的緩慢下降和副食品消費比重的上升，水果消費在整個食物消費中的比重也在逐步上升。自1978年中國實行農業結構調整政策以來，中國的水果產業得到快速發展，1997年一躍成為世界第一水果生產大國。水果產量從1978年的657萬噸增長至1997年的5089.3萬噸。到2006年，中國水果產量己達9599.2萬噸，占世界水果產量的18.1%。除了具有總量優勢外，中國許多水果的產量都居于世界前列，2006年中國蘋果和梨產量為2605.9萬噸和1198.6萬噸，分別占世界產量的40.8%和61.4%，均居于世界第一位。柑橘產量達1591.9萬噸，占世界產量的50.5%，也居于世界第一位。以上數據顯示，蘋果、柑橘、梨是我國水果的主要種植品種，無論是面積還是產量均一直排在前三位。因此，本發明的輪式移動水果采摘機器人主要采摘對象是針對以上幾種水果。

進入21世紀以來，我國人口面臨老齡化問題日趨嚴重，而且隨著工業的迅速發展，農業勞動力逐漸向工業及其他行業轉移，農業勞動力成本短缺嚴重且成本逐漸提高。水果采摘作業是水果生產中最耗時、最費力的環節，其收獲又屬于勞動密集型作業。以上種種因素給水果的收獲帶來了很大的困難，因此研究開發一種智能化的水果采摘裝置勢在必行。輪式移動水果采摘機器人不僅能夠降低果農的勞動強度、降低果樹采摘成本、提高采摘效率、保證果實及時收獲、保證果品質量，而且對于促進農村經濟發展，提高我國農業機械的現代化、智能化水平，加速農業現代化進程有著重大的推動作用。

相對于發達國家，我國在水果采摘機器人領域的研究起步較晚，大概始于20世紀90年代中期。目前國內有不少科研院校和研究所在進行采摘機器人和智能農業機械相關的研究。

中國發明專利ZL200310118301.6，發明名稱為“一種移動機器人平臺的驅動結構和驅動方法”。該專利介紹了一種用于輪式移動機器人平臺的驅動結構，采用協調的驅動方式，它包括一個主動導向輪和兩個獨立的驅動輪。主動導向輪由小功率較高減速比的電機驅動，控制導向輪的轉角；兩個驅動后輪分別由兩個低控制精度的扁平電機或輪轂電機驅動。平臺驅動控制器按照本體電機協調算法把移動平臺的運動要求分解為對三個電機的控制命令，然后控制導向輪的轉動和兩個后輪的差動以完成本體的運動。但該專利中沒有描述詳細的機械結構，而且也沒有針對果園路面環境進行設計，因此該結構很難應用于水果的采摘。

中國發明專利ZL200410053041.3，發明名稱為“智能移動機器人”。該專利介紹了一種智能移動機器人，包括車體平臺和大腦兩大部分，采用筆記本電腦作為機器人大腦。機器人大腦負責采集處理視覺信號，負責與外界對象通信和高層決策，下位機負責機器人執行機構的底層控制，并將獲得的里程計信息、超聲波傳感器信息和儲能狀態信息上傳給機器人大腦。該專利主要對控制系統組成進行了描述，但沒有涉及到機器人的具體機械結構的詳細描述。該專利使用的是普通的超聲波傳感器，雖然價格便宜，經濟性好，但是普通的超聲波傳感器發射角大，探測范圍大，但是其致命的缺點是方向性不好。而對于路面環境比較復雜的果園，使用普通的超聲波傳感器極易造成障礙物的誤判，因此該平臺并不適宜在果園環境中使用。

此外，南京農業大學對茄子收獲的視覺系統和機械臂的避障進行了研究；上海交通大學對黃瓜采摘進行了研究；江蘇大學對番茄收獲機械手進行相應研究；西北農林科技大學對蘋果采摘機器人手臂控制進行了研究；浙江大學對番茄收獲機械手進行了運動學分析。從以上研究可以看出，在采摘機器人領域國內的科研人員做了大量的探索性工作，但是水果的采摘是個極其復雜的過程，目前仍有很多難題很難解決。比如以上研究大多是集中在智能移動平臺、采摘機械臂、各種末端執行器、視覺傳感器系統、果實的各種分割和識別算法等幾個單方面的研究，由于工作量太大，研究難度高，所以幾乎沒有人將果實采摘的各個環節整合在一起深入研究。這就帶來一些重要的問題，研究出來的成果比較零散，采摘機器人執行采摘任務仍然需要人的協助，只能實現半自動化，而且采摘的效率普遍比較低。這些問題在國內外都廣泛存在。

發明內容