[發明專利]仿生農作物采摘機器人

有效

• 申請號: 201210347859.0
• 申請日: 2012-09-19
• 公開（公告）號: CN102873675A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 湯一平;俞立;徐建明;邢科新;倪洪杰;陳國定;歐林林;余世明;孫明軒;何德峰;董輝
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B25J5/00
• 分類號: B25J5/00;B25J9/00;B25J9/20;B25J19/04;A01D46/10
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 王兵;王利強

技術領域

本發明屬于氣動人工肌肉技術、氣動伺服控制技術和采摘機器人技術在顆粒狀的農作物自動化采摘方面的應用，尤其適用于棉花的自動采摘。

背景技術

農作物采摘作業是農作物生產鏈中最耗時、最費力的一個環節。同時,采摘作業質量的好壞還直接影響到產品的后續加工和儲存。如何以低成本獲得高品質的產品是農作物生產環節中必須重視和考慮的問題。由于采摘作業的復雜性,目前我國的采摘自動化和智能化程度仍然很低，基本上農作物采摘作業都是手工進行，就棉花采摘這一項來說每年約需要人工采摘成本8個億。隨著人口的老齡化和農業勞動力的減少,農業生產成本也相應提高,這樣會大大降低產品的市場競爭力。因此采摘機器人是未來智能農業機械的發展方向。

采摘機器人工作在高度非結構化的環境下，采摘對象是有生命的生物體。同工業機器人相比，采摘機器人具有以下的特點：1）采摘對象嬌嫩、易脆,形狀復雜且個體之間的差異性大；2）采摘對象大多數被樹葉、樹枝等掩蓋，增大了機器人視覺定位難度，降低采摘成功率，同時對采摘機械手的避障提出了更高的要求；3）采摘機器人工作在非結構化的環境下，環境條件隨著季節、天氣的變化而發生變化，環境信息完全是未知的、開放的，對采摘機器人的智能控制水平要求高；4）采摘對象是有生命的、易脆的生物體，要求在采摘過程中對果實無任何損傷，這就要求機器人的末端執行器具有柔順性、靈巧性；⑤由于缺少對采摘機器人的研究，沿用了工業機器人的設計思想，導致了采摘機器人的價格昂貴。

總的來說，目前采摘機器人的本體結構研究沒有得到足夠的重視，不少產品和研究是通過直接購買工業機器人的機械手作為采摘機器人的機械本體。從目前發表的采摘機器人樣機來看，機械手的結構形式大致有直角坐標結構、極坐標結構和關節型結構三種，這三種機械手缺乏柔順性和靈巧性；同時采摘機器人的本體結構要比普通工業機器人的復雜。采摘機器人機械手的結構形式、自由度將直接影響機器人的作業空間、性能以及控制系統的復雜程度，乃至制造和維護成本。

自然界很多動物獲取食物的方式給我們設計帶來一些啟示，即仿生農作物采摘機器人設計，如大象的鼻子能輕而易舉地把樹上的果子摘下，能將地面上的草連根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一塊特殊的軟骨，起“閥門”一樣的作用。象吸水時，喉嚨部位的肌肉收縮，“閥門”關閉，水可以順利進入食道，大象的鼻子像人手一樣靈活。研究表明，大象鼻子是近4萬塊富有彈性的小肌肉組成，它能極靈活地伸縮自如，作出靈巧地動作。在仿生農作物采摘機器人設計時，將農作物采摘管道設計成如大象的鼻子，將采摘過程模擬為象的鼻腔吸入采摘對象的過程。

對于棉花的采摘過程，首先控制猶如大象鼻子的采棉管道對準棉桃，然后利用采棉管道內的抽氣裝置產生真空脈沖來吸入棉桃，最后吸入的棉桃通過管道自動地滑落到采棉箱內，從而完成整個棉花的采摘過程；這種采摘棉桃的動作是在瞬間完成，能有效提高采摘速度；由于采用了真空脈沖式的吸入棉桃，能有效防止枝葉及其它雜物吸入，提高所采摘棉桃的品質，同時也減少了采摘過程中的能耗。

一種理想的仿生農作物采摘機器人設計采用人工肌肉實現的末端執行器具有柔順性、靈巧性，其中氣動人工肌肉技術來模擬大象的鼻子是一種最佳的選擇設計方案。氣動人工肌肉除了具有氣壓傳動技術所具有的低成本、清潔、安裝簡便等優點之外，還具有高功率／質量比、自然柔順性、與生物肌肉類似的力學特性等優點。

早在1900年，“機構學之父”REULEAUX在關于生物機構學的研究中就提到了采用橡膠管模擬生物肌肉的原理。1913年，WILKINS發明了一種廉價可靠的管狀膜片驅動器；真正有關人工肌肉的應用研究從20世紀80年代開始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型氣動肌肉重新設計推出了Rubbertuator驅動器，并應用于多關節柔性臂Soft?arm，吸引了一些研究者的關注，從此人工肌肉進入了實際應用領域，其潛在價值逐漸被人們認識，應用研究工作也蓬勃興起。目前人工肌肉的主要研究還僅僅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，類似于大象鼻子的具有采摘功能的仿生農作物采摘機器人的研究非常鮮見。

一般來說，農作物采摘機器人主要涉及三個技術領域：1）本體結構設計；2）機器人的自主導航；3）目標的定位識別與采摘。本發明主要解決本體結構設計和采摘末端執行器的設計。