第07章农业机器人组成及分类

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　课程名称 农业机器人 任课教师 李玉柱 第 7 章 农业机器人组成及分类 计划学时 4 教学目的和要求：

　1. 了解农业机器人的特点； 2. 了解农业机器人的组成及分类； 3. 了解农业机器人的末端执行器的特点； 4. 了解机器视觉 重点：

　1. 农业机器人的组成和分类 2. 农业机器人的特点 难点：

　农业机器人的组成和分类 思考题：

　1. 农业机器人有何特点，为什么? 2. 农业机器人的组成及分类？

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　 第 7 章 农业机器人组成及分类 教学主要内容：

　7.1 农业机器人的特点 7.2 农业机器人的分类 7.3 农业机器人的发展 7.4 农业机器人的基本组成 7.5 末端执行器 7.6 传感器及机器视觉 7.7 移动机构 7.8 执行机构 本章主要介绍了农业机器人的特点、分类及组成，农业 机器人的发展，农业机器人的机械手特点及分类；农业机器 人的传感器、移动机构及执行机构。以制造业为主的工业机 器人已经相当普及，而将机器人技术应用于生物农业领域正 方兴未艾，农业机器人发展缓慢的主要原因在于其工作对象 的形状比较复杂，生物农业生产高度依赖于季节和自然环境 的变化，人们期待着机器人在这一领域的广泛应用，以实现 农业生产机械化和自动化。

　7.1 农业机器人的特点 农业机器人没有统一的定义，一般认为可以服务农业生 产的机器人、自动化机器人或智能化机器都可以称作农业机 器人。在农业生产领

　 域中，很多机器系统都没有操纵器，例 如，无人驾驶拖拉机、联合收割机和自驱机器等，它们在传 感系统控制下可以再田间自动行走。同样，在植物工厂内， 播种、间苗、施肥、收获和包装的自动化机器人系统都没有 操纵器。还有，许多拖拉机、干燥机和碾米机在一定的智能 水平下都可以实现全自动作业。这些机器系统拥有或没有操 纵器，都可以再它们自身的传感系统和控制系统的控制下实 现自身控制，进而可以由于与人相似的知觉和智能。本教材 中所指机器人为广义的机器人，即包括大多数智能机器系 统。

　7.1.1 发展农业机器人的必要性 农业生产系统远比工业生产复杂，并且世界各国农业生 产逐步向现代化农业迈进，农业机械化水平越来越高，农业 装备逐步从人和机器调节向自动控制方向发展，即向无人 化、智能化的机器人迈进，其原因是：① 尽管有许多农业 作业已经实现了机械化，但仍有许多危险的、劳动强度大的 和单调乏味的工作不适合人去做，需要一定的与人一样智能 去完成，如喷药作业。②在许多国家农业劳动力正在以惊人 的速度减少，这就意味着不久的将来，农业青壮劳力资源正 在不断下降。农业机器人的发展，特别是具有专家知识的 能够完成一些农业的专门工作。③ 要使农业生产持续下去， 农村劳动力的匮乏势必导致劳动力成本的提高，急需大量的 农业机械或自动机械参与到农业生产中。④ 农产品的评价

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　 目前主要依赖于人工，但人工评价的稳定性和一致性是不可 靠的，势必

　 需要由机器人来解决问题。

　7.1.2 农业机器人的特点 一般来讲，工业机器人处理对象的物理特性是静止的物 体，而农业机器人要能够处理正在生长的生物物体。生长中 的植物和动物都是动态的，这就要求农业机器人能够适应工 作对象明显变化的特性。

　要使农业机器人能够生物主体的特性，其构造和特性就 要与工业机器人不同。首先，生物主体是多变和多样的，因 此农业机器人在处理主体时必须具有灵活性和多面性。在大 部分情况下，当末端执行器与主体对象相接触时，需要进行 柔性处理。第二，农业机器人要有一定水平的智能来辨别周 围的情况。第三，机器人要适应在无结构、条件恶劣的变化 环境中工作。农业机器人要与人工操作者或农民进行合作， 需要一定的保护措施。最后，机器人要被农民接受，要简化 与人工操作者之间的对话，投入的资金也要合理。

　7.1.3 农业机器人的工作对象 事实上，植物、动物和农产品的形态是无限的，每年都 有新的品种出现。这些都需要开发相应的感应 机构来满足 需要。

　生物对象的特性可以用多种方法描述，基本特性包括大 小、形状、质量、密度和表面组织，在开发农业机器人时通常作为首选目标。

　工作对象的动态特性对于确定机器人的工作过程及其 在作业中的运动，以减少对对象的负面影响都非常重要。

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　 工作对象也存在光学特性。

　工作对象的声音和振动特性。

　工作对象的生物感觉。

　7.2 农业机器人的分类 r 蔬菜嫁接机器人 花卉插枝机器人 设施农业机器人 < 蔬菜收获机器人 （ 番茄/黄瓜/茄子）

　水果收获机器人 （ 草莓/苹果/橘子）

　I 植物工厂机器人 （ 育苗/移栽/收获）

　厂大田播种机器人 （ 播种、插秧 ）

　大田生产机器人 彳 大田收获机器人 （ 谷物/西瓜/甘蓝）

　〜大田植保机器人 （ 施肥/喷药/除草）

　厂肉类加工机器人 农产品加工机器人 Y 挤奶机器人 .剪羊毛机器人 7.3 农业机器人的发展 农业机器人未来的发展主要体现在以下几个方面：

　1. 农业机器人能节约和替代劳动力 2. 农业机器人能扩大人类的能力

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　2. 末端执行器 5 顺应手爪

　 3. 农业机器人能产生新的生产系统 4. 农业机器人能提高作业效率和作业精度 5 农业机器人能提高对环境的适应性 6. 农业机器人能减轻作业强度 7.4 农业机器人的基本组成 农业机器人主要包括机械手( manipulator )、末端执行 器( end-effector )、传感器和机器视觉( sensor and machine vision )、移动机构( traveling devices )> 控制机构( control devices )和执行机构( actuator )等 6 个部分。控制系统一般 采用计算机、单片机、 DSP 等，本章不再介绍，只介绍其他 5 个部分。

　章已经讲过，这里只是复习一下学过的内容，并把农业机器 人特有的东西再强调一下。

　r 直角坐标机械手 圆柱坐标机械手 1. 机械手 < 极坐标机械手 多关节机械手 ■冗余机械手 厂 夹持式手爪

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　2. 末端执行器 5 顺应手爪

　 多关节多手指手爪

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　 磁力吸盘式手爪 空气负压式吸盘 -距离传感器（超声波传感器、 PSD ）

　接近传感器（光学、空气、静电容、磁）

　/触觉传感器（接触觉、压觉、滑觉）

　„外部传感器 [ 力传感器（六分力）

　果实成熟度传感器（光感、声感、气感）

　机器人导向传感器（固定、半固定、自由）

　厂固定位置和固定角度 （微型开关、光电管）

　位置和角度测量 （电位仪、编码器）

　I 速度和角速度测量（转速仪、可动磁铁）

　内部传感器 " 加速度的测量 （压电式、应变片式）

　倾斜角的测量 （光电式、电解液式）

　方位角的测量 （陀螺仪、地磁传感器）

　广摄像元件 摄像机 r 图像获取 < 图像输入装置及处理设备 I 全套照明设备 J 对象物位置检测｛两眼立体视 I 视觉反馈位置检测3农业机器人传感器和机器视觉 机器视觉

　图 7.1 关节的符号

　轮式移动 履带式移动 4. 移动机构 「轨道式移动 龙门式移动 宽幅车辆 轨道式龙门 5. 执行机构 7.5 末端执行器 7.5.1 机械手的机构 机械手的关节包括 旋转型和直动型。

　"腿式移动 电动执行机构 液压执行机构 气压执行机构 直动型关节 直流伺服电机 交流伺服电机 步进伺服电机 双杆式油缸 轴向柱塞式油缸 液压马达 气压马达 气缸 摆动马达 旋转型关节

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　 （一）直角坐标机械手 直角坐标机械手由三条相互垂直且做直线运动的轴（三 个直动关节）来确定末端执行器的三维位置， 5 各自由度中 的 2 个是旋转关节，主要来确定末端执行器的姿势。

　图 7.2 直角坐标机械手 图 7.3 直角坐标机械手的作业空间 （二）圆柱坐标机械手 它是将直角坐标机械手的 x 与 y 轴的直动关节用绕 z 轴 的旋转关节用水平方向的直动关节来代替，其自由度为 3 个。

　与直角坐标机械手相比，在所有关节长度相同情况下，圆柱 坐标机械手有较大的空间。它的作业空间是圆柱型的。

　7.4 圆柱坐标机械手

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　图 7.7 极坐标机械手的作业空间

　（三）极坐标机械手 当圆柱坐标机械手中的 制动自由度 Z 被换成旋转自 由度时，就变成了极坐标 机械手。机械手由 2 个旋转 自由度和 1 个直动自由度来 确定位置。

　 （ （a）

　）

　（ （b ）WSI 图 7.5 圆柱坐标机械手的作业空间 5）册视图 （ b）

　）侧视图 ffl 2. 6 极坐标机擔手 图 2.6 极坐标机械手

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　图 7.10 SCARA 机器人

　 （四）多关节机械手 主要由旋转和摇摆两个自由度构成，与前 3 种相比更接 近人的胳膊，也称“拟人机械手”

　 1981 年，日本研制成功了 SCAR, 机器人，也是多关节机械手，它适 合在水平盘上作业，如秧苗处理和 穴盘作业。图 7.8 多关节机械手 柞收空间 ///////

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　 （五）冗余机械手 它的定义为：自由度超过 7 个的机械手。人的胳膊就属 于冗余自由度的手

　图 7.12 人胳膊的结构 7.5.2 机械手机构的评价 （一）作业空间 机械手的自由端在空间可移动的范围叫做作业空间，机 器人要处理的作业对象必须在这个空间内。所以比较不同大 大小或关节类型的机械手时，通常采用正规化体积指标 V n 来 衡量。

　V n

　V/(4 L 3 /3) (7-1 ) 图 7.11 SCARA 的作业空间

　（二）可操作度

　图 7.13 冗余空间和姿势多样性

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　 对于机械手来讲，不用移动单个点，就可以在作业空间 内非常容易的从一点到另一点移动末端执行器。这种能力可 以用可操作度进行数量化评价。它的定义：在一个有 n 个自 由度的机械手中（图 2.13 ），其末端的位置和方向的向量 r ， 可以用一个向量 q 来给出。

　并且：

　r=f （ q ）

　（ 7-2 ）

　（三）冗余空间和姿势多样性 对于冗余机械手而言，即使其基点和末端都是固定的， 机械手的中间点也可以达到预定的位置，该位置所形成的空 间叫冗余空间。将手爪直接接近工作对象的角度定义为姿势 的多样性，单位用度来表示。机械手的姿势多样性大，机械 手就可以从不同的角度接近对象。

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　冗余空间

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　（四）障碍物回避空间 图 2.19 是 2 个自由度的机械手，当其绕基点旋转并保 持这个姿势时，机械手就能够避开障碍物。这样由机械手的 上臂、下臂和横坐标组成的面积就叫做障碍物回避空间，用 亠一 A

　hLs inq ? A o 表示。

　A o （五）机械手的末端定位精度 一般来讲，自由度越大，杆件越长，机械手的定位精度 越低，定位精度取决于机械误差、间隙、公差和控制关节的 伺服电机的误差。精确度 A c 表示为：

　Ac （ aD/1000）

　式中：

　为机构固有的误差或公差； a 为移动距离成比例的 误差系数； D 为机械手移动的距离。

　743 农业机器人机械手 （一）作物培养系统

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　 作物在经过了培养系统培养后，更适合机器人进行作

　 孙 I 耳 脸时

　 业，继而提咼生产效率和产品质量。

　（二）生长在垂直平面上的果实类蔬菜 1. 番茄

　A B 图 7.15 A 番茄的叶序，B 单串生长的番茄系统

　图 7.16 果实朝向垄沟方向 图 7.17 一个番茄果实的关节 采用机械手收获番茄，需要一种能垂直向上能有效运动 的机构，并且有多个自由度的机械手来避开障碍物。此处给 出图 7.18-7.21 四种机械手， A 型是五自由度多关节机械手，； B 型是六自由度多关节机械手； C 型是包括一个直动关节的 六自由度机械手； D 型是包括 2 个直动关节的七自由度机械―gnkm OO d绞OO 一

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　 2. 黄瓜 为了方便黄瓜收获，将叶子和果实分到两侧。如图 7.22 所示。

　图 7.22 C 黄瓜的培养系统 图 7.23 黄瓜的倾斜格子架培养系统

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　（三）呈球形的果树

　 （ 四 ）

　生长在格子架上的果树

　（ 五 ）

　地面生长的蔬菜 （六）其他对象 7.5.2 末端执行器 机器人的末端执行器是按装在机械手前端并直线与对 象接触的部分，它通常由手指、传动机构和驱动机构组成, 根据抓取对象和工作条件进行设计。

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　手爪按夹持原理课分为手指式和吸盘式。

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　I— 外夹式 一按夹持方法 一内挣式 I— 内外夹持犬 —回转型 —按运动母梵一——平动型 —平轉型 r—二 tfi 式 按手抬数墮七坯式 「磁力紳 TZ 韻蠶

　（一）夹持式手爪

　 —手指式— 图 7.27 回转型手爪传动机构 图 7.28 平动型手爪传动机构 图 7.29 平移型手爪传动机构 —吸盘式 多关节 按吸力方式—— —真空武 —喷气式 —挤T 式 —按关节歡球

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　（ 二 ）

　多关节多手指手爪

　图 7.30 多关节多手指手爪

　（ 三 ）

　顺应手爪

　图 7.31 装配用被动顺应手爪

　（ 四 ）

　磁力吸盘式手爪 （五）空气负压式吸盘

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　—— 图 7.34 PSD 测距原理

　 7.6 传感器和机器人视觉 761 传感器 （一）外部传感器 1. 测距传感器

　 2. PSD 位置检测元件 输入F输岀点 图 7.31 图 7.32 超声波测距原理 计算歩髙 图 7.33 用超声波传感器测量植物 输号收号 It侑韬伯 •

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　 b 镜头 输出电沛打 输出电汛“ 发光藕

　啲耳谱呎 图 7.38 空气流动式接近传感器 图 7.39 静电容式接近传感器

　2. 接近觉传感器

　还有磁力接近传感器等。图 7.36 光学式接近觉传感器 图 7.37 光电中断器 检誰蹙再 图 7.35 PSD 扫描式距离传感器 涉进电机 I 步进电机 2

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　图 7.43 力传感器

　 3. 触觉传感器

　 图 7.40 典型的接触传感器 图 7.41 导电橡胶式压觉传感器

　图 7.42 滑觉传感器

　 盛力传爲器 〔“喪■柱墜 接魅杆 检 H 元件 小）振动型 也）圖型 4. 力传感器 传感器 应变片 y 法兰盘 法兰盘

　图 7.46 测速电动机 图 7.47 可动磁铁速度传感器

　 （ 二 ）

　内部传感器 1. 固定位置和固定角度的检测

　2. 位置和角度的测量 电位仪、编码器、分相器用于检测位置和角度。

　3. 速度和角度的测量

　 输入 T <AC)o-T 输出 （“玄漉成 （ b）

　交流式 图 7.44 3 种类型的光电传感器 物毎 图 7.45 电位仪的等效电路图 +

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　 4. 加速度的测量

　5. 倾斜角的测量

　 图 7.50 光电式倾斜角传感器

　图 7.48 压电加速度传感器 7 朮电二极誉 5T

　一 1)3

　代泡阴彰 5. 方位角测量 1„出坏底破慎 O 二氏剽 I 图 7.51 地磁传感器

　图 7.53 通过两眼立体视计算果实位置 图 7.54 对象物的方向和目标角度（反馈）

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　762 机器视觉 （一）图像的获取 包括：摄像元件、摄像机、图像输入装置及处理设备、 全套照明设备。

　（二）对象物的检测 1. 两眼的立体视

　静止关曹 视觉儒慮盟 图 7.52 计算机视觉系统的流程框图

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　 7.7 移动机构 7.7.1 轮式移动机构

　图 7.55 四轮转向车辆的转向模式

　 电谶传集器 图 7.56 温室内自行行走的电瓶车

　 朗轮转时 四轮转向 / % % / »— ■ 瓯地转旬 转向电机 光榜炉器 右 I \ 图 7.57 自我方向修正机构示意图 转向杆

　图 7.60 单轨移动系统

　7.7.2 履带式行走机构 鉴乡轮 jJ A A 崗带 支卓轮 邑向轮 A A A A ! 7.7.3 ◎ © 履带轮 突蚣 图 7.58 履带的结构 ( a＞ 艇转转向 (b) 轴心转向 = @ =图 7.59 履带机构的转向方式 轨道式移动系统 卡车 VLiil

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　7.7.4 龙门式移动机构 作业机 图 7.61 轨道式龙门机构 7.7.5 腿式移动机构 图 7.62 HBM-1 的结构

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　定 r 7.8 执行机构 用于机器人的执行机构需要满足以下条件：① 能够承 受反复启动、停止、正反转等操作，②加速性和分辨率好; ③小型、轻便，刚度好；④ 可靠性、维修性好。

　7.8.1 电动执行机构

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　图 2.M 直流伺服电机的工作原理 转子 用电刷和整腕屮 切换电换 图 7.63 直流伺服电机的结构 图 7.64 交流伺服电机的结构

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　 图 7.65 液压执行元件 7.8.3 气压执行机构 主要包括气压马达、气缸和摆动马达 思考题：

　1. 农业机器人有何特点，为什么？ 2. 农业机器人的组成及分类？ 3. 简述超声波传感器的检测原理 4. 简述果实成熟度传感器的类型和工作原理 782 液压执行机构 〔"轴向扑塞式油缸

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　5. 简述自我方向修正机构的工作原理，并画示意图

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