[发明专利]仿生农作物采摘机器人

说明书

技术领域

本发明属于气动人工肌肉技术、气动伺服控制技术和采摘机器人技术在颗粒状的农作物自动化采摘方面的应用，尤其适用于棉花的自动采摘。

背景技术

农作物采摘作业是农作物生产链中最耗时、最费力的一个环节。同时,采摘作业质量的好坏还直接影响到产品的后续加工和储存。如何以低成本获得高品质的产品是农作物生产环节中必须重视和考虑的问题。由于采摘作业的复杂性,目前我国的采摘自动化和智能化程度仍然很低，基本上农作物采摘作业都是手工进行，就棉花采摘这一项来说每年约需要人工采摘成本8个亿。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少,农业生产成本也相应提高,这样会大大降低产品的市场竞争力。因此采摘机器人是未来智能农业机械的发展方向。

采摘机器人工作在高度非结构化的环境下，采摘对象是有生命的生物体。同工业机器人相比，采摘机器人具有以下的特点：1）采摘对象娇嫩、易脆,形状复杂且个体之间的差异性大；2）采摘对象大多数被树叶、树枝等掩盖，增大了机器人视觉定位难度，降低采摘成功率，同时对采摘机械手的避障提出了更高的要求；3）采摘机器人工作在非结构化的环境下，环境条件随着季节、天气的变化而发生变化，环境信息完全是未知的、开放的，对采摘机器人的智能控制水平要求高；4）采摘对象是有生命的、易脆的生物体，要求在采摘过程中对果实无任何损伤，这就要求机器人的末端执行器具有柔顺性、灵巧性；⑤由于缺少对采摘机器人的研究，沿用了工业机器人的设计思想，导致了采摘机器人的价格昂贵。

总的来说，目前采摘机器人的本体结构研究没有得到足够的重视，不少产品和研究是通过直接购买工业机器人的机械手作为采摘机器人的机械本体。从目前发表的采摘机器人样机来看，机械手的结构形式大致有直角坐标结构、极坐标结构和关节型结构三种，这三种机械手缺乏柔顺性和灵巧性；同时采摘机器人的本体结构要比普通工业机器人的复杂。采摘机器人机械手的结构形式、自由度将直接影响机器人的作业空间、性能以及控制系统的复杂程度，乃至制造和维护成本。

自然界很多动物获取食物的方式给我们设计带来一些启示，即仿生农作物采摘机器人设计，如大象的鼻子能轻而易举地把树上的果子摘下，能将地面上的草连根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一块特殊的软骨，起“阀门”一样的作用。象吸水时，喉咙部位的肌肉收缩，“阀门”关闭，水可以顺利进入食道，大象的鼻子像人手一样灵活。研究表明，大象鼻子是近4万块富有弹性的小肌肉组成，它能极灵活地伸缩自如，作出灵巧地动作。在仿生农作物采摘机器人设计时，将农作物采摘管道设计成如大象的鼻子，将采摘过程模拟为象的鼻腔吸入采摘对象的过程。

对于棉花的采摘过程，首先控制犹如大象鼻子的采棉管道对准棉桃，然后利用采棉管道内的抽气装置产生真空脉冲来吸入棉桃，最后吸入的棉桃通过管道自动地滑落到采棉箱内，从而完成整个棉花的采摘过程；这种采摘棉桃的动作是在瞬间完成，能有效提高采摘速度；由于采用了真空脉冲式的吸入棉桃，能有效防止枝叶及其它杂物吸入，提高所采摘棉桃的品质，同时也减少了采摘过程中的能耗。

一种理想的仿生农作物采摘机器人设计采用人工肌肉实现的末端执行器具有柔顺性、灵巧性，其中气动人工肌肉技术来模拟大象的鼻子是一种最佳的选择设计方案。气动人工肌肉除了具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、安装简便等优点之外，还具有高功率／质量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性等优点。

早在1900年，“机构学之父”REULEAUX在关于生物机构学的研究中就提到了采用橡胶管模拟生物肌肉的原理。1913年，WILKINS发明了一种廉价可靠的管状膜片驱动器；真正有关人工肌肉的应用研究从20世纪80年代开始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型气动肌肉重新设计推出了Rubbertuator驱动器，并应用于多关节柔性臂Soft arm，吸引了一些研究者的关注，从此人工肌肉进入了实际应用领域，其潜在价值逐渐被人们认识，应用研究工作也蓬勃兴起。目前人工肌肉的主要研究还仅仅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，类似于大象鼻子的具有采摘功能的仿生农作物采摘机器人的研究非常鲜见。

一般来说，农作物采摘机器人主要涉及三个技术领域：1）本体结构设计；2）机器人的自主导航；3）目标的定位识别与采摘。本发明主要解决本体结构设计和采摘末端执行器的设计。