文档介绍：开放式近地面果蔬收获机器人关键技术研究
可行性研究报告
项目负责人:张禹
研究单位:沈阳工业大学
2012年9月

开发农业机器人是21世纪农业机械自动化和智能化的发展趋势之一。用于采摘、收获、修剪、耕耘、嫁接和农产品分级等方面的各具特色的农业机器人已在许多国家得以研究和开发应用。但这些农业机器人只是具有特定的功能,适应于特定的环境,通用性差,不便于对系统进行扩展和改进,并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下,间接地增加了成本。因此,研究具有通用性、适应性强、可扩展的和低成本的开放式农业机器人是农业机器人走向实用普及的重要举措之一。
将农业机器人应用于农业生产,不仅需要能提高劳动生产率,合理利用劳动力资源,而且还能改善农业的生产环境,提高作业质量等。但是,农业机器人所具有的作业对象的娇嫩性和不确定性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性、操作对象与价格的特殊性等特点,需要农业机器人具有高度的智能系统,实现最佳的作业内容与作业方法;需要其结构简单,价格合理,便于操纵与推广使用;需要其具有较强的适应性,符合农业生产的多样性与作业对象的多变性等要求。
目前,农业机器人的实现方式主要体现为2种,一种是利用现有的工业机器人实现具体的农业生产作业,另一种是研制专用机电系统的农业机器人来实现具体的农业人生产作业。而已经开发出来的农业机器人主要分为两大类,一类为行走系列机器人,其主要目标是自助行走,边行走变作业,技术比较成熟,此类机器人有自行走耕耘机器人、施肥机器人、和除草机器人等;另一类为机械手系列机器人,其作业对象是果实、家畜等离散个体,由于作业对象的基本形态特征和力学特征的不用,对机器人的目标识别技术和机械手的控制技术有很高的要求,此类机器人主要有嫁接机器人、采摘机器人和移栽(育苗)机器人等。但这些机器人由于仅仅是为解决专门农业生产中的自动化与智能化而研制的,因而只具有特定的功能,适应于特定的环境,通用性差,不便于对系统进行扩展和改进,并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下,间接地增加了农业生产成本。
国内外对适用于农作物不同生产任务的开放式机器人的研究较少,仅有等与等开展了相关工作的研究。
尽管研究不多,但这类机器人的开发,特别是针对具有类似工作条件、易于操作转换的开放式农业机器人而言具有广阔前景。笔者主要针对近地面果蔬的除草、喷药、喷水和采摘等作业任务,分析开放式农业机器人的特性要求与关键技术。
本项目的研究具有先进性和综合性的特点,将在末端执行器的更换和开放式系统的研究上取得重要突破,具有重要的理论与应用价值。项目研究内容将直接应用于农业生产领域,项目研究成果将有力促进我国农业现代化的科技水平与发展进程。
、可行性和重大意义
必要性
(1)我国是一个农业大国,虽然农业人口众多,但随着工业化进程的不断加速,农业劳动力必将逐步向社会其它产业转移,可以预计进入21世纪后,我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题,农业劳动力将严重短缺。
(2)在农业生产项目中,许多环节如水果、蔬菜的采摘与挑选等都是劳动密集型工作,再加上农业季节性强的特点,使得果蔬采摘既耗时又费力,且效率低下,采摘成本占整个生产成本的很大部分。
(3)现在各国已研发出各种不同功能的农业机器人,但这些机器人大都只具有特定的功能,适应于特定的环境,通用性差,不便于对系统进行扩展和改进,并且由于农业季节性问题导致农业机器人的使用效率低下,间接的增加了成本,这也是农业机器人无法普及的主要原因。
(4)目前,D摄像机作为视觉传感器,易受自然环境的干扰,可靠性不高;此外,因为现代控制算法的封闭式局限,使得农业机器人控制较为复杂,加上农民的文化素质普遍较低,所以可操作性较低
。
(5)现有的农业机器人大都是专用的机电系统,而专用机电系统存在着通用性、可扩展性差的问题,如用采摘西瓜的机器人采摘苹果,那么从末端执行器、机械部分、控制部分至传感器部分都要换,这意味着又重设计了一个新的机电系统。使得农业机器人的开发周期较长,成本较高,不利于推广和普及。
这些问题严重影响着农业生产现代化的工作进程,劳动力的日益萎缩,劳动生产率一直无法快速提高,都是我国农业发展亟待解决的重点问题,给农业机器人的推广和普及带来极大的障碍。这些问题同时严重的阻碍农业机器人研究工作的高速发展,致使国民经济增长受到极大拖累。因此,开展开放式农业机器人的关键技术研究,解决现有系统存在的问题,是十分必要的。
可行性
(1)21世纪,随着工业现代化进程不断加快,农业现代化也取得了长足进步,国家“十二五规划”表明了我国要进一步实现现代化的决心,开发农业机器人已是农业现代化的必然趋势。国家已设置现代农业产业化与农业科技攻关