果蔬的無損抓取和采摘

據(jù)《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》2010年3 月報(bào)道，在我國，果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)鏈中最耗時、最費(fèi)力的一個環(huán)節(jié)，抓取和采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品的后續(xù)加工和儲存。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人采摘成功率低，損傷率高，主要原因是末端執(zhí)行器抓持果蔬的力過大或過小，導(dǎo)致果蔬抓傷或脫落。果蔬在抓取過程中會發(fā)生變形，采摘中應(yīng)考慮果蔬變形對末端執(zhí)行器夾持力的影響。在抓取果蔬的過程中應(yīng)實(shí)時預(yù)測果蔬的抓持力大小，采用灰色預(yù)測增量式PI力控制算法，可以使末端執(zhí)行器和果蔬間的抓持力快速低超調(diào)地跟蹤設(shè)定力，從而減小果蔬抓取損傷。

此研究報(bào)告刊登于《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》2010年第3期，題為“基于灰色預(yù)測控制的果蔬抓取系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)”，第一作者為南京農(nóng)業(yè)大學(xué)王學(xué)林博士。

由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動強(qiáng)度大、費(fèi)用高，費(fèi)用約占成本的50%～70%，采摘自動化程度仍然很低，國內(nèi)果蔬采摘基本上都是人工進(jìn)行。隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。在日本和歐美等發(fā)達(dá)國家，近20年來一直致力于采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)，而末端執(zhí)行器抓取果蔬的控制策略是農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器研究的重點(diǎn)。

論文中采用了灰色預(yù)測控制，灰色預(yù)測最明顯的優(yōu)點(diǎn)就是只需要少數(shù)幾個數(shù)據(jù)就可以建立一個灰色模型，不像傳統(tǒng)預(yù)測方法那樣要求相當(dāng)多的數(shù)據(jù)和很好的分布特性，灰色預(yù)測最少只需要4個數(shù)據(jù)，因而灰色預(yù)測方法可用于實(shí)時控制中。論文提出一種灰色預(yù)測增量式PI力控制算法，通過采集果蔬受到的抓持力建立灰色預(yù)測模型，將實(shí)際力偏差和預(yù)測力偏差按某個權(quán)值結(jié)合起來形成綜合力偏差，當(dāng)預(yù)測模型精度較高或較低時，相應(yīng)地加大或減小預(yù)測力偏差在綜合力偏差中的權(quán)值，使控制器對末端執(zhí)行器和果蔬之間的動態(tài)抓持過程具有適應(yīng)性?；疑A(yù)測增量PI力控制算法把力控制變成末端執(zhí)行器的變速度控制，采用灰色預(yù)測的目的是可以提前預(yù)測果蔬受到的抓持力，根據(jù)預(yù)測力和當(dāng)前實(shí)際力提前作出決策，使力控制器可以利用過去、當(dāng)前和未來的果蔬抓持力信息來計(jì)算合適的控制校正量對抓持力偏差進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償，控制器可以獲得超調(diào)量小和響應(yīng)快速的特點(diǎn)。

果蔬的無損抓取和采摘控制是當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，該論文提出的控制方法既有較深的理論價值，也有很強(qiáng)的工程應(yīng)用效果，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。