機(jī)器人仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用探析

方小菊+黃永杰

摘要：【目的】探索機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用?！痉椒ā糠治鰢?guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品加工的技術(shù)現(xiàn)狀、機(jī)器人仿真技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用情況。【結(jié)果】我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)方面尚處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家比較差距還很大；因?yàn)槲覈?guó)農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，加工過(guò)程復(fù)雜，機(jī)器人價(jià)格昂貴，導(dǎo)致機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中的應(yīng)用研究難以開(kāi)展?！窘Y(jié)論】機(jī)器人技術(shù)將會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用將會(huì)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；仿真技術(shù)；農(nóng)產(chǎn)品加工；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：S127文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-4374（2017）02-0030-03

Abstract：【Objective】Explore the continuous development of robot research and the rapid development of robot technology.【Method】Analysis of the following factors：the processing technology status of domestic and foreign agricultural products， the development trend of robot simulation technology， and the application analysis on robot simulation technology in agricultural products processing.【Results】It is still in the infancy stage for research and development of agriculture robot simulation in our country， existing great gap compared with developed countries；application is hard to carry out of t robot simulation technology in agricultural products processing in China because of a wide range of agricultural products， complex of the process， expensive of the robot simulation【Conclusion】he robot simulation technology plays an increasingly important role in agricultural products processing，it has important implications for the development of robot technology and application in agriculture.

Key Words：robot；simulation technology；agricultural products processing；application analysis

機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門(mén)學(xué)科而形成的高新技術(shù)[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也得到了很大程度的提高[2]。機(jī)器人作為一種自動(dòng)化設(shè)備因其具有降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作環(huán)境及提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)在各行各業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但是在現(xiàn)實(shí)中，機(jī)器人的應(yīng)用受著造價(jià)昂貴等因素的制約，機(jī)器人的應(yīng)用與研究大大地受到限制，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展給機(jī)器人的研究及應(yīng)用帶來(lái)了新機(jī)遇。隨著機(jī)器人研究的不斷深入和機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人仿真技術(shù)作為機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中既安全又經(jīng)濟(jì)的試驗(yàn)工具，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[3]。利用機(jī)器人仿真技術(shù)來(lái)研究機(jī)器人技術(shù)在各行各業(yè)的應(yīng)用，已成為機(jī)器人應(yīng)用研究的方法之一。

接下來(lái)，本文從國(guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品加工的技術(shù)現(xiàn)狀、機(jī)器人仿真技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工上的應(yīng)用三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的探究和分析。

1國(guó)內(nèi)外農(nóng)產(chǎn)品加工的技術(shù)現(xiàn)狀

1.1發(fā)達(dá)國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)先進(jìn)

許多發(fā)達(dá)國(guó)家在農(nóng)產(chǎn)品加工中應(yīng)用了高新技術(shù)，比如生物工程技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖象處理技術(shù)和擠壓成型技術(shù)等新技術(shù)[4]。其中，在美國(guó)，以農(nóng)產(chǎn)品加工為基礎(chǔ)的食品加工業(yè)已成為各制造業(yè)中規(guī)模最大的行業(yè)，美國(guó)作為機(jī)器人的發(fā)源地，也是對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人開(kāi)發(fā)比較早的國(guó)家之一，該國(guó)的農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)也在農(nóng)業(yè)中占著舉足輕重的地位；日本是首先將農(nóng)業(yè)機(jī)器人應(yīng)用在果蔬采摘上的國(guó)家，它的產(chǎn)品加工業(yè)在世界上處于領(lǐng)先地位。而這些主要?dú)w功于科技投入和先進(jìn)加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1.2我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)和設(shè)備相對(duì)落后

我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的技術(shù)水平和技術(shù)裝備由于受到科技水平較低、經(jīng)濟(jì)投入較少和機(jī)械工業(yè)發(fā)展水平的制約，與國(guó)際先進(jìn)水平相比較，還很落后[6]。目前，我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)仍然處于農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)備性能低、技術(shù)落后、生產(chǎn)效率不高的現(xiàn)狀，農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)在農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要，技術(shù)設(shè)備落后的現(xiàn)狀極大地限制了農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展[7]。

1.3我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工的發(fā)展方向

農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平是一個(gè)國(guó)家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要一步一步地邁進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，而這對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的要求越來(lái)越高。目前，農(nóng)業(yè)設(shè)備正逐步向著自動(dòng)化、無(wú)人化、智能化的方向邁進(jìn)[8]。而提高農(nóng)產(chǎn)品加工裝備和現(xiàn)代高新技術(shù)應(yīng)用水平是發(fā)展我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)及拓寬農(nóng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)利用的有效途徑。endprint

2機(jī)器人仿真技術(shù)的發(fā)展

2016年4月27日，工信部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》[9]。大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，對(duì)于打造中國(guó)制造新優(yōu)勢(shì)，加快制造強(qiáng)國(guó)建設(shè)和改善人民生活水平具有重要意義。機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用推廣能推動(dòng)我國(guó)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)十三五期間的重大技術(shù)突破。所以，機(jī)器人技術(shù)迎來(lái)了深入研究和快速發(fā)展的春天，仿真技術(shù)作為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要部分，也將處于快速發(fā)展的黃金時(shí)期。

2.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人仿真技術(shù)的研究現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)一些功能齊全的、商品化的機(jī)器人仿真軟件。

經(jīng)過(guò)三十幾年的發(fā)展歷程，目前國(guó)內(nèi)外機(jī)器人仿真技術(shù)已經(jīng)基本成熟，涌現(xiàn)了幾款功能齊全、應(yīng)用效果良好的機(jī)器人仿真軟件，例如英國(guó)的SAMMIE軟件、美國(guó)的UOBSM軟件、ABB公司開(kāi)發(fā)的Robot Studio仿真系統(tǒng)、以色列的ROBCAD以及國(guó)內(nèi)的ROBSM機(jī)器人仿真系統(tǒng)等，這些機(jī)器人仿真軟件目前達(dá)到了廣泛應(yīng)用的階段。

其中，Robot Studio機(jī)器人仿真軟件因其具有兼容常見(jiàn)格式的三維模型、編程簡(jiǎn)單、自動(dòng)生成路徑、碰撞檢測(cè)、仿真演示以及軟件的可開(kāi)發(fā)性等優(yōu)點(diǎn)而獲得了用戶的高度贊揚(yáng)，它對(duì)掌握機(jī)器人技術(shù)的使用者來(lái)說(shuō)，具有大量可用的工具，能較好的滿足用戶需要。目前它應(yīng)用較為廣泛，在中國(guó)高端虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中領(lǐng)跑行業(yè)企業(yè)。這給機(jī)器人仿真技術(shù)在各行各業(yè)中的應(yīng)用帶來(lái)了更多可能和機(jī)遇。

2.2機(jī)器人仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)在，我國(guó)工業(yè)機(jī)器人迎來(lái)了歷史上難得的發(fā)展機(jī)遇[10]，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展已經(jīng)上升到國(guó)家的戰(zhàn)略層面，國(guó)家正在大力培育機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并制定了推動(dòng)智能制造技術(shù)與智能裝備發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。與此同時(shí)，隨著中國(guó)制造自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人向更智能更高深的方向發(fā)展，它的應(yīng)用也已經(jīng)從傳統(tǒng)制造業(yè)推廣到農(nóng)業(yè)等非制造行業(yè)上[11]。作為機(jī)器人技術(shù)大背景下的機(jī)器人仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越受到重視[12]。近年來(lái)機(jī)器人仿真技術(shù)取得了豐碩的成果，無(wú)論在研究的深度和使用的廣度上，都有了巨大的發(fā)展。就近年來(lái)出現(xiàn)的仿真系統(tǒng)或軟件來(lái)說(shuō)，目前主要的發(fā)展趨勢(shì)有：三維模型的環(huán)境更加逼真和完善；機(jī)器人仿真軟件正在逐步走向通用化；機(jī)器人仿真系統(tǒng)正在逐步走向完整化；虛擬樣機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展；更加重視和深化環(huán)境上的仿真；機(jī)器人仿真系統(tǒng)正在逐步走向商業(yè)化；機(jī)器人仿真系統(tǒng)正在逐步走向智能化；機(jī)器人仿真平臺(tái)正朝著信息化的方向發(fā)展；機(jī)器人仿真平臺(tái)正朝著綠色化的方向發(fā)展；機(jī)器人仿真平臺(tái)正朝著定制化的方向繼續(xù)發(fā)展；機(jī)器人仿真技術(shù)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域越來(lái)越廣。

3.1機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀

與國(guó)外相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與開(kāi)發(fā)尚處于起步階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家比較差距還很大[13]。我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人起步較晚[14]，國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代中期才開(kāi)始農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)的研發(fā)。目前我國(guó)已開(kāi)發(fā)出的農(nóng)業(yè)機(jī)器人有：耕耘機(jī)器人、除草機(jī)器人、施肥機(jī)器人、噴藥機(jī)器人、蔬菜嫁接機(jī)器人、收割機(jī)器人、采摘機(jī)器人等。但與其它領(lǐng)域的機(jī)器人相比，農(nóng)業(yè)機(jī)器人因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境多變、工作對(duì)象特殊等因素導(dǎo)致機(jī)器人的工作任務(wù)具有極大的挑戰(zhàn)性。例如現(xiàn)在研發(fā)最熱門(mén)的果蔬采摘機(jī)器人，它雖然已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，但目前尚處于試驗(yàn)的階段，仍未能廣泛普及和商品化。

3.2機(jī)器人仿真技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品加工上的可行性分析

經(jīng)過(guò)企業(yè)的走訪調(diào)研和大量資料表明，我國(guó)因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品種類繁多，加工過(guò)程復(fù)雜，機(jī)器人價(jià)格昂貴，導(dǎo)致機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工過(guò)程中的應(yīng)用研究難以開(kāi)展。虛擬仿真技術(shù)作為機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究的排頭兵，為機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工提供了一種新途徑。例如鄒湘軍等人進(jìn)行的虛擬環(huán)境下農(nóng)業(yè)移動(dòng)機(jī)器人行為及其仿真建模研究[1]、薛峰等人的六自由度農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制仿真研究[16]以及李璞等人進(jìn)行的農(nóng)業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡控制仿真分析[17]等。這些都是機(jī)器人仿真技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)上的典型案例。機(jī)器人仿真技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品加工上的基本過(guò)程是：先調(diào)研相關(guān)企業(yè)，分析特定農(nóng)產(chǎn)品的加工過(guò)程特點(diǎn)，根據(jù)加工過(guò)程的虛擬仿真需要，研究虛擬機(jī)器人型號(hào)參數(shù)并分析性能特點(diǎn)；再利用三維軟件創(chuàng)建農(nóng)產(chǎn)品、各種周邊裝置及相關(guān)零部件對(duì)象的三維實(shí)體模型，并完成裝配與組裝；最后利用機(jī)器人仿真軟件對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真，在機(jī)器人仿真系統(tǒng)里面，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要?jiǎng)?chuàng)建單機(jī)或多臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作組成的工作站或生產(chǎn)線。

整個(gè)過(guò)程綜合運(yùn)用了控制論、交互式計(jì)算機(jī)、機(jī)構(gòu)學(xué)等技術(shù)，仿真軟件動(dòng)畫(huà)演示機(jī)器人加工農(nóng)產(chǎn)品的工作過(guò)程，使用者可以直接觀看機(jī)器人本體及工作環(huán)境的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。同時(shí)，根據(jù)仿真機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，研究分析控制機(jī)器人移動(dòng)的方法，反復(fù)修改運(yùn)行程序，驗(yàn)證機(jī)器人在運(yùn)行過(guò)程中是否會(huì)與周邊設(shè)備發(fā)生碰撞，完成軌跡可行性的驗(yàn)證。利用機(jī)器人仿真技術(shù)完成農(nóng)產(chǎn)品的加工過(guò)程的模擬仿真，將降低試驗(yàn)成本、縮短周期，避免不必要的返工。

3.3機(jī)器人仿真技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)產(chǎn)品加工上的前景分析

雖然機(jī)器人仿真技術(shù)目前還只是處于農(nóng)產(chǎn)品加工的初級(jí)應(yīng)用階段，但隨著虛擬仿真技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的深入研究，它將作為機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工的有效途徑而持續(xù)快速的發(fā)展。專業(yè)的機(jī)器人仿真軟件具有功能較全、實(shí)時(shí)性高、真實(shí)性強(qiáng)、可以產(chǎn)生近似真實(shí)仿真畫(huà)面等優(yōu)點(diǎn)，所以經(jīng)過(guò)機(jī)器人仿真軟件的模擬得到的仿真試驗(yàn)結(jié)果將為機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工工程的實(shí)際應(yīng)用提供有效的參考依據(jù)。

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化水平的不斷提升，機(jī)器人技術(shù)將會(huì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，為了更好的推廣該技術(shù)，機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工中的應(yīng)用將會(huì)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)，這對(duì)于機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品加工上的實(shí)際應(yīng)用和以后的普及推廣具有重要的意義。endprint