多功能農(nóng)業(yè)移動平臺機器人設(shè)計與應(yīng)用

0 引言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，許多農(nóng)活都是通過修剪、嫁接等方式完成的，噴灑、采收等工作也多是人工完成，既費時又費力，成本又高。隨著信息技術(shù)與人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，新型農(nóng)業(yè)技術(shù)，如設(shè)施農(nóng)業(yè)，已經(jīng)大量應(yīng)用了農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)。農(nóng)業(yè)智能機器人是21世紀(jì)農(nóng)機發(fā)展的一個重要趨勢

。農(nóng)業(yè)機器人是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的一種新型生產(chǎn)方式，在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動力短缺等方面具有重要作用。農(nóng)業(yè)機器人將會在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域掀起一場科技革命，有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展。農(nóng)業(yè)機器人作為一種新的農(nóng)業(yè)機械，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用將會推動農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展，使農(nóng)業(yè)的信息化、智能化水平得到全面提高，是農(nóng)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展的必然選擇

。

1 概念及研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機器人是傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、通信技術(shù)、精密制造技術(shù)等各種先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的綜合體，由于其工作特性，移動平臺成為了農(nóng)業(yè)機械人在整個運動過程中的基礎(chǔ)。根據(jù)作業(yè)環(huán)境，農(nóng)業(yè)機器人分為戶外作業(yè)機器人和溫室作業(yè)機器人。目前，農(nóng)業(yè)機器人的移動平臺主要有輪式、履帶式、輪履式等

。農(nóng)業(yè)移動平臺機器人由主機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及功能系統(tǒng)3部分組成,如圖1所示。

目前，國內(nèi)外已經(jīng)研究設(shè)計并制造了一些實用的農(nóng)業(yè)機器人。Q.C.Feng等

設(shè)計了一種基于聲納攝像傳感器的自動揀選機器人(圖2)，移動平臺沿著植物槽進(jìn)行智能導(dǎo)航，根據(jù)果實的飽和度、色調(diào)閾值和形狀特征檢測出成熟果實，通過雙眼視覺單元定位采摘點。卡塔尼亞大學(xué)設(shè)計出一種柑橘采摘機器人(圖3)，采摘臂由雙眼視覺反饋控制，每個手臂都配備有一個攝像頭和一個輔助燈來實現(xiàn)識別和定位水果的功能。楊世勝等

研制了一種由控制裝置、四輪驅(qū)動裝置、傳感器調(diào)整裝置、霧化器等構(gòu)成的噴霧機器人裝置(圖4)。Utstumo T等

開發(fā)了一種基于機器視覺的 Adigo除草機器人(圖5)，該機器人主要用于對行種胡蘿卜進(jìn)行精確除草，并根據(jù)需要進(jìn)行滴灌。農(nóng)業(yè)機器人種類繁多，按照所述行走系列和所述機械手系列組織分類，如表1所示

。

2 設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)計

多功能農(nóng)業(yè)移動平臺機器人以可重構(gòu)理論作為其設(shè)計理念。該方案采用模塊化結(jié)構(gòu)，把一個復(fù)雜的系統(tǒng)分解為若干個簡單模塊，既方便了系統(tǒng)的設(shè)計與分析，又使其具備了即插即用、易用的特點

。多功能農(nóng)用作業(yè)移動平臺機器人的設(shè)計分為兩大部分，即機械及控制模塊。由主機模塊設(shè)計和子功能模塊設(shè)計組成，主機模塊包括驅(qū)動車車架、行走機構(gòu)、轉(zhuǎn)向機構(gòu)、減震機構(gòu)等，子功能通過機械臂及機械臂的移動機構(gòu)等設(shè)計實現(xiàn)?？刂颇K包括驅(qū)動模塊、機械臂水平和垂直移動模塊、單片機模塊及各種功能機械臂具體需要實現(xiàn)的功能相關(guān)的模塊等。

相信我，我真的不是充氣娃娃。艾莉說，我來，最初只因一句玩笑，后來因為好奇，因為惡作劇，或許還因為，我曾經(jīng)愛上秦川?，F(xiàn)在我后悔了，我想離開。我離開，不僅因為你讓我沒有尊嚴(yán)，還因為，我不想繼續(xù)破壞你和秦川的感情。假如我繼續(xù)留在這里，最終變成充氣娃娃的會是你。我指的是，你早晚會變成一件可有可無的工具，早晚會被秦川當(dāng)成一個不能再用的抽水馬桶扔掉。你同意我的話嗎？

2.2.1 復(fù)雜三維空間機器人連續(xù)運動控制技術(shù)

選取合適的發(fā)動機保證足夠的功率使移動平臺移動。電動機體積小、可正反轉(zhuǎn)，易于布置其他裝置、實現(xiàn)移動平臺的前進(jìn)、后退功能。履帶式行走機構(gòu)通過性能好，爬坡能力強，轉(zhuǎn)彎半徑小，靈活性好，穩(wěn)定性高，適用于田間復(fù)雜路面情況。主要設(shè)計其車架、履帶和輪系，并對車架進(jìn)行有限元分析，保證設(shè)計的合理性。電源系統(tǒng)主要由電源向動力裝置、子功能模塊和控制模塊供電，保證各系統(tǒng)正常運行。該設(shè)計采用的電機為12 V直流電動機，其中主機實物模型如圖6所示，履帶底盤三維模型如圖7所示。

SF的收派業(yè)務(wù)在收件環(huán)節(jié)，客戶滿意度最高的是收件服務(wù)中收派員的服務(wù)態(tài)度，主動積極。而在收件服務(wù)中發(fā)現(xiàn)收派員業(yè)務(wù)熟練度、專業(yè)度這方面滿意度較低，說明SF員工在專業(yè)知識方面還是比較欠缺。在收件環(huán)節(jié)，滿意度最低的是價格價值中的價格是否透明，這說明收派員在上門收件的過程中，并沒有明確地告訴顧客各項服務(wù)的價格標(biāo)準(zhǔn)，只是隨性給顧客辦理服務(wù)手續(xù)。

羥考酮靜脈自控鎮(zhèn)痛對腹腔鏡下宮頸癌根治術(shù)后患者相關(guān)指標(biāo)的影響 …………………………………… 盧建華等（12）：1689

作物轉(zhuǎn)入外源基因使作物生長勢、越冬性和抗性得到明顯提升，轉(zhuǎn)基因作物發(fā)生基因漂流，對逆境有極強適應(yīng)性，其后代發(fā)揮外源基因的優(yōu)勢與原有種成競爭關(guān)系[17]。此外，若近緣種是雜草，基因漂流的結(jié)果可能產(chǎn)生攜帶抗性基因的雜草，由于失去天敵克制，淪為惡性雜草，從而占據(jù)生存空間。1998年加拿大發(fā)現(xiàn)部分油菜可以抗1～3種除草劑，只能用毒性更大的除草劑才能殺滅[18]。轉(zhuǎn)基因作物向非轉(zhuǎn)基因作物進(jìn)行基因漂流時，攜帶外源基因的后代可能產(chǎn)生抗性積累，致使除草劑使用增加、土壤污染、生物多樣性遭到破壞[19]。由此可見，轉(zhuǎn)基因作物大規(guī)模種植可能會給植物群落造成極大的負(fù)面影響，導(dǎo)致生物入侵。

子功能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計和功能互換——機械臂及移動機構(gòu)設(shè)計部分應(yīng)滿足多功能農(nóng)業(yè)作業(yè)的需要，其實現(xiàn)主要依賴于機械臂的設(shè)計及與驅(qū)動車前置機械臂移動機構(gòu)的合理連接。其中主機模塊為各功能共用，與其實現(xiàn)采摘、植保、運輸?shù)裙δ艿臋C械臂機構(gòu)安裝不存在干涉問題。選取功能模塊并通過SoildWorks進(jìn)行建模，給出其功能模塊示意圖。其功能模塊設(shè)計分為：采摘、植保、運輸、巡檢4類。

1)采摘。主要采摘蘋果、桃子等水果，以通用性強、承載力強、易操作、機構(gòu)簡單為設(shè)計要求，使用柔軟的材料接觸被采摘物，以防止被抓傷。而夾緊力的最佳值是保證靶板不會被夾斷的最大值。在同樣的驅(qū)動力下，機器人的大小決定了夾緊力，而控制物體能否完美摘取的關(guān)鍵是機器人的鉸鏈大小

。國內(nèi)蘋果的果實直徑一般為80～120 mm，機械手在摘下蘋果時，最小的指徑應(yīng)該超過120 mm

。根據(jù)整體作業(yè)空間要求，該方案使用兩根單關(guān)節(jié)手指，手指內(nèi)側(cè)彎曲，模擬人手抓住一個蘋果，指尖和指跟的長度超過140 mm，確保在拿到蘋果時，手指可以容納整個蘋果；蘋果采摘械手的最大高度為3.0 m，根據(jù)人工操作時的平均高度1.6 m，該設(shè)計的采摘機械臂的長度超過1.4 m

，如圖8所示。

采摘型機械手臂為二自由度機械手臂，如圖9所示，包括伺服電機、機械臂、皮帶輪、機械爪、連接桿、滑塊、控制轉(zhuǎn)動桿、連接絲杠、連接塊、步進(jìn)電機、底座。伺服電機經(jīng)皮帶向機械臂傳遞動力，控制其上下移動；機械手爪部分底座剛性連接在機械臂上，機械爪與連接桿固連在一起，步進(jìn)電機控制連接絲杠旋轉(zhuǎn)，通過滑塊與連接絲杠的配合控制機械爪的開合；通過控制機械臂關(guān)節(jié)處的伺服電機實現(xiàn)機械手臂的采摘行為。

3)運輸。運輸功能在移動平臺上很容易實現(xiàn)。工作時設(shè)置有運輸支架用于固定運輸貨物。由電機驅(qū)動移動平臺運動，驅(qū)動器采用 PWM模式來控制驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力，如圖11所示。

對于桃子、蘑菇和雞蛋等易碎物品，機械手的抓握要適度控制。需要一種能夠適應(yīng)不同形狀物體的柔軟裝置，使其在運輸和搬運過程中不會受到損壞且保持目標(biāo)物的完好。

2)植保。植保是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要環(huán)節(jié)，其對防治農(nóng)作物病害、確保糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)起著十分重要的作用。該農(nóng)業(yè)移動平臺機器人通過更換藥箱及噴霧機器進(jìn)行植保作業(yè)。32單片機通過分析指令控制實際動力系統(tǒng)和噴灑系統(tǒng)。驅(qū)動力和轉(zhuǎn)向力由駕駛員通過調(diào)整PWM模式進(jìn)行控制。微控制器I/O接口為移動平臺提供移動控制信號，并能及時有效地切換移動平臺的前向和后向功能，如圖10所示。

這回大梁冇像往日那樣發(fā)躁。他握住我的手，聽我講完，一直喑著不說話。我說：“我認(rèn)下了狼剩兒，就算在東洋人的窩里，那兒子總會護(hù)著娘的?！?/p>

4)巡檢。通過配備雙目攝像頭實時反映周邊環(huán)境實現(xiàn)巡檢功能。

2.1.3 控制模塊

因為作業(yè)對象是一些不連續(xù)的個體，如水果、樹苗等，這些個體的形態(tài)和生長位置都是隨機的，而且農(nóng)業(yè)機器人常常在室外工作，對不確定的環(huán)境如光照、風(fēng)向等非常敏感。因此，農(nóng)業(yè)機器人的機械臂必須對目標(biāo)進(jìn)行靈敏、精確的辨識，并能適時探測出被攝物的位置，進(jìn)而實現(xiàn)機械手的位置閉環(huán)控制。機器人的柔性移動加工技術(shù)是機器人手臂研究的一個主要課題，機器人手臂的自由度必須足夠大，能夠從任何角度抓住目標(biāo)。

2.1.2 子功能模塊

本系統(tǒng)的軟件主要分為兩大類：驅(qū)動類和應(yīng)用類。驅(qū)動部分包括電機驅(qū)動、紅外傳感器驅(qū)動、攝像頭視覺采集、無線路由器固件等。移動平臺的控制模塊及系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖12、圖13所示。主要對其主程序、電機驅(qū)動程序、視頻采集程序等進(jìn)行設(shè)計。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

農(nóng)業(yè)機器人是一種具有復(fù)雜機電一體化特征的典型產(chǎn)品。相對于工業(yè)機器人簡單、可靠、已知的工作環(huán)境和工作目標(biāo)，農(nóng)業(yè)機器人所面對的環(huán)境和工作對象具有非結(jié)構(gòu)化、不確定性和不可預(yù)測性

。其主要技術(shù)有以下幾項。

2.1.1 主機模塊

在果園和田間自主運行的機器人，具備比工業(yè)機器人更復(fù)雜的動作和精準(zhǔn)的定位技術(shù)，如地面不平、突如其來的障礙物、大范圍定位精度、機器人穩(wěn)定性、復(fù)雜的自然環(huán)境等。

2.2.2 準(zhǔn)確識別隨機目標(biāo)位置，準(zhǔn)確定位機械手

硬件設(shè)計作為主控開發(fā)，擴充一些視覺采集模塊、紅外避障模塊等。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量減少外部設(shè)備，以達(dá)到最大的整合。該電機驅(qū)動芯片采用L298N，并采用了標(biāo)準(zhǔn)的邏輯電平控制信號，配有兩個啟動控制信號。該系統(tǒng)能夠探測到外界的電阻，并將其變化反饋到控制電路中。在變速時，利用脈沖編碼調(diào)速技術(shù)，通過改變直流電機占空比電壓，改變電機的平均電壓，控制電動機的速度發(fā)生變化。

2.2.3 機械手夾持力及形狀控制技術(shù)

以3 459 nm波長的中紅外激光作為探針光輻照薄膜，得到了在不同探針光功率下，40 nm薄膜對探針光的透過率、反射率隨泵浦光輻照薄膜時間的變化情況，如圖6.

從我國鄉(xiāng)村閑置宅旅游開發(fā)歷程和模式可看出，村干部是閑置宅旅游開發(fā)的關(guān)鍵。目前，參與閑置農(nóng)宅旅游開發(fā)的相關(guān)方有：村民、以村委會帶領(lǐng)的村合作社、旅游開發(fā)企業(yè)、市（區(qū)）農(nóng)委、市（區(qū)）財政局、市（區(qū)）旅游局、街道政府，在這些相關(guān)方中，村干部是至關(guān)重要的一環(huán)，我們必須要加強村干部的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)。這是因為：

2.2.4 復(fù)雜對象的分類技術(shù)與學(xué)習(xí)能力

農(nóng)產(chǎn)品的特征是復(fù)雜的，其數(shù)學(xué)模型難以建立?；谀：壿嫛⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)、智能模擬等智能技術(shù)，實現(xiàn)自主學(xué)習(xí)是十分必要的。農(nóng)業(yè)機器人能夠在人類的幫助下，持續(xù)地學(xué)習(xí)和記錄學(xué)習(xí)成果，從而奠定處理復(fù)雜狀況的知識基礎(chǔ)。

2.2.5 適應(yīng)惡劣環(huán)境條件的技術(shù)

農(nóng)業(yè)機器人的工作環(huán)境比工業(yè)機器人更復(fù)雜、更嚴(yán)酷。其傳感、驅(qū)動和信息處理組件和系統(tǒng)必須適應(yīng)環(huán)境光、陽光、陰影、灰塵、熱量、濕度和振動的影響，以保持高可靠性。

3 總結(jié)與展望

綜上所述，探討了國內(nèi)外農(nóng)業(yè)移動平臺機器人的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用現(xiàn)狀及其主要技術(shù)。提出設(shè)計一種多功能農(nóng)用作業(yè)移動平臺，根據(jù)可重構(gòu)原則依靠更換機械手臂來達(dá)成功能的切換，實現(xiàn)快速更換各種輔具，可實現(xiàn)采摘、植保和運輸功能，利用三維參數(shù)化建模軟件SolidWorks構(gòu)建虛擬樣機模型。

鄂麥398屬于多穗及大穗兼?zhèn)湫推贩N，矮稈，抗倒性強，對氮肥需求量較高，在中等地力水平下，全生育期每公頃需施純氮（N）180～210 kg、磷（P2O5）120 kg和鉀（K2O）120 kg。施氮量按重施基肥（70%）、追施苗肥（20%），看苗追施拔節(jié)平衡肥（10%）的模式操作，促進(jìn)壯苗早發(fā)，培育大穗，優(yōu)化品質(zhì)［7，8］。

將機器人引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，可以減少勞力和提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率。目前，雖然對農(nóng)業(yè)移動平臺機器人的研究取得了很大進(jìn)展，但對機器人上安裝的組件傳感器的研究很少，對通用的、應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的特殊傳感器的研究更少。其次，單個機器人的生產(chǎn)成本也需控制，只有控制了成本，才有市場，才能實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。最后，智能控制與研究并行，農(nóng)業(yè)機器人的設(shè)計趨勢是日常使用方便、操作簡單、工作穩(wěn)定，應(yīng)能通過工作中的操作減少人力資源的損失。

隨著智能、導(dǎo)航、傳感器等先進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)移動平臺機器人未來的發(fā)展方向如下: 1)可擴展性、通用性、靈活性、機動性，通過機器人的性能最佳化，可減少生產(chǎn)費用；2)可以根據(jù)不同的作物種類替換不同的終端執(zhí)行機構(gòu)，并可多次使用，提高使用效率；3)通過不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)和配置，使其變得更小、更輕；4)深入研究視覺傳感器技術(shù)、圖像采集和處理算法，提高認(rèn)知能力和避障能力，從而提高識別和避障準(zhǔn)確性；5)新材料如納米材料、柔性材料等在農(nóng)業(yè)機器人中的應(yīng)用，可以推動農(nóng)作物無損作業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展。

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