农业机器人(2)

农业机器人://xiyou.cntv.cn/v-dbe30f40-9103-11e2-89a1-001e0bd5b3ca.html农业机器人•1、农业机器人的基本情况•2、现在已开发出的农业机器人•3、农业机器人在农业生产中的实例•4、农业机器人当前存在的问题和发展前景1农业机器人的基本情况•1.1农业机器人的定义•农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人。也是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术和计算机技术等多种技术于一体的交叉学科与综合。1农业机器人的基本情况•1.2农业机器人的特点•（1）作业对象的娇嫩性和不确定性•（2）作业环境的非结构性•（3）作业动作的复杂性•（4）操作对象和价格的特殊性1农业机器人的基本情况•1.3农业机器人的发展状况•1.3.1国外•（1）日本•日本是研究农业机器人最早的国家之一，日本的农业机器人技术发展也最为成熟，这与日本自身岛国的自然资源条件是分不开的。早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发展，对农业机器人的研究工作逐渐启动，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人、扦插机器人、施肥机器人、番茄采摘机器人、移栽机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列。2O世纪9O年代以来，“精确农业”技术的研究与应用在发达国家受到了普遍的重视，已被国际农业科技界认为是21世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一。1农业机器人的基本情况•2）美国•美国的农业机器人技术发展也非常快。由于美国自身科学技术发达，领土广阔，农业机械化程度很高,其行走式农业机器人理论技术发展得非常成熟。美国新荷兰农业机械公司投资250万美元发明了一种多用途的自动化联合收割机器人，很适合在美国一些专属农垦区的大片规划整齐的农田里收割庄稼。1农业机器人的基本情况•（3）西班牙•西班牙发明的采摘柑橘机器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的颜色、大小和开关判断出是否成熟并决定能不能够采摘。它每分钟摘柑桔60个，是人工采摘的7倍。另外，采摘柑桔机器人能够依靠装有视频箱的机械手对当即采摘下来的柑桔按大小进行分类。1农业机器人的基本情况•（4）英国•英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机、红外线测距仪和视觉分析软件，能够首先确定哪些蘑菇可以采摘以及属于哪种等级，然后测出其高度以便进行采摘。它每分钟能摘蘑菇40个，比手工快两倍。1农业机器人的基本情况•（5）法国•法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，并且不会碰坏它们。1农业机器人的基本情况•（6）丹麦•丹麦科学家研制出一种可用于农田除草的机器人。这不仅可以减少农民的辛苦，而且能够大幅度减少除草剂的使用。这种机器人有4只轮子，由电池驱动。除草机器人使用1台照相机来完成地面扫描，它还携带着识别软件，使用15种不同的参数来描述杂草的大小和对称性等外部特征，最终通过GPS（全球定位系统）来给杂草定位。使用这种机器人，可以减少除草剂的使用量。虽然除草剂很便宜，对农民来说算不了什么，但减少使用量使环境成了最终的受益者。科学家认为，要把杂草和庄稼没有错误地区分开是个非常难的问题，因此还需要更多的研究。1农业机器人的基本情况•（7）澳大利亚•剪羊毛机器人是澳大利亚于20世纪80年代中期制造出来的,是世界上第1个可以在活的动物身上进行作业的机器人。它用一只手按住羊的头部,用两只手按住羊的脚,把羊按在专用的平台上,还有两只手拿着两把剪刀,贴着羊的身子飞快地剪羊毛。不论是大羊、小羊、肥羊和瘦羊,它都能把羊毛剪得干干净净。在剪羊毛时,羊常常会乱动,但是机器人手中的剪子也不会伤着羊的皮肉。随着科技的发展,剪羊毛机器人也不断地发展,出现了一些新型的机器人。1农业机器人的基本情况•我国目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。我国已研制成功蔬菜嫁接机器人并成功进行了试验性嫁接生产•1.3.2国内发展状况2、现在已开发出的农业机器人•2.1.1番茄收获机器人2.1农产品自动采摘与收获机器人2、现在已开发出的农业机器人番茄收获机器人是用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实。当果实被茎叶挡住要避开茎叶,要求机械手活动范围大,故用7个自由度的工业机器人末端执行器，其中五自由度垂直多关节型机械臂和能够上下、前后移动的二自由度直动关节，可以一边避让茎叶一边接近目标果实，植株上方和植株下方的果实也能很好地采收。2、现在已开发出的农业机器人2.1.2草莓采摘机器人2、现在已开发出的农业机器人•草莓采用高架栽培模式，因此研制出了5自由度的采摘机器人。草莓采摘机器人的视觉系统与番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，3对光电开关检测草莓的位置，视觉系统计算空间位置，控制机械手移动到预定位置，末端执行器将草莓吸入；当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。2、现在已开发出的农业机器人•2.1.3葡萄采摘机器人2、现在已开发出的农业机器人辅助部分•葡萄采摘机器人的机械部分是一只具有5个自由度的极坐标机械手，末端的臂可以在葡萄架下水平匀速运动，能够有效地工作。视觉传感器一般采用彩色摄像机，若采用PSD三维视觉传感器效果会更佳，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。由于葡萄采摘季节很短，单一的采摘功能会使机器人的使用效率降低，为提高其使用率，可更换不同的末端执行器，以完成葡萄枝修剪、套袋和药物喷洒等作业。2、现在已开发出的农业机器人•2.1.4蘑菇采摘机器人英国Silsoe研究所研制的蘑菇采摘机器人，可自动测量蘑菇的位置、大小,并选择性地采摘和修剪。它的机械手由2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节组成，末端执行器是带有软衬垫的吸引器,视觉传感器采用TV摄像头,安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右,采摘速度6～7个/s。另一种机器人用CCD黑白摄像机识别作业对象，识别率达84%，使用直角坐标机械手进行采摘。为防止损伤蘑菇,执行器部分装有衬垫，吸附后用捻的动作收获，收获率达60%，完整率达57%。2、现在已开发出的农业机器人2.1.5黄瓜采摘机器人2、现在已开发出的农业机器人•日本N.Condo等人研制的6个自由度工业机器人，利用摄像机，根据黄瓜比叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。用剪断方法,先把黄瓜抓住，用接触传感器找出柄后剪断，采摘速度16个/s。由于黄瓜是长条形,受叶茎影响大，故采摘成功率较低，在60%左右。2、现在已开发出的农业机器人2.1.6茄子采摘机器人•日本国立蔬菜和茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。该机器人系统由机器视觉系统、机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照V形生长方式种植的senryo-2号茄子。该机器人在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5％，工作速度为64.1个/s。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确；同时，视觉系统也占用了72％的工作时间。2、现在已开发出的农业机器人2.2嫁接机器人•嫁接栽培是克服瓜菜连茬病害和低温障碍的有效途径，抗病、增产效果显著，被广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜、茄子、西红柿栽培。嫁接机器人可大幅提高嫁接速度，明显降低劳动强度,并提高嫁接成活率。中国农业大学率先研制成功自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、快速抓取、良好切削。操作者只需把砧木和穗木放到相应供苗台上,机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合等嫁接过程的自动化作业,嫁接速度600棵/h，成功率95%以上,促进了果蔬生产规模化、产业化2、现在已开发出的农业机器人•机器人可提高移栽操作质量和工作效率。台湾K.C.Ting和Y.Yang等人研制的移栽机器人，把幼苗从600穴的育苗盘中移植到48穴的苗盘中。机器人本体部分由4个自由度执行结构和夹持器组成，位于顶部的视觉传感器确定苗盘尺寸和苗的位置,力觉传感器保证夹持器夹住而不损伤蔬菜苗。在苗盘相邻的情况下，单个苗移栽的时间在2.6～3.25s之内。2.3移栽机器人2、现在已开发出的农业机器人•日本开发的能在水田中自动行走，进行深层作业的水稻施肥机器人。其行走部分是能在狭窄的稻秧间行走的窄型橡皮车轮，四个轮子均可横向转动90度。施肥装置是把糊状肥料经过肥料泵加压、由喷嘴向土中施肥，喷嘴两个一组共有四组，利用喷嘴柄把喷嘴插入土中15cm，进行点注深层施肥。机器人能沿着水稻垄自动行走，能自动保持作业部分的深度，自动控制施肥量，机器人工作时无人操纵。通过前方传感器自动检测地头的土埂，在设定的土坯处自动停止，转动90度，再横向移动8条稻垄，再转动90度，继续向相反方向进行作业。美国明尼苏达州一家农业机械公司的研究人员推出的施肥机器人别具一格，它会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥，它的准确计算合理的减少了施肥的总量，降低了农业成本。由于施肥科学，使地下水质得到改善。2.4施肥机器人2、现在已开发出的农业机器人•机器人可完成农产品的分级,大幅提高分选的均一性,降低产品破损率，提高生产率,降低生产成本,改善劳动条件。日本在果蔬分拣系统及果蔬拣选机器人的研究开发和使用方面居世界领先地位。英国研制的分拣机器人,采用光电图像识别和提升分拣机械组合装置,把大的西红柿和小的樱桃加以区别,然后分拣装运。也能把土豆进行分类,且不擦伤外皮。意大利UNITEC公司开发出一系列用于水果及蔬菜采摘后进行体积、尺寸和颜色识别的专用分拣机,能使径向尺寸小于40mm的水果分拣速度达到18个/s,大于40mm的水果达12个/s。1995年美国研制成功的Merling高速主频计算机视觉水果分级系统,生产率约为40t/h,已广泛用于苹果、桔子、桃和西红柿等水果的分级。美国每年有50%以上的苹果经过该设备处理。2.5农产品分级机器人2、现在已开发出的农业机器人•1992年荷兰开发了挤奶机器人。根据计算机管理的乳头位置信息,用超声波检测器自动找到牛的乳头位置,用计数型机械手进行奶头清洗和挤奶等作业。英国Silsoe研究所开发的挤奶机器人，装有用激光和摄像机视觉导向的气动“软”机器人臂,用它放置吸奶杯并清洁和干燥挤奶部位,也可对奶牛乳房的1/4部位进行挤奶。它可每天24h对40头奶牛进行监控和挤扔,并自动对奶牛状态进行监控和数据收集，使奶牛以更接近自然状态的生活周期进食、休息和产奶,最大限度地减少人为干扰,从而提高挤奶效率并改善奶牛健康状况。2004年12月2日,中国第1个挤奶机器人被安置在蒙牛澳亚示范牧场。牧场挤奶示范区展示着机器人式、转盘式等现代化挤奶平台,其中转盘式平台1次可同时为60头奶牛挤奶,是目前我国最大的挤奶机。2.6挤奶机器人2、现在已开发出的农业机器人•除草机器人采用了先进的计算机图像识别技术，GPS系统，它的特点是利用图像处理技术自动识别杂草，GPS接收器作出杂草位置的坐标定位图，机械杆式喷雾器根据杂草种类及数量自动进行除草剂的喷洒。如果引入田间害虫图像的数据库，还可根据害虫的种类、数量进行农药的喷洒，可起到精确除害、保护益虫、防止农药过量污染环境的作用。2.7除草机器人2、现在已开发出的农业机器人•育苗机器人主要是用于蔬菜、花卉和苗木等种苗的移栽，把种子长出的籽苗从插盘移栽到盆状容器中，以保证适当的空间，促进植物的扎根和生长，便于装卸和转运。现在研制出来的育苗机器人有两条传送带，一条用于传送插盘，另一条用于传送盆状容器，其他的主要部件是插入式拔苗器、杯状容器传送带、插漏分选器和插入式栽培器。由于在许