农业机器人的研究进展及存在的问题

janeluo

2016-02-01

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1 引 言 新的农业生产模式和新技术的应用促进了农业机械的更新和发展,智能农业机械的技术条件已经成熟。进入20世纪90年代,随着计算机技术和信息采集与处理技术的发展,自走式农业机械的田间自动导航、机器视觉与农业机器人研究得到重视,成为探索在农业机械装备中应用智能控制等高新技术研究的重要方向。
要实现工作对象是分散的、并且需根据判断进行选择的工作如除草、间苗、蔬菜收获、水果收获等作业的机械化和自动化是极为困难的,这些作业目前完全依靠人工完成。
对于必须处理这样复杂又模糊的信息,还要进行综合判断的农业生产作业的机械化来讲,只有靠具有与人类相同的知识启发和学习功能的智能农业机械一农业机器人才可能得以实现。可以预计,21世纪将是农业机械向智能化方向发展的重要时期。
2 农业机器人的特点 同工业机器人相比,农业机器人具有以下特点:
1)作业对象的娇嫩性和复杂性:生物具有软弱易伤的特性,必须细心轻柔地对待和处理。且其形状复杂,生长发育程度不一,相互差异很大;
2)作业环境的非结构性:由于农作物随着时间和空间而变化,工作环境是变化的、未知的,是开放性的。作物生长环境除受地形条件的约束外,还直接受季节、天气等自然条件的影响。这就要求生物农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能,而且还要能够顺应变化无常的自然环境,在视觉、知识推理和判断等方面具有相当的智能;
3)作业动作的复杂性:农业机器人一般是作业、移动同时进行,农业领域的行走不是连接出发点和终点的最短距离,而是具有狭窄的范围,较长的距离及遍及整个田间表面等特点;
4)操作对象和价格的特殊性:农业机器人操作者是农民,不是具有机械电子知识的工程师,因此要求农业机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点;另外,农业机器人以个体经营为主,如果不是低价格,就很难普及。
3 研究现状 日本是研究农业机器人最早的国家之一,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、扦插机器人、移栽机器人和采摘机器人等。
20世纪90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。具有相当智能的农业机器人是精确农业体系中有效装备之一,得到重视和发展。
许多国家根据自己的情况开发出了各具特色的农业机器人,如澳大利亚的剪羊毛机器人,荷兰开发的挤奶机器人,法国的耕地机器人,日本和韩国的插秧机器人等。就目前为止,农业机器人的实现方式有2种,一种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实现具体的农业生产作业。
3.1 利用工业机器人的实现方式 利用工业机器人的机械本体和控制器,安装具体农业作业的专用末端执行器、视觉传感器等组成一个农业机器人系统。这种农业机器人的实现是最方便,也是最常用的,比较典型的有下列几种。
3.1.1 番茄采摘机器人 日本的N.Kondo等人研制的番茄收获机器人,由机械手、末端执行器、视觉传感器、移动机构和控制部分组成。用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和识别成熟果实,另外果实有时被叶茎档住,收获时要避开叶茎,这要求机械手活动范围大,能避开障碍物,所以用7自由度的SCORBOT-ER工业机器人。
为了不损伤果实,机械手的末端执行器是带有软衬垫的吸引器,中间有压力传感器,把果实吸住后,利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮,能在田间自动行走,利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板,可检测是否到达土埂,到达后自动停止,转动后再继续前进。
该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约需要15s/个,成功率在70%左右,成熟番茄未采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方,机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进,以提高采摘速度和采摘成功率,降低机器人自动化收获的成本,才可能达到实用化。
3.1.2 黄瓜采摘机器人 日本的队Kondo等人研制的黄瓜采摘机器人,采用三菱MITSUBISHI RV-E2六自由度工业机器人,利用CCD摄像机,根据黄瓜比其叶茎对红外光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。
黄瓜和柄的连接与番茄不同,采用拧摘方法较难,而是用剪断方法,先把黄瓜抓住,用接触传感器找出柄,然后剪断,采摘速度为16个/s,由于黄瓜是长条形,受到叶茎的影响更大,所以采摘的成功率较低,大约在60%左右。
同样,此机器人需要改进其机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功能,以提高采摘成功率,提高采摘速度。
3.1.3 移栽机器人 蔬菜苗的培育一般是在温室中进行,室内温度高,湿度大,劳动条件差。为改善作业者的劳动条件。同时也为解决劳动力的不足,开发了移栽机器人。图3所示是台湾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。
机器人本体部分由工业机器人ADEPT-SCARA四自由度工业机器人和SNS夹持器组成,位于顶部的视觉传感器确定苗盘的尺寸和苗的位置,力觉传感器保证SNS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
。试验证明了移栽机器人的可行性,但是受到SCARA机器人自由度和工作空间的影响,通用性差,限制了工作对象和工作空间,离自动化作业流水线作业尚有一段距离。
3.2 专用机电系统的实现方式 由于农业生产的复杂性和特殊性,有些农业生产作业是传统的工业机器人无法胜任的,许多专家针对不同的农业生产研制出了独特的农业机器人系统,即设计出农业机器人的机械部分、控制部分和软件部分。比较典型的有以下几种:
3.2.1 蘑菇采摘机器人 英国Silsoe研究院研制的蘑菇采摘机器人如图4所示,它可以自动测量蘑菇的位置、大小,并选择性的采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和一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。
采摘成功率在75%左右,采摘速度为6.7个/s,倾斜生长的蘑菇是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的主要问题。
3.2.2 苹果采摘机器人 韩国Kyungpook大学所研制的苹果采摘机器人,其机械手工作空间可以达到3m,具有4自由度,包括3个旋转关节和1个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行器,内有压力传感器避免损伤苹果。利用CCD摄像机和光电传感器识别果实,从树冠外部识别苹果时的识别率达85%.速度达5个/s。
该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋,缩短了从摘取到放置的时间,提高了采摘速度。但是,该机器人只有4个自由度,无法绕过障碍物摘取苹果;对于叶茎完全遮盖的苹果,也没有给出识别和采摘的解决方法。
3.2.3 西瓜(瓜类)收获机器人 日本Kyoto大学研制出一个5自由度液压驱动的机器人用于收获西瓜,它包括机器手、末端执行器、视觉传感器和行走装置,如图6示。因为西瓜在地面上,机器手由5个旋转关节组成,它保证了工作空间包含地面。
美国Purdue大学Y.Edan和G.Miles研制了3自由度的伺服电机控制的操作手,用来收获甜瓜。这类机器人行走装置的倾斜引起的位置误差较大,导致收获成功率仅达到65%。另外,该机器人没有解决有叶、茎障碍物影响末端执行器抓取的问题。
4 存在的问题 从以上所述的农业机器人研究可以看出,农业机器人可以代替人类完成的某些农业生产活动。但要达到实用普及的程度,仍存在2个关键的问题:
1)农业机器人的智能程度没有达到农业生产的需要。农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产的能力以适应复杂的非结构环境。例如增强水果采摘机器人的辨识水果和避障能力,提高其采摘的成功率;
2)农业机器人的成本高,其性价比不能满足市场的需要。一方面,农业生产的特征之一是季节性强,造成了农业机器人的使用效率低,间接地增加了农业机器人的成本。例如移栽机器人。
如果仅适用于一种农作物的移栽作业,那么该机器人一年工作的时间很可能不超过1个月。另一方面,提高农业机器人的生产效率,只有当农业机器人的生产成本低于人工收获成本时,农业机器人才能达到实用化。例如人工采摘黄瓜和蘑菇的速度分别是6个/s和3.3个人,而上文提及的农业机器人速度分别是16个/s和6.7个/s。
因此,目前对农业机器人的研究多处于实验室的试验阶段。没有得到实际应用。这成为制约农业机器人进一步研究应用的瓶颈问题。
针对农业机器人的智能化程度问题,现阶段农业工程领域的:专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面,力图解决农业机器人的智能问题。从目前的技术水平来看,在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案,但总的来讲,目前智能系统的发展还不够完善。很多任务无法由农业机器人单独完成;另一方面,即使是农业机器人具备了相当的智能,能够完成某种任务,然而由于其制造成本过高。开发难度极大而难以实际应用。
目前对于农业机器人的研究一般是采用上文提及的两种实现方式:采用工业机器人和独立设计专用机电系统。由于当前工业机器人局限于"专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器"的封闭式结构。封闭的控制器结构使工业机器人具有特定的功能、适应于特定的环境,不便于对系统进行扩展和改进,如增加传感器控制等功能模块。
工业机器人的封闭式结构限制了农业机器人柔性生产能力和智能的扩展。独立设计专用机电系统的实现方式同样存在着扩展性、通用性差的问题,如果用采摘苹果的机器人采摘西瓜,从末端执行器、机械部分、控制部分到传感部分都要更换,相当于重新设计一个新的机器人系统。
5 具有开放式结构的农业机器人
5.1 开放式结构 开放式结构的思想源于现代化工业生产对机电设备的要求,计算机集成制造、柔性制造和敏捷制造等新的生产模式要求机电设备具有更大的柔性和更强大的编程环境,适应不同的应用场合和多品种小批量的生产。为了提高机电系统的性能和智能水平,要求控制器具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。
开放结构控制器大大提高了系统的柔性、可配置性、可扩展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性。与传统的专用系统相比,开放式机器人控制器的优点主要有:
1)开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改,用户可以根据需要进行机器人控制器改型。开放式机器人系统的应用范围更广;
2 )硬件和软件结构很容易集成传感器、操作接口,新的伺服控制规律等;
3)开放式机器人控制器采用模块化技术,功能模块的复用可以降低开发成本,使得重复性的开发工作大大减少,从而减少了整个系统开发的时间和成本;
4)开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化;
5)硬件和软件实现的开放式使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件,从而刺激系统供应商之间的竞争。通过竞争,一方面用户可以获得更丰富的硬件和软件资源,降低实现成本。另一方面也加速了从研究系统向可操作系统的转化,这样缩短了从研究到商品化产品的周期。
5.2 开放式结构农业机器人系统的优点 研究具有开放式结构的农业机器人系统,可以解决当前农业机器人发展存在的问题。开放式结构的农业机器人系统,具有良好的扩展性、通用性和柔性作业的能力。
机器人由机械、传感、控制三大部分组成,通过更换不同自由度的机械部分适应不同类型的农作物(如水果类、苹果、桔子等,蔬菜类西红柿、黄瓜等),更换不同的末端执行器适应不同的作物(例如西红柿和黄瓜需要的末端执行器不同)。针对不同作物,传感器部分适当地增加和减少。控制部分保留足够接口,可以控制足够自由度的机械部分和接收传感器的信号。
因此,具有开放式结构的农业机器人开发周期短,降低了成本,增加了利用率,提高了农业机器人的性价比,有利于推广使用。
开放式结构的软件体系为实现人机协同、机机协作等新理论提供了理想平台,也便于智能性的扩展。人机协同控制技术是解决农业机器人智能发展水平与复杂任务要求之间矛盾的一条有效途径。
人的参与,可以充分考虑和发挥人的经验、能动性以及对意外事件的反应能力,增强机器人处理突发事件以及不精确事件的能力,增强系统的鲁棒性。机机协作即机器人之间的协同作业,多机器人的协同作业可以显著地提高农业机器人的智能和工作效率。因此,具有开放式结构的农业机器人系统为解决农业机器人的智能问题提供了有效的途径。
5.3 开放式结构农业机器人系统的关键技术 机器人的核心部分是其控制系统,因此具有开放式结构的农业机器人系统的根本要求是具有开放式结构的控制系统。
事实上,农业机器人也只有具有开放式结构的控制系统才能保证控制不同农业生产所需的不同机器人机械部分、末端执行器和传感器。因此,建立符合开放式定义、特征的农业机器人控制系统,保证控制的可靠性、实时性,是关键所在。
6 结 语 随着新的农业生产模式和新技术的应用,机器人将越来越多地应用到农业生产中。由于农业生产的季节性、农产品的价格、农业作业的复杂性等特点对农业机器人的性价比、智能提出较高的要求,成为制约农业机器人研究应用的瓶颈问题。
开放式结构的农业机器人系统是解决这个问题的有效途径。将开放式结构的思想应用于农业机器人的研究具有实际应用价值,也有助于我国在较高起点上跟踪赶超国际前沿。

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