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1、东北林业大学毕业设计1便携式果实采摘机器人机械系统设计1 绪论1.1 机器人的发展历史1920 年，捷克作家 K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了 ROBOT（汉语前译为“劳伯” ）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词。1950 年美国作家 I.阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则” ，即：（1）机器人不可伤人；（2）机器人必须服从人给与，但不和（1）矛盾的指令；（3）在与（1） 、 （2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。本世纪 50、60 年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1954 年美国的 G.C.D
2、evol 发表了“通用机器人”专利；1960 年美国 AMF 公司生产了柱坐标型 Versatran 机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。70 年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1974 年 Cincinnati Milacron 公司开发成功多关节机器人；1979 年，Unimation 公司又推出了 PUMA 机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU 二级控制；采用 VAL 专用语言；可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是一种技术先进的工业机器人。现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。这一时期的机器
3、人属于“示教再现” （Teach-in / Playback）型机器人。只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。进入 80 年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人” 。它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据
4、作业要求与环境信息自主地进行工作 16。1.2 机器人的定义和基本组成1.2.1 机器人的描述和定义自动机械，就是我们平日所说的“机器人”。要强调的一点是，要步入到机器人的殿堂并不是那么困难，机器人这个领域并不是那么高不可攀。我们可以不去理会其他人对机器人的注解，我们可以按照我们自己东北林业大学毕业设计2的喜好来理解：例如可以理解成“能实现一定的功能的机械设备”，也可以理解成“能在一定程度上代替人工的设备”等等。例如，我们可以认为汽车的雨刷，就是一只最简单的机械臂(其实它具备至少一个自由度)，等等。实际上，许多机器人的功能都不难做到，但因为它是“自动”机械，因为它是“机器人”，因此很少有人会想
5、“我也可以做”。 机器人的外形并不都象人，它可以是任何合适的形状，也可以是任何需要的形状，例如很多移动机器人就被设计成小车的形状，还有些能钻进管道内进行检测的机器人，被设计成圆柱形，还有的潜水机器人被设计成潜艇的形状，等等。 机器人可以是全部自动的，也可以是全部由人来操纵的。例如大家都非常熟悉的避障小车、走迷宫的小车、足球机器人等，都是全自动没有人去干预其动作的。再如特警用来拆除炸弹的小车，虽然是由操纵人员在遥控操作，但也都叫机器人。 由于“机器人”这种叫法太过笼统，且容易让人误解，还有把机器人叫做智能机械的，但很多机器人并不具备任何智能，因此在本文中的机器人也可认为是“自动机械”，表示“具有
6、一定自动能力的机械”。 世界上对自动机械研究和应用水平最高的是位于西太平洋上的一个岛国，他们的拥有量、使用时间、应用范围等记录都是全球最高的，目前国内也有许多设备是从他们那里进口的，普遍是些不够先进而又极为昂贵的，而且还没有足够的技术资料，还被用于关系国计民生的关键项目上，对国家和人民的安全极为不利。因此，大力发展我们自己的自动机械是非常必要的，也是非常迫切的，我们都应该为此来贡献自己的力量。 我国的自动机械起步比较晚，目前的整体水平与世界水平还有相当大的差距，设计能力、应用水平都急待提高，以降低国民劳动力强度，减少国民工作时的危险性，提高生产效率，增强我军的战斗力，并与我国的国际大国地位相衬
7、。由于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上目前尚未有明确的统一标准。综合各种定义，可将机器人理解为：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业需要，它具有至少一项或多项拟人功能，另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力（如视觉、力觉、触觉、接近觉等） ，以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。1.2.2 机器人的基本组成机器人一般由以下部分组成：（1）机械本体机器人的机械本体机构基本上分为两大类：一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业，工业机器人主要采用这种结构。另
8、一类为移动型本体结构，主要目的是实现移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。（2）驱动伺服单元机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于闭环控制原理进行的。伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的驱动方式有，液压伺服驱动、电机伺服驱动，近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。（3）计算机控制系统各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指东北林业大学毕业设计
9、3令值。通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，有时为了实现智能控制，还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等，这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感信号产生，形成三级计算机系统。（4）传感系统为了是机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）以及传感信号的采集处理系统（5）输入/输出系统接口为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。工业机器人提供一内部 PLC
10、，它可以与外部设备相联，完成与外部设备间的逻辑与时实控制。一般还有一个以上的串行通讯接口，以完成磁盘数据存储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统，实现人机对话 4。1.3 国内外机器人的总体现状1.3.1 国外机器人的总体现状美国是机器人的诞生地，早在 1962 年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过 30 多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产，使日本汽车及电子产品产量猛增，质量日益提高，而制造成本则大为降低。从而使日本生产
11、的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场，并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时，日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人，增大了国力，获得了巨大的好处，迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施，奋起直追。1.3.2 国内机器人的总体现状我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已
12、基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986 年 3 月开始的国家 863 高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。国内因为整体科技水平、价格、通用性等因素，造成目前民用领域的自动机械几乎是空白，比如我们经常可以看到工人们挥汗如雨地搬运物件、冒着生命危险清洗高楼外墙，等等。然而，由于我国自动机械的设计技术劣势，以及经济状况的落后，加上整体科技素质不高，造成目前人们找不到能解决问题的机械设备可供采购，或者因为价格昂
13、贵而无法使用，或者不会使用。因此若要提高我国民用领域的自动机械应用水平和规模，最迫切的就是设计生产出够用、便宜、易操作、美观的产品。比如把设备往现场一放，它就能自动把指定的东西搬到需要的地点；把设备玻璃幕墙上一贴，它就会自动把玻璃擦干净平时只需要更换它的清洁剂、清洁刷、对电池充电等操东北林业大学毕业设计4作这样一来，人们才更容易接受它，并且才有热情来使用它，从而才能迅速地提高我国的民用自动机械的应用水平和范围。1.4 农业采摘机器人的基本现状1.4.1 国外机器人的基本现状农业机器人作为机器人的一种类型，是精准农业、微电乓计算机和自动控制等技术在农业生产中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、
14、智能化的重要标志。果实收获是农业生产过程的重要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，基于果实生物学特性与栽培方式的收获机械人得到了发展。目前，日本、美国、荷兰等国家已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、黄瓜、草萄、葡萄、西瓜、甜瓜、苹果、柑橘、甘蓝等蔬菜和水果。本文设计了 3.5 自由度果实收获机械手，并对其具体机械结构建模及双目视觉定位系统进行了研究。从 1983 年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和开发己经历了近 20 年。日本和欧美等发达国家相继立项研究用于采摘苹果、柑桔、西红柿、葡萄等水果的智能机器人
15、。到 1997 年底，国外开发的一系列果品蔬菜收摘机器人均研制出了样机 26。图 1-1 为日本的 N Kondo 等人研制的黄瓜采摘机器人，采用三菱 MITSUBISHIRV 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。收获时，先把黄瓜抓住，用接触传感器找出柄，然后剪断。图 1-1 图 1-2图 1-2 为韩国 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
16、传感器识别果实。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 I-4。西瓜生长在地面上，因此机器手由 5个旋转关节组成，它能保证机械手的工作空间(包含地面)。如图 1-3，为日本 Okayama 大学研制的 5 自由度葡萄采摘机器人。此机器人应用于葡萄的培训系统。关节由 DC 伺服电机驱动。东北林业大学毕业设计5图 1-3 图 1-41.4.2 国内机器人的基本现状从国内农业机器人的发展和应用来看，我国农业机器人的研究处于起步阶段，研究和应用的农业机器人主要有中国农业大学的自动嫁接机器人，填补了我国自动嫁接技术的空白，还有吉林工业大学与吉林农业研究所研制的除草机器人和上海交通大学开发的草毒拣选机器人。我国采摘机器人技术的研究起步更是较晚，目前主要有浙江大学对番茄收获机器人有所研究，还有中
