对农业机器人机械手的简要探讨
摘要：机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。农业机器人由于作业环境及作业对象的特殊性等因素时期对机械手要求更加高。本文简要探讨了国内外农业机器人机械手的发展现状与未来趋势。
关键词：农业机器人 机械手 发展
机械手概论
现代的农业机器人是集传感技术、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。虽然已经出现了功能各异的农业机器人，但整个机器人是一个依靠自动控制实行操作功能或移动功能的完整的系统，主要包括以下几部分：执行机构、动力元件、传动装置、传感器、计算机[1]。
农业机器人的作业对象一般是农作物，这种作业对象形态各异，生长环境也大不相同。在设计农业机器人时就要考虑作业对象的自身特征以及外界的生长环境等诸多因素，因此要求农业机器人具备程序性、适应性和通用性等多种特性。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成 [2]。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等;运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势;控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。由于农业机器人在作业时同时存在作业对象的娇嫩性和不确定性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性以及操作对象和价格的特殊性,所以就要求在农业机器人中应用的机械手必须具备较多的自由度来准确避障且通过传感器以合适的力度来作业。
机械手自由度
机构的自由度就是机构所具有的独立运动的个数。自由度直接影响到机械手结构的设计和机器人的运动方式，决定了机器人的灵活性和控制的复杂性。设可动部件的个数为n ，自由度为f 的关节个数为Pf ，则杆件机构的自由度数F 可由下式算出
F = 6n -(6 -f )Pf (1)
图1 机械臂坐标系图[3]
在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x ，y ， z 各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动。因此，确定目标物体的空间位姿，一般需要6个自由度。决定位置的3个自由度可以是转动关节，也可以是移动关节，主要有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型4种基本形式[4]；决定姿态的3个自由度必须是转动关节。
机械手的结构分析
从自由度的构成来看，机械手主要有直角坐标型、极坐标型、关节型等3种结构形式。就结构形式而言，关节型机械手（如图2所示）属于仿人臂型，适
用于多果实的采摘，如番
茄、苹果、柑橘等。但关
节型机械手控制较难。极
坐标型机器人适合采摘
质量较大的果实，如收获
地面上的西瓜等，其采用
的智能技术较关节型机
器人低；但是由于旋转关
节的存在，使极坐标型的
机器人控制也很复杂，而
且运动精度低、成本高，
其推广应用受到一定的
限制。直角坐标型采摘机
器人结构简单，定位精度高，控制较为容易，而且可以设计成适用于不同类果实
的不同类型，与其它两种类型相比成本最低；但是灵活性较前两种差，避障性能也不高，果实采净率较低。
表1 各种类型机械手结构型式比较表
机械手的未来趋势
正如机器人在工业生产上可以降低生产成本和提高产品质量一样，在农业生产中机器人也有同样的作用[5]。
世界各国对农业机器人的开发研究和应用推广都投入了大量资金和人力，研发出的机器人的产品种类繁多，但是根据解决问题的侧重点不同，农业机器人大致可以分为机械手系列和行走系列2大类，机械手系列机器人和行走系列机器人
[6]。
各种类型农业机器人的出现，极大推动了农业机械化及生产力的发展，极大地提高了农业的生产效率。但是农业机器人作业对象的特殊性，导致农业机器人作业的质量不能达到人们所预期的效果，加上现代化农业及科学技术的发展，要求人们应不断地去完善和改进现有的农业机器人制造技术，以达到农业机器人更好地为人类服务的目的。在今后的发展中应从以下几方面得到突破。
1.机械构件的优化设计
在满足农业机器人功用和性能的前提下，运用现代设计手段优化设计机械构件，使机械构件设计尽可能的轻巧、简单、紧凑，从而达到农业机器人更强的灵
活性和可靠性以及减少控制系统复杂性的目的。
2. 智能化识别与定位
采摘机器人在采摘果实时，光照条件不确定性及果实部分或完全被遮挡，导致采摘率较低。提高机器人的智能性，增强采摘机器人辨识果实和避障的能力，进而提高其采摘的成功率。这需要研究人员对视觉传感器技术、视觉与非视觉传感器技术融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入地研究。 3 .良好的适应性
农业机器人的作业环境比较复杂，因此农业机器人要具有良好的适应性以适应不同的作业环境。同时，能根据作业环境的变化进行自我适应调整。在作业的同时根据作业对象生长状况，选择合适的作业内容和方式。
4. 设计开放式结构的农业机器人
开放式结构的思想已经被逐渐应用到农业机器人的设计中。开放式结构农业机器人系统，不仅具有良好的扩展性、通用性，还具有柔性作业的能力[7]。开放式结构的农业机器人开发周期短、成本低、利用率高、性价比高、有利于推广使用。开放式结构软件体系为实现机机协作、人机协同等新理论提供了理想平台。 结 语
现在我国实行农业生产的规模化、多样化与精确化,使得机器人技术已在育苗、扦插、移苗、嫁接、农产品收获等方面得到应用,促使农业生产过程逐步趋于自动化和智能化[8]。农业机器人的应用,提高了劳动生产率和产品质量,改善了劳动条件。农业机械手作为机械人的一部分,是精准农业、农业生产自动化、智能化的表现。本文对农业机械手的现有结构和未来发展趋势进行了探讨，分析了现有机械手主流结构的优缺点，并就未来机械手的发展做出假设，为我们更好的了解机械手提供了便利，也为我们更好的将农业机器人运用到实际中打下基础。
参考文献
1
2
3 陈利兵.草莓采摘机器人收获系统[D].北京:中国农业大学,2005:1-47. 毕昆,赵馨,侯瑞锋,王成. 机器人技术在农业中的应用方向和发展趋势.中国农学通报2011,27(04):469-473. 田小静,李万军.六自由度机械臂运动数学模型的建立 制造业自动化 2011-3（上）第33卷 第3期.
第3期.
5 金衡,高焕文,王晓燕.农业机械自动化的现状与推进模式[J].中国农业报,2000,5(2):44-49.
6 李牧,陆怀民,方红根等.我国农林机器人的研究现状及发展趋势[J].森林工程,2003, 19(5):39-41. 7 赵匀,武传宇.农业机器人的研究进展及存在的问题 .农业工程学报,2003,19(1).
8 方传青,尹丽娟.仿真设计(ADAMS)在农业机械手设计中的应用 (中国农业大学工学院,北京100083). 4 田素博,邱立春,秦军伟,刘春芳. 国内外采摘机器人机械手结构比较的研究 农机化研究 2007年3月
对农业机器人机械手的简要探讨
摘要：机器人是一种具有高度灵活性的自动化机器，是一种复杂的机电一体化设备。农业机器人由于作业环境及作业对象的特殊性等因素时期对机械手要求更加高。本文简要探讨了国内外农业机器人机械手的发展现状与未来趋势。
关键词：农业机器人 机械手 发展
机械手概论
现代的农业机器人是集传感技术、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。虽然已经出现了功能各异的农业机器人，但整个机器人是一个依靠自动控制实行操作功能或移动功能的完整的系统，主要包括以下几部分：执行机构、动力元件、传动装置、传感器、计算机[1]。
农业机器人的作业对象一般是农作物，这种作业对象形态各异，生长环境也大不相同。在设计农业机器人时就要考虑作业对象的自身特征以及外界的生长环境等诸多因素，因此要求农业机器人具备程序性、适应性和通用性等多种特性。机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成 [2]。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等;运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势;控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。由于农业机器人在作业时同时存在作业对象的娇嫩性和不确定性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性以及操作对象和价格的特殊性,所以就要求在农业机器人中应用的机械手必须具备较多的自由度来准确避障且通过传感器以合适的力度来作业。
机械手自由度
机构的自由度就是机构所具有的独立运动的个数。自由度直接影响到机械手结构的设计和机器人的运动方式，决定了机器人的灵活性和控制的复杂性。设可动部件的个数为n ，自由度为f 的关节个数为Pf ，则杆件机构的自由度数F 可由下式算出
F = 6n -(6 -f )Pf (1)
图1 机械臂坐标系图[3]
在三维空间中的无约束物体，可以做平行于x ，y ， z 各轴的平移运动，还可以做围绕各轴的旋转运动。因此，确定目标物体的空间位姿，一般需要6个自由度。决定位置的3个自由度可以是转动关节，也可以是移动关节，主要有直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型4种基本形式[4]；决定姿态的3个自由度必须是转动关节。
机械手的结构分析
从自由度的构成来看，机械手主要有直角坐标型、极坐标型、关节型等3种结构形式。就结构形式而言，关节型机械手（如图2所示）属于仿人臂型，适
用于多果实的采摘，如番
茄、苹果、柑橘等。但关
节型机械手控制较难。极
坐标型机器人适合采摘
质量较大的果实，如收获
地面上的西瓜等，其采用
的智能技术较关节型机
器人低；但是由于旋转关
节的存在，使极坐标型的
机器人控制也很复杂，而
且运动精度低、成本高，
其推广应用受到一定的
限制。直角坐标型采摘机
器人结构简单，定位精度高，控制较为容易，而且可以设计成适用于不同类果实
的不同类型，与其它两种类型相比成本最低；但是灵活性较前两种差，避障性能也不高，果实采净率较低。
表1 各种类型机械手结构型式比较表
机械手的未来趋势
正如机器人在工业生产上可以降低生产成本和提高产品质量一样，在农业生产中机器人也有同样的作用[5]。
世界各国对农业机器人的开发研究和应用推广都投入了大量资金和人力，研发出的机器人的产品种类繁多，但是根据解决问题的侧重点不同，农业机器人大致可以分为机械手系列和行走系列2大类，机械手系列机器人和行走系列机器人
[6]。
各种类型农业机器人的出现，极大推动了农业机械化及生产力的发展，极大地提高了农业的生产效率。但是农业机器人作业对象的特殊性，导致农业机器人作业的质量不能达到人们所预期的效果，加上现代化农业及科学技术的发展，要求人们应不断地去完善和改进现有的农业机器人制造技术，以达到农业机器人更好地为人类服务的目的。在今后的发展中应从以下几方面得到突破。
1.机械构件的优化设计
在满足农业机器人功用和性能的前提下，运用现代设计手段优化设计机械构件，使机械构件设计尽可能的轻巧、简单、紧凑，从而达到农业机器人更强的灵
活性和可靠性以及减少控制系统复杂性的目的。
2. 智能化识别与定位
采摘机器人在采摘果实时，光照条件不确定性及果实部分或完全被遮挡，导致采摘率较低。提高机器人的智能性，增强采摘机器人辨识果实和避障的能力，进而提高其采摘的成功率。这需要研究人员对视觉传感器技术、视觉与非视觉传感器技术融合、图像获取和图像处理的算法等方面进行更深入地研究。 3 .良好的适应性
农业机器人的作业环境比较复杂，因此农业机器人要具有良好的适应性以适应不同的作业环境。同时，能根据作业环境的变化进行自我适应调整。在作业的同时根据作业对象生长状况，选择合适的作业内容和方式。
4. 设计开放式结构的农业机器人
开放式结构的思想已经被逐渐应用到农业机器人的设计中。开放式结构农业机器人系统，不仅具有良好的扩展性、通用性，还具有柔性作业的能力[7]。开放式结构的农业机器人开发周期短、成本低、利用率高、性价比高、有利于推广使用。开放式结构软件体系为实现机机协作、人机协同等新理论提供了理想平台。 结 语
现在我国实行农业生产的规模化、多样化与精确化,使得机器人技术已在育苗、扦插、移苗、嫁接、农产品收获等方面得到应用,促使农业生产过程逐步趋于自动化和智能化[8]。农业机器人的应用,提高了劳动生产率和产品质量,改善了劳动条件。农业机械手作为机械人的一部分,是精准农业、农业生产自动化、智能化的表现。本文对农业机械手的现有结构和未来发展趋势进行了探讨，分析了现有机械手主流结构的优缺点，并就未来机械手的发展做出假设，为我们更好的了解机械手提供了便利，也为我们更好的将农业机器人运用到实际中打下基础。
参考文献
1
2
3 陈利兵.草莓采摘机器人收获系统[D].北京:中国农业大学,2005:1-47. 毕昆,赵馨,侯瑞锋,王成. 机器人技术在农业中的应用方向和发展趋势.中国农学通报2011,27(04):469-473. 田小静,李万军.六自由度机械臂运动数学模型的建立 制造业自动化 2011-3（上）第33卷 第3期.
第3期.
5 金衡,高焕文,王晓燕.农业机械自动化的现状与推进模式[J].中国农业报,2000,5(2):44-49.
6 李牧,陆怀民,方红根等.我国农林机器人的研究现状及发展趋势[J].森林工程,2003, 19(5):39-41. 7 赵匀,武传宇.农业机器人的研究进展及存在的问题 .农业工程学报,2003,19(1).
8 方传青,尹丽娟.仿真设计(ADAMS)在农业机械手设计中的应用 (中国农业大学工学院,北京100083). 4 田素博,邱立春,秦军伟,刘春芳. 国内外采摘机器人机械手结构比较的研究 农机化研究 2007年3月