草莓采摘机器人

目录TOC\o"1-3"\h\u19371摘要 引言草莓是宿根性多年生常绿草本植物，园艺学上将其划归为浆果类，属蔷薇科的一种，其果实营养价值丰富，含有丰富的养分以及人体必需的矿物质、维生素、多种氨基酸等，有“水果皇后”的美称。而且，草莓所含的营养物质很容易被人体吸收，对老幼病人有很高的保健和医疗价值，在全球大部分地区种植广泛。众所周知，采摘过程在草莓种植中占有重要地位，草莓的整个种植生产过程中约有1／4的时间被草莓采摘所占用，并且由于草莓果实成熟后必须尽快采摘，盛果期采摘作业的劳动强度大，将自动化技术引入草莓采摘作业环节，研发草莓采摘机器人成为目前急待解决的问题。世界各国都很重视机器人的开发，一些发达国家更是投入了大量的人力物力，并且取得了大量成果。国外已经研发出了很多关于农业方面的机器人，如日本的喷农药机器人、番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人和蘑菇采摘机器人等。国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚，但是发展很快，很多院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究，例如我国上海交通大学和中国农业大学相继开展了草莓采摘机器人的研究工作。随着人们对机器人智能化本质的认识加深，机器人技术不断地渗透每个行业，人类研发了很多特种机器人和智能机器人，以满足人类活动的各种需求。在一些发达国家，农业人口较少，随着农业生产向规模化、多样化、精确化的方向迈进，劳动力不足的现象越来越明显，基于这种情况，进行农业生产机器人的研究成为必要的发展趋势。近年来由于草莓种植与栽培技术的提高，病虫害的预防治理以及草莓的采摘技术、加工技术的进步，草莓种植在全球得到了很大的推广。草莓采摘机器人的研制，可以有效减轻果农的劳动负担，从根本上改变落后的农业生产方式，提高农业生产率，从而有利于进一步扩大草莓生产规模，使农民获得更多的经济效益，可以有力推动我国社会主义新农村的建设。针对国内外草莓生产、研究现状，本文对适用于我国栽培草莓的采摘机器人进行研究，发展适合于我国国情的草莓采摘机器人技术、采用当今先进技术研制出能够完成草莓识别、采收的机器人，实现草莓收获的机械化和自动化，是我国草莓生产环节中亟待解决的问题。2草莓采摘机器人的国内外研究现状及农业机器人特性2.1国外研究现状在草莓采摘收获方面，日本近藤等人以现代温室栽培模式的特点，研制出适于高架栽培的草莓采摘机器人设备。该采摘机器人采用5自由度的机械手，视觉系统与其他果蔬采摘机器人相似，采用真空气吸加刀片切割器的末端执行器。收获时，首先由机器视觉系统定位出采摘成熟草莓的空间位置，随后采摘机械手移动到设定的位置，末端执行器接近目标直到把目标草莓吸住。由3对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果柄进入指定位置，由切割器旋转切断果梗，完成一次采摘。另外，日本羽藤(Hamu)等人研制出针对传统栽培模式的草莓采摘机器人，视觉系统包括CCD摄像机、距离传感器和计算机，采用直角坐标采摘机械手。该视觉系统基于CCD摄像机采集的彩色图像进行果实检测，距离传感器检测出果实的方向及距离，由计算机对二维信息进行分析，由二维信息推测出三维信息的果实部分，最后得到果实的三维信息，控制直角坐标机器人采摘草莓。为了能更好地识别草莓果实，该机器人建有一个采摘支持数据库，包括成熟果实、未成熟果实、花等数据信息。2.2国内研究现状中国农业大学的张铁中等人针对我国常见的温室里高垄畦作栽培的草莓，初步建立了草莓采摘机器人实验系统，设计了2种采摘机器人样机。在草莓果实目标识别、提取、定位、采摘机器人及手爪等方面的研究取得了一定成果，采用双目视觉等图像处理技术实现了草莓的识别和定位，并对草莓的生物特性、成熟度、多个草莓遮挡等实际情况进行了研究，取得了一些研究成果，为草莓采摘机器人提供了设计依据和理论基础，本文引用张铁中教授很多相关知识。上海交通大学与日本宫崎大学共同研制出了跨垄作业4个自由度的草莓收获机器人设备。该机器人采用两个俯视地面的CCD摄像机获取草莓的图像，计算出草莓的方位，用激光传感器测量机械手爪到草莓的距离；采用气动机械手爪抓取草莓果柄，并用剪切式切刀切断果柄。但这仅仅只是一个草莓采收实验装置，体积比较庞大，且没有驱动装置，对于草莓的枝叶遮挡、重叠等尚未进行研究，距生产实际应用还有相当的距离。2.3农业机器人的特性1．工作对象脆弱：农业机器人的作业对象多数是成熟的果实、田间的幼苗这样的软弱易伤的生物对象，必须要能够轻柔的处理。2．工作环境恶劣：由于农作物是生长变化的，其生存环境和自身的状态也会随着时间和空间的改变发生改变，这就要求农业机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够适应变化无常的自然环境。3．对操作要求简单：农业机器人的使用者多数主体是农民，他们懂得很少的电子、机械方面的专业知识，因此要求农业机器人必须具有较高的可靠性并且操作简单。4．工作动作复杂：农业机器人一般是作业、移动同时进行。作业过程中机器人的行走路线受到作物栽培方式的影响因而比较狭窄、位置受限制的一定范围，常常需要走较长的距离并要求遍及整个田间表面等特点，设计时要充分考虑在复杂的情况下完成作业。5．价格要求低廉：农业机器人以个体经营为主，如果价格不是很合理，就很难得到有效的普及。总之，目前无论国内还是国外，农业机械人的自动化还有待提高，草莓采摘机器人的研究也尚处于实验室的装置研究阶段，智能水平还很有限，离生产应用还有相当大的距离。3草莓采摘机器人基本构造及工作环境根据采摘机器人的功能可知，机器人由机械部分、传感部分、控制部分组成，这三大部分可分成行走系统、机械本体系统、驱动系统、视觉系统、控制系统、人机交换系统六个系统。草莓采摘机器人的主要结构有：末端执行器，视觉传感器，机械手。3.1末端执行器草莓采摘机器人的设计的核心技术之一是末端执行器的设计，因为成熟的草莓的表皮比较脆弱，其形状也较复杂。末端执行器抓持力的控制要求很高，同时要求夹持系统具有一定柔性，可以补偿部分力控制产生的误差，避免夹持力过小而抓取失稳，导致草莓掉落，因此作为草莓采摘机器人的末端执行器的特点要求通用性和灵活性较强，且系统简单，成本较低，易于操作和维护，尽量可以实现果蔬的无损采摘。3.2视觉传感器人类从外部世界获取信息大部分都是通过视觉完成的，视觉是我们最重要的感觉之一，因此当前信息研究的核心任务之一是信息视觉处理。机器人视觉就是给机器人装上视觉传感器，模拟人的视觉功能，从图像或图像序列中提取信息，对客观世界进行形态识别。视觉传感器主要由彩色摄像机来寻找和识别成熟的草莓，利用双目视觉方法对目标进行定位。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，然后采摘机械手移动到预定位置，末端执行器灵活移动直到把草莓吸入，完成采摘。3.3机械手草莓采摘机器人的主要执行部件是机械手，它的功能主要是将末端执行器移至接近果实的位置。因为农业环境的复杂性、不确定性和果实分布的随机性，采摘机械手的选型不仅要遵循机械手设计的基本原则，还要考虑其工作的特殊性。果实采摘过程中，植物茎叶以及植物支撑装置的位置不固定，为了减少对植物的损伤，机械手必须能方便地避开障碍物。3.4工作环境目前，我国草莓的栽培模式包括温室栽培、露地栽培和大棚栽培。其中，按常规露地栽培的草莓产量较低，上市迟，供应短，效益不高。采用黑膜覆盖加塑料大棚栽培，投入少，产出高，采果期长，亩产可达1500至2000公斤，比露地栽培增产1.5至2倍。因为栽培结构化的种植特点，可以减轻劳动作业的强度。采用温室结构化方式种植草莓，果实分布区域相对集中，减少了茎叶对果实的遮挡，有利于草莓自动化采收。采摘机器人行走于垄行间，同时对两侧草莓进行采摘。对于草莓采摘机器人综合来说，首先是有可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所有成熟果实，精确对其定位。然后是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性，提高采摘的成功率和降低采摘草莓的损伤率。最后是要提高采摘机器人的通用性，提高机器人的利用率。温室栽培一般采用的是高畦垄上栽双行的形式，如图1所示。如图1温室草莓高畦垄上双行栽培4目前国内草莓采摘机器人研究存在的问题1．普遍采用多目机器视觉系统，结构复杂，成本较高。2．整体机构庞大，工作过程中占用较多行走空间，影响种植密度。3．面向我国国内草莓生长环境特点的采摘机器人研究较少。5主要研究内容草莓的自动收获机械是一个结合了包括计算机技术、图像处理技术及各种自动化技术在内的复杂系统，本课题的研究目标是对草莓的自动收获进行初步的研究，课题的具体研究内容如下：1．调查现有的草莓识别方式（Hough变换的草莓识别算法），找出可行的草莓采摘机器人有效识别成熟草莓的方法。2．选取合适的器件，使用视觉识别技术和无线控制技术，探讨草莓采摘机器人的系统构造。3．运用计算机软件，对采摘机器人的结构进行虚拟设计，建造模型。4.对实验进行数据分析，找出草莓采摘失误的原因和改进的方法，为后续精确智能机器人的研制打下基础。5.1基于Hough变换的成熟草莓识别算法Hough变换是一种使用表决原理的参数估计技术，Hough变换最初是用来检测直线和曲线的，后来推广到广义Hough变换，来检测各种曲线。假设草莓轮廓的数学模型已知，那么理论上不管草莓处于被遮掩或紧靠状态，还是单个分离状态，只要草莓的轮廓信息足够多，利用这些轮廓信息进行Hough变换，就可得到草莓的轮廓参数信息，从而把所有的草莓识别出来。5.1.1建立草莓轮廓模型每个草莓的轮廓都一定存在着差异，所以建立一个标准的草莓轮廓数学模型相当困难。但是我们可以发现，成熟草莓约3／4左右的轮廓形状与圆近似，因此为了计算简单方便，以圆形近似表示草莓的形状轮廓，则成熟草莓轮廓在图像中的参数方程为（1）式中x0、y0成熟草莓图像形心坐标r0草莓轮廓的半径5.1.2图像分割、区域标记和有效图像区域草莓采摘机器人进行采摘需要首先解决的关键问题是草莓成熟度和空间位置的识别，而要解决此问题必须先将成熟草莓果实的图像从复杂的背景图像中提取出来，即对实际拍摄的彩色图像进行分割。图像分割就是指把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程。特性可以是灰度、颜色、纹理等，目标可以是单个区域，也可以是多个区域。常用的图像分割技术有：阂值分割法、区域生长法、区域的分裂与合并法、边缘检测与边界跟踪法等。当图像内含有多个草莓果实或者除了草莓果实外含有其他干扰时，就需要对图像中的不同部分进行区分，这时要用到区域标记，即给图像中连接在一起的像素赋上相同的标记，不同的连接成分赋上不同的标记。在进行区域标记的同时，可以计算各个区域的面积。区域面积就是对区域内的像素进行计数。区域面积虽然计算简单，但是很有实用性，当面积过小时，该区域可以认为是干扰去除，这样就可以消除前面处理部分没有去除掉的干扰。5.1.3Hough变换识别草莓因为成熟草莓的轮廓不是一个真正的圆，所以每个成熟草莓都有多个极大值点，但由于这些极大值点位置邻近，根据其位置信息，可以有效地辨别哪些极大值点属同一个草莓。为减少有效图像区域的扫描次数，进一步减少运算量，采用边界跟踪方法获取轮廓信息。将获取的草莓轮廓信息保存起来，用于Hough变换。Hough变换时，对于任一轮廓点增加所有满足式(1)的参数累计单元，求取累计单元的极大值点，最后用加权平均法合并这些极大值点，获取有效的极大值点。每个有效极值点对应一个圆参数方程，即一个成熟草莓。对图像各个有效区域依次进行处理，可完成整幅图像的草莓识别。流程图如下图2：开始采集图像开始采集图像边界追踪畸变补偿畸变补偿对各个区域的外接矩形内的边缘点进行Hough变换 对各个区域的外接矩形内的边缘点进行Hough变换图像增强图像增强自动对比增强自动对比增强检测出累计数组的极大值点检测出累计数组的极大值点阀值化阀值化对极大值点的邻域进行加权平均，计算出拟合圆的参数对极大值点的邻域进行加权平均，计算出拟合圆的参数闭运算 闭运算结束结束区域标记获取特征参数，如面积、最小外接矩形等区域标记获取特征参数，如面积、最小外接矩形等 图2成熟草莓识别流程图5.1.4成熟草莓识别实验和分析对于不同的成熟草莓情况，选取在实际环境中拍摄的照片，如图3所示。照片中一共有21个成熟的草莓，这些成熟的草莓轮廓信息丢失不超过1/2。无论是单个分离的成熟草莓，还是多个相互仅靠或重叠的，或者被叶子或其它物体遮掩的复杂情况，相对于整个成熟草莓来说，识别误差较小，能够满足机器视觉系统的要求。 图3草莓图像及Hough变换识别结果草莓简单分离（b）2个草莓紧挨（c）3个草莓紧挨（d）草莓被其他 物体遮掩（f）草莓相互遮掩5.2基于机器视觉机器人总体构造草莓采摘机器人视觉系统的功能是识别图像内成熟草莓果实的数量和目标果实图像重心的位置，并向机器人控制系统提供这些位置信息。5.2.1机器人机械系统整体设计如图4所示，草莓采摘机器人由精密运动定位机构、末端执行器、框架、履带式行走机构、果篮托盘以及控制箱组成，工作过程中，机器人行走于过道中央，定义参考坐标系：机器人前进方向为x轴正方向，垂直地面向上为y轴正方向；垂直且指向采摘目标所在的栽培床侧表面为Z轴正方向，在机器人作业过程中，该方向将会随实际采摘目标的变化而改变；机器人摄像头所拍摄图像坐标的z、y方向与参考坐标系的x、y方向定义一致。图4草莓采摘机器人机构示意图框架由铝合金型材固连而成，用于支撑连接机器人各机械部件；履带式行走机构用于负载整个机器人，并进行较大范围移动；果篮托盘为正方形的平面，通过铝型材与框架固连，用于放置草莓收纳容器；工控箱与框架上表面固连，内置电源、控制器、驱动器等电子设备，用于接收数字图像等机器人反馈信息、计算机器人导航数据以及控制机器人各执行机构运动。5.2.2运动定位机构设计运动定位机构用于局部范围内精密调节末端执行器和采摘目标的相对位置，包含3个平动自由度和1个旋转自由度．如图5所示。图5精密运动定位机构示意图电动机2.横梁3.电动机24.丝杠导轨模组15.丝杠导轨模组26.电动机47.电动机支架8.螺旋法兰9.固定法兰10.滑块311.丝杠导轨模组312.电动机3横梁与丝杠导轨模组l平行放置且固连，滑块l、滑块2、滑块3分别与丝杠导轨模组l、丝杠导轨模组2、丝杠导轨模组3配合；丝杠导轨模组1与丝杠导轨模组2垂直放置，滑块1与滑块2固连；电动机4通过电动机支架与丝杠导轨模组2的一端固连，电动机4的输出轴与旋转法兰固连，旋转法兰与滑块3固连。在电动机l的驱动下，丝杠导轨模组2随滑块1沿x方向平动；在电动机2的驱动下，整个丝杠导轨模组2和电动机4一同相对于滑块2沿y方向平动；在电动机3的驱动下，丝杠导轨模组3可相对于滑块3沿z方向平动。末端执行器通过固定法兰与精密运动定位机构固连，精密运动定位机构通过横梁与框架顶端固连。电动机1、电动机2、电动机3搭配增量式编码器，控制系统可对其进行闭环控制，从而实现末端执行器沿x、y、z方向的精确平动。5.2.3末端执行器设计末端执行器由机械手、摄像头、刀片和光纤传感器组成，如图6所示，能够以剪切并夹持果柄的方式摘取草莓。摄像头位于机械手正下方，用于判断采摘目标与末端执行器在x、y方向上的位置偏差；光纤传感器a与光纤传感器b分别位于手钳a和手钳b的前端，用于探测两手钳之间是否存在果柄；刀片固连在手钳a前端，刃口正对手钳b前端的纳刀槽，用于在机械手闭合同时切断果柄；夹持面是指位于手钳b纳刀槽下方且面向手钳a的部分表面与手钳a上与之相对的表面，在目标果柄被切断后可将果实夹持。图6末端执行器机构示意图机械手2.手钳a3.光纤传感器a4.光纤传感器b5.纳力槽6.手钳b7.摄像头8.刀片一般采摘机械手的结构设计原则为：一是有最优的工作空间，在采摘过程中，机械手工作空间应该尽可能多地包含工作目标的位置，以降低机器人的移动频率，提高工作效率。二是具有合理的内部机构设计，在设计采摘机器人时，不仅要考虑其结构形式和参数，而且要设计合理的内部机械结构。具有较好的避障能力，农业生产环境复杂，难以预测，作为作业对象的果实分布随机，一般生长在茂密的茎叶和支撑物等障碍物之间，而且在果实采摘过程中，植物茎叶以及支撑物的位置常常不固定，为了减少对植物的损伤，机械手在接近果实的过程中必须能方便地避开障碍物。三是具有消除工作空间内奇异形位的能力，对于非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗余度，以解决机械手机构的奇异问题。自由度越多，灵活性越好，但是会增加机构复杂性和控制难度。农业机器人要求操作简单、成本低廉，因此要在保证这几条原则的前提下尽量采用冗余自由度少、机构简单的形式。机械手由压缩空气驱动，机械手闭合过程可分4个阶段，各阶段机械手最终状态如图7所示。图7机械手闭合过程示意图（a）第一阶段最终状态（b）第二阶段最终状态（c）第三阶段最终状态（d）第四阶段最终状态第1阶段：末端执行器运动到采摘位置，两手钳把果柄置于中间，机械手准备闭合；第2阶段，两手钳对称相向运动，直到刀片刃口接触果柄，即将进行切割动作；第3阶段，两手钳继续对称相向运动，直到果柄被完全切断；第4阶段，两手钳继续对称相向运动，刀片刃口逐渐进入纳刀槽中，直到机械手的夹持力达到最大，此时被采摘的草莓果实从果柄处被可靠的夹持。由于果柄被切断后果实将连同剩余果柄在重力作用下掉落，为保证机械手能够及时将果柄夹持，针对末端执行器的设计需要进行专门参数校验。5.3基于无线遥控采摘机器人系统构造5.3.1系统构成模块草莓采摘机器人系统如图8所示。采摘机器人系统硬件由轮式移动平台、关节型采摘机械臂、双耳视觉相机、柔性末端执行器、人机交互模块以及系统控制器等6部分构成。系统控制器负责控制算法运行以及控制信号接收发送，从而协调控制各功能部件。双目视觉相机安装于机械臂末端附近，通过设置机械臂初始姿态使得相机水平正对草莓栽培槽，以进行果实识别定位。旋转机械臂腰关节1800则可以对机器人另一侧的果实进行识别定位和采摘。机器人系统采用语音提示与遥控手柄相结合的无线人机交互方式，以实现启停、应急控制等简易操作，保证系统使用安全方便。 图8草莓采摘机器人系统1.移动平台2.声纳传感器3采摘机械臂4.末端执行器5.双目视觉相机6.控制箱5.3.2末端执行器末端执行器是指机器人具有直接作用于作业对象功能的部分。末端执行器安装在机械手的末端，其功能类似于人手，是直接与目标物体接触的部件。末端执行器的形式主要有吸盘式、针式、喷嘴式、杯状、多关节手爪式、顺应型指结构等。通常末端执行器都是专用的，草莓果实表皮非常柔嫩，夹持果实本体容易造成果皮损伤，影响果实品质．进而影响后续加工、储藏。采摘机器人采用了由果实吸附、果柄夹持、果柄切割3部分组成的柔性末端执行器，如图9和图10所示。图9末端执行器1.切割装置2.果实3.吸盘4.手指图10果柄切割装置1.固定架2.电热丝3.切割垫板4.夹持垫片5.手指5.3.3系统控制方案采摘机器人控制器负责运行导航、果实识别定位、机械臂控制及末端执行器控制等4个程序模块以及接收发送控制信号。机器人控制系统构成，如图11所示。路标识别相机声纳传感器双目视觉相机路标识别相机声纳传感器双目视觉相机系统总控制器系统总控制器机械臂控制果实识别定位导航控制机械臂控制果实识别定位导航控制末端执行器控制末端执行器控制机械臂运动路径点控制果实吸附、夹持、切割成熟果实采摘信息失败移动平台启停、巡航机械臂运动路径点控制果实吸附、夹持、切割成熟果实采摘信息失败移动平台启停、巡航 图11控制系统结构采摘机器人输入设备有双目视觉相机、路标识别相机以及声纳传感器。导航模块通过声纳传感器和路标识别相机采集导航信息；果实识别定位模块根据双目视觉相机采集的图像，通过果实识别定位算法获取成熟果实采摘信息；果实识别定位模块通过判断导航模块移动平台启停信号，从而开启或终止识别定位程序进程状态，以进行果实识别定位。机械臂控制模块负责机械臂空间运动路径规划算法运行，保证机械臂作业流程按预定时间节拍进行，其从果实识别定位模块获取果实空间坐标，据此信息将末端执行器准确定位至果实位置；末端执行器控制模块可以根据控制器程序指令输出脉冲电压，进而通过直流继电器控制电磁阀和电热丝状态，实现果实吸附、夹持以及切割。5.3.4数据采集试验采摘失误原因诸多，机器人在采摘成功率方面的改进方向主要有3个：①减小末端执行器夹持机构尺寸的同时，提高目标采摘点的定位精度(有助于克服果柄过短带来的采摘困难)。②机构上加装果叶分离装置或改进末端执行器接近目标的路径规划方法(有助于减少叶子对采摘带来的干扰)。③进一步改进图像处理算法(有助于克服畸形果带来的计算困难)。由于对运动精度和动态性能要求较低，在不引起机器人大幅度震动的情况下可进一步提高速度，并可通过协调动作时序的方法使多个动作同步进行以缩短整体执行时间，所以此部分速度提升空间较大；目标接近及果实收纳时间可通过改进机械结构的方法进一步缩短，如增加专门机构使果篮能够同步跟随末端执行器移动等方法；目标瞄准过程的速度提升需从运动控制算法和图像处理方法的两个方面进行改进，以保障在末端执行器可靠动作的同时进一步缩短执行时间，相关研究的内容基础性较强。6草莓采摘机器人行走机构的设计行走机构是草莓采摘机器人的重要部件之一，它是机器人机械本体和各系统硬件部分的支撑平台。行走机构的设计要注意的问题是平稳性和灵活性。平稳性问题是要求在行走时和静止时都能保持平衡；灵活性是要求行走、转向灵活，并具有一定的智能，比如转向、避障等。行走机构按照运动轨迹的不同可以分为固定轨迹式和无固定轨迹式。固定轨迹式主要用于工业机器人。无固定轨迹式的行走方式，按其行走机构的结构特点，可以分为轮式、履带式和步行式。在行走过程中，前两者与地面为连续接触，其形态为运行车式；后者为间断接触，类似于人类(或动物)的腿脚式。车式行走机构简单，控制容易，技术比较成熟，在移动式采摘机器人中应用的比较多；步行式行走机构控制比较复杂，目前还处于发展和完善过程中。轮式行走机构适合平地行走，通过轮子来进行驱动和导向。根据轮子数量可以分为3轮、4轮和6轮等形式，一般轮子越多，平稳性和行走(回转)精度越高，但机构也越复杂，成本也越高。车轮式行走结构的转弯半径小，转向灵活，控制比较容易。履带式行走机构可以在有些凹凸的地面上行走，可以跨越障碍物，能爬梯度不太高的台阶。它的缺点是由于没有自定位轮，没有转向机构，要转弯只能靠左右两个履带的速度差，所以在横向和前进方向都会产生滑动；转弯阻力大，不能准确地确定回转半径等。步行式行走机构适应性较强，在有障碍物(如管道、台阶或楼梯)或很难接近的工作场地更有优越性。步行式行走机构在静态时是平衡的，但在步行时，整个质心会发生偏移而产生动不平衡。如果不能维持动态不平衡，机器人会倾倒，对于松软的地面而言，维持动不平衡将更加困难。所以在采摘机器人的应用中，目前的技术不成熟而且成本过高。本课题主要解决的是温室内草莓的自动化采摘技术问题，行走通道为垄沟，地面相对比较平坦，没有过于高低不平的障碍，不需爬台阶，不需跨越垄沟，而且垄沟通道在种植草莓后基本固定不变，所以机器人的行走路线可以人为预先规划。综合考虑机器人的作业环境、作业要求，成本、控制等各方面因素，采用四轮行走结构如图12所示。该行走机构能在垄间自动行走，且可以随走随停，随时进行图像输入和采摘作业。当在一个位置的采摘作业完毕后，再前进一定距离后停下，可以进行下一个位置的图像输入和采摘作业，这样的动作可以循环持续下去，非常适合行走在温室里的草莓采摘机器人。图12轮式行走机构1.车底盘2.同步带轮3.步进电机支架4.步进电机5.同步带6.车轮由于本课题研究的草莓采摘机器人要求在单垄间作业，所以对行走机构的尺寸限制较大，而且行走机构要求能在采摘作业进行时随时前进或后退一定的距离，所以选用步进电机驱动同步带来实现其运动。由于可以通过控制脉冲个数来控制步进电机的转数，所以可以实现前进距离的精确控制。同步带传动利用带齿和带轮齿的啮合进行传动，因而兼有齿轮传动、链传动和带传动三者的综合特性。具有传动准确，平稳，噪音小，可获得恒定速比，且速比范围大，允许线速度高，传动结构紧凑等优点，能满足本课题行走机构的设计要求。7草莓采摘机器人零部件材料选用选择机器人本体材料应该从机器人各部分性能要求出发，确定所用材料的特性。和一般机械相比较，机器人本体不仅具有一般机械设备的支撑、连接、固定等功能，而且还具有运动功能，因此机器人的动特性对机器人的运动影响极大。在选用机器人零件材料方面，不能直接简单地从材料手册上查得，必须从综合考虑材料的强度、刚度、重量、弹性、抗振性以及经济性等因素。综合考虑各种因素的影响，机器人行走机构底盘、z轴机架等适于采用普通炭钢材料，既利于加工，也可降低成本；机身各主要部件(滚珠丝杠、丝杠螺母等)要承受较大的负荷，采用强度和刚度较好的不锈钢件，可以省去复杂的表面处理；机器人末端执行器使用了悬臂粱结构，承受载荷小，而且要固定在Y轴上，采用轻质的铝合金材料有利于减轻重量。另外，在设计中，尽量采用外购件，如滚珠丝杠副各主要部件(滚珠丝杠、丝杠螺母、光轴及轴支架、直线轴承)、齿轮齿条、同步带及其带轮等，不仅保证了这些部件的传动精度，而且缩短了设计和加工时间，大大降低了成本，外观质量也较好。8草莓采摘机器人驱动器的选择驱动器在机器人中的作用相当于人体的肌肉。驱动源包括液压式、气动式和电动式等。液压系统功率与重量比高，低速时出力大，可用于极端恶劣的外部环境。但是液压系统维护较困难，并且存在不可避免的泄漏问题。气动系统的装置在原理上类似于液压系统，使用压缩空气做气源驱动气缸，并用人工或电磁阀进行控制。气动元件一般常采用气爪和气缸。气爪能快速准确的实现闭合和张开，但价格相对较高；气缸可以实现直线运动和旋转运动，但无法控制运动的位移和角度。气动元件工作时必须由气泵供气，气泵不仅成本高，而且非常笨重，工作时还会产生很大的噪声污染。电动式驱动采用各种电机来进行驱动，在机器人中得到广泛的应用，它具有无环境污染、定位精度高、响应快、操作简单、体积小、动力大、附带设备简易等优点。常见的电动式驱动源包括步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机三种。在要求高动态，高速运行状态、大功率驱动等场合多用交流伺服电机系统作为驱动；在要求低动态，低速运行状态、小功率驱动等场合可用步进电机系统作为驱动；而在要求极高动态，高速运行状态、高定位精度等场合才会用到直流伺服系统驱动。经过分析比较发现，步迸电机工作原理易学易用，成本相对低、电机和驱动器不易损坏，非常适合于机器人的控制，故选择步进电机作为x轴、Y轴和z轴的驱动部件。9总结草莓是最受人们欢迎的水果之一，其种植面积和产量逐年增加，但目前采摘主要由人工完，作业期长，劳动强度大，制约了草莓种植业的进一步发展。而且，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，手工采摘会大大降低产品的市场竞争力。因此，草莓采摘的机械化是一个亟待解决的问题。国内外学者对此一直都在进行探索性研究。但由于草莓特殊的生长特性和果实形态，所以目前草莓的采摘自动化程度仍然很低。本课题针对以上问题，借鉴国内外草莓采摘机器人的研究成果和果蔬采摘机器人方面的研究基础对草莓采摘机器人进行了研究。草莓栽培的技术含量较高，虽然草莓的经济价值很高，但在我国，其总的栽培面积却还不是很理想。目前，制约我国草莓发展的因素有不少，其中最主要的是能较好掌握草莓生产技术的农民只占少数，由于草莓本身的特点和栽培所需的工作量决定的。草莓是最不耐贮藏的水果，成熟后必须及时采摘，采摘过晚，草莓果实很容易腐烂，造成经济的损失。采摘草莓时不能硬拉．硬拉常拉下果序和碰伤果皮，影响草莓的产量和果实质量。果实开始成熟时，必须每隔两天采摘一次，盛果期间需要每天采摘一次。一般一个劳动力一天可采摘30-40Kg，盛果期最高可采摘50-75Kg。采摘果实宜在上午或下午，中午前后气温高，日照强烈，容易伤果面和引起烂果，不宜采摘。在盛果期一亩草莓每天能成熟150-200Kg甚至更高，两个劳动力每天需要工作10个小时左右才能采摘完，此时期延续近1个月。由于采摘要求的温度条件苛刻，果农只能从半夜依靠手电筒开始摘果。许多果农因此而患上了腰肌劳损，只能依靠止痛片压制疼痛，每年盛果期都“怨声载道”。采摘环节技术的落后制约了草莓生产面积的扩大，也是草莓生产产业化的瓶颈。从减轻种植草莓的劳动负担的角度出发，将农业机器人用于草莓收获是一个很有前景的方向。从未来草莓生产的发展来看，草莓的生产绝不会仅限于鲜食用。当草莓制品的消费流行起来以后，将会出现专为生产草莓酱、草莓果汁和草莓罐头等草莓制品的工厂提供原料的栽培基地。这样的基地将具有种植面积大、工厂化管理等适合机械化采摘的特点，同时加工用草莓对外观的要求不会太高，这样更加有利于实现机械化、自动化采摘。基于以上情况，可知在当前草莓生产中，采摘的机械化和自动化是一个亟待解决的问题。草莓采摘机器人的研制可以有效的减轻果农的劳动负担，