生物生产机器人.

生物生产是指利用生物所具有的各种机能作为生产媒体，制造出人类生存所必需的食物和其他原料而进行的人类活动。它包括植物生产（作物、果树、数目、海藻等）、动物生产（家禽、鱼类、野生或实验动物等）和微生物生产。生物生产的要素包括：生物代谢的必要物质，如营养、空气、水等；生物生长的必要条件，如温度、湿度等环境因素；物质转移、环境维持等的必要能量，进行生产的必要物资和情报等。生物生产系统是生物生产的各个要素以及它的外部环境所构成的系统，它构成了物质和能源的可再生系统，即闭环系统。第6章生物生产机器人6.1生物生产机器人概述在生物生产领域中，有很多无人操作的机械系统，例如无人驾驶拖拉机、联合收割机（如图所示）、移植机以及自驱动机器等，它们在传感系统控制下可以自行在田间行走。同样在植物工厂，许多种植、间苗、施肥、收获及包装等过程都发展成为无人操作的自动化机械系统；许多谷物干燥机、水稻磨粉机和剥壳去皮机在一定的智能化水平下都可以实现全自动作业。第6章生物生产机器人6.1.1生物生产机器人的独特性一般说来，工业机器人擅长于处理那些物理特性具有规律性且静止不动的对象，但生物生产机器人需要处理处于生长状态的生物体。处于生长状态的植物和动物的属性是动态变化的，生物生产机器人常需适应作业对象的个别变化特性。在生物生产的很多情况下，耕作方法的改进可以提高产品品质和产量，改善劳动者和机器的作业环境；基因工程和其它技术也促进了产品状态的改善。在生物生产中，用机器人来替代人类劳动时，采用一定的系统方法而不是单单地让机器人仿效常规的人力劳动方式来完成任务是很重要的，这种系统方法将会给操作方式的改善带来良机，而这在以前是不明显的。将机器人技术融入生物生产的潜力是无限的，这样的结合往往需要众多不同学科的专业技术知识来有效地发掘它的潜力。第6章生物生产机器人6.1.2生物生产机器人的作业对象在生物生产系统中，机器人大都是自动处理工作对象。因此，在机器人的设计中，工作对象及其生长过程起着非常重要的作用。生物生产机器人的工作对象涉及植物、动物、微生物和农产品，目前研究比较多的是植物的切除、收获和分类，剪毛、挤奶以及农产品的分级与包装。与传统工业机器人的作业对象和过程相比，生物生产机器人要操纵一个大小、形状、颜色和表面特征多种多样并且变化无常的主体。此外，生物生产机器人可能作业在一个非常小的结构环境中，作业受到一定的限制。第6章生物生产机器人6.1.1生物生产机器人的独特性一般说来，工业机器人擅长于处理那些物理特性具有规律性且静止不动的对象，但生物生产机器人需要处理处于生长状态的生物体。处于生长状态的植物和动物的属性是动态变化的，生物生产机器人常需适应作业对象的个别变化特性。在生物生产的很多情况下，耕作方法的改进可以提高产品品质和产量，改善劳动者和机器的作业环境；基因工程和其它技术也促进了产品状态的改善。在生物生产中，用机器人来替代人类劳动时，采用一定的系统方法而不是单单地让机器人仿效常规的人力劳动方式来完成任务是很重要的，这种系统方法将会给操作方式的改善带来良机，而这在以前是不明显的。将机器人技术融入生物生产的潜力是无限的，这样的结合往往需要众多不同学科的专业技术知识来有效地发掘它的潜力。第6章生物生产机器人1．生物体的特性生物对象的特性可以用多种方法来描述，基本生物特性包括大小、形状、质量、密度和表面组织，在开发生物生产的机械系统时，通常被作为首先指标。机器视觉技术已经发展到对形态特性进行测定，例如，形状、大小的测量。对一个植物的形状的测量，看起来好像很复杂，但它常有一些规律性的特性。第6章生物生产机器人第6章生物生产机器人特性特征基本物理特性形状、大小、质量、密度、表观动态特性剪切阻力、摩擦阻力、弹性、粘性光学特性反射率、透射率声学特性振动特性、波传播特性电学特性电阻、电容、静电特性第6章生物生产机器人2.生物生产机器人的特征要使生物生产机器人适合生物体的特征，生物生产机器人的组成和性能就可能与工业机器人不一样。首先，生物体的属性是各种各样且多变的，因而生物生产机器人在处理生物体时必须是灵活的、多功能的。在大多数情况下，当末端执行器与生物体相接触时，柔性处理是必要的。第二，在识别周围环境时常希望机器人具有一定程度的智能。第三，机器人常要在非结构化的、苛刻的和变化的环境下作业。第四，除了那些传统机器人所具备的安全装置之外，当生物生产机器人与操作人员一起作业时可能还需要一些特殊的安全装置。最后，为使机器人能获得潜在的使用者的认可，它的操作界面必须简单，容易掌握，而且必须有较好的经济效益。第6章生物生产机器人3.对生物生产机器人的期望虽然从19世纪70年代开始，生物生产机器人的研发一直在进行，并且取得了可喜的成果，但由于生物生产的多样性，这个领域至今仍被认为是一片热土。生物生产机器人能弥补季节性劳动力不足和人员安排的困难，降低作业成本。机器人有每天工作多于8小时的能力，一些机器人还能一天不间断地工作24小时。由于机器人能在任何时间段工作，很多生产系统就可利用这一优点降低非高峰期的使用率。机器人可用于替代工人完成危险的、脏的作业，另一方面，机器人也适应于对人工出入有较高要求的无菌环境的工作，如许多生物技术。第6章生物生产机器人第6章生物生产机器人生物生产机器人（如图所示）主要包括机械手、末端执行器、传感器和机器视觉、移动机构、控制机构和执行机构6部分。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成1.机械手的结构生物生产系统包含的作物种类、种植模式、生长特点等多种多样，对于不同的作物、不同的种植模式需要设计不同的机械手进行作业，而有些作物传统的种植模式不能适应机器人的作业要求，需要在保证其正常生长的情况下加以改进。由此，日本学者提出了作物培养系统，作物在经过了培养系统培养后，更适合机器人进行作业，进而提高生产效率和产品质量。例如，为了防止高湿度造成的危害，番茄种在田垄的垂直面上，葡萄种在与人身高相近的水平棚架上。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成2．末端执行器机器人的末端执行器是安装在机械手前端并直接与作业对象接触的部分。由于它直接接触作业对象，扮演着类似于人的手一样的角色，因此，有时也叫做机器人的手，也有的学者把它叫做手爪。它由2个或多个手指组成，手指可以“开”与“合”，实现抓取动作和细微操作。但是它的机构又与人的手完全不同，由此也很难叫它“手”。生物生产机器人的末端执行器所处理的对象是多种多样的，如果实、秧苗、子叶、嫩枝、动物等，依据这些对象的特点，可使用手指、吸引垫、针、喷嘴、刀片等进行操作。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成3.传感器机器人传感器按用途分为内部和外部传感器两大类。内部传感器是每个机器人必需的，有些机器人可能不要外部传感器。不需要外部传感器的机器人，一般来说，其工作环境是固定的，工作对象也是标准化和统一化的。外部传感器广泛应用于生物生产机器人，因为其工作对象的光学特性、形态特性和环境条件特殊且多变。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成4.移动机构生物生产机器人所处理的工作对象是生长在温室或露地的植物，它的作业空间要比工业机器人大，这就需要采用移动机构。因此，可以说移动机构增加了生物生产机器人的自由度。生物生产机器人的移动机构包括轮式移动机构、轨道式移动机构、履带式移动机构、龙门式移动机构和腿式移动机构。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成5．控制机构机器人由计算机通过一个接口进行控制。计算机中最重要的是中央处理机（CPU）：许多其他单元与CPU一起工作，如存储器、外部集成电路、输入/输出端口。这些元件通过地址总线、数据总线和控制总线与CPU相连，从而CPU能发送和接受数据。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成6．执行机构执行机构就是按照电信号的指令，将电动、液压和气压等各种来源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的机构。机器人的组成（机械手、末端执行器和移动装置）都与执行机构相关连。用于机器人的执行机构需要满足以下条件：（1）能够承受反复启动、停止、正反转等操作；（2）加速性和分辨率好；（3）小型、轻便、刚度好；（4）可靠性、维护性好。第6章生物生产机器人6.2生物生产机器人基本组成执行机构主要分为三类：电动执行机构、液压执行机构和气动执行机构。电动执行机构主要由电力驱动，因而比较容易控制且结构紧凑。迄今，直流伺服电动机、交流伺服电动机和步进电动机广泛应用于生物生产机器人。伺服电动机由闭环系统控制，而步进电机则由开环系统控制，步进电机的转角与发动机驱动器的脉冲数成正比。此外，形状记忆合金有时也会用作机器人末端执行器的执行机构。形状记忆合金具有小型轻便的优点，可用于生物生产机器人。液压执行机构是将液能转换成机械能，输出功率大，能使机器人处理重物。液压缸和液压马达可以进行直线和旋转运动。机器人采用这种执行机构，需要液压泵、泵的动力供应系统、油箱和安全阀等，当然连接执行机构和设备的管道也是必不可少的。气动执行机构是将压缩空气的能量转变为机械能的机构，可以实现往复运动、摆动、旋转运动或夹持动作。气动执行机构的优点是便于处理简单轻便物体。它将空气压能转换成机械能，但很难实现对机械手、末端执行器或气动泵、管道和阀门等设备的精确定位。气动执行机构可分为气缸、气压和摆动马达三类。与液压执行机构相比，气动执行机构适合小型轻便的物体。第6章生物生产机器人6.3.1番茄收获机器人机器人在进入生物生产系统领域的早期是从果实收获开始的，但由于果实多种多样、环境复杂等因素，收获机器人至今仍是研究的热点。番茄是人们常见的蔬菜，其果实呈红色，与绿色的背景相差大，用彩色摄像机就可以将其辨认。1.栽培方式设施农业中的番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直生长，果实暴露在外侧，有部分叶子的遮挡。传统栽培和高架栽培的番茄果实与果梗的连接方式不同，可以采用不同的采摘方式。传统栽培中在果梗处有结点，通过折断或强力拉扯都可使果实脱落。第6章生物生产机器人6.3应用实例第6章生物生产机器人6.3应用实例（a）传统栽培方式（b）高架栽培方式2.龙门式五自由度番茄收获机器人日本农林水产省农业研究中心根据地块的大小，在田埂上分别铺上铁轨，将龙门车架横跨在田地上方，沿铁轨移动。收获机器人安装在龙门车架上进行收获。第6章生物生产机器人6.3应用实例（1）机械手和末端执行器该机器人属关节型机器人，在手腕的法兰盘处，安装了拥有视觉部和刀具部的末端执行器，采用半圆环状的刀片收获果实。（2）视觉系统该收获机器人的末端执行器上安装有小型电视摄像机和中心波长为680nm、半值幅为10nm的光波过滤器，与闪光灯组成视觉系统。第6章生物生产机器人6.3应用实例3．七自由度番茄收获机器人日本根据番茄传统的栽培模式，研究了具有5个自由度的收获机器人，但实际收获效果不是很理想，在此基础上，又研制了七自由度的番茄收获机器人。（1）机械手将五自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动的直动关节座上，既可以摘取高处的果实，又可以从下向上接近果实，形成七自由度机械手，这种机械手适合传统生产方式的番茄收获。第6章生物生产机器人6.3应用实例（2）末端执行器末端执行器由1个吸盘和2个手指组成，吸盘在手爪的中间。10mm厚的吸盘首先吸住果实，防止果实受伤，手指的长、宽和厚分别为155mm、45mm和10mm，手指的抓取力可以在0～33.3N之间进行调节，吸盘由直流电动机和齿轮驱动，速度可以达到38mm/s。第6章生物生产机器人6.3应用实例1）吸盘的运动吸盘的后面连接一个检测阀，真空泵产生一定的真空压力，使吸盘吸住果实，吸力为0～10N。压力传感器与检测阀相连，通过管路检测空气压力。检测阀位于吸盘和真空泵之间，通过空气的流动检测出气体压力。当吸盘没有吸住果实时，空气从吸盘通过检测阀流向真空泵。当吸盘吸住果实时，气流停止流动，检测阀关闭，此时，吸盘内的气体小于真空泵的气压。第6章生物生产机器人6.3应用实例2）末端执行器的运动末端执行器的运动的方式如图所示。当机械手带