第一章 绪论

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1.1 前言

近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量40%的水果采摘却在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。

1.2 机械手的介绍

机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。

1.3 水果采摘机械手研究概况

水果采摘机械手的研究是当今农业机械研究的一个热点。为了提高生产，解放劳动力，实现农业自动化和智能化程度的进一步提高，世界各国在这方面都投了大量的人力物力资源等，也取得了一定的成就。 1.3.1 国外机械手的研究概况

在德国，美国，法国，韩国，日本等发达的国家，随着产业多样化，国际化，以及农业生产工作性质等原因，农业生产活动劳动力不足远比其它行业来的严重。为了解决劳动力分散不均匀，保障生产，提高人们的生活质量，各个国家都不断研发出了一些农业机械手。

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例如美国在1883年成功研制了世界上第一台西红柿采摘机械手；1987年研制出了对于树冠外的果实分辨率很高于的柑橘采摘的机械手。韩国在1998年也开发研制了一种利用传感器的识别专门用来采摘成熟果实的苹果采摘机械手，图1-1。而且该装置还可以比较轻松的在果园里自由移动，工作空间范围较广。

而作为新兴的发达国家的代表，日本在农业机器人研究方面更是全面且多方位。例如为了喷洒农药专门设计出来的喷农药机器人，传感器的加入使它能自动的喷洒农药。还有为了嫁接特意设计的机器人，极速的嫁接成倍的提高了生产效率。施肥机器人利用橡皮做成的四个超窄轮子可以做到在在狭窄的作物间行走。人机协作型机器人则是通过人与机械手的共同协调作用来完成水果采摘的。在采摘过程中，通过用人来完成定位与机器的导航的任务，而其它的工作（例如：关节的转动，末端执行机构等）则是由机器人精准控制来协调完成。

图1-1 苹果采摘机械手

除此之外，日本还研究了西红柿，葡萄，草莓，黄瓜等一系列的水果采摘机器人，如图1-2。

西红柿采摘机器人 草莓采摘机器人

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黄瓜采摘机器人 葡萄采摘机器人 图 1-2

1.3.2 国内机械手研究概况

作为一个果蔬生产大国，中国虽然在农业机械自动化方面晚起步于其他发达国家，但是先天的不足不能扼住奋发的国人。1997年，东北林业大学教授陆怀民以液压为驱动，配合以单片机控制系统，成功的研制出了松木球果实采摘机器人。果实采摘作业时，由底部的行走机构带动五自由度的机械手靠近果树，然后由控制系统控制液压缸实现大小臂的俯仰从而实现果实的精确采摘。2001年，针对番茄采摘采摘过程中定位不精准的问题，张瑞合等人巧妙地运用双目立体视觉的办法成功的解决了这一大难题。2005年，梁喜凤 苗香雯 等人针对番茄机械手的机械运动特性问题成功的进行了结构的优化的运动的仿真。而近年来，随着国家对农业的重视和资源投入加大，作为农用机械的一大热点，机械手更是有了质的优化和跨越，不过面对复杂多变的工作环境，机械手的研究依旧任重而道远。

1.4 目的和意义

在当今日新月异的社会浪潮中，社会生产种类日益多样化。为了适应时代的发展，实现生产自动化，各种机械手已经逐渐替代人工劳动力出现在不同的工作岗位上。其目的和意义:

一、将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。随着社会的发张，为了更好的管理，促进生产发展，果园种植生产活动的许多劳动力越来趋于专业化和模块化，长时间的单一重复的工作不仅很容易使人疲劳，而且长就的往往会给人带来一定的身体伤害，用机械手代替劳动力，可以将人类从枯燥单调的社会生产活动中解放出来。

二、代替人类劳动力从事危险的社会生产活动。水果采摘作为一项户外生产活动，往往会存在着一些不可预知的危险，实施人工采摘容易发生意外事故。而且经济的发展不断的刺激着人类对未知环境以及事物的探索，可是未知的环境往往隐藏着许多不为人知的危险，贸然投入人力，很容易发生意外，导致人员受伤。而机器人机械手的投入使用可以提前将那些隐藏的危险提前触发或者发现，更甚者可以提前排除那些隐藏的危险，为工作人员的进一步工作提供良好的环境。

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三、极大的提高生产效率。生产效率的保证是一项社会生产活动健康进行的重要指标。为了保证效率，许多果园往往会投入大量的人力资源以及出台一系列的政策去刺激生产。可是大量劳动力的投入往往并不意味着生产率的提高，而由于人的作息问题，生产政策的出台往往也只能短期时间内起到刺激生产的作用，根本不能从根本上解决问题。而机械手的投入使用却可以从根本上完美的解决这个问题，长时间精准的运转不仅极大的提高了效率，而且采摘质量也得到了保证。

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