轮式移动农业机器人

2万 · 2019-5-13 15:31

轮式移动农业机器人
农业机器人是农业工程科学领域发展的重要方向，属于多学科融合的、综合性的、
正处于蓬勃发展和进步中的**技术。设施农业的发展极大推动了智能农业机械的发
展，农业机器人逐渐成为农业智能机械的主攻方向，替代劳动者负责农产品生产管理，
提高劳动生产率以及农产品品质，逐渐成为当前国际农业工程发展趋势。
本课题在国家自然基金项目“欠驱动轮式移动农业机器人广义动力学及实时控制研
究”的资助下进行研究。本文主要研究内容包括:
查阅大量国内外相关文献，制定研究总体方案，确定研究技术路线，设计了欠驱动
轮式移动农业机器人的机械硬件系统，机器人本体由轮式移动平台和前置的6自由度机
械臂组成，通过变换末端执行器(采摘手，夹持器，喷头，除草割刀等)可实现功能扩
展与实际功能适用。轮式移动平台主要由车架、后轮驱动机构、前轮转向机构组成;末
端执行器则是根据实际作业要求进行灵活组合;后轮驱动机构采用链传动形式保证车体
承载能力，适应恶劣的工作环境;前轮转向机构与机械臂底盘转向机构采用同步带传动
保证转向精度;6自由度机械臂是由腰、肩、肘三个宏关节与3转动微关节组成的腕关
节构成，通过伺服电机串联减速机获取足够力矩驱动机械臂转动实现以期望的速度、方
向沿规划轨迹运动。
基于Piper法则建立欠驱动轮式农业机器人的六自由度串联机械臂模型，通过D-H
参数描述了末端执行器相对于基座坐标系的位姿，建立了D-H坐标系下6自由度串联机
械臂正逆运动学方程，并利用M athmatica软件编程予以符号解算，提出了逆解最优解选
取原则，并在MATLAB环境下运用Robotics工具箱仿真模拟机械臂规避障碍，验证6
自由度机械臂正逆运动学分析的正确性与机构设计的合理性。
设计了以STM32为核心的机器人控制系统，采用PID算法以PWM+方向的控制模
式实现机器人工作于速度、位置、力矩模式，编制了基于PID算法的下位机控制程序。
在Solidwo rks环境下完成三维实体建模后，在ADAMS环境下对欠驱动轮式农业机
器人进行了力矩、速度、角速度仿真，完成了采摘收获的特定功能仿真，并通过ADAMS
与MATLAB联合仿真运用PID算法实现机器人的轨迹跟踪控制。
在上述研究的基础上，研制了欠驱动轮式农业机器人第一代样机AMR-1，通过样
机试验验证AM R-1机械机构的合理性与控制程序的可靠性、精确性。通过试验发现不
足进行改善优化。

2万 · 2019-5-13 15:32

农业机器人是农业工程科学领域发展的重要方向，它属于多学科融合、综合性的、
正处于蓬勃发展和进步中的**技术，是机器人技术与自动化技术结合并作用于农业生
产领域的产物，是从事现代高效农业生产的特种机器人。农业机器人由机械电子自动化
走向机器视觉人工智能化，标志着现代农业的飞速发展与现代农业自动化生产技术的日
臻成熟。农业机器人可在多样性和变化环境下柔性自主作业，使农业生产的自动化、综
合化、智能化程度越来越高。科学技术的不断进步，工业自动化等级，智能化程度的不
断提高，推动着现代农业生产从简单的机械化向着自动化、规模化、多样化、精准化、
精细化、智能化方向发展，推动着设施农业的迅速发展(如农田喷雾灌溉，果园采摘，
二氧化碳浓度、氮磷钾含量、温湿度检测等等)，农业机器人逐渐成为智能农业机械研
究的重要领域。

2万 · 2019-5-13 15:32

对于农业机器人的分类依据标准不同有不同的分类。按功能应用可分为采摘收获机
器人、农耕播种机器人、水田耕作机器人、农田信息自动采集施肥机器人、畜牧机器人、
林业机器人、植保机器人、农产品加工机器人等;按行走方式可分为:
   (1)轨道式农业机器人:轨道式农业机器人在规定的工作路径下动作，稳定迅速，
一般适合于室内作业，优点是工况稳定，缺点是无法适应多变的环境，路径单一。
   (2)轮式农业机器人:轮式农业机器人可实现全方位移动，具有较高的运动速度与
较好的方向控制性，负载能力良好，适用于平坦的路况环境。
   (3)履带式农业机器人:履带式农业机器人的履带式结构是轮式移动结构的拓展，
又称无限轨道式，负载能力强，越野机动性能好，可在恶劣的路况下行走，并且可以斜
坡作业，适用于松软或泥泞的田间作业，下陷度小，滚动阻力小，优点移动速度较快，
通过性能好，恶劣环境适应性强，缺点是结构较为复杂，缓震性能不足，履带寿命短，
重量大导致其运动惯性较大，转向迟缓、动作效率略有不足(陈淑艳，2007)。
   (4)足式农业机器人:足式农业机器人具有独特的性能特点，其立足点是离散的，
具有较好的非结构化路面的适应能力，可在恶劣的环境下选择最优的立足支撑点，足式
农业机器人可轻松通过松软地面，跨越较大的障碍(田间水渠、沟、坎等)。

2万 · 2019-5-13 15:32

(5)农业四轴飞行器机器人:农业四轴飞行器机器人通常由载体四轴飞行器单元，GPS导航控
制单元，水肥喷洒单元三部分组成。优点是机动性强，作业空间自由，可迅速到达作业
地点，适用于药肥喷洒，林区/田间信息采集，地形要求低，环保，出勤率高，缺点是续
航能力存在缺陷，负载能力略有不足。

2万 · 2019-5-13 15:33

农业机器人技术始于20世纪70年代末期，随着工业机器人技术的日臻完善，农业
机器人的研究工作逐步展开，20世纪90年代，计算机技术、传感器技术、机器视觉技
术被应用于农业机器人的研究，基于GPS田间自动导航、机器视觉、红外传感器，激
光测距传感器的智能农业机器人成为本领域的研究新热点。进入21世纪，智能化的农
业机器人相继面世，可以预计农业机器人的研究己进入环境友好型、交互式的智能控制
新阶段，农业机器人的应用也将进入快车道，越来越多的出现在田间原野、温室、大棚、
畜牧养殖基地，代替人力高效完成各种复杂繁重的体力劳动(咚玲，1996)。
发达国家进入后工业化后，逐步加大对农业机器人的研究、投资力度，农业生产日
趋机械化、规模化、精准化、自动化、智能化。国际范围内英国，日本，德国，荷兰，
美国等国家在农业机器人领域的研究己达到很高水平，日本政府从1993年开始逐步侧
重农业机械的开发，逐年投入巨资用于农业机械的研究，开展实施五年一周期的农业机
械紧急开发项目，农业机器人是农业机械紧急开发项目的重中之重，经过第一周期“农
业机械紧急开发事业”，第二周期“21世纪农业机械紧急开发事业”，第三周期“下一
代农业机械等紧急开发事业”，“第四期农业机械紧急开发事业”，日本农业机器人研
究进展己达国际领先水平，率先实现农业机器人产品的规模实用化。实用化的农业机器
人类型众多，有果蔬采摘机器人、耕作机器人、植保机器人、移栽机器人、嫁接机器人
等。199_5年，一种葡萄收获机器人在日本冈山大学农学院问世，该机器人是一种果园棚
架栽培模式的多功能农业机器人(M Monta, 1995 )，该机器人主要由一个控制台，一个
视觉图像采集传感器与一个机械手末端执行器组成，通过变换不同类型的机械手末端执
行器完成蔬果采摘、喷药、果实套袋等工作。如图1-1所示，门田充司教授于2008年
研制了一种高级番茄采摘机器人，该机器人主要由机器视觉、多自由度机械手、控制系
统、轨道式移动平台构成，该番茄采摘机器人在轨道上移动的同时，机器视觉检测番茄
成熟度，符合要求时控制系统向多自由度机械手发出采摘指令，机械手通过位姿变换到
达采摘位置，四指式机械手抓完成最终的采摘工作，该机器人的采摘效率一般，从番茄
果实成熟度检测到完成果实的采摘用时1_5S，成熟果实的采摘率在_5007070070，采摘精度
有待进一步提高(近藤直，2009)。

2万 · 2019-5-13 15:49

2002年，果实分选机器人在长野县下伊那园艺农业协同组合面世并实用化，该果实
分选机器人以苹果、梨、桃、柿子等落叶系果实为分选对象，将视觉传感器、触觉传感
器与计算机系统融合，充分发挥机器人所具有的感知机能和大容量存储机能，实现作业
信息化，12个末端执行器可各吸住一个果实，并对果实的种类、成熟度、肥硕度进行识
别并进行分选，满足消费者对食品多样化需求与食品安全的要求，该机器人的面世标志
着第三代农业机器人研究的开端(赵匀，2003。

2万 · 2019-5-13 15:52

英国Silsoe农机研究所研制出的蘑菇采摘机器人，如图1-2所示，由机械臂、真空
吸柄末端执行器、机器视觉、计算机系统四部分组成，该蘑菇采摘机器人由摄像机采集
图像信息，然后通过软件分析视觉图像来鉴别所采摘的蘑菇数量与品质，依据不同的标
准实施对应的作业工作。在采摘过程中，通过机械臂上的机器视觉模块测定出蘑菇的位
置、大小，控制系统发出采摘指令，控制真空吸柄到达指定采摘部位，通过夹紧、弯折、
回拉等动作实现蘑菇采摘，并迅速将所采蘑菇放到传送运输机上。该机器人采摘效率约
为7_5 070，每分钟可采摘402个。采摘失败的主要原因在于机器视觉与控制系统间的反馈
调节存在缺陷，同时多末端执行器的协同动作也是需要面对的研究难点(侯丽雅，1998)0
德国创新公司Deepfield Robotics研发出一款名为Bo niRob的农业机器人，如图1-3
所示，它配备高精度的卫星导航系统，定位精度在2厘米以内。该机器人还配备名为
ramming death rod除草组件，通过识别叶子颜色形状，大小等参数精准高效的辨别农作
物与杂草，达到从根本上彻底除去杂草，无需除草剂，在胡萝卜田间试验中，除草效率
在90%左右，为农作物的生长提供了优越的土壤环境。该农业机器人除了可胜任田间
播种、插秧、除草等工作，还可监测田间状况，通过利用光谱成像仪记录每株农作物的
位置、生长状况、施肥量、浇水量。该产品的面世标志着现代农业迈向精准化、精细化、
智能化，但是要实现规模化应用时机还不成熟，仍需在操作性、人性化与成本方面做出
改进。

2万 · 2019-5-13 15:52

2013年英国BouMatic Robotics公司研制出一款名为MR-S1自动挤奶机器人，如图
1-4所示，它主要由奶牛出入引导单元、饲料配给单元、后进式自动挤奶单元、牛奶质
量检测单元构成，凭借其独有的专利系统，识别判断奶牛是否需要挤奶，并决定配给吸
附式挤奶杯的数量，机械臂自动接近奶牛后腿之间的乳房，运用最新的机器视觉识别技
术确定的乳头位置并自动连接牛奶烧杯。挤奶过程中通过各种传感器和测量装置连续监
测挤奶流程中存在的问题(如奶质、奶牛体况等)并立即反馈给用户并在电脑终端明确
列出，如用户需要，这个数据可以发送到智能手机或iPad等移动终端。

2万 · 2019-5-13 16:02

在众多国家和科技工作者的努力下，农业机器人的研制取得了长足发展，类型繁多
功能各异的农业机器人不断问世并不断推陈出新，农业机器人越来越广泛的被应用于现
代农业生产之中，在广阔田野在代替人工劳动进行自动播种、施肥、农药喷洒、土壤有
机含量检测，在大棚中检测温湿度并自动调节保持大棚维持农作物生长的适宜温度。

2万 · 2019-5-13 16:03

2万 · 2019-5-13 16:03

上海交通大学机器人研究所与西北农林科技大**合研制了草蓦采摘机器人，该机
器人草蓦定位及果柄检测的实现采用了OHTA颜色空间的图像分割法，草蓦姿态则是通
过分析二值化的BLOB惯性主轴来获取，草蓦的采摘标准则是通过颜色识别显示的果实
成熟度。该机器人的草蓦识别定位平均用时1S，果柄识别率93 070，果实无损采摘率达
到了9_5 070，较好的满足了草蓦采摘高速度与高精度的要求。
深圳天鹰创新有限公司成功推出一款燃油动力植保四轴飞行器TY-R30，该植保四轴飞行器
基于GPS导航、声纳定位等措施实现自控飞行完成植保作业，具有定位精度高、自动
规划喷洒路径等优点，能够依据所检测的田间状况自动喷洒农药。该四轴飞行器还可进行轨
迹跟踪、断点续喷、变量施药、自动生成作业信息报表并记录在计算机控制终端供用户
使用，作业效率1 _50亩/li，节水率90070，节药率40%以上。

2万 · 2019-5-13 16:06

农业机器人作业范围要广，可适应多地形，移动平台的灵活度要高，具有一定的爬
坡越障，灵活转向的能力，同时还应满足动作迅速且平稳，负载能力较高的要求，综上
对本文设计的欠驱动农业轮式移动机器人AMR-1提出以下功能要求:
   C1)能自主完成预定规划的运动轨迹，例如车体实现直线行驶、转弯、曲线行驶。
   C2)为使AMR-1作业范围广泛，具有功能扩展能力，AM R-1应具有机械臂，并
能实现作业空间内的任意姿态可保持定姿，实现抓取，回收等动作。
   (3)结构精简、合理，传动机构力求有效，传动计算精确，降低控制算法复杂度，
提高控制程序的代码效率，机械结构单元易拆卸，方便易损元器件的更换，保持机械本
体良好的工作稳定性。
   (4)电气系统工作性能充分满足可行性与可靠性，尽量使用闭环电气单元，及时
将工况状态反馈到控制系统，为控制系统发出操作指令提供数据依据，使机器人动作满
足一定的精度要求，避免出现误动作及死机现象。
   (5)机械本体机构设计合理有较强的承载能力满足工作强度要求，本体框架结构
的强度与刚度满足一定程度的颠簸，抖动要求，同时为控制系统安放预留足够的安装空
间，为农产品收获等预留存储空间。
   (6)工作环境适用性强，适用范围广，可在室内结构化路面，室外非结构化路面
  (田间、陡坡等)行走。
   C7)机械本体结构组件尽量使用标准件，方便后期维护以及结构的优化改进，有
利于后期维护和优化，提高开发效率。

2万 · 2019-5-13 16:06

   (1)欠驱动轮式移动农业机器人AM R-1机械本体结构设计，包括后轮驱动机构设
计、前轮转向结构设计、车架设计、6自由度机械手结构设计。
C2) AMR-1机械手的正逆运动学分析，采用计算效率较高的专用数学符号运算软
件Mathmatica编制了一套基于DH算法的正逆运动学方程解算方法，并在MATLAB中
利用Robotics工具箱进行正逆运动学仿真验证方程解算的正确性，还进行了相关的轨迹
规划仿真。
   C3) AMR-1控制系统的硬件设计，主要包括了下位机STM32最小系统设计、串
口无线通讯电路设计、电源供电系统设计、伺服电机驱动系统设计等。
   C4) AMR-1控制系统的软件设计，包括下位机通讯协议及程序设计，基于PID算
法的机器人速度、力矩、位置模式控制程序设计。
   CS) AMR-1仿真与试验，包括AM R-1在So lid works中建立虚拟样机，在ADAMS
中获取AMR-1的力矩、速度、角速度仿真结果，基于PID算法的ADAMS和MATLAB
联合仿真，研制第一代样机AM R-1，并通过样机试验验证机械本体结构的合理性及控
制程序的精确可靠性。

2万 · 2019-5-13 16:07

2万 · 2019-5-13 16:07

轮式农业机器人的移动平台有三种不同的发展方向:一种是基于现有农业机械基础
上的改进并增设导向控制系统，该方案可以节省车体的设计成本，但操控性较为复杂，
兼容性能差，间接的增加了设计成本;一种是基于现有农业机器人进行2次开发，该方
案虽可节省设计成本、可靠性、稳定性高，但存在功能性太强，对农业其他特种作业的
适应性差;另外一种则是从底层机械结构设计到顶层控制系统的开发全部自主设计，优
点在于结构合理，机构精简，避免了方案一的结构冗余，控制系统自主设计，将多变量
输入纳入对象控制系统，控制精度更高，对各种作业要求的适应性增强，克服了第二种
方案的不足。本文采用第三种方案设计欠驱动轮式农业机器人AMR-1 o AM R-1的机械
本体整体结构方案如图2-1所示，机械本体主要由两大部分组成，后置轮式移动平台与
前置装有末端执行器的6自由度机械臂构成。通过变更末端执行器实现机器人AM R-1
的多功能扩展，本设计使AM R-1结构完全模块化，功能扩展性很强，后轮驱动前轮转
向的模式避免了全方位转向的结构冗余，同时不妨碍实现农田，牧场等环境下自主作业
的功能实现，有效降低了结构成本，制造成本和维护成本。

2万 · 2019-5-13 16:08

车架是AMR-1移动平台的骨架，决定了欠驱动轮式移动农业机器人AM R-1的整体
性能，车架即是电气系统安装的载体，也是AM R-1动力驱动系统的载体，同时也是农
产品收获存储运输的仓库，车架设计一般有一体成型结构设计与板架结构设计两种方
案。一体成型结构方案是将车体设计成一个完整的框架，加工方案采用铸造，铣床或数
控加工中心进行加工，这种方案的优点是:孔的尺寸定位精度高，装配精度高，密封性
能好，可有效提升机械系统的传动性能，避免油污干扰，一体成型也可有效提升车架的
稳定性，可靠性，适应更高的工作强度和恶劣的工作环境，但是缺点也尤为明显:制造
本高、
而成，
重量大，间接降低总负载能力。板架结构方案中车架由钢骨架外敷板材装配焊接
该结构加工工艺要求低，
有制造工序少、造价成本低廉、
主要通过焊接与螺栓连接固定，装配精度稍差，但是具
重量轻、优化设计方便等优点。

2万 · 2019-5-13 16:09

驱动系统的结构方案有三轮驱动、四轮驱动两种。三轮驱动方案又分为:y三轮
全向驱动;(2>前轮万向，后轮差分驱动。四轮驱动方案有:W前轮万向，后轮差分
驱动;(2)后轮双驱，前轮受控转向。三轮驱动虽具有灵活性强的优点，但是崎岖路面
的通行性、越障性能、负载性能远不及四轮驱动，而且三轮驱动的运动学计算由于速度
分量较多，各驱动轮之间变换关系相对复杂，降低了可操控性，提高了控制研发成本，
不适用于AM R-1提出的功能要求。四轮驱动方案一(前轮为万向轮，后轮差分驱动)
虽然克服了负载问题，但是前轮为万向轮对于机器人行走的稳定性和方向的精确可控性
影响较大，差分驱动结构巧妙但是对于曲线类轨迹运动增加了算法难度，本文采用后轮
双驱，前轮受控转向的驱动方案:后轮伺服电机串联减速机通过链传动向后轮作转矩输
出，伺服电机上置节省了安装空间，链传动提高了传动强度，增强了AMR-1爬坡越障
能力以及对恶劣工作环境的适应能力;前轮转向伺服电机串联减速机经同步带传动实现
灵活精确转向，张紧轮装置确保了同步带的传动精度，提高了AM R-1方向掌控性能使
其具有了高精度行驶能力。AMR-1驱动机构详细配置如图2-3, 2-4所示。

2万 · 2019-5-13 16:09

2万 · 2019-5-13 16:11

机械臂常见的驱动方式有3种:液压驱动、气压驱动、齿轮传动驱动。液压驱动是
高精度的缸体和活塞通过滑动配合，调节液压缸内活塞两端的液压压力和进油量实现控
制机械臂的行程动作，优点是可以获取较大的推力和力矩，工作平稳可靠，传动中力、
速度和方向自动控制易实现，机械效率高，寿命长，但是不足之处也尤为明显，油液的
粘度受温度变化影响较大，严重影响工作性能，同时液压的泄漏难于克服，要求液压元
件有较高的精度和质量，造价成本较高，电液伺服系统要求具备严格的滤油装置，否则
会引起故障。气压驱动特点是:压缩空气密度小，容易达到高速，空气介质无污染，适
用于高温作业，气动元件工作压力小，制造工艺要求低。不足之处有空气压缩性大、工
作的平稳性差、速度控制困难、位置精度差，压缩空气同时要考虑除水问题，否则会使
钢类零件生锈，使机械臂失灵。相对于前两种方案，齿轮传动的传动方式较多，可直接
产生直线运动，回转运动，输入输出转速，力矩变化显著，同时定位精度、重复精度、
可靠性很高，常用齿轮传动方式的比较与分析如表2-1所示，比较表2-1中的各种齿轮
传动方式特点并依据本文农业机器人AMR-1的功能要求确定机械臂的传动方案为:
   C1)机械臂各关节传动方案为谐波传动，通过伺服电机串联行星减速机实现较小
的力矩输入获取较大的力矩输出，此结构具有尺寸小，重量较轻，结构精简，成本可控
的优点;
   (2)机械臂底座的圆周转动传动方案为同步齿型带转动，其传动效率可达0.9 8
保证了机械臂转向无滑动，传动比精确，保证了机械臂的圆周定位精度和控制精度;
   (3)机械臂组成方案为由腰关节、肩关节、肘三个宏转动关节以及3自由度腕部
微关节构成。

2万 · 2019-5-13 16:11

轮式移动农业机器人

技术奇才奖章

伴坛终老