50、农业与微机器人技术：水果采摘与机械放大器的创新应用

农业与微机器人技术：水果采摘与机械放大器的创新应用

1. 水果采摘机器人的发展与设计

1.1 水果采摘现状与机器人引入的必要性

传统水果采摘过程缓慢且复杂，导致生产成本高昂。随着农业机器人领域的兴趣迅速增长，引入机器人进行水果采摘等技术任务变得十分必要。目前虽有多种水果采摘机器人解决方案，但尚无通用技术方案。

1.2 现有水果采摘机器人分类

现有的水果采摘机器人解决方案可分为三大基本类型：
|类型|适用水果|特点|
| ---- | ---- | ---- |
|摇动机与收集器|橄榄、杏仁、蓝莓、树莓等悬挂类水果|通过摇动树木使水果掉落并收集|
|水果真空收集器|苹果、梨、榅桲、橙子、猕猴桃等|利用真空吸力收集水果|
|逐片采摘器（抓取器）|草莓、李子、杏子、桃子、樱桃等|使用专门的抓手逐片采摘水果|

1.3 李子采摘机器人的概念设计

李子采摘机器人系统模仿人工操作原理，其机械部分由多个功能模块组成：
1. 移动平台 ：用于在李子园周围运输采摘机器人手臂，同时作为机器人系统的载体。
2. 线性（龙门）机器人 ：在工作空间内，使伸缩机器人手臂在垂直（上下）和水平（左右）两个坐标方向移动。
3. 伸缩机器人手臂 ：配备专门设计的抓手，用于切割和采摘水果。
4. 垂直运输系统（货运电梯） ：用于运送/移除用于包装采摘水果的板条箱/盒子。

1.4 各部件详细介绍

• 笛卡尔机器人 ：作为 3D 空间定位器，用于相对于选定目标（如通过深度相机发现的李子）对机器人手臂进行粗略定位。它沿三个坐标轴（垂直、横向和纵向）线性移动，每个轴有一个电动机，通过同步带实现动力传输和线性运动。
• 伸缩手臂 ：考虑到李子采摘技术的复杂性以及树木的大小和形状，伸缩手臂是最有利的配置。它可以伸缩 ±500 mm，能够到达全局相机可见的李子。手臂由一个线性电机和三个相互线性移动的分段组成，通过类似串行滑轮机制实现速度叠加，使末端执行器的移动距离是线性电机的四倍。
• 柔性抓手 ：是定制的末端执行器，类似于人类手腕的球形关节，安装在伸缩手臂顶部。它有三个独立驱动的旋转关节，由带相机的抓手、沿纵轴的旋转和用于俯仰和偏航运动的球形关节三个功能部分组成。球形关节基于万向节原理，由小型 RC 伺服电机和同步带驱动，并引入皮带张紧器以提高机器人的性能。

1.5 操作原理

拖拉机拉动移动平台，平台左右两侧有多个机器人手臂。拖拉机每前进 1 - 2 米停止一次，让机器人采摘该区域的水果。平台停止时，全局相机扫描整个工作区域，机器人控制器根据新创建的数字地图计算每个手臂的轨迹。如果伸缩手臂纵轴有小角度偏差，球形手腕会进行精细调整。抓手在距目标 20 - 30 毫米处打开，抓住李子的果梗，然后伸缩手臂收缩，将李子放入板条箱，整个过程每 10 - 15 秒重复一次。

graph LR
    A[拖拉机拉动平台] --> B[平台停止]
    B --> C[全局相机扫描]
    C --> D[控制器计算轨迹]
    D --> E[球形手腕调整]
    E --> F[抓手接近目标]
    F --> G[抓手抓住李子]
    G --> H[伸缩手臂收缩]
    H --> I[李子放入板条箱]
    I --> B

2. 微机器人设备机械放大器的研究

2.1 微机器人设备的驱动与机械放大器的需求

微机器人设备通常由线性运动执行器驱动，适用于此类设备的执行器有热、形状记忆合金（SMA）、压电和磁性等类型。在准静态操作中，这些执行器都适用，但在需要更高工作频率时，SMA 和热执行器的适用性受限，压电换能器（PZT）或压电堆栈执行器（PSA）是最佳选择。然而，PSA 的输出运动范围小，需要额外的运动放大机制。

2.2 现有机械放大器结构

从结构上看，最常用的机械放大器有两种基本配置：杠杆类型和三角形（桥接）类型。标准放大比约为 5。为了在所需频率范围内实现更高的运动放大值，人们考虑使用混合或多级位移放大机制，常见的是杠杆和桥接机制的组合，不同组合可提供不同的放大比和自然频率。

以下是一些常见的混合或多级位移放大机制：
|类型|放大比|自然频率变化|
| ---- | ---- | ---- |
|差动杠杆与半桥机制组合|6.51|从 95.5 Hz 提高到 252.6 Hz|
|杠杆和桥接机制组合成紧凑结构|高达 48| - |
|斯科特 - 拉塞尔和两个杠杆机制组合| - |用于扩大微机器人平台的工作空间|
|桥接、杠杆和半桥机制组合的三级位移放大器|高放大比和相对高的固有频率| - |

2.3 机械放大器的特性与性能指标

机械放大器/减速器将输入侧的位移或力值转换为输出侧的不同水平。其基本参数是放大/缩小比，包括增量位移放大比 rd 和力放大比 rf，且 rd = 1/rf。在压电执行器输入运动值相对较小时，位移放大比在整个 PSA 运动范围内基本稳定。输出侧对应执行器实际位移 din 的可用力为 fout∗ = fout - s.din，其中 s 是机构在运动意义上的刚度。

graph LR
    A[输入位移/力] --> B[机械放大器]
    B --> C[输出位移/力]

综上所述，水果采摘机器人和微机器人设备机械放大器在农业和微机器人领域都具有重要的应用价值。水果采摘机器人通过创新的设计和各部件的协同工作，提高了水果采摘的效率和质量；而机械放大器则解决了微机器人设备中执行器输出运动范围小的问题，为微机器人的发展提供了有力支持。未来，随着技术的不断进步，这些技术有望得到更广泛的应用和进一步的优化。

3. 水果采摘机器人与机械放大器的技术优势与挑战

3.1 水果采摘机器人的优势与面临挑战

优势

• 效率提升 ：每个机器人手臂能替代一名工人，且采摘效率和速度大幅提高。拖拉机拉动平台，机器人可连续作业，每 10 - 15 秒就能完成一次采摘和放置水果的过程，大大缩短了采摘周期。
• 精准定位 ：笛卡尔机器人能对机器人手臂进行粗略定位，球形手腕可进行精细调整，确保抓手能准确抓住李子的果梗，提高了采摘的精准度。
• 适应性强 ：伸缩手臂可根据树木的大小和形状进行伸缩，能穿过树枝的缠绕，适应不同的果树环境。

挑战

• 环境复杂性 ：果园环境复杂，树木的形状、果实的分布等都存在差异，可能会影响机器人的定位和采摘操作。例如，果实被树叶遮挡时，相机可能无法准确识别。
• 成本问题 ：机器人系统的研发和制造成本较高，除了部分进口的龙门机器人系统外，其他部件虽为原创技术但也需要投入大量资金进行研发和专利申请。
• 能源供应 ：目前系统由拖拉机拉动，电池驱动尚在考虑中，且需要满足 8 小时的连续作业，能源供应的稳定性和续航能力是需要解决的问题。

3.2 机械放大器的优势与面临挑战

优势

• 运动放大 ：能够将压电执行器小范围的输出运动进行放大，满足微机器人设备对较大运动范围的需求。不同的放大机制可提供不同的放大比，以适应不同的应用场景。
• 高频率适应性 ：在需要较高工作频率的情况下，压电换能器或压电堆栈执行器配合机械放大器，能保持较好的性能。
• 定位精度高 ：机械放大器在放大运动的同时，能保持一定的定位精度，特别是在一些需要高精度操作的微机器人设备中具有重要作用。

挑战

• 设计复杂性 ：混合或多级位移放大机制的设计需要考虑多个因素，如不同机制的组合方式、尺寸对共振频率的影响等，增加了设计的难度。
• 性能稳定性 ：机械放大器的性能可能会受到材料特性、制造工艺等因素的影响，导致放大比和输出力的稳定性出现波动。
• 工作频率限制 ：虽然压电执行器适用于较高工作频率，但插入 compliant 机械部件后，会降低工作频率，需要在设计中进行平衡。

4. 未来发展趋势与展望

4.1 水果采摘机器人的未来发展

• 智能化升级 ：引入人工智能和机器学习技术，使机器人能够更好地识别果实的成熟度、位置和形状，提高采摘的准确性和效率。例如，通过深度学习算法对大量果实图像进行训练，让机器人能够自动判断果实是否适合采摘。
• 自主导航与协作 ：实现机器人的自主导航功能，使其能够在果园中自主移动和避障。同时，多个机器人之间可以进行协作，共同完成采摘任务，提高整体的工作效率。
• 能源优化 ：研发更高效的电池驱动系统，提高机器人的续航能力，减少对拖拉机的依赖，实现更加灵活的作业方式。

4.2 机械放大器的未来发展

• 新型材料应用 ：探索使用新型弹性材料，提高机械放大器的性能和稳定性。例如，一些具有特殊力学性能的复合材料可能会为机械放大器的设计带来新的突破。
• 集成化设计 ：将机械放大器与执行器、传感器等部件进行集成化设计，减少系统的体积和复杂度，提高整体的性能和可靠性。
• 多领域拓展 ：除了微机器人领域，机械放大器还可以拓展到其他领域，如精密制造、生物医学等，为这些领域的发展提供支持。

5. 总结

水果采摘机器人和微机器人设备机械放大器在各自的领域都具有重要的意义和应用价值。水果采摘机器人通过创新的设计和先进的技术，提高了水果采摘的效率和质量，有望解决传统采摘方式成本高、效率低的问题。机械放大器则为微机器人设备提供了有效的运动放大解决方案，克服了压电执行器输出运动范围小的缺点。

然而，这两项技术也面临着一些挑战，如环境适应性、成本控制、能源供应和设计复杂性等。未来，随着科技的不断进步，我们有理由相信这些挑战将逐步得到解决，水果采摘机器人和机械放大器将在更多领域得到广泛应用，并不断推动农业和微机器人技术的发展。

技术领域	优势	挑战	未来发展趋势
水果采摘机器人	效率提升、精准定位、适应性强	环境复杂性、成本问题、能源供应	智能化升级、自主导航与协作、能源优化
机械放大器	运动放大、高频率适应性、定位精度高	设计复杂性、性能稳定性、工作频率限制	新型材料应用、集成化设计、多领域拓展

graph LR
    A[水果采摘机器人] --> B[智能化升级]
    A --> C[自主导航与协作]
    A --> D[能源优化]
    E[机械放大器] --> F[新型材料应用]
    E --> G[集成化设计]
    E --> H[多领域拓展]

通过对这两项技术的研究和发展，我们可以看到农业和微机器人领域的巨大潜力。希望未来能有更多的创新和突破，为我们的生活带来更多的便利和改变。