多功能机器人：一机多能的智能之选

对于相同对象或作业空间相近的作业，可以采用多功能机器人，只需更换不同的末端执行器、视觉系统和控制系统就可以完成作业。

1.葡萄多功能生产机器人

日本研制的葡萄多功能生产机器人，包括机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构，只要更换手爪就可以完成多种作业。

（1）葡萄蔬果末端执行器 为了使果串长得更大一些，提高果串的商品价格，有必要将果串中的劣果去掉。蔬果作业耗时长、劳动强度大、效率低，因此，日本研制了葡萄蔬果末端执行器（见图6-47）。

图6-47 葡萄蔬果末端执行器

葡萄蔬果末端执行器包括3个部分：上面部分分为两个带有橡胶的平行盘，盘子平行张开和闭合，交替前进和后退，在主干上压迫和扭掉果实；中间部分包括1个带有针的圆盘、弹簧和1个多孔盘，当中间部分抓住茎秆时，针从孔中穿出刺穿果实，随后果实干枯，自然落下；下面部分是切削机构，可切断果梗以规范果串的长度。

（2）套袋末端执行器 水果套袋（见图6-48）是近年发展的一项新技术，主要是为减少水果的农药污染、减少鸟害虫害、改善水果色泽和外观、达到减少水果的农药残留、提高水果等级、增加果农收入等目的。水果套袋作业通常是在果树定果期进行的，目前，果袋的生产已经实现了自动化，且规格多种多样，能够满足不同水果的要求。但是套袋作业仍依靠人工，每个工人每个工作日（8h）能套袋1000～1200个。果树的高度一般为3m左右，人工需要借助梯子进行作业，同时还要不断地移动作业位置，劳动强度和危险性非常大。

图6-48 水果套袋

日本研制的葡萄套袋末端执行器（见图6-49）采用电动机驱动，由1个可以上下移动将果袋逐个送给手指的果袋喂入器和2个可以平行张开的手指组成，与之配套的果袋上端有两个相向的弹簧。当果袋由果袋喂入器和手指携带时，弹簧处于拉紧状态，果袋张开；当果袋喂入器将果袋送给手指后，套袋末端执行器从下端接近目标果实，直到将一个果实倒进果袋后，手指松开，在弹簧的作用下将果袋固定在果梗上。

图6-49 葡萄套袋末端执行器

a）示意图 b）实物图

（3）喷洒机器人 人工喷洒化肥，不仅需要穿保护服以防受侵害，而且均匀性差、化肥的利用率低、污染环境、造成浪费，因此需要采用机器人喷洒。

喷洒机器人（见图6-50）由手爪、机械手、安装在机械手上的远红外线传感器、向喷嘴提供药液的泵和控制液体流动的电磁阀组成。控制系统控制机械手的移动，使其始终在葡萄架下运动。通过远红外线传感器的检测，使喷嘴和葡萄架保持一定的距离。

图6-50 喷洒机器人

2.蔬菜多功能机器人

多数蔬菜作业是具有选择性的，目前仍采用人工进行作业。日本开发了一个叶菜类多功能机器人（见图6-51），可以进行移栽、杂草控制和收获，适合于各种叶菜。多数叶菜类蔬菜生长在垄上，作业高度为0～35cm。

蔬菜多功能机器人由直角坐标系机械手、移动机构、末端执行器、传感系统和控制系统组成。末端执行器和传感器可以根据作业类型和蔬菜类型进行更换。整个系统由交流电动机控制。

叶菜多功能机器人的机械手固定在一个十字架上，并安装在四轮驱动的电车上；移动机构可以在两个垄沟内行走，前轮有连杆连接，可以保证它们有同样的转弯角度；导向装置安装在两个前轮上（见图6-52）。(www.xing528.com)

图6-51 蔬菜多功能机器人

图6-52 机器人在田间作业

直角坐标系机械手采用3自由度。由于机械手不需要太多的能量，可以采用步进电动机驱动，每个轴的平均速度分别为X轴为0.6m/s，Y轴为0.5m/s，Z轴为0.2m/s。

（1）移栽末端执行器 该机器人的移栽末端执行器适合于蔬菜的塞子苗，如甘蓝、生菜等。

移栽末端执行器（见图6-53）包括两个移栽手指、挖穴铲、直流电动机、电线圈和通过光缆与检测器连接的光电传感器。移栽手指通过电线圈的控制，可以在20mm的距离内开闭。秧苗推杆安装在手指上，在这些机构的前侧，安装了一个有直流电动机驱动的挖穴铲。当秧苗从穴盘中取出并去除土壤后，末端执行器随机械手向前移动40mm，打一个孔。

光电传感器安装在末端执行器上，控制挖穴铲的深度。一个光纤传感器用于检测秧苗是否存在，若穴盘中目标位置没有秧苗，传感器关闭，末端执行器移向下一个位置；另一个光纤传感器用来检测末端执行器离垄面的距离，进而控制移栽深度。这些传感器的开与关由反射光的发光亮度来控制。

（2）除草末端执行器 依据杂草的类型设计末端执行器，用彩色摄像机获得彩色图像进行处理，并得到杂草的三维位置。除草末端执行器（见图6-54）是用直径为4cm的螺旋形切刀切除杂草，作业深度20～30mm，足以挖取草根。

摄像机的离地高度为460mm，视觉范围为325mm×244mm（X方向×Y方向），可以获得杂草的图像，通过进行二值化处理得到G值。但是由于杂草与作物的颜色相同，很难用彩色信息进行分辨。在有移栽作业的作物中，移栽前，杂草基本上被除草剂杀死；移栽后，杂草比作物小。基于这一点，可以采取下列方法进行辨别：

首先，相对于R和B值，获取较大的G值，也可以获得作物的二值化处理。如果二值化的值在水平或垂直方向小于8像素或大于80像素，就可以判断是干扰或是作物，其他就是杂草的信息。

也可以用立体摄像机获取杂草的三维位置，在原始图像的输入点处获得一个立体图像，在离原始图像水平方向50mm的位置再获得一个立体图像，这样就可以用同一个摄像机获得立体图像。

图6-53 移栽末端执行器

图6-54 除草末端执行器

在生菜地里进行杂草控制的实验，旋转切片的深度为20～30mm。采用人工和除草机器人进行对比：人工在移栽后，10天后就出现了杂草，并且每14天就要进行除草；而用机器人除草，杂草出现的概率大约是人工除草的6倍。

（3）收获末端执行器 叶菜包括大白菜等，种植密度高，收获困难，收获作业量占整个生长过程作业的60%。因此，需要研究省力的收获机械。

图6-55 叶菜收获末端执行器

叶菜收获末端执行器（见图6-55）包括收获部分和蔬菜把持部分，15W的直流电动机驱动4把收获刀和2个把持手指。这种机构适合在较软的地里作业。