工作环境。
关键词：仿生机器人;机电系统;仿生学
1 研究背景
近年来农业劳动力特别是青壮年劳动力也迅速向其他行业转移，农忙季节广大农村开始出现劳力荒，农村留守老人、妇女的劳动强度大大增加，生产效率明显降低。政府的大量政策在增加农民收入，但最终并未能达到理想效果。解决农业劳动力不足问题，一方面需要使青少年树立正确价值观，让一定数量的年轻生产力参与其中，另一方面，也是更为重要的一方面，要改善农民作业能力，促进机械化农作。目前，Stephen Nuske等[1]设计了一种可以通过行走预测葡萄产量的装置。Yaguchi H等[2]设计了一种简易的轨道式番茄采摘机器人样机。郭素娜等[3]基于GPS设计了一款葡萄采摘机器人。刘碧贞等[4]设计了一款基于北斗定位的谷物收割机，可以对收割机行走路线进行测绘，以及数据的传输及调度等。分析发现，上述研究侧重点在于对工程机械的控制且采摘机械手多为两爪式，容易对果实造成伤害。基于此，我们设计了一种基于开花睡莲自然现象的仿生机器人，该机器人依赖于各种传感器，控制系统，复杂环境中的自动和障碍物运动，回避障碍等功能。同时，北斗系统将帮助机器人产生定位和轨迹。该机器人可用于农业部门采摘水果和西红柿。
2 系统结构设计
（1）机械结构。仿生机械爪是采摘过程中最重要的部件，水果的抓取收获依靠其完成。基于自然界睡莲开放和闭合现象，设计了一种如睡莲花瓣开放的机械爪，结构如图2所示，该机械爪可以将果实包罗其中，机械爪内壁附有硅胶保护层，避免传统手指式机械爪对球状果实表面受力不均造成的损伤。机械爪结构如图1所示。
（2）智能避障系统。当机器人采摘果实时遇到障碍物，因为信息是时刻变化的，所以需要把全局轨迹规划和局部轨迹规划相结合; 超声波传感器监测机器人前部的障碍物，同时考虑概率障碍。同时根据速度判断是否会发生碰撞，以期调用相关算法对路径进行规划，达到自动避开前方障碍物的目的。系統结构设计图如图2所示。
（3）图像识别及三维定位技术。图像识别：一个目标物体中总存在着其独特的像素点，这些点我们可以认为就是这个目标物体的特征，成为特征点。而我们可以用一些算法将目标的目标特性提取出来从而实现目标识别。本产品采用的是核滤波算法和FAST算法来提取目标特性，核滤波算法可以对目标进行卷积从而对其目标进行加权平均操作，使目标和周围环境有更高的对比度。单目立体视觉三维定位是由单目机器视觉和TOF光学测距模块共同组成。单目机器视觉：通过FAST算法进行特征提取，将提取到的特征点与预留的目标特征点相对比从而识别目标物体，识别完成后会自动追踪视野内最大的目标物体，然后操纵机械臂将带动单目视觉处理器将目标移至视野中间。TOF光学测距模块：TOF光学测距模块通过光发射回芯片的时间来计算距离，TOF测距的视野非常窄，相比于红外光测距更精确。机械臂将目标移至中间后会启动测距将机械臂与目标之间的距离计算出来，从而达到对目标的三维测量。
3 工作过程
机器人搭载Openmv视觉识别系统，可以对图像进行识别，当机器人识别到果实后会自动追踪，当果实进入采摘范围内，机器人自动停止，同时机械臂配合机械爪对果实进行采摘，将采摘后的部分果实送到车后拖带的收集箱内，循环往复，北斗定位实时监测机器人位置。
4 结语
本文集成了许多先进技术，最初实现了预期目标。机器人机械爪通过睡莲仿生状设计，能避免在抓取脆性及柔软的果实时发生打滑以及表面损伤现象。同时，配备机器人的北斗定位系统可用于实时定位和远程监控。配备超声波和示踪传感器，可避免智能障碍物，示踪跟踪和超声波跟踪。
参考文献：
[1]Nuske，Stephen，Achar，Supreeth，Bates，Terry，Narasimhan， Srinivasa，Singh，Sanjiv.Yield estimation in vineyards by visual grape detection[P].Intelligent Robots and Systems （IROS），2011 IEEE/RSJ International Conference on，2011.
[2]Yaguchi H，Nagahama K，Hasegawa T，et al.Development of an autonomous tomato harvesting robot with rotational plucking gripper[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots & Systems.IEEE，2016.
[3]郭素娜，张丽，刘志刚.一种高精度自主导航定位的葡萄采摘机器人设计[J].农机化研究，2016，38（07）：20-24.
[4]刘碧贞，黄华，祝诗平，向必万.基于北斗/GPS的谷物收割机作业综合管理系统[J].农业工程学报，2015，31（10）：204-210.
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