果蔬的無損抓取和采摘

據(jù)《農(nóng)業(yè)工程學報》2010年3 月報道，在我國，果蔬采摘作業(yè)是果蔬生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)，抓取和采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品的后續(xù)加工和儲存。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)機器人采摘成功率低，損傷率高，主要原因是末端執(zhí)行器抓持果蔬的力過大或過小，導(dǎo)致果蔬抓傷或脫落。果蔬在抓取過程中會發(fā)生變形，采摘中應(yīng)考慮果蔬變形對末端執(zhí)行器夾持力的影響。在抓取果蔬的過程中應(yīng)實時預(yù)測果蔬的抓持力大小，采用灰色預(yù)測增量式PI力控制算法，可以使末端執(zhí)行器和果蔬間的抓持力快速低超調(diào)地跟蹤設(shè)定力，從而減小果蔬抓取損傷。

此研究報告刊登于《農(nóng)業(yè)工程學報》2010年第3期，題為“基于灰色預(yù)測控制的果蔬抓取系統(tǒng)設(shè)計與試驗”，第一作者為南京農(nóng)業(yè)大學王學林博士。

由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘作業(yè)季節(jié)性強、勞動強度大、費用高，費用約占成本的50%～70%，采摘自動化程度仍然很低，國內(nèi)果蔬采摘基本上都是人工進行。隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高，這樣會大大降低產(chǎn)品的市場競爭力。在日本和歐美等發(fā)達國家，近20年來一直致力于采摘機器人的研究和開發(fā)，而末端執(zhí)行器抓取果蔬的控制策略是農(nóng)業(yè)機器人末端執(zhí)行器研究的重點。

論文中采用了灰色預(yù)測控制，灰色預(yù)測最明顯的優(yōu)點就是只需要少數(shù)幾個數(shù)據(jù)就可以建立一個灰色模型，不像傳統(tǒng)預(yù)測方法那樣要求相當多的數(shù)據(jù)和很好的分布特性，灰色預(yù)測最少只需要4個數(shù)據(jù)，因而灰色預(yù)測方法可用于實時控制中。論文提出一種灰色預(yù)測增量式PI力控制算法，通過采集果蔬受到的抓持力建立灰色預(yù)測模型，將實際力偏差和預(yù)測力偏差按某個權(quán)值結(jié)合起來形成綜合力偏差，當預(yù)測模型精度較高或較低時，相應(yīng)地加大或減小預(yù)測力偏差在綜合力偏差中的權(quán)值，使控制器對末端執(zhí)行器和果蔬之間的動態(tài)抓持過程具有適應(yīng)性。灰色預(yù)測增量PI力控制算法把力控制變成末端執(zhí)行器的變速度控制，采用灰色預(yù)測的目的是可以提前預(yù)測果蔬受到的抓持力，根據(jù)預(yù)測力和當前實際力提前作出決策，使力控制器可以利用過去、當前和未來的果蔬抓持力信息來計算合適的控制校正量對抓持力偏差進行預(yù)補償，控制器可以獲得超調(diào)量小和響應(yīng)快速的特點。

果蔬的無損抓取和采摘控制是當前農(nóng)業(yè)機器人領(lǐng)域的熱點和難點問題，該論文提出的控制方法既有較深的理論價值，也有很強的工程應(yīng)用效果，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。