機器人仿真技術在農產品加工上的應用探析

方小菊+黃永杰

摘要：【目的】探索機器人虛擬仿真技術在農產品加工中的應用。【方法】分析國內外農產品加工的技術現狀、機器人仿真技術的發展和機器人仿真技術在農產品加工上的應用情況。【結果】我國農業機器人研究與開發方面尚處于起步階段，與發達國家比較差距還很大；因為我國農產品種類繁多，加工過程復雜，機器人價格昂貴，導致機器人技術在農產品加工過程中的應用研究難以開展。【結論】機器人技術將會在農業生產中發揮著越來越重要的作用，機器人虛擬仿真技術在農產品加工中的應用將會成為機器人研究領域的新熱點。

關鍵詞：機器人；仿真技術；農產品加工；應用

中圖分類號：S127文獻標識碼：A文章編號：1003-4374（2017）02-0030-03

Abstract：【Objective】Explore the continuous development of robot research and the rapid development of robot technology.【Method】Analysis of the following factors：the processing technology status of domestic and foreign agricultural products， the development trend of robot simulation technology， and the application analysis on robot simulation technology in agricultural products processing.【Results】It is still in the infancy stage for research and development of agriculture robot simulation in our country， existing great gap compared with developed countries；application is hard to carry out of t robot simulation technology in agricultural products processing in China because of a wide range of agricultural products， complex of the process， expensive of the robot simulation【Conclusion】he robot simulation technology plays an increasingly important role in agricultural products processing，it has important implications for the development of robot technology and application in agriculture.

Key Words：robot；simulation technology；agricultural products processing；application analysis

機器人技術是綜合了計算機技術、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多門學科而形成的高新技術[1]，隨著科學技術的不斷進步和計算機技術的迅速發展，機器人技術也得到了很大程度的提高[2]。機器人作為一種自動化設備因其具有降低成本、提高產品質量、改善工作環境及提高生產效率等優點在各行各業中的應用越來越廣。但是在現實中，機器人的應用受著造價昂貴等因素的制約，機器人的應用與研究大大地受到限制，虛擬仿真技術的出現與發展給機器人的研究及應用帶來了新機遇。隨著機器人研究的不斷深入和機器人技術的飛速發展，機器人仿真技術作為機器人技術應用過程中既安全又經濟的試驗工具，發揮著越來越重要的作用[3]。利用機器人仿真技術來研究機器人技術在各行各業的應用，已成為機器人應用研究的方法之一。

接下來，本文從國內外農產品加工的技術現狀、機器人仿真技術的發展和機器人仿真技術在農產品加工上的應用三個方面進行了詳細的探究和分析。

1國內外農產品加工的技術現狀

1.1發達國家農產品加工技術先進

許多發達國家在農產品加工中應用了高新技術，比如生物工程技術、計算機圖象處理技術和擠壓成型技術等新技術[4]。其中，在美國，以農產品加工為基礎的食品加工業已成為各制造業中規模最大的行業，美國作為機器人的發源地，也是對農業機器人開發比較早的國家之一，該國的農產品加工業也在農業中占著舉足輕重的地位；日本是首先將農業機器人應用在果蔬采摘上的國家，它的產品加工業在世界上處于領先地位。而這些主要歸功于科技投入和先進加工技術的廣泛應用。

1.2我國農產品加工技術和設備相對落后

我國農產品加工業的技術水平和技術裝備由于受到科技水平較低、經濟投入較少和機械工業發展水平的制約，與國際先進水平相比較，還很落后[6]。目前，我國農產品加工業仍然處于農產品加工設備性能低、技術落后、生產效率不高的現狀，農產品加工技術設備遠遠落后于現在農產品加工業發展的實際需要，技術設備落后的現狀極大地限制了農產品加工業的發展[7]。

1.3我國農產品加工的發展方向

農業機械化水平是一個國家農業現代化水平的重要標志。我國的農業生產需要一步一步地邁進現代化農業，而這對農業自動化水平的要求越來越高。目前，農業設備正逐步向著自動化、無人化、智能化的方向邁進[8]。而提高農產品加工裝備和現代高新技術應用水平是發展我國農產品加工業及拓寬農產品開發利用的有效途徑。endprint

2機器人仿真技術的發展

2016年4月27日，工信部、國家發展和改革委員會、財政部聯合印發《機器人產業發展規劃（2016-2020年）》[9]。大力發展機器人產業，對于打造中國制造新優勢，加快制造強國建設和改善人民生活水平具有重要意義。機器人技術的快速發展和應用推廣能推動我國相關產業的發展，實現十三五期間的重大技術突破。所以，機器人技術迎來了深入研究和快速發展的春天，仿真技術作為機器人研究領域中的一個重要部分，也將處于快速發展的黃金時期。

2.1國內外機器人仿真技術的研究現狀

隨著科學技術和機器人技術的快速發展，近年來國內外已經出現一些功能齊全的、商品化的機器人仿真軟件。

經過三十幾年的發展歷程，目前國內外機器人仿真技術已經基本成熟，涌現了幾款功能齊全、應用效果良好的機器人仿真軟件，例如英國的SAMMIE軟件、美國的UOBSM軟件、ABB公司開發的Robot Studio仿真系統、以色列的ROBCAD以及國內的ROBSM機器人仿真系統等，這些機器人仿真軟件目前達到了廣泛應用的階段。

其中，Robot Studio機器人仿真軟件因其具有兼容常見格式的三維模型、編程簡單、自動生成路徑、碰撞檢測、仿真演示以及軟件的可開發性等優點而獲得了用戶的高度贊揚，它對掌握機器人技術的使用者來說，具有大量可用的工具，能較好的滿足用戶需要。目前它應用較為廣泛，在中國高端虛擬現實技術中領跑行業企業。這給機器人仿真技術在各行各業中的應用帶來了更多可能和機遇。

2.2機器人仿真技術的發展趨勢

現在，我國工業機器人迎來了歷史上難得的發展機遇[10]，機器人產業化發展已經上升到國家的戰略層面，國家正在大力培育機器人產業發展，并制定了推動智能制造技術與智能裝備發展的戰略目標。與此同時，隨著中國制造自動化、智能化水平的不斷提高，工業機器人向更智能更高深的方向發展，它的應用也已經從傳統制造業推廣到農業等非制造行業上[11]。作為機器人技術大背景下的機器人仿真技術隨著計算機技術和網絡技術的飛速發展，越來越受到重視[12]。近年來機器人仿真技術取得了豐碩的成果，無論在研究的深度和使用的廣度上，都有了巨大的發展。就近年來出現的仿真系統或軟件來說，目前主要的發展趨勢有：三維模型的環境更加逼真和完善；機器人仿真軟件正在逐步走向通用化；機器人仿真系統正在逐步走向完整化；虛擬樣機技術迅猛發展；更加重視和深化環境上的仿真；機器人仿真系統正在逐步走向商業化；機器人仿真系統正在逐步走向智能化；機器人仿真平臺正朝著信息化的方向發展；機器人仿真平臺正朝著綠色化的方向發展；機器人仿真平臺正朝著定制化的方向繼續發展；機器人仿真技術的應用范圍和領域越來越廣。

3.1機器人技術在我國農業上的應用現狀

與國外相比，我國農業機器人研究與開發尚處于起步階段，與發達國家比較差距還很大[13]。我國農業機器人起步較晚[14]，國內從20世紀90年代中期才開始農業機器人技術的研發。目前我國已開發出的農業機器人有：耕耘機器人、除草機器人、施肥機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、收割機器人、采摘機器人等。但與其它領域的機器人相比，農業機器人因為工作環境多變、工作對象特殊等因素導致機器人的工作任務具有極大的挑戰性。例如現在研發最熱門的果蔬采摘機器人，它雖然已經經過多年的發展，但目前尚處于試驗的階段，仍未能廣泛普及和商品化。

3.2機器人仿真技術應用在農產品加工上的可行性分析

經過企業的走訪調研和大量資料表明，我國因為農產品種類繁多，加工過程復雜，機器人價格昂貴，導致機器人技術在農產品加工過程中的應用研究難以開展。虛擬仿真技術作為機器人技術應用研究的排頭兵，為機器人技術應用于農產品加工提供了一種新途徑。例如鄒湘軍等人進行的虛擬環境下農業移動機器人行為及其仿真建模研究[1]、薛峰等人的六自由度農業采摘機器人驅動控制仿真研究[16]以及李璞等人進行的農業機器人運動軌跡控制仿真分析[17]等。這些都是機器人仿真技術應用在農業上的典型案例。機器人仿真技術應用在農產品加工上的基本過程是：先調研相關企業，分析特定農產品的加工過程特點，根據加工過程的虛擬仿真需要，研究虛擬機器人型號參數并分析性能特點；再利用三維軟件創建農產品、各種周邊裝置及相關零部件對象的三維實體模型，并完成裝配與組裝；最后利用機器人仿真軟件對機器人系統進行虛擬仿真，在機器人仿真系統里面，用戶可以根據實際需要創建單機或多臺機器人協同工作組成的工作站或生產線。

整個過程綜合運用了控制論、交互式計算機、機構學等技術，仿真軟件動畫演示機器人加工農產品的工作過程，使用者可以直接觀看機器人本體及工作環境的動態變化過程。同時，根據仿真機器人的運動軌跡，研究分析控制機器人移動的方法，反復修改運行程序，驗證機器人在運行過程中是否會與周邊設備發生碰撞，完成軌跡可行性的驗證。利用機器人仿真技術完成農產品的加工過程的模擬仿真，將降低試驗成本、縮短周期，避免不必要的返工。

3.3機器人仿真技術應用在農產品加工上的前景分析

雖然機器人仿真技術目前還只是處于農產品加工的初級應用階段，但隨著虛擬仿真技術在機器人領域的深入研究，它將作為機器人技術應用于農產品加工的有效途徑而持續快速的發展。專業的機器人仿真軟件具有功能較全、實時性高、真實性強、可以產生近似真實仿真畫面等優點，所以經過機器人仿真軟件的模擬得到的仿真試驗結果將為機器人技術在農產品加工工程的實際應用提供有效的參考依據。

隨著農業機械化、智能化水平的不斷提升，機器人技術將會在農業生產中發揮著越來越重要的作用，為了更好的推廣該技術，機器人虛擬仿真技術在農產品加工中的應用將會成為機器人研究領域的新熱點，這對于機器人技術在農產品加工上的實際應用和以后的普及推廣具有重要的意義。endprint