农业机器人第08章设施农业机器人.docx

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农业机器人第08章设施农业机器人

教案首页

课程名称农业机器人任课教师李玉柱

第8章设施农业机器人计划学时3

教学目的和要求：

1.了解蔬菜嫁接机器人的原理和方法；

2.了解菊花插枝机器人的原理和方法；

3.了解番茄、茄子、草莓收获机器人的原理和组成；

4.了解植物工厂中的机器人特点及组成。

重点：

1.了解几种设施农业机器人的原理和方法

2.了解植物工厂中的机器人。

难点：

思考题：

1.如何认识机器人技术是二十世纪的伟大发明？

2.结合对农业的认识，请思考一下，农业生产中还有哪些领域适合利用农业机器人进行作业。

设施农业运用现代工程技术和电子控制，应用新材料和新能源，组成现代化厂房设施和生产线，按照生物体生长发育规律，营造一个优良的环境，满足生物体对光、温、水、肥、气及营养物质的需求，使农业生产减少或完全摆脱不利的自然条件的影响，提高对农业生产的人为控制程度，达到，稳产高产、优质、高效的目的。

设施农业的主要特征表现在：

①工厂化生产；②科技含量高，技术高度集成，将农业生物技术、农业工程技术、农用工业技术、现代管理技术等多学科科技成果将应用于农业生产中；③持续性、高效性和商品化生产，前期资金投入大，进行优质高效的集约化农业生产；④社会化程度高，将产前、产中、产后连接配套。

第8章设施农业机器人

教学主要内容：

8.1蔬菜嫁接机器人

8.2菊花插枝剪切机器人

8.3番茄收获机器人

8.4黄瓜收获机器人

8.5茄子收获机器人

8.6草莓收获和拣选机器人

8.7植物工厂中的蔬菜生产机器人

本章主要介绍设施农业生产中的机器人，包括蔬菜嫁接机器人、茎叶切除机器人、收获机器人及植物工厂的蔬菜生产机器人。

8.1蔬菜嫁接机器人

嫁接（grafting）是把一种植物的身部和另外一种植物的根系结合在一起，形成一个新的植物，它利用了根部强壮植物的根系，提高了植物的抗病性、耐旱性，是进行品种繁育的一种有效措施。

根部植物称砧木（rootstock），身部植物为接穗（scion）。

由于嫁接工作细致而枯燥，技术熟练的工人在1-2分钟才能完成一件，而用嫁接机器人可在零点几秒的时间就可以完成一件，能大大提高嫁接速度。

8.1.1新开发的嫁接方法

（一）直插嫁接法

日本学者根据植物组织的特性，提出直接嫁接法（plugin）。

（图8.1）主要适用于茄科蔬菜的嫁接。

该方法是将接穗削成锥形，在砧木的内部钻成倒锥形，二者的锥形大小一致。

接穗加工[图8.2（a）]的方法是：

将接穗的上部固定在一个支架上，倾斜的切刀在电机的带动下从下端接近接穗底部，从外侧绕接穗旋转一周，将接穗削成锥形。

砧木加工[图8.2（b）]的方法是：

将砧木固定在工作台上，锥形的切刀在电机的带动下向下移动，接近砧木，从砧木的内部钻成倒锥形孔。

将加工好的接穗插入砧木中，完成嫁接。

（二）针式嫁接法

针式嫁接法（needle-embeddedgrafting）是日本蔬菜生产者开发的一种嫁接方法，适用于番茄、茄子、西瓜、黄瓜、甜瓜等果菜类蔬菜。

该方法采用断面为六角形、直径为0.5mm、长为1.5cm的针，将接穗和砧木连接起来。

针是由陶瓷制成，在植物体内不影响植物的生长。

作业工具包括双面刀片、针和插针器。

（图8.3）

1.葫芦科蔬菜的针式嫁接方法

葫芦科蔬菜在子叶期嫁接为宜。

由于砧木茎秆中间为空心，所以在采用这种方法时，将接穗在子叶下方5-8mm处水平切断，插上针，再将砧木的生长点和一片子叶水平切除，将接穗苗上的另一半针插到砧木上，即可完成嫁接（图3.4）

作业步骤为：

①取若干针装入插针器的尾部；②用刀片将接穗的根部切掉；③用插针器将针插入黄瓜接穗的茎秆中④用刀片将砧木的生长点和一片子叶切掉；⑤将针的另一半插入砧木中。

2.茄科蔬菜的针式嫁接方法

茄科蔬菜的嫁接苗稍微大一些，一般接穗为2.5片真叶左右，砧木为3-3.5片真叶。

将砧木和接穗在子叶和第一片真叶之间水平切断，用插针器将针的一半插入砧木中，然后将接穗插入针的另一半，使两个切面吻合。

（图8.5）

（三）磁力嫁接法

日本群马县园艺试验场采用连体营养钵育苗的方式，对幼苗进行成列嫁接，利用棒状胶体磁铁的柔软性和适度的吸力，研究开发出了“磁力嫁接法”，在黄瓜、番茄的嫁接上应用已获成功。

该方法首先将黄瓜和番茄的砧木播种与连体营养钵中，接穗播于育苗箱中。

黄瓜砧木与接穗子叶展平时进行嫁接，番茄砧木和接穗展开3片叶时嫁接。

嫁接时用一对胶体磁条夹嵌住接穗胚轴，沿底侧面切断带根系的胚轴[图8.6（a）]；用另一对胶体磁条夹嵌住砧木胚轴，沿上侧切断带子叶胚轴，去掉幼苗顶端[图8.6（b）]；然后将砧木与接穗的断面对齐，靠上、下磁条磁力压附在一起[图8.6（c）]；嫁接完毕后将连体营养钵送至缓苗装置中，促进愈合，成活后去掉磁条。

磁力嫁接法的成活率在90%以上。

8.1.2日本的蔬菜嫁接机器人

目前日本市场上的嫁接机器人均是全自动的，多所研究机构和大学参与研制。

（一）TGR嫁接机器人

TechnoGraftingResearchInc.（TGR）研制生产的嫁接机器人，是将整排的接穗嫁接到整排的砧木上，用瞬间结合剂将切口粘住。

作业顺序：

（a）夹板将整排接穗夹住，用切刀将根部除掉；（b）砧木苗已被预切机构将子叶提前切除，进行嫁接时用夹板将整排砧木夹住，用切刀将砧木茎再切一次，使切口为新鲜的，有利于伤口愈合；（c）将整排的接穗上部和砧木根部结合在一起；（d）在接口处喷结合剂将其固定，完成嫁接。

（二）BRAIN嫁接机器人

Bio-orientedTechnologyResearchAdvancementInstitution（BRAIN）研制开发的机器人（第2代），采用叶片剪切嫁接法（图8.8）。

将砧木斜切掉一片子叶和生长点，接穗斜切根部，保留发芽点，把砧木和接穗的斜切面接合起来，用专用的夹子夹住，完成嫁接作业。

BRAIN嫁接机器人（图8.8）包括2个供苗盘、2个L形手爪、2个切削部位和1个供夹圆盘。

供苗盘分别供应砧木苗和接穗苗，当砧木和接穗秧苗被圆盘送到持苗部时，两个L形手爪分别抓去秧苗，将其送到切削部位。

砧木剪切部（图8.9）上安装有向斜上方旋转的剪切刀片，将砧木的一片子叶和生长点切掉，其断面为斜向上的斜面。

接穗剪切部安装有向斜下方旋转的剪切刀片，将接穗的根部切掉，其断面是斜向下的斜面。

砧木和接穗的切断面均是与苗身方向成10°，两个斜面吻合。

L形手爪将切削后的秧苗送到接合部（图8.10），两个断面接合，供夹圆盘供出夹子，将接合面夹住，完成嫁接作业。

8.1.3我国的2JSZ-600型蔬菜嫁接机器人

中国农业大学研制的2JSZ-600型蔬菜嫁接机器人，该机器人利用计算机控制，实现了砧木、接穗的取苗、切苗、接合、固定、排苗等嫁接过程的自动化。

（一）切削机构

（一）切削机构

（二）机械手和末端执行器

8.2菊花插枝剪切机器人

菊花是日本的国花，市场需求量大。

8.2.1菊花插枝准备系统

8.2.2菊花插枝识别装置

8.2.3菊花插枝去叶机构

8.2.4菊花插枝移植机构

（一）搬运机械手的设计

（二）秧苗把持机构

8.3番茄收获机器人

番茄是人们常见的蔬菜，其果实呈红色，与绿色的背景相差大，用彩色摄像机就可以将其辨认。

8.3.1栽培方式

设施农业中的番茄通常种植在垄上，番茄呈垂直生长，果实暴露在外侧，有部分叶子的遮挡。

传统栽培和高架栽培的番茄果实与果梗的连接方式不同，传统栽培中在果梗处有结点，通过折断或强拉力都可使果实脱落。

8.3.2龙门式五自由度番茄收获机器人

（一）机械手和末端执行器

8.3.3七自由度番茄收获机器人

（一）机械手

将五自由度关节型机械手安装在上下、前后能够移动的直动关节座上，形成七自由度机械手。

（二）末端执行器

（三）3D视觉传感器

8.3.4日本京都大学研制的番茄收获机器人

（一）末端执行器

（二）收获作业

8.4黄瓜收获机器人和等级自动判别

8.4.1栽培方式

传统栽培方式中，将黄瓜用细绳牵引向上生长，果实与茎秆混在一起，不利于人工或机器人收获，因此，倾斜格子要有一个十一的角度。

8.4.2倾斜格子架栽培黄瓜收获机器人

（一）机械手

（二）末端执行器

（三）视觉系统

由于黄瓜果实与茎叶的颜色很相似，该机器人采用远红外传感器检测黄瓜的距离，并用黄瓜与茎叶不同的反射波长进行检测。

（四）作业流程

8.3.3荷兰黄瓜收获机器人

8.3.4黄瓜等级的判别

为了提高黄瓜的商品价值，有必要对黄瓜进行分级。

8.5茄子收获机器人

日本研制的茄子收获机器人系统由机械手、末端执行器、摄像机、计算机和控制系统组成。

8.5.1茄子的栽培方式和特性

8.5.2机械手

8.5.3茄子收获流程

8.6草莓收获机器人

8.6.1栽培方式

传统的问世栽培草莓是将草莓种植在盖有地膜的垄上，为了便于收获，在草莓移栽的时候，将秧苗中带有花蒂的地方朝向垄沟，这样果实就都朝向垄沟方向。

8.6.2露地生长草莓收获机器人

8.6.3高架栽培草莓收获机器人

8.6.4草莓拣选机器人

（一）草莓的拣选原理

（二）草莓形状特征的提取

8.7植物工厂中的蔬菜生产机器人

科学技术的进步使蔬菜也能像工业产品一样，从植物工厂中生产出来，蔬菜工厂化生产是值蔬菜从种子进入，进入一系列的“工序”，最终生产出来满足人民生活需求的蔬菜。

蔬菜工厂化系统的设备包括加热装置、空调装置、照明装置、控制室、机械室等，主要控制工厂内的环境。

蔬菜处理设备主要包括秧苗培育设施、发芽设施、育苗设施、间苗机器人、收获机和包装机。

工厂化蔬菜的生长过程为：

蔬菜种子首先经过种子处理装置进行消毒、涂药、包衣等工序，进入催芽装置、发芽。

待蔬菜芽长到一定成熟度时，需要进行移栽。

经过几次分苗后，蔬菜定植，进入成菜池。

几周以后，蔬菜成熟，收获机器人收获，经过包装出厂，进入市场。

8.7.1育苗机器人系统

温室内蔬菜的育苗通常采用人工进行，人工必须在高温、高湿的恶劣条件下进行工作，劳动强度大，目前已开发出来了穴盘播种机器人。

（一）鼓式真空播种机

播种机系统包括营养土的填充，穴盘的扫平、打孔、播种、灌水、覆土和镇压等工序。

采用真空吸管吸取种子，适合128穴盘和72穴盘、播种速度为340盘/小时，播种精度为100%。

（二）软盘播种机

软盘播种机包括软质穴盘排盘系统、播种系统和软质穴盘积盘系统3个组成部分。

1.软盘排盘系统

软盘排盘系统包括一对夹爪、升降机构和平移机构。

穴盘放置处一次可放置200个穴盘，一对夹爪伸出来取出单个穴盘，通过升降机构上升，通过平移机构将穴盘移动到输送带的上方，夹爪缩回，穴盘落入输送带上，完成排盘作业机构回位，夹持下一个穴盘。

2.播种系统与其他的播种系统相同。

3.软盘积盘系统

穴盘播种完成后，可将每5盘或15盘堆积起来，以方便运输。

软盘积盘系统包括输送带、穴盘停止固定机构、升举机构、伸缩爪和控制系统。

作业过程是：

播种机播种好的穴盘进入输送带，输送到固定机构时，穴盘停止；升举机构将软盘升起，左右伸缩爪伸出插入穴盘底部，将软盘托在空中；第二盘依上述动作，将第一盘叠放在第二盘上方；第三盘以同样的动作堆起，直至达到设定的盘数，升举机构下降，将堆积的穴盘降落在输送带上后送出。

（三）秧苗灌溉、施肥和喷药装置

植物工厂内的蔬菜在灌溉、施肥和喷药时，可惜借助植物工厂的钢架结构，通常采用单轨或双轨自走式喷杆系统进行作业。

自走式喷杆系统包括：

①喷杆与喷头，喷杆长度比设施宽度稍小，可作为喷头及输水软管的支撑固定，也可兼做输水管路。

②轨道与行走架，喷杆和喷头固定在行走架上，行走架在轨道上行走。

轨道有单轨悬吊式和双轨承载式。

③动力与传动机构，动力为电动机，有减速和控诉机构。

④输水管等设备，包括各种接头、水桶、高压泵等、⑤电气控制系统，包括感应器、线路和控制箱等。

感应器用于检测喷杆的行走位置，线路是指信号输送线或电源线，控制箱包括各种开关、继电器、信号灯、定时器、电路板、PLC等。

（四）缺苗、不良苗检测和剔除装置

通过用传感器检测出苗的有无或大小，进行缺苗或不良苗的判断，用切刀和吸管将其切除和吸走。

8.7.2移栽机器人

在蔬菜工厂化生产中，蔬菜采用营养液进行生产，蔬菜种子经催芽后，有人工将种子种植在特制的长方体海绵内，待长出2片叶子后，将海绵移栽到较密的泡沫板上，长到4-5片叶子时，再从密的泡沫板上移栽到疏板上，直至收获，一般蔬菜的整个生长期需要移栽3-5次，工作量非常大。

所以需大量应用移栽机器人。

8.7.3收获机器人

根据蔬菜苗床的宽带，设置了龙门式收获装置该装置主要包括切刀，输送带和龙门架。

龙门架沿垄沟行走时，切刀做往复运动，将蔬菜切下，蔬菜沿输送带送到一侧。

或采用蔬菜搬运机器人将蔬菜搬到另一个地方。

8.7.4蔬菜根叶预处理机构

蔬菜收获后，需要对其进行处理，除去枯叶、老叶和根部。

根叶预处理机构包括供给搬送、切根和残叶处理、搬出三部分。

蔬菜的供给和搬出采用输送带，人工将蔬菜按一定的间隔放置在输送带上，并将处理后的蔬菜进行包装。

思考题：

1.如何认识机器人技术是二十世纪的伟大发明？

2.结合对农业的认识，请思考一下，农业生产中还有哪些领域适合利用农业机器人进行作业。