农业机器人第08章设施农业机器人Word格式文档下载.docx

1、 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； 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； 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（grafti

2、ng）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（plug in）。（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

3、：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-embedded grafting）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。（

4、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：取若干针装入插针器的尾部；用刀片将接穗的根部切掉；用插针器将针插入黄瓜接穗的茎秆中用刀片将砧木的生长点和一片子叶切掉；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

5、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

6、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Techno Grafting Research Inc. （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

7、固定，完成嫁接。（二）BRAIN嫁接机器人Bio-oriented Technology Research Advancement Institution （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

8、，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（二）机械手和末端执行器菊花是日本的国花，市场需求量大。8.2.1 菊花插枝准备系统8.2.2 菊

9、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。

10、（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（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。 日本研制的茄子收获机器人系统

11、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。

12、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

13、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

14、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： 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。 轨道与行走架，喷

15、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。 动力与传动机构，动力为电动机，有减速和控诉机构。 输水管等设备，包括各种接头、水桶、高压泵等、 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

16、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。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。