论文部分内容阅读
摘要：【目的】探索机器人虚拟仿真技术在农产品加工中的应用。【方法】分析国内外农产品加工的技术现状、机器人仿真技术的发展和机器人仿真技术在农产品加工上的应用情况。【结果】我国农业机器人研究与开发方面尚处于起步阶段，与发达国家比较差距还很大；因为我国农产品种类繁多，加工过程复杂，机器人价格昂贵，导致机器人技术在农产品加工过程中的应用研究难以开展。【结论】机器人技术将会在农业生产中发挥着越来越重要的作用，机器人虚拟仿真技术在农产品加工中的应用将会成为机器人研究领域的新热点。
关鍵词：机器人；仿真技术；农产品加工；应用
中图分类号：S127文献标识码：A文章编号：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
机器人技术是综合了计算机技术、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术[1]，随着科学技术的不断进步和计算机技术的迅速发展，机器人技术也得到了很大程度的提高[2]。机器人作为一种自动化设备因其具有降低成本、提高产品质量、改善工作环境及提高生产效率等优点在各行各业中的应用越来越广。但是在现实中，机器人的应用受着造价昂贵等因素的制约，机器人的应用与研究大大地受到限制，虚拟仿真技术的出现与发展给机器人的研究及应用带来了新机遇。随着机器人研究的不断深入和机器人技术的飞速发展，机器人仿真技术作为机器人技术应用过程中既安全又经济的试验工具，发挥着越来越重要的作用[3]。利用机器人仿真技术来研究机器人技术在各行各业的应用，已成为机器人应用研究的方法之一。
接下来，本文从国内外农产品加工的技术现状、机器人仿真技术的发展和机器人仿真技术在农产品加工上的应用三个方面进行了详细的探究和分析。
1国内外农产品加工的技术现状
1.1发达国家农产品加工技术先进
许多发达国家在农产品加工中应用了高新技术，比如生物工程技术、计算机图象处理技术和挤压成型技术等新技术[4]。其中，在美国，以农产品加工为基础的食品加工业已成为各制造业中规模最大的行业，美国作为机器人的发源地，也是对农业机器人开发比较早的国家之一，该国的农产品加工业也在农业中占着举足轻重的地位；日本是首先将农业机器人应用在果蔬采摘上的国家，它的产品加工业在世界上处于领先地位。而这些主要归功于科技投入和先进加工技术的广泛应用。
1.2我国农产品加工技术和设备相对落后
我国农产品加工业的技术水平和技术装备由于受到科技水平较低、经济投入较少和机械工业发展水平的制约，与国际先进水平相比较，还很落后[6]。目前，我国农产品加工业仍然处于农产品加工设备性能低、技术落后、生产效率不高的现状，农产品加工技术设备远远落后于现在农产品加工业发展的实际需要，技术设备落后的现状极大地限制了农产品加工业的发展[7]。
1.3我国农产品加工的发展方向
农业机械化水平是一个国家农业现代化水平的重要标志。我国的农业生产需要一步一步地迈进现代化农业，而这对农业自动化水平的要求越来越高。目前，农业设备正逐步向着自动化、无人化、智能化的方向迈进[8]。而提高农产品加工装备和现代高新技术应用水平是发展我国农产品加工业及拓宽农产品开发利用的有效途径。 2机器人仿真技术的发展
2016年4月27日，工信部、国家发展和改革委员会、财政部联合印发《机器人产业发展规划（2016-2020年）》[9]。大力发展机器人产业，对于打造中国制造新优势，加快制造强国建设和改善人民生活水平具有重要意义。机器人技术的快速发展和应用推广能推动我国相关产业的发展，实现十三五期间的重大技术突破。所以，机器人技术迎来了深入研究和快速发展的春天，仿真技术作为机器人研究领域中的一个重要部分，也将处于快速发展的黄金时期。
2.1国内外机器人仿真技术的研究现状
随着科学技术和机器人技术的快速发展，近年来国内外已经出现一些功能齐全的、商品化的机器人仿真软件。
经过三十几年的发展历程，目前国内外机器人仿真技术已经基本成熟，涌现了几款功能齐全、应用效果良好的机器人仿真软件，例如英国的SAMMIE软件、美国的UOBSM软件、ABB公司开发的Robot Studio仿真系统、以色列的ROBCAD以及国内的ROBSM机器人仿真系统等，这些机器人仿真软件目前达到了广泛应用的阶段。
其中，Robot Studio机器人仿真软件因其具有兼容常见格式的三维模型、编程简单、自动生成路径、碰撞检测、仿真演示以及软件的可开发性等优点而获得了用户的高度赞扬，它对掌握机器人技术的使用者来说，具有大量可用的工具，能较好的满足用户需要。目前它应用较为广泛，在中国高端虚拟现实技术中领跑行业企业。这给机器人仿真技术在各行各业中的应用帶来了更多可能和机遇。
2.2机器人仿真技术的发展趋势
现在，我国工业机器人迎来了历史上难得的发展机遇[10]，机器人产业化发展已经上升到国家的战略层面，国家正在大力培育机器人产业发展，并制定了推动智能制造技术与智能装备发展的战略目标。与此同时，随着中国制造自动化、智能化水平的不断提高，工业机器人向更智能更高深的方向发展，它的应用也已经从传统制造业推广到农业等非制造行业上[11]。作为机器人技术大背景下的机器人仿真技术随着计算机技术和网络技术的飞速发展，越来越受到重视[12]。近年来机器人仿真技术取得了丰硕的成果，无论在研究的深度和使用的广度上，都有了巨大的发展。就近年来出现的仿真系统或软件来说，目前主要的发展趋势有：三维模型的环境更加逼真和完善；机器人仿真软件正在逐步走向通用化；机器人仿真系统正在逐步走向完整化；虚拟样机技术迅猛发展；更加重视和深化环境上的仿真；机器人仿真系统正在逐步走向商业化；机器人仿真系统正在逐步走向智能化；机器人仿真平台正朝着信息化的方向发展；机器人仿真平台正朝着绿色化的方向发展；机器人仿真平台正朝着定制化的方向继续发展；机器人仿真技术的应用范围和领域越来越广。
3.1机器人技术在我国农业上的应用现状
与国外相比，我国农业机器人研究与开发尚处于起步阶段，与发达国家比较差距还很大[13]。我国农业机器人起步较晚[14]，国内从20世纪90年代中期才开始农业机器人技术的研发。目前我国已开发出的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。但与其它领域的机器人相比，农业机器人因为工作环境多变、工作对象特殊等因素导致机器人的工作任务具有极大的挑战性。例如现在研发最热门的果蔬采摘机器人，它虽然已经经过多年的发展，但目前尚处于试验的阶段，仍未能广泛普及和商品化。
3.2机器人仿真技术应用在农产品加工上的可行性分析
经过企业的走访调研和大量资料表明，我国因为农产品种类繁多，加工过程复杂，机器人价格昂贵，导致机器人技术在农产品加工过程中的应用研究难以开展。虚拟仿真技术作为机器人技术应用研究的排头兵，为机器人技术应用于农产品加工提供了一种新途径。例如邹湘军等人进行的虚拟环境下农业移动机器人行为及其仿真建模研究[1]、薛峰等人的六自由度农业采摘机器人驱动控制仿真研究[16]以及李璞等人进行的农业机器人运动轨迹控制仿真分析[17]等。这些都是机器人仿真技术应用在农业上的典型案例。机器人仿真技术应用在农产品加工上的基本过程是：先调研相关企业，分析特定农产品的加工过程特点，根据加工过程的虚拟仿真需要，研究虚拟机器人型号参数并分析性能特点；再利用三维软件创建农产品、各种周边装置及相关零部件对象的三维实体模型，并完成装配与组装；最后利用机器人仿真软件对机器人系统进行虚拟仿真，在机器人仿真系统里面，用户可以根据实际需要创建单机或多台机器人协同工作组成的工作站或生产线。
整个过程综合运用了控制论、交互式计算机、机构学等技术，仿真软件动画演示机器人加工农产品的工作过程，使用者可以直接观看机器人本体及工作环境的动态变化过程。同时，根据仿真机器人的运动轨迹，研究分析控制机器人移动的方法，反复修改运行程序，验证机器人在运行过程中是否会与周边设备发生碰撞，完成轨迹可行性的验证。利用机器人仿真技术完成农产品的加工过程的模拟仿真，将降低试验成本、缩短周期，避免不必要的返工。
3.3机器人仿真技术应用在农产品加工上的前景分析
虽然机器人仿真技术目前还只是处于农产品加工的初级应用阶段，但随着虚拟仿真技术在机器人领域的深入研究，它将作为机器人技术应用于农产品加工的有效途径而持续快速的发展。专业的机器人仿真软件具有功能较全、实时性高、真实性强、可以产生近似真实仿真画面等优点，所以经过机器人仿真软件的模拟得到的仿真试验结果将为机器人技术在农产品加工工程的实际应用提供有效的参考依据。
随着农业机械化、智能化水平的不断提升，机器人技术将会在农业生产中发挥着越来越重要的作用，为了更好的推广该技术，机器人虚拟仿真技术在农产品加工中的应用将会成为机器人研究领域的新热点，这对于机器人技术在农产品加工上的实际应用和以后的普及推广具有重要的意义。 参考文献：
[1]汤晓华.工业机器人应用技术[M].北京：高等教育出版社，201：1.
[2]邓广福，王效，刘鹏.机器人技术的国内外发展现状探究.装备制造技术，201，（4）：237-238.
[3]衣勇，宋雪萍.机器人仿真研究的现状与发展趋势.机械工程师，2009，（7）：63-6.
[4]张英，徐建华，朴红梅，李万良.我国农产品加工业的现状存在问题及发展对策.农产品加工（学刊），2008，11（10）：62-64.
姬江涛.农业机器人的发展现状及趋势.农机化研究，2014，（02）：1-4.
[6]佟玲，李成華.我国农产品加工业的现状及发展趋势.农机化研究，201，（0）：11-1.
[7]田恒增.我国农产品加工业的现状.粮油加工与食品机械，2012，（04）：1-13.
[8]陈疆，师帅兵，侯俊才，徐杰.我国数字农业与农业机械的发展.农机化研究，200，（3）：21-23.
[9]中国智能制造网.人工智能60周年机器人走智能化路线[EB/OL].[2016-0-0].http：//www.gkzhan.com/news/detail/86989.html.
[10][KG（0.1mm]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略.机械工程学报，2014，0（9）：1-9.
[11]沈绪明，董鹏.我国机器人发展现状、需求及产业化探讨.物流技术，2012，（22）：68-71.
[12]李连中，翟敬梅，何海洋.机器人虚拟仿真及远程控制系统的研究及实现.计算机工程与应用，2016，2（13）：238-242.
[13]易中懿，胡志超.农业机器人概况与发展.江苏农业科学，2010，（2）：390-393.
[14]中国机器人网.农业机器人五大国现状及发展趋势分析[EB/OL].[2016-09-23].http：//www.robot-china.com/news/201609/23/36118.html.
[1]邹湘军，等.虚拟环境下农业移动机器人行为及其仿真建模.系统仿真学报，2006，（S2）：1-3.
[16]薛峰，陈帝伊，马孝义.六自由度农业采摘机器人驱动控制仿真研究.农机化研究，2010，（07）：9-64.
[17]李璞，冯博.农业机器人运动轨迹控制仿真分析—基于遗传算法优化和RBF网络逼近.农机化研究，2016，（12）：46-0.
关鍵词：机器人；仿真技术；农产品加工；应用
中图分类号：S127文献标识码：A文章编号：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
机器人技术是综合了计算机技术、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多门学科而形成的高新技术[1]，随着科学技术的不断进步和计算机技术的迅速发展，机器人技术也得到了很大程度的提高[2]。机器人作为一种自动化设备因其具有降低成本、提高产品质量、改善工作环境及提高生产效率等优点在各行各业中的应用越来越广。但是在现实中，机器人的应用受着造价昂贵等因素的制约，机器人的应用与研究大大地受到限制，虚拟仿真技术的出现与发展给机器人的研究及应用带来了新机遇。随着机器人研究的不断深入和机器人技术的飞速发展，机器人仿真技术作为机器人技术应用过程中既安全又经济的试验工具，发挥着越来越重要的作用[3]。利用机器人仿真技术来研究机器人技术在各行各业的应用，已成为机器人应用研究的方法之一。
接下来，本文从国内外农产品加工的技术现状、机器人仿真技术的发展和机器人仿真技术在农产品加工上的应用三个方面进行了详细的探究和分析。
1国内外农产品加工的技术现状
1.1发达国家农产品加工技术先进
许多发达国家在农产品加工中应用了高新技术，比如生物工程技术、计算机图象处理技术和挤压成型技术等新技术[4]。其中，在美国，以农产品加工为基础的食品加工业已成为各制造业中规模最大的行业，美国作为机器人的发源地，也是对农业机器人开发比较早的国家之一，该国的农产品加工业也在农业中占着举足轻重的地位；日本是首先将农业机器人应用在果蔬采摘上的国家，它的产品加工业在世界上处于领先地位。而这些主要归功于科技投入和先进加工技术的广泛应用。
1.2我国农产品加工技术和设备相对落后
我国农产品加工业的技术水平和技术装备由于受到科技水平较低、经济投入较少和机械工业发展水平的制约，与国际先进水平相比较，还很落后[6]。目前，我国农产品加工业仍然处于农产品加工设备性能低、技术落后、生产效率不高的现状，农产品加工技术设备远远落后于现在农产品加工业发展的实际需要，技术设备落后的现状极大地限制了农产品加工业的发展[7]。
1.3我国农产品加工的发展方向
农业机械化水平是一个国家农业现代化水平的重要标志。我国的农业生产需要一步一步地迈进现代化农业，而这对农业自动化水平的要求越来越高。目前，农业设备正逐步向着自动化、无人化、智能化的方向迈进[8]。而提高农产品加工装备和现代高新技术应用水平是发展我国农产品加工业及拓宽农产品开发利用的有效途径。 2机器人仿真技术的发展
2016年4月27日，工信部、国家发展和改革委员会、财政部联合印发《机器人产业发展规划（2016-2020年）》[9]。大力发展机器人产业，对于打造中国制造新优势，加快制造强国建设和改善人民生活水平具有重要意义。机器人技术的快速发展和应用推广能推动我国相关产业的发展，实现十三五期间的重大技术突破。所以，机器人技术迎来了深入研究和快速发展的春天，仿真技术作为机器人研究领域中的一个重要部分，也将处于快速发展的黄金时期。
2.1国内外机器人仿真技术的研究现状
随着科学技术和机器人技术的快速发展，近年来国内外已经出现一些功能齐全的、商品化的机器人仿真软件。
经过三十几年的发展历程，目前国内外机器人仿真技术已经基本成熟，涌现了几款功能齐全、应用效果良好的机器人仿真软件，例如英国的SAMMIE软件、美国的UOBSM软件、ABB公司开发的Robot Studio仿真系统、以色列的ROBCAD以及国内的ROBSM机器人仿真系统等，这些机器人仿真软件目前达到了广泛应用的阶段。
其中，Robot Studio机器人仿真软件因其具有兼容常见格式的三维模型、编程简单、自动生成路径、碰撞检测、仿真演示以及软件的可开发性等优点而获得了用户的高度赞扬，它对掌握机器人技术的使用者来说，具有大量可用的工具，能较好的满足用户需要。目前它应用较为广泛，在中国高端虚拟现实技术中领跑行业企业。这给机器人仿真技术在各行各业中的应用帶来了更多可能和机遇。
2.2机器人仿真技术的发展趋势
现在，我国工业机器人迎来了历史上难得的发展机遇[10]，机器人产业化发展已经上升到国家的战略层面，国家正在大力培育机器人产业发展，并制定了推动智能制造技术与智能装备发展的战略目标。与此同时，随着中国制造自动化、智能化水平的不断提高，工业机器人向更智能更高深的方向发展，它的应用也已经从传统制造业推广到农业等非制造行业上[11]。作为机器人技术大背景下的机器人仿真技术随着计算机技术和网络技术的飞速发展，越来越受到重视[12]。近年来机器人仿真技术取得了丰硕的成果，无论在研究的深度和使用的广度上，都有了巨大的发展。就近年来出现的仿真系统或软件来说，目前主要的发展趋势有：三维模型的环境更加逼真和完善；机器人仿真软件正在逐步走向通用化；机器人仿真系统正在逐步走向完整化；虚拟样机技术迅猛发展；更加重视和深化环境上的仿真；机器人仿真系统正在逐步走向商业化；机器人仿真系统正在逐步走向智能化；机器人仿真平台正朝着信息化的方向发展；机器人仿真平台正朝着绿色化的方向发展；机器人仿真平台正朝着定制化的方向继续发展；机器人仿真技术的应用范围和领域越来越广。
3.1机器人技术在我国农业上的应用现状
与国外相比，我国农业机器人研究与开发尚处于起步阶段，与发达国家比较差距还很大[13]。我国农业机器人起步较晚[14]，国内从20世纪90年代中期才开始农业机器人技术的研发。目前我国已开发出的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。但与其它领域的机器人相比，农业机器人因为工作环境多变、工作对象特殊等因素导致机器人的工作任务具有极大的挑战性。例如现在研发最热门的果蔬采摘机器人，它虽然已经经过多年的发展，但目前尚处于试验的阶段，仍未能广泛普及和商品化。
3.2机器人仿真技术应用在农产品加工上的可行性分析
经过企业的走访调研和大量资料表明，我国因为农产品种类繁多，加工过程复杂，机器人价格昂贵，导致机器人技术在农产品加工过程中的应用研究难以开展。虚拟仿真技术作为机器人技术应用研究的排头兵，为机器人技术应用于农产品加工提供了一种新途径。例如邹湘军等人进行的虚拟环境下农业移动机器人行为及其仿真建模研究[1]、薛峰等人的六自由度农业采摘机器人驱动控制仿真研究[16]以及李璞等人进行的农业机器人运动轨迹控制仿真分析[17]等。这些都是机器人仿真技术应用在农业上的典型案例。机器人仿真技术应用在农产品加工上的基本过程是：先调研相关企业，分析特定农产品的加工过程特点，根据加工过程的虚拟仿真需要，研究虚拟机器人型号参数并分析性能特点；再利用三维软件创建农产品、各种周边装置及相关零部件对象的三维实体模型，并完成装配与组装；最后利用机器人仿真软件对机器人系统进行虚拟仿真，在机器人仿真系统里面，用户可以根据实际需要创建单机或多台机器人协同工作组成的工作站或生产线。
整个过程综合运用了控制论、交互式计算机、机构学等技术，仿真软件动画演示机器人加工农产品的工作过程，使用者可以直接观看机器人本体及工作环境的动态变化过程。同时，根据仿真机器人的运动轨迹，研究分析控制机器人移动的方法，反复修改运行程序，验证机器人在运行过程中是否会与周边设备发生碰撞，完成轨迹可行性的验证。利用机器人仿真技术完成农产品的加工过程的模拟仿真，将降低试验成本、缩短周期，避免不必要的返工。
3.3机器人仿真技术应用在农产品加工上的前景分析
虽然机器人仿真技术目前还只是处于农产品加工的初级应用阶段，但随着虚拟仿真技术在机器人领域的深入研究，它将作为机器人技术应用于农产品加工的有效途径而持续快速的发展。专业的机器人仿真软件具有功能较全、实时性高、真实性强、可以产生近似真实仿真画面等优点，所以经过机器人仿真软件的模拟得到的仿真试验结果将为机器人技术在农产品加工工程的实际应用提供有效的参考依据。
随着农业机械化、智能化水平的不断提升，机器人技术将会在农业生产中发挥着越来越重要的作用，为了更好的推广该技术，机器人虚拟仿真技术在农产品加工中的应用将会成为机器人研究领域的新热点，这对于机器人技术在农产品加工上的实际应用和以后的普及推广具有重要的意义。 参考文献：
[1]汤晓华.工业机器人应用技术[M].北京：高等教育出版社，201：1.
[2]邓广福，王效，刘鹏.机器人技术的国内外发展现状探究.装备制造技术，201，（4）：237-238.
[3]衣勇，宋雪萍.机器人仿真研究的现状与发展趋势.机械工程师，2009，（7）：63-6.
[4]张英，徐建华，朴红梅，李万良.我国农产品加工业的现状存在问题及发展对策.农产品加工（学刊），2008，11（10）：62-64.
姬江涛.农业机器人的发展现状及趋势.农机化研究，2014，（02）：1-4.
[6]佟玲，李成華.我国农产品加工业的现状及发展趋势.农机化研究，201，（0）：11-1.
[7]田恒增.我国农产品加工业的现状.粮油加工与食品机械，2012，（04）：1-13.
[8]陈疆，师帅兵，侯俊才，徐杰.我国数字农业与农业机械的发展.农机化研究，200，（3）：21-23.
[9]中国智能制造网.人工智能60周年机器人走智能化路线[EB/OL].[2016-0-0].http：//www.gkzhan.com/news/detail/86989.html.
[10][KG（0.1mm]王田苗，陶永.我国工业机器人技术现状与产业化发展战略.机械工程学报，2014，0（9）：1-9.
[11]沈绪明，董鹏.我国机器人发展现状、需求及产业化探讨.物流技术，2012，（22）：68-71.
[12]李连中，翟敬梅，何海洋.机器人虚拟仿真及远程控制系统的研究及实现.计算机工程与应用，2016，2（13）：238-242.
[13]易中懿，胡志超.农业机器人概况与发展.江苏农业科学，2010，（2）：390-393.
[14]中国机器人网.农业机器人五大国现状及发展趋势分析[EB/OL].[2016-09-23].http：//www.robot-china.com/news/201609/23/36118.html.
[1]邹湘军，等.虚拟环境下农业移动机器人行为及其仿真建模.系统仿真学报，2006，（S2）：1-3.
[16]薛峰，陈帝伊，马孝义.六自由度农业采摘机器人驱动控制仿真研究.农机化研究，2010，（07）：9-64.
[17]李璞，冯博.农业机器人运动轨迹控制仿真分析—基于遗传算法优化和RBF网络逼近.农机化研究，2016，（12）：46-0.