農(nóng)業(yè)采摘機器人設(shè)計與研究

徐世亮

摘要隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展和完善，農(nóng)業(yè)自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農(nóng)業(yè)機器人主要由視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農(nóng)業(yè)采摘機器人的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)采摘機器人的視覺采集系統(tǒng)、末端執(zhí)行感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的具體設(shè)計進行詳細的分析。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)自動化；采摘機器人；視覺系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內(nèi)水果產(chǎn)業(yè)中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產(chǎn)鏈中最耗時耗力的環(huán)節(jié)，同時，果實的采摘質(zhì)量也會對水果的質(zhì)量造成直接影響。如何提高果實采摘作業(yè)的機械化程度，已經(jīng)成為了我國水果行業(yè)發(fā)展所面臨的重大課題。

1農(nóng)業(yè)采摘機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的農(nóng)業(yè)采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農(nóng)業(yè)采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1農(nóng)業(yè)采摘機器人整體結(jié)構(gòu)

表1農(nóng)業(yè)采摘機器人結(jié)構(gòu)組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執(zhí)行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設(shè)備

14 地面

如圖1所示，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，可以更加有效的確定末端執(zhí)行器在三維空間中的位置和姿態(tài)。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關(guān)節(jié)型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執(zhí)行器夾持機構(gòu)的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執(zhí)行器上的旋轉(zhuǎn)式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構(gòu)成部分主要分為視覺系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農(nóng)業(yè)采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環(huán)境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業(yè)機器人相比，果實采集機器人所處的空間環(huán)境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內(nèi)容包括：

1）確定采摘機器人的末端執(zhí)行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質(zhì)。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執(zhí)行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統(tǒng)安裝在執(zhí)行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經(jīng)濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉(zhuǎn)換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執(zhí)行器上的紅外光電對管和力敏電阻產(chǎn)生的都是模擬信號，不能直接被控制設(shè)備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉(zhuǎn)換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平?；鶞孰妷河煞聪噍敵龆说碾娮鑂1生成，滑動變阻器R1所構(gòu)成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執(zhí)行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關(guān)來作為碰撞傳感器，如果設(shè)計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設(shè)計為五組碰撞傳感器則根據(jù)安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計中，主控系統(tǒng)采用KP-6420i工業(yè)控制計算機，通過視覺系統(tǒng)和感知系統(tǒng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)運動學、機械臂正等功能。通過串口實現(xiàn)對交流伺服驅(qū)動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

5總結(jié)

本文主要對農(nóng)業(yè)采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行研究，將采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)劃分成視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊進行了設(shè)計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術(shù)動向[J].農(nóng)機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農(nóng)業(yè)機器人的研究進展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（6）：53-58.

endprint

摘要隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展和完善，農(nóng)業(yè)自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農(nóng)業(yè)機器人主要由視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農(nóng)業(yè)采摘機器人的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)采摘機器人的視覺采集系統(tǒng)、末端執(zhí)行感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的具體設(shè)計進行詳細的分析。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)自動化；采摘機器人；視覺系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內(nèi)水果產(chǎn)業(yè)中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產(chǎn)鏈中最耗時耗力的環(huán)節(jié)，同時，果實的采摘質(zhì)量也會對水果的質(zhì)量造成直接影響。如何提高果實采摘作業(yè)的機械化程度，已經(jīng)成為了我國水果行業(yè)發(fā)展所面臨的重大課題。

1農(nóng)業(yè)采摘機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的農(nóng)業(yè)采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農(nóng)業(yè)采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1農(nóng)業(yè)采摘機器人整體結(jié)構(gòu)

表1農(nóng)業(yè)采摘機器人結(jié)構(gòu)組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執(zhí)行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設(shè)備

14 地面

如圖1所示，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，可以更加有效的確定末端執(zhí)行器在三維空間中的位置和姿態(tài)。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關(guān)節(jié)型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執(zhí)行器夾持機構(gòu)的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執(zhí)行器上的旋轉(zhuǎn)式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構(gòu)成部分主要分為視覺系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農(nóng)業(yè)采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環(huán)境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業(yè)機器人相比，果實采集機器人所處的空間環(huán)境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內(nèi)容包括：

1）確定采摘機器人的末端執(zhí)行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質(zhì)。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執(zhí)行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統(tǒng)安裝在執(zhí)行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經(jīng)濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉(zhuǎn)換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執(zhí)行器上的紅外光電對管和力敏電阻產(chǎn)生的都是模擬信號，不能直接被控制設(shè)備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉(zhuǎn)換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平?；鶞孰妷河煞聪噍敵龆说碾娮鑂1生成，滑動變阻器R1所構(gòu)成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執(zhí)行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關(guān)來作為碰撞傳感器，如果設(shè)計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設(shè)計為五組碰撞傳感器則根據(jù)安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計中，主控系統(tǒng)采用KP-6420i工業(yè)控制計算機，通過視覺系統(tǒng)和感知系統(tǒng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)運動學、機械臂正等功能。通過串口實現(xiàn)對交流伺服驅(qū)動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

5總結(jié)

本文主要對農(nóng)業(yè)采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行研究，將采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)劃分成視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊進行了設(shè)計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術(shù)動向[J].農(nóng)機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農(nóng)業(yè)機器人的研究進展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（6）：53-58.

endprint

摘要隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展和完善，農(nóng)業(yè)自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農(nóng)業(yè)機器人主要由視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農(nóng)業(yè)采摘機器人的總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計的基礎(chǔ)上，對農(nóng)業(yè)采摘機器人的視覺采集系統(tǒng)、末端執(zhí)行感知系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)的具體設(shè)計進行詳細的分析。

關(guān)鍵詞農(nóng)業(yè)自動化；采摘機器人；視覺系統(tǒng)；控制系統(tǒng)

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內(nèi)水果產(chǎn)業(yè)中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產(chǎn)鏈中最耗時耗力的環(huán)節(jié)，同時，果實的采摘質(zhì)量也會對水果的質(zhì)量造成直接影響。如何提高果實采摘作業(yè)的機械化程度，已經(jīng)成為了我國水果行業(yè)發(fā)展所面臨的重大課題。

1農(nóng)業(yè)采摘機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的農(nóng)業(yè)采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農(nóng)業(yè)采摘機器人的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1農(nóng)業(yè)采摘機器人整體結(jié)構(gòu)

表1農(nóng)業(yè)采摘機器人結(jié)構(gòu)組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執(zhí)行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設(shè)備

14 地面

如圖1所示，采用關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，可以更加有效的確定末端執(zhí)行器在三維空間中的位置和姿態(tài)。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關(guān)節(jié)型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執(zhí)行器夾持機構(gòu)的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執(zhí)行器上的旋轉(zhuǎn)式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調(diào)整末端執(zhí)行器的姿態(tài)就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構(gòu)成部分主要分為視覺系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農(nóng)業(yè)采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環(huán)境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業(yè)機器人相比，果實采集機器人所處的空間環(huán)境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內(nèi)容包括：

1）確定采摘機器人的末端執(zhí)行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質(zhì)。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執(zhí)行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統(tǒng)安裝在執(zhí)行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經(jīng)濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉(zhuǎn)換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執(zhí)行器上的紅外光電對管和力敏電阻產(chǎn)生的都是模擬信號，不能直接被控制設(shè)備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉(zhuǎn)換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平?；鶞孰妷河煞聪噍敵龆说碾娮鑂1生成，滑動變阻器R1所構(gòu)成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執(zhí)行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關(guān)來作為碰撞傳感器，如果設(shè)計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設(shè)計為五組碰撞傳感器則根據(jù)安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計中，主控系統(tǒng)采用KP-6420i工業(yè)控制計算機，通過視覺系統(tǒng)和感知系統(tǒng)采集相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及實現(xiàn)運動學、機械臂正等功能。通過串口實現(xiàn)對交流伺服驅(qū)動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統(tǒng)框架如圖2所示。

5總結(jié)

本文主要對農(nóng)業(yè)采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行研究，將采摘機器人的硬件結(jié)構(gòu)劃分成視覺采集系統(tǒng)模塊、末端執(zhí)行器感知系統(tǒng)模塊和控制模塊進行了設(shè)計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)背景及技術(shù)動向[J].農(nóng)機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農(nóng)業(yè)機器人的研究進展及存在的問題[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（6）：53-58.

endprint