精密草莓采摘機器人優(yōu)化設計—基于光程調節(jié)結構

劉志剛,王風燕,魏　純

( 1.南昌大學，南昌　330031；2.南昌工學院，南昌　330108；3.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽　473000；4.武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢　430212)

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精密草莓采摘機器人優(yōu)化設計
—基于光程調節(jié)結構

劉志剛1,2,王風燕3,魏純4

( 1.南昌大學，南昌330031；2.南昌工學院，南昌330108；3.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽473000；4.武漢東湖學院 電子信息工程學院，武漢430212)

摘要：在機器人草莓采摘過程中，由于草莓果實比較脆弱，加上其體積較小，因此存在較高的破碎率和漏采率，這都與草莓采摘機器人的定位精度有關。為了提高草莓采摘過程的定位精度，在采集機器人定位系統(tǒng)的引入了一種新的光定位結果，并提出了一種用于真空懷特池光程調節(jié)的機構，利用該機構的反饋源信號，實現了對采摘機構的優(yōu)化設計。為了驗證設計的精密草莓采摘機器人的可靠性，設計了機器人的草莓采摘試驗，并對其破碎率和漏采率進行了測試。通過測試發(fā)現：該裝置可以有效地降低草莓采摘的破碎率和漏拾率，且采摘耗時低、效率高，可以滿足草莓采摘實際生產的需要。

關鍵詞：采摘機器人；光程調節(jié)；懷特池；破碎率；漏摘率

0引言

農業(yè)機器人的開發(fā)越來越受到各國的重視，許多發(fā)達國家投入了大量的人力物力，并取得了一定的成果。國外對于農業(yè)機器人的研發(fā)已經比較成熟，主要包括番茄機器人、葡萄采摘機器人及黃瓜采摘機器人等。國內的農業(yè)機器人研究比較晚，起步于20世紀90年代，相對于發(fā)達國家來落后很多，但是發(fā)展速度較快，很多院校和研究研究所已經成功地研制了許多類型的機器人，并且智能控制水平得到了很大幅度的提高。隨著農業(yè)人口的減少，為了適應農業(yè)規(guī)?；?、多樣化、精確性的發(fā)展方向，必須加強機器人方面的研究。

1整體設計

與普通作物的采摘不同，草莓采摘過程具有很多要求，這與其栽培的地形地貌有關。草莓栽培溫室具有溫度高、溝壟窄而面不平整、壟面低矮等特點，標準溫室溝壟略寬且平整，壟面也略高一些，因此采摘機器人需要具有一定的特點。根據草莓采摘的特點，采用跨壟四輪行走機構，設計了采摘機器人，其三維模型如圖1所示。

圖1　草莓采摘機器人三維模型

該機器人動力裝置為步進電機，驅動器使用脈沖信號進行驅動，機械手采用無自由度機械臂。其中，控制器的功能包括運行導航、果實識別定位、機械臂控制及末端執(zhí)行器控制，草莓采摘機器人的總體設計如圖2所示。

2結構優(yōu)化設計

2.1懷特池反饋源信號

一般情況下，通過調節(jié)光源可方便地改變入射光束的位置。對于偏轉角的調節(jié)，普通懷特池結構簡單，可直接微調改變偏轉角度；但在真空懷特池系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)自身的密封性，使得這一過程難以實現。為此，本文提出了一種用于真空懷特池光程調節(jié)的機構。

圖2　機器人整體設計方案

圖3為懷特池結構原理圖。在真空懷特池設計時，首先在真空罐體上靠近凹球面鏡A1、A2的一側安裝兩組法蘭式實心軸磁流體密封件，并在其軸外端各安裝一個調節(jié)旋鈕，如圖4所示。

圖3　懷特池結構原理圖

1.旋鈕　2.法蘭式實心軸磁流體密封件　3.真空罐體

當需調節(jié)光程時，在真空罐外配合轉動兩個旋鈕，扭矩通過萬向節(jié)傳遞給絲桿，再轉化為滑塊的移動副，使與之對應的凹球面鏡繞其旋轉中心運動，從而實現了凹球面鏡的偏轉角的調整，光程也隨之發(fā)生改變。

圖5為草莓采摘機器人視覺系統(tǒng)。一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括圖像采集、圖像處理和分析、輸出或顯示單元。本文在實際采集系統(tǒng)中引入了真空懷特池光程調節(jié)機構，可以提高圖像采集的精度。

圖5　機器人視覺系統(tǒng)基本結構

圖6為利用真空懷特池光程調節(jié)機構得到的高清圖像。利用機器人視覺系統(tǒng)可以對其進行處理，得到識別率很高的二值圖，從而提高機器人的采摘精度，降低破碎率和漏采率。

圖6　草莓圖像處理結果

2.2結構優(yōu)化設計

采摘機器人系統(tǒng)硬件由輪式移動平臺、關節(jié)型采摘機械臂、雙耳視覺相機、柔性末端執(zhí)行器、人機交互模塊及系統(tǒng)控制器等6部分構成，如圖7所示。系統(tǒng)控制器負責控制算法運行及控制信號接收發(fā)送，從而協調控制各功能部件。

1.移動平臺　2.聲納傳感器　3采摘機械臂

運動定位機構用于局部范圍內精密調節(jié)末端執(zhí)行器和采摘目標的相對位置，包含3個平動自由度和1個旋轉自由度，如圖8所示。

1.電動機1　2.橫梁　3.電動機2　4.絲杠導軌模組1

由圖8可知：在電動機l的驅動下，絲杠導軌模組2隨滑塊1沿x方向平動；在電動機2的驅動下，整個絲杠導軌模組2和電動機4一同相對于滑塊2沿y方向平動；在電動機3的驅動下，絲杠導軌模組3可相對于滑塊3沿z方向平動。

末端執(zhí)行器由機械手、攝像頭、刀片和光纖傳感器組成(見圖9)，能夠以剪切并夾持果柄的方式摘取草莓。攝像頭位于機械手正下方，用于判斷采摘目標與末端執(zhí)行器在x、y方向上的位置偏差。

1.機械手　2.手鉗a　3.光纖傳感器a　4.光纖傳感器b

2.3電機控制PID反饋模型

對于三相繞組電動機，在忽略了內部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈矢量可以表示為

(1)

其中，Us為定子電壓矢量；Rs和Ls分別表示定子電阻和定子電感；ψs和ψr分別表示定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量；Is表示定子電流。由此可以得到永磁同步電機三相繞組的電壓回路方程為

(2)

其中，UA、UB、UC為各相繞組端電壓；iA、iB、iC為各相繞組電流；ψA、ψB、ψC為轉子磁場在定子繞組中產生的交鏈；p為微分算子d/dt。

(3)

另外，對于星形接法的三相繞組，根據基爾霍夫(Kirchhoff)定律有

iA+iB+iC=0

(4)

通過整理可以得到

(5)

因此，可以通過調節(jié)電壓來對伺服電機進行控制，從而控制電機定子磁鏈矢量和轉子磁鏈矢量，控制機器人的輸出。

圖10為草莓采摘機器人的PID控制系統(tǒng)。為了提高機器人的定位精度，采用PID調節(jié)器來降低機器人的定位精度，從而提高采摘效果。

圖10　PID控制器

3多信道路由花生精量播種機測試

為了驗證設計的高精度草莓采摘機器人的采摘效果，設計了機器人的草莓采摘試驗，其草莓識別部分采用光程調節(jié)機構進行對準。試驗裝置和采摘過程如圖11所示。

圖11　草莓采摘過程示意圖

為了測試機器人的采摘效果，以漏采率、破碎率及空穴率作為試驗指標，其統(tǒng)計計算公式分別為

(6)

(7)

其中，T表示田地草莓的總量；y1表示漏拾的數目；y2表示破碎的數目。

圖12為破碎率隨時間的變化曲線。為了驗證本文設計的采摘機器人的采摘效果，將傳統(tǒng)機器人和本文設計的機器人進行對比。由圖12可以看出：本文設計的草莓采摘機器人的采摘破碎率明顯比傳統(tǒng)的機器人低，并且采摘的破碎率比較穩(wěn)定，不隨著時間的變化而產生大的波動，采摘效果較好。

圖12　破碎率隨采摘時間變化曲線

表1為對本文設計的高精度草莓采摘機器人機械測試得到的測試結果。由表1可以看出：在長度為10m的單行采摘任務上，本文設計的機器人僅需要1min左右，而傳統(tǒng)機器人需要5min左右才能完成；對漏采率進行6次試驗后發(fā)現：其漏采率較低，最大漏采率僅為0.72%，滿足草莓采摘的需求，從而驗證了機器人的機械作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

表1　采摘時間和漏采率實驗結果表

4結論

1)為了提高草莓采摘機器人的定位精度，在圖像采集和定位系統(tǒng)中使用了一種新的可調式真空懷特池調節(jié)機構，并采用簡單的機械原理進行設計，使其結構簡單、調節(jié)方便，只需在真空罐外轉動旋鈕即可完成調節(jié)。實踐驗證表明，該調節(jié)機構在實際應用中效果良好。

2)為了驗證機器人的草莓采摘效果，對草莓采摘機器人進行了試驗測試。結果表明：本設計的草莓采摘機器人的采摘破碎率明顯比傳統(tǒng)的機器人低，且采摘的破碎率比較穩(wěn)定，不隨著時間的變化而產生大的波動；漏采率較低，最大漏采率僅為0.72%，滿足草莓采摘的需求，從而驗證了機器人的機械作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

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Optimization Design of Precision Strawberry-picking Robot—Based on Optical Path Adjustment Structure

Liu Zhigang1,2, Wang Fengyan3, Wei Chun4

(1.Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 4.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430211, China)

Abstract：In the process of strawberry picking robots, because strawberry fruit is fragile, and its volume is small, so the breakage and leakage rate is high, which are related to strawberry picking robot positioning accuracy. In order to improve the positioning accuracy of strawberry picking process, in the acquisition robot localization system introduced a new kind of optical positioning results, and puts forward the vacuum for a white Cell optical path adjustment structure, using the feedback of the signal, realizes the optimization design of picking mechanism. In order to verify the reliability of the design precision of strawberry picking robots, the design of the robot strawberry picking experiment, and the breakage and leakage rate were tested, by testing found that the device can effectively reduce the breakage and leakage of strawberry picking up rate, and lower picking time, high efficiency and can meet the needs of the strawberry picking the practical production.

Key words：picking robot; optical path adjustment; white cell; the broken rate; leakage rate picked

文章編號：1003-188X(2016)06-0016-05

中圖分類號：S225.93；TP242.6

文獻標識碼：A

作者簡介：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士。通訊作者：魏純(1983-)，女，武漢人,講師，碩士，(E-mail)weichun1983@yeah.net。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-05-06