一種全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)的設(shè)計(jì)

劉磊　劉恩林　王春森

摘要：研發(fā)了一種全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)，該裝置包括機(jī)械系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)由六輪蝦形可避障底盤、六自由度機(jī)械臂和防蜜桃損傷機(jī)械手構(gòu)成。動(dòng)力系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)汽缸和皮帶等動(dòng)力機(jī)構(gòu)構(gòu)成。視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)包括光學(xué)相機(jī)、紅外熱像儀和雙目式攝像頭構(gòu)成。機(jī)器依靠其特殊的六輪蝦形可避障底盤可以在崎嶇的地形進(jìn)行工作。通過(guò)機(jī)械臂與機(jī)械手的相互協(xié)調(diào)配合，其特有的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)可以完全代替人類對(duì)蜜桃實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采摘，大大節(jié)省了勞動(dòng)力，其本身具有良好的創(chuàng)新性和發(fā)展性。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)；避障；蜜桃采摘；機(jī)械臂；創(chuàng)新性

中圖分類號(hào)：S22593文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2017.10.009

0引言

在果蔬生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘約占整個(gè)作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到果蔬的儲(chǔ)存、加工和銷售，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和經(jīng)濟(jì)效益[1]。國(guó)內(nèi)的采摘機(jī)器人的起步較晚，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的水平還有一定的差距，亟需我們學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想與技術(shù)，創(chuàng)造出適合于我國(guó)發(fā)展的果蔬采摘機(jī)械。

蜜桃的主要經(jīng)濟(jì)栽培區(qū)在華東華北各省市，較為集中的地區(qū)有山東蒙陰、肥城、青島、河南開封、商水、河北遵化、深縣等。這些地區(qū)的地形多以低緩的丘陵，起伏的山嶺為主，為桃樹的生長(zhǎng)提供了有利的地形條件，同時(shí)，也為蜜桃成熟時(shí)的采摘帶來(lái)了極大的不便。

目前，蜜桃的采摘大多以人工采摘為主，而且蜜桃的成熟期很短，在成熟時(shí)如果不能及時(shí)采摘，容易導(dǎo)致其掉落、腐爛，造成果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)損失，所以在采摘時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大，但效率不高?，F(xiàn)在市場(chǎng)上還沒(méi)有完全可以克服崎嶇地形、可越障、自動(dòng)采摘蜜桃的機(jī)器。為了提高果農(nóng)的經(jīng)濟(jì)效益、降低果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度與生產(chǎn)成本，研發(fā)高效、安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的多功能山地果園機(jī)械對(duì)我國(guó)的農(nóng)林產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重大意義[2]。

1整體結(jié)構(gòu)及其工作原理

一種全自動(dòng)可避障蜜桃采摘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)包括六輪蝦形底盤部分、六自由度機(jī)械臂部分、采摘機(jī)械手部分、視覺(jué)識(shí)別部分、動(dòng)力傳輸部分。其中，六輪蝦形底盤部分主要包括頭部、主體、側(cè)身、尾部四部分，其車輪采用防爆蜂窩輪胎。機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)通過(guò)皮帶與固定在底盤上的電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂、小臂都是由型材截?cái)嘀瞥?，肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)通過(guò)鉸接件連接，由電機(jī)控制轉(zhuǎn)向。機(jī)械手是由平移機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和夾取機(jī)構(gòu)組成，通過(guò)舵機(jī)與機(jī)械臂連接。雙目攝像頭安裝在小臂上，模擬人的雙眼，采集蜜桃果實(shí)的數(shù)據(jù)傳回小型PC處理器。

1.1采集圖像

整臺(tái)機(jī)器共有三臺(tái)光學(xué)相機(jī)、一臺(tái)紅外熱像儀和一臺(tái)雙目式攝像機(jī)，各圖像采集機(jī)器之間分工明確。底盤前的兩臺(tái)光學(xué)相機(jī)和紅外熱像儀用于采集機(jī)器人工作時(shí)前方及兩側(cè)的環(huán)境圖像；尾部上側(cè)的光學(xué)相機(jī)用于采集機(jī)器人后方的環(huán)境圖像；采摘機(jī)械手后部的雙目式攝像頭用于采集并識(shí)別桃樹上蜜桃及準(zhǔn)確位置圖像。

1.2自動(dòng)避障

當(dāng)光學(xué)相機(jī)以及紅外攝像儀將采集好的圖像數(shù)據(jù)傳回到處理器，處理器自動(dòng)對(duì)圖像中的障礙進(jìn)行分析識(shí)別，形成脈沖信號(hào)反饋，通過(guò)對(duì)六個(gè)車輪的控制，使他們之間相互配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。

1.3摘取蜜桃

當(dāng)雙目式攝像頭將采集好的圖像數(shù)據(jù)傳回到處理器，處理器根據(jù)圖像中顏色的不同，識(shí)別出蜜桃并確定蜜桃所處的空間位置，處理器將形成脈沖信號(hào)反饋到機(jī)械臂伺服電機(jī)上，使它們調(diào)整各自的位置；并對(duì)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，使其到達(dá)蜜桃所在的位置；最后通過(guò)舵機(jī)對(duì)機(jī)械手控制，將蜜桃目標(biāo)成功從樹上采摘下。

1.4運(yùn)送果實(shí)

將采摘下的蜜桃放到底盤上裝載的桃箱中，機(jī)器人與桃箱下底面接觸的位置安裝了重量傳感器，當(dāng)蜜桃及桃箱的總重量達(dá)到機(jī)器人設(shè)置的預(yù)算重量時(shí)，機(jī)器人停止采摘，會(huì)把采摘的蜜桃按原路運(yùn)回到最開始設(shè)計(jì)的收集地點(diǎn)。

2創(chuàng)新點(diǎn)

（1）采用六輪蝦形可避障底盤，通過(guò)底盤前部的兩臺(tái)光學(xué)相機(jī)和一臺(tái)紅外熱像儀對(duì)機(jī)器人運(yùn)行工作時(shí)的地形進(jìn)行識(shí)別成像傳輸?shù)絇C處理器，處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理，形成信號(hào)反饋，對(duì)車輪進(jìn)行控制，及時(shí)完成避障。

（2）機(jī)器的底盤部分采用八臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)械臂部分采用三臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，各伺服電機(jī)之間相互協(xié)調(diào)配合，使得整個(gè)機(jī)器更加靈活。

（3）采用大密度的蜂窩輪，防止輪胎在地形崎嶇的地方工作時(shí)產(chǎn)生扎帶、爆胎等現(xiàn)象，阻礙機(jī)器的正常運(yùn)行；底盤的頭部、尾部都安裝緩沖機(jī)構(gòu)，使得機(jī)器運(yùn)行工作時(shí)更加平穩(wěn)。

（4）機(jī)械手夾取機(jī)構(gòu)由三根排列均勻的機(jī)械手指組成，每根機(jī)械手指腹部都附著橡膠層，以減少對(duì)蜜桃的損傷。機(jī)械手的滑移機(jī)構(gòu)以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以使機(jī)械手在小空間內(nèi)移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)，對(duì)果實(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確地采摘。

（5）機(jī)械手后部安裝的雙目式攝像頭，其視覺(jué)范圍與人眼視覺(jué)范圍相同，可代替人工操作，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)采摘。

3總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于桃樹種植地區(qū)的崎嶇復(fù)雜地形，蜜桃的顏色識(shí)別，通過(guò)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了可避障、全自動(dòng)采摘及運(yùn)輸?shù)裙δ?。該機(jī)器人可代替人類來(lái)對(duì)蜜桃進(jìn)行采摘，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。通過(guò)這臺(tái)機(jī)器人，果農(nóng)只需將蜜桃裝車即可，減輕了他們勞動(dòng)負(fù)擔(dān)?？傊?，該機(jī)器具有很好發(fā)展情景，一定會(huì)成為果農(nóng)的好幫手。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋健，張鐵中，徐麗明，等.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006（5）：158.

[2]章江麗，陳順偉，莊曉偉，等.南方丘陵山地果園采摘機(jī)械的現(xiàn)狀[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2014（9）：4.endprint