蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計與試驗研究

劉雙紅，馬小雨

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 計算機科學(xué)與應(yīng)用系，鄭州 450046；2.河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院，鄭州 451191)

?

蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計與試驗研究

劉雙紅1，馬小雨2

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 計算機科學(xué)與應(yīng)用系，鄭州 450046；2.河南工程學(xué)院 計算機學(xué)院，鄭州 451191)

對蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器進行了設(shè)計，并通過國內(nèi)在該領(lǐng)域相關(guān)試驗研究予以驗證。首先，在了解我國蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對傳統(tǒng)的人工采摘方式，以及過度老化、落后的傳統(tǒng)機械作業(yè)方式，發(fā)掘其中存在的問題；然后，對新型智能式農(nóng)業(yè)機器人末端執(zhí)行器進行總體方案設(shè)計，并使用機械制圖軟件UG，建立蘋果采摘智能機器人末端執(zhí)行器的三維構(gòu)造模型，設(shè)計出蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的內(nèi)部系統(tǒng)，包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)；最后，搭建一個試驗操作平臺，進行果實采摘現(xiàn)場模擬，主要評價指標以果實采摘成功率、采摘效率、果實損傷等指標為主。

蘋果采摘；農(nóng)業(yè)機器人；末端執(zhí)行器；性能評價

0 引言

我國是蘋果種植大國，無論是年產(chǎn)量還是生產(chǎn)規(guī)模，均排在世界各國首位。同時，發(fā)展包括蘋果在內(nèi)的果蔬產(chǎn)業(yè)，也是當下我國農(nóng)業(yè)化現(xiàn)代化水平不斷進步的一種表現(xiàn)。在新時期，我國果蔬產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)不斷整合與優(yōu)化，以蘋果種植、生產(chǎn)等各環(huán)節(jié)為例：通常情況下，在實際生產(chǎn)的過程中，蘋果采摘環(huán)節(jié)是最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)，不僅耗時耗力，也是比較容易出現(xiàn)差錯的一個環(huán)節(jié)。由于蘋果采摘作業(yè)具有較強的季節(jié)性、勞動強度及較高的成本費用，綜合評價比較復(fù)雜，這也進一步印證了當下我國在果品采摘環(huán)節(jié)機械化和自動化水平較低、技術(shù)含量不高等問題。在我國東部沿海地區(qū)(如浙江、江蘇、福建等地)，蘋果采摘作業(yè)機械化水平較高，而在中部和西部果品產(chǎn)區(qū)地帶，采摘環(huán)節(jié)基本還是沿用較為傳統(tǒng)、落后的人工作業(yè)方式。在這種情況下，人工勞力成本費用僅占到了總采摘成本的 30%～50%，效率比較低下。為此，提出一種智能化的蘋果采摘機器人，就其末端執(zhí)行器設(shè)計進行探討，并通過試驗設(shè)計來檢驗其實際應(yīng)用的可行性。

1 研究現(xiàn)狀

在人類文明發(fā)展的今天，社會的進步來自于人們的不斷創(chuàng)新，工業(yè)與農(nóng)業(yè)是相輔相成的關(guān)系。1959年，世界上第1臺工業(yè)機器人誕生了，它是由美國人英格伯格、德沃爾兩人研發(fā)設(shè)計制造出來的。經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，目前在工業(yè)農(nóng)業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域機器人數(shù)量已經(jīng)高達幾百萬臺，種類和形式也是豐富多樣，不僅改善了人們的生活，且推動著全球經(jīng)濟的發(fā)展。當然，最初機器人的產(chǎn)生主要應(yīng)用和服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，相比較而言，機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用和服務(wù)起步比較晚，相應(yīng)的技術(shù)發(fā)展也比較慢。

就目前來看，雖然國內(nèi)整體投入和應(yīng)用程度較差，但是在某些技術(shù)領(lǐng)域、某地區(qū)的發(fā)展成果還是相對比較突出的。總體上來評價，當前我國在農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展應(yīng)用領(lǐng)域，主要呈現(xiàn)為以下特點：① 作業(yè)對象大多屬于嬌嫩型，作業(yè)活動具有一定的復(fù)雜性。具體講，就是指被作業(yè)和采摘的生物具有軟弱易傷的特性。因此，農(nóng)業(yè)機器人在技術(shù)嵌入層面上需要具備一定的柔性。② 農(nóng)業(yè)機器人的作業(yè)情況、環(huán)境比較復(fù)雜，在這種情況下要求生物農(nóng)業(yè)機器人需具有與生物柔性相對應(yīng)的處理功能。在具體技術(shù)設(shè)計層面上，可重點在視覺、知識推理及思維判斷方面切入，也就是智能化機器人，以此來更好地應(yīng)對變化無常的自然環(huán)境。③ 農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)動作過于復(fù)雜化，在實際作業(yè)工作過程中，機器人的作業(yè)方式基本都是作業(yè)和移動同時進行。換言之，這種移動式、行走性的作業(yè)，并不是連接出發(fā)點和作業(yè)終點的最短距離。④ 農(nóng)業(yè)機器人自身的特殊性，包括技術(shù)層面上及操作層面上，具體指操作對象特殊性及機械設(shè)備特殊性。以蘋果采摘為例，機器人的操作者是農(nóng)民，而不是研發(fā)它的工程師或者技術(shù)人員，因此在很大程度上要求農(nóng)業(yè)機器人要提高其可靠性及操作性。此外，當前農(nóng)業(yè)機器人價格過高，這也是其難以普及的根本原因之一。因為果品生產(chǎn)種植農(nóng)戶，基本都是以個體經(jīng)營為主，如果機器設(shè)備價格過高，就很難得到有效普及和推廣。

2 我國在該領(lǐng)域的發(fā)展

國內(nèi)對于果蔬類(蘋果、番茄等)采摘末端執(zhí)行器的研究還處在一個起步階段，雖然取得了一定的成果，但應(yīng)用經(jīng)驗比較少，況且當前在我國中西部地區(qū)，機械化水平還相對比較低。在新時期，在國家重點強調(diào)農(nóng)業(yè)技術(shù)研發(fā)應(yīng)用及科教興國戰(zhàn)略不斷深化的基礎(chǔ)上，國內(nèi)各科研院所、高等院校大量汲取了國外在該領(lǐng)域的一些研究成功過程及經(jīng)驗教訓(xùn)，針對現(xiàn)實需要，策略性地研究設(shè)計出了一種蘋果生產(chǎn)、采摘的末端執(zhí)行器，通過在我國東部幾個試點城市地區(qū)的試驗與推廣，取得了較好的效果。

圖1是我國某科研院所自主研制的末端執(zhí)行器，是一種欠驅(qū)動式的果實采摘機械手，對于后期我國在農(nóng)業(yè)智能化機器人操作作業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)層面具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。經(jīng)過試驗，這種末端執(zhí)行器的果實采摘成功率高達 90% ，如圖1所示。

1.直流電機 2.蝸輪蝸桿機構(gòu) 3.鋼絲軟管傳動 4.刀架、刀片 5.刀架轉(zhuǎn)輪 6.碰觸傳感器 7.光電開光裝置 8.手指 9.限位開關(guān)裝置 10(壓力)傳感器裝置 11.視覺傳感器 12.雙作用汽缸 13.結(jié)構(gòu)固定件 14.機械臂連接部件圖1 末端執(zhí)行器主體結(jié)構(gòu)

3 末端執(zhí)行器的設(shè)計與試驗

3.1 末端執(zhí)行器設(shè)計

1)設(shè)計目標。該環(huán)節(jié)設(shè)計主要是針對蘋果自身特性來進行，如生長方式及果實大小等。具體包括：采摘蘋果的直徑范圍在 55～100mm之間，盡量體積小巧、質(zhì)量要小；在工作過程中，要保證高效率、低成本、易于維護。

2)采摘機構(gòu)如圖2所示。其主要功能是依據(jù)簡化幾何模型來實現(xiàn)，確保被采摘或者是正在被采摘的果實與果柄分離。

圖2 旋轉(zhuǎn)式采摘機構(gòu)模型

結(jié)合圖1和圖2可知：該蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器工作原理如下：首先，通過視覺感應(yīng)技術(shù)的嵌入，較為精準地確認并獲取到待采摘果實(蘋果)所處的位置，即機器視覺感觸空間內(nèi)的坐標位置；以機械臂控制末端執(zhí)行器，從而使原點與機器視覺空間內(nèi)獲取到的果實原點位置處在同一垂直線上。其次，在感觸到果實所處坐標位置之后，末端執(zhí)行器會自動地靠近待摘的蘋果，通過系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計嵌入的紅外開關(guān)檢測裝置來對該果實迅速的檢測，看是否可以進入到機器人手指，以待抓取。最后，當蘋果被機器人抓入到手指后，呈現(xiàn)前后手指抓取蘋果試樣，智能機器人手指中構(gòu)造內(nèi)部安裝的壓力傳感器會在第一時間予以感應(yīng)，控制其抓持力大小程度，進而達到預(yù)設(shè)壓力，以待采摘。末端執(zhí)行器樣機如圖3所示。

3.2 試驗

1)壓力傳感器測試。在調(diào)試的過程中，重點檢測壓力傳感器標定值。此次壓力測試環(huán)節(jié)，采用壓力加載標定系統(tǒng)，在壓力標準設(shè)定上，使用了砝碼為50～800g進行加載試驗，加載量間隔設(shè)定為 50g。試驗重復(fù)持續(xù)3次，最終的結(jié)果取3次平均數(shù)值。壓力傳感器標定值如表1所示。

圖3 末端執(zhí)行器樣機表1 壓力傳感器標定值

質(zhì)量/g電壓值/V平均電壓值/V500.220.360.410.331001.051.171.351.191501.591.681.841.702001.962.111.922.002502.302.272.172.253002.642.492.702.613502.932.963.082.994003.133.042.953.044503.093.023.103.075003.233.223.233.275503.413.383.293.366003.393.373.363.376503.443.453.453.457003.453.513.463.477503.543.583.483.538003.603.603.603.60

2)蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器性能評價。本次試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)資料來源于我國西北農(nóng)林科技大學(xué)眉縣試驗站。在試驗中使用到的材料及相關(guān)設(shè)備包括聯(lián)想ThinkPad T400筆記本、采摘末端執(zhí)行器樣機、三腳架和Led燈等相關(guān)儀器設(shè)備。

本次試驗重點針對果實(蘋果)在采摘的過程中蘋果所受力及變化情況，以此來進一步統(tǒng)計分析采摘機器人采摘蘋果的成功率及對蘋果采摘過程中識別情況。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

試驗中發(fā)現(xiàn)，對蘋果的識別經(jīng)常出現(xiàn)重復(fù)識別或者漏識別的情況。根據(jù)提取一些樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計可知：重復(fù)識別率為 2.07% ，漏識別率為 5.78% ，但并沒有出現(xiàn)錯誤識別的情況。

4 結(jié)論

在蘋果生產(chǎn)過程中也存在著一系列問題，最為突出的就是機械化程度低，嚴重限制和阻礙了我國蘋果產(chǎn)業(yè)集約化發(fā)展的進程。本文基于蘋果采集機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計與試驗，重點以蘋果采摘作為研究對象，根據(jù)我國農(nóng)業(yè)機器人技術(shù)開發(fā)與研究現(xiàn)狀，進行了相應(yīng)的試驗探索。試驗表明：本文提出的智能化蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器，完全符合實際采摘作業(yè)的要求，對蘋果果實不會產(chǎn)生不必要的傷害，值得在業(yè)內(nèi)大力推廣和普及。

[1] 呂俊霞,李玉華,汪小志,等.采摘機器人執(zhí)行端機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電量模糊控制設(shè)計[J].農(nóng)機化研究, 2016,38(6):36-40.

[2] 周舟.番茄采摘機器人機械臂與末端執(zhí)行器的設(shè)計[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2013.

[3] 蘆卿.農(nóng)業(yè)采摘機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2014.

[4] 張飛.欠驅(qū)動機械手末端執(zhí)行器的設(shè)計與研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2014.

[5] 羅大偉.果實采摘機器人末端執(zhí)行器的柔順控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué), 2014.

[6] 崔鵬,陳志,張小超.蘋果采摘機器人仿生機械手靜力學(xué)分析與仿真[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(2):149-153.

[7] 李想,俞經(jīng)虎.一種欠驅(qū)動蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計[J].機械傳動, 2015(9):74-77.

[8] 羅大偉,姬偉,李俊樂,等.蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器抓持規(guī)劃研究[J].信息技術(shù), 2015(1):44-46.

[9] 金寅德. 基于FPA的氣動柔性蘋果采摘末端執(zhí)行器研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué), 2010.

[10] 居洪玲, 姬長英. 一種多用途采摘機器人末端執(zhí)行器的設(shè)計[D].南京:南京農(nóng)業(yè)大學(xué), 2010..

Design and Experimental Research on the End Effector of Apple Picking Robot

Liu Shuanghong1, Ma Xiaoyu2

(1.Zhengzhou Aviation Industry Management Institute of Computer Science and Application System, Zhengzhou 450046, China; 2.Computer College of Henan College of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

This practice topic research, focuses on the analysis of the mechanical design of apple picking robot end effector, and through the domestic research in the field of relevant test to be expressed.First, in understanding the basis of the status quo of China's apple industry development, the traditional manual harvesting methods, and excessive aging, backward of traditional mechanical operation mode, to explore the problems. After of the new intelligent agricultural robot end actuator for the overall program design.The third step is to use mechanical drawing software UG, establishing apple picking robot end effector three-dimensional structural model. The fourth step further design of apple picking robot end effector is the internal system, including hardware system and software system.Finally, through the embedded system, actively build a test operation platform, carry on the fruit picking field simulation, the main evaluation and lateral indicators to fruit picking success rate, picking efficiency, fruit damage and other indicators.

apple picking; agricultural robot; end effector; performance evaluation

2016-05-09

河南省科技攻關(guān)項目(142102210503)；河南省科技攻關(guān)項目(132102210172)

劉雙紅(1978-)，女，遼寧鐵嶺人，講師，碩士研究生，(E-mail)liushuanghong0509@163.com。

馬小雨(1978-)，男，鄭州人，講師，博士研究生。

S225.93

A

1003-188X(2017)06-0154-04