桃子采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)與開發(fā)

馮國亮　韋雄棉　容興鵬　孫寶福

【摘 要】隨著新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)器人逐步邁向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主力軍的行列。我國桃子采摘基本上都是靠人工勞動力，需要大量的人力，效率低，成本高。因此桃子采摘機(jī)器人具有非常巨大的發(fā)展?jié)摿?，具有很高的研究價(jià)值。針對桃子采摘的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺具有高精度、高效率的桃子采摘機(jī)器人。

【關(guān)鍵詞】桃子；采摘；機(jī)器人

中圖分類號： S225.93；TP391.41；TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0084-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.035

1 背景介紹

隨著新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式和新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)器人逐步邁向農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主力軍的行列。我國采摘機(jī)器人的研究也逐漸起步，有些已取得階段性成果。目前，比較典型的采摘機(jī)器人有人機(jī)協(xié)作型柑橘采摘機(jī)器人，西紅柿、黃瓜、草莓和多功能葡萄采摘機(jī)器人等。而桃子采摘一直采用人工采摘的方式，相關(guān)的采摘設(shè)備和輔助機(jī)械裝置研究的相對較少，因此桃子采摘機(jī)器人有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

研究的主要問題包括機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動-傳動機(jī)構(gòu)、移動平臺、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)控。

2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

桃子的形狀一般呈卵形、寬的橢圓形和扁圓形，直徑一般在5-7厘米之間[1]。當(dāng)桃子成熟后，桃子會與桃樹通過果柄相連，并且桃子會與桃樹貼的很近，有時(shí)幾個(gè)桃子也會生長在一起。目前的采摘方式是通過人工用手輕輕旋扭90度摘取。因此，在桃子采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器就是模擬的人手的采摘過程，設(shè)計(jì)而來。

綜上所訴，并根據(jù)桃子的生長特點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了從桃子外圍接近的仿生手指抓住桃子、手腕旋轉(zhuǎn)分離果柄的末端執(zhí)行器，在爪子外圈包裹一層軟的橡膠，防止損傷到桃子。

末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。連接板2與爪座3連接在一起，以下屬于手腕部分；絲桿5固定在軸承4上，通過連接件與電機(jī)1相連；絲桿螺母6與絲桿5相互嚙合，與拉動盤7固連在一起；帶橡膠的爪子8連接在爪座3上，可繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)。其運(yùn)作過程為：電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動絲桿旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動絲桿螺母向下或移動，進(jìn)而帶動拉動盤上下移動，最后拉動盤拉動帶橡膠的爪子閉合或者推動帶橡膠的爪子張開。

3 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

桃子種植方式為均勻的間隔種植，桃子主要生長在距地50～250cm 的高度，生長不均布。桃樹的過道為一般土地或是草地，共同特點(diǎn)是：不平整、雜草多。因此我們設(shè)計(jì)一種基于SR-04測距的桃子采摘機(jī)器人。其模型如圖2所示，系統(tǒng)大體上分為兩部分：移動端、PC 端。其中：移動端主要由五大部分組成：FPV攝像頭、移動平臺、超聲波測距、機(jī)械臂及末端執(zhí)行器；PC端具有兩大目的：其一是通過計(jì)算機(jī)視覺庫對采集到的圖像進(jìn)行處理，其二則是通過串口對移動端的運(yùn)行不斷進(jìn)行調(diào)整，基于串口的通訊模式，價(jià)格合理且經(jīng)久耐用。通過USB2.0輸送各種數(shù)據(jù)，以便實(shí)時(shí)對移動端進(jìn)行人為控制。

系統(tǒng)的工作流程如下：當(dāng)整個(gè)裝置初始化完成后，F(xiàn)PV攝像機(jī)為視覺系統(tǒng)采集圖像，并通過無線圖像傳輸裝置傳回PC端進(jìn)行分析處理，檢測并識別機(jī)械手前方。若經(jīng)過PC處理的圖像中出現(xiàn)桃子，則計(jì)算出桃子所處的平面位置坐標(biāo)，并將得到的平面坐標(biāo)傳遞到機(jī)械手控制端，開始執(zhí)行定位工作；直到果實(shí)的坐標(biāo)位置在機(jī)械手圖像的中心區(qū)域。通過不斷地視覺判斷，以及移動端的調(diào)整，直到目標(biāo)桃子相對于機(jī)械手的坐標(biāo)滿足采摘條件。若視覺系統(tǒng)檢測到有多個(gè)桃子滿足采摘條件，則選取靠近做端點(diǎn)的目標(biāo)桃子優(yōu)先被采摘，再依次采摘剩下中的靠近左端點(diǎn)的桃子，采摘到的桃子放置于移動平臺前端的籃子里。機(jī)器人工作期間，工作人員可以通過 PC端監(jiān)控機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，隨時(shí)介意對機(jī)器人的工作參數(shù)與工作狀態(tài)進(jìn)行更改。

4 機(jī)械臂和移動端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 履帶驅(qū)動移動端的模型設(shè)計(jì)

根據(jù)桃子種植的過道可能為山坡或是較為崎嶇的地形，移動端應(yīng)該具備優(yōu)良的越地形性能。移動端的適應(yīng)地形運(yùn)動能力，選擇方案有兩種：其一是使用履帶式；其二是四輪直驅(qū)式。我們小組充分考慮到實(shí)際地形較為不平坦和野外工作條件較為復(fù)雜的特點(diǎn)，選擇履帶式進(jìn)行設(shè)計(jì)。單邊履帶由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動板L298N驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，減速器的減速比為1：89。通過過單邊履帶運(yùn)動模式控制移動平臺構(gòu)成機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。移動平臺使用鋰電池作為其能源，通過不同的電源處理器對各部位實(shí)施供電，如移動平臺的Mega開發(fā)板模塊需5 V 電源，而輪子的步進(jìn)電機(jī)需12V直流電源，機(jī)器臂伺服電機(jī)則是5V。

4.2 四自由度機(jī)械臂的模型設(shè)計(jì)

為使得機(jī)械臂靈活伸縮以達(dá)到良好的運(yùn)動性能，機(jī)器人采用四自由度柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)。末端的采摘手實(shí)際為三腳手爪，采摘時(shí)鍘刀剪斷果柄并且夾住剪斷的果柄，再將桃子運(yùn)送至果籃。機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)聯(lián)結(jié)的總體長度達(dá)到25 cm，亞力克板距離地面高度約為15 cm，機(jī)械臂的采摘半徑約為20cm，采摘桃子的末端執(zhí)行器坐標(biāo)允許誤差為2 cm，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)使用型號為MG995的舵機(jī)。

5 圖像處理

成熟的桃子的整體特征具有近似紅色圓球，PC端的識別方法正借鑒此特征進(jìn)行識別。圖3所示為識別程序流程圖，先由FPV攝像頭采集圖像進(jìn)行處理再進(jìn)行判斷，若判斷成功則輸出平面坐標(biāo)，若失敗則返回至獲取圖像，重新采集圖像。

6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 硬件設(shè)計(jì)

桃子采摘機(jī)器人為一機(jī)構(gòu)簡單的機(jī)械系統(tǒng)，圖4所示，機(jī)器人控制系統(tǒng)主要由PC控制以及下位機(jī)組成。PC端為圖5中的PC控制中心。PC 端是一臺電腦，CPU為E5-2670，主 頻 2.6G，內(nèi)存16G。PC通過 USB串口與下位機(jī)的移動端控制器通信，圖像通過FPV攝像頭無線圖像傳輸?shù)姆绞脚c視頻采集卡通信。機(jī)械臂控制器的功能主要是通過控制電機(jī)運(yùn)行以控制機(jī)械臂按照規(guī)劃的軌跡運(yùn)動，并通過控制控制采摘手閉合與張開。移動平臺控制器的功能主要是通過平臺調(diào)整機(jī)器人位置。

6.2 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)主要包括 PC 端控制、移動平臺控制器程序設(shè)計(jì)、機(jī)械臂及末端執(zhí)行器程序設(shè)計(jì)以及遙控器程序設(shè)計(jì)。PC端在VC ++環(huán)境下進(jìn)行，而下位機(jī)則是使用Mega2560控制板。主要視覺計(jì)算在PC端完成，下位機(jī)的任務(wù)主要為各個(gè)硬件驅(qū)動。整體的程序流程：PC開機(jī)初始化各個(gè)設(shè)備， 機(jī)械臂復(fù)位，通過FPV攝像頭獲取桃子圖像，并對圖像進(jìn)行預(yù)處理。若檢測到視頻流中存在成熟桃子，則獲取桃子平面坐標(biāo)，否則機(jī)器人左轉(zhuǎn)繼續(xù)捕獲桃子圖像，從第三步循環(huán)執(zhí)行，如果檢索完圖像中所有的部分，且未發(fā)現(xiàn)桃子，那么機(jī)器人原地打轉(zhuǎn)，跳至第三步開始執(zhí)行。

6.3 模型的測試

由于沒有成熟的桃子與末端執(zhí)行器的行程過短等原因，所以暫時(shí)使用成熟的蘋果代替和兵乓球代替，經(jīng)過測試撿起一個(gè)兵乓球的時(shí)間為20s。如圖所示：

7 結(jié)論

（1）機(jī)械采摘手采用“內(nèi)剛外柔”模式，即在金屬采摘手外面整合硅膠等柔軟、摩擦系數(shù)大的物體。這樣既能牢牢地抓住水果，又能防止碰壞水果。機(jī)械仿生手指，通過模擬人工采摘方式來采摘桃子。

（2）運(yùn)用智能攝像機(jī)、超聲波、實(shí)時(shí)跟蹤與定位系統(tǒng)，隨時(shí)準(zhǔn)確定位移動的水果（采摘過程中可能會搖動枝條而導(dǎo)致水果移動），在有風(fēng)的天氣下也能采摘水果。

（3）每當(dāng)采摘完一輪將要運(yùn)動到下一個(gè)地點(diǎn)采摘前，用風(fēng)扇吹動葉子，若發(fā)現(xiàn)還有水果，則摘取，這樣就可以減少漏摘的水果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]董芒，顧寶興，姬長英，張慶怡，查啟明.水果采摘機(jī)器人智能移動平臺的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，37（04）：128-133.

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