基于自動化的蘋果采摘機器人

劉國棟 楊孟杰 張應紅 孫元廣

摘 要：蘋果是具有長久的季節(jié)性的水果，且人工采摘的勞動強度大，風險高，成本高。解決人工采摘蘋果的問題需要將農(nóng)業(yè)與工業(yè)智能化的結(jié)合。為此設(shè)計一種五自由度，滿足工作空間的基于自動化的蘋果采摘機器人。該機器人通過工業(yè)攝像機、紅外線探頭采集外部環(huán)境信息，并傳遞到電源控制模塊，從而控制以步進電機、舵機的源動力的驅(qū)動，進一步控制各個機械臂和機械手的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對蘋果的自動化的采摘。

關(guān)鍵詞：采摘蘋果；自動化；工業(yè)攝像機；機械手

引言：隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣化和精確化、規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求也正在逐漸提高，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程，實施智能化農(nóng)業(yè)，廣泛應用農(nóng)業(yè)機器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強度，提高經(jīng)濟效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對于降低人工勞動強度和采摘成本、保證蘋果適時采收，研究滿足工作空間的自動化采摘機器人對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化和提高經(jīng)濟效益具有重大的意義。

1.蘋果采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1機器人的方案設(shè)計：

采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)圖主要由底座、腰部，大臂，肘部，小臂，末端機械手等主要部分組成，其總體結(jié)構(gòu)簡圖1.1所示。該機器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機器人類似，具有五個自由度的工作空間，分別是自由度1（腰部回轉(zhuǎn)），自由度2（大臂旋轉(zhuǎn)），自由度3（小臂旋轉(zhuǎn)），自由度4（肘回轉(zhuǎn)），自由度5（機械手旋轉(zhuǎn)）。

1.2移動平臺方案的確定：

在確定設(shè)計方案以后對機器人的移動載體采取分析并進行選擇。

（1）履帶式移動平臺特點及存在問題

特點 a. 轉(zhuǎn)向半徑小，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

b.支撐地面的面積大，下陷度小，滾動阻力大，越野機動性能好；在松軟或者潮濕的土地環(huán)境中具有較好的越障能力。

c.履帶支撐面上有很多履齒，行走時不容易打滑，附著性能好；。

存在問題： a.履帶式移動平臺的體積和重量大，速度慢，耗能高；。

b.履帶容易磨損，需要經(jīng)常性的檢查

（2）輪式移動平臺特點及存在問題

特點： a.輪式移動平臺的能量損耗比較小。

b.相對于比較適合高速移動的場合。

存在問題： a.支撐面積小，滾動阻力小，越野機動性能不太理想，不太適合于環(huán)境惡劣的路面；果園作業(yè)不夠靈活。

b.轉(zhuǎn)向半徑較大，需要較大的轉(zhuǎn)向空間

c.容易打滑，附著性能不理想。

（3）智能移動平臺最終方案確定

履帶式移動平臺適合于未加工的天然地面行走，它是輪式移動機構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。果園里的路面環(huán)境相對較差，尤其是雨后，路面很滑的情況下。采用履帶式智能移動平臺不僅有利于克服果園崎嶇不平的 路邊環(huán)境，而且在雨后更為惡劣的路面環(huán)境中仍有良好的通過性。

1.3 機械手結(jié)構(gòu) ：

采用的機械手為平行移動式機械手，如下圖所示，以電機為動力，帶動絲桿（3）轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)帶動與絲桿（3）螺旋配合的滑塊（5）前后移動，滑塊通過連接件（4）帶動左右機械手（1）進行平行移動，機械手左右端的的末端由銷 釘（2）限制住機械手的 x 軸移動，根據(jù)三點確定一個平面的定理，使機械手只能進行左右平行移動。從而實現(xiàn)采摘末端執(zhí)行器的抓取動作取決于力傳感器和視覺傳感器的信號。無論采摘的水果是大是小，只要數(shù)攏采集卡采集的力傳感器 信號達到設(shè)定安全值，末端執(zhí)行器的雙指會停止運動。如果末端執(zhí)行器抓取過程中視覺傳感器檢測到果實有滑動，則夾持雙指便會自動增加夾持力，確保在果 實不被夾傷的情況下，不會從夾持雙指中滑落。果園調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蘋果直徑一般在 50mm-100mm 之間，因此所設(shè)計的末端執(zhí)行器夾持手指之間距離為110mm。

1.4工作原理：

我們采用了圖像處理的方法，在各種天氣下采集果實的圖像。采摘過程中，工業(yè)攝像機與紅外線抬頭進行果實的定位，機器人根據(jù)機器視覺系統(tǒng)、STM32 主控芯片以及其他傳感器反饋的定位信息和避障信息來控制采摘機器人的各個部位的運動，機械手是采摘機器人的主要執(zhí)行部分，要使機械手準確找到果實位置并采摘下來，需要得到熟蘋果的位置。機械手兩端附帶壓力傳感器， 機械手夾住果實，壓力達到蘋果接近損壞的程度時，觸發(fā)舵機開關(guān)，使機械手上端的剪切執(zhí)行器會切斷樹枝。

1.5總體結(jié)構(gòu)確定

綜上所述：此次設(shè)計的機器人是履帶式移動的，主要由控制系統(tǒng)及其機械執(zhí)行系統(tǒng)組成，具有5個自由度。采摘機器人主要包括行走機構(gòu)、控制系統(tǒng)、機械手結(jié)構(gòu)、 圖像信息處理系統(tǒng)等幾大部分。如下圖1.5所示，機械手是采摘機器人的主要執(zhí)行部分，控制系統(tǒng)主要包括雙目攝像機，數(shù)據(jù)采集卡，機械臂控制器，末端采集控制 器，電機驅(qū)動器以及各傳感器和各個控制電路等。移動平臺包括固定平臺，底盤機架，履帶式行走裝置等。

2.系統(tǒng)控制方案設(shè)計

2.1整體控制方案

采摘機器人選用STM32F103C8T6為主控芯片，左右步進電機帶動履帶為采摘機器人提供動力以及方向控制，機械手臂的每一個自由度對應一個舵機，實現(xiàn)對機械手臂動作的控制，處理工業(yè)攝像機得到的數(shù)據(jù)后，再完成一系列采摘動作。

2.2主控芯片選擇

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，運行速度快，可利用DMA模式下處理數(shù)據(jù)，減輕負擔，定時器在PWM模式能同時產(chǎn)生多路PWM波，實現(xiàn)多個舵機控制。系統(tǒng)框圖如下：

2.3電源模塊

12V鋰電池作為主電源，可以多次充放電，高效且充電效率高。

單片機由于使用電壓一般在3.3V～6.0V之間，利用降壓模塊將電壓降到5V對舵機以及單片機供電。

2.4行走控制系統(tǒng)

步進電機由單片機控制，但所需要的驅(qū)動電流過大，單片機負荷不起，需要電機驅(qū)動模塊來產(chǎn)生較大電流驅(qū)動電機，避免燒壞單片機。

2.5機械臂控制

舵機體積小，重量輕，扭矩大，常用于精確的角度控制?？梢詼p少舵機占用空間，減輕機械手臂重量，使機械手臂能有較大的承重力，機械手能有足夠的力夾緊水果，精確的角度控制能減少誤差，避免重復定位，夾漏等失誤操作主控芯片產(chǎn)生一個控制信號，控制信號由接收機的通道進入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。

3.結(jié)束語

本文從機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和機器的控制系統(tǒng)來對蘋果采摘機器人的設(shè)計進行研究，確定其基礎(chǔ)組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制方法。在蘋果采摘的定位信息上采用一種基于OpenCV的雙目立體視覺技術(shù)，并反饋到由ARM+PC協(xié)同的控制系統(tǒng)，驅(qū)動五自由度的機械人進行采摘工作，并且配備履帶式的移動平臺，使其工作更加具有靈活性和實用性，對人類的未來智能農(nóng)業(yè)發(fā)展具有深遠意義。

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