農(nóng)業(yè)果樹采摘機器人功能實現(xiàn)及試驗研究

陳振鵬

摘?要：水果產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟型產(chǎn)業(yè)，也是提高人民生活水平、保持社會穩(wěn)定的重要產(chǎn)業(yè)。針對傳統(tǒng)人工采摘水果效率低下、經(jīng)濟成本高的問題，說明了自動采摘水果機器人研究的必要性，并給出了果樹采摘機器人功能實現(xiàn)主要方式，對主要的技術(shù)參數(shù)作出了試驗驗證方法與思路。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);果樹采摘機器人;功能;技術(shù)實現(xiàn);試驗

中圖分類號：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.013

隨著生活水平的提升，水果已成為我國人民生活中必不可少的食品，我國蘋果、梨、橘子等眾多水果產(chǎn)量位居世界前列。對于現(xiàn)階段的水果生產(chǎn)而言，大規(guī)模果園的生產(chǎn)耗費了大量的人力資源，且采摘過程的經(jīng)濟成本很高，尤其對于水果采摘來說，更是費時費力，且很多水果具有明顯的時令性，快速采摘也成為了保證其高品質(zhì)銷售的基礎(chǔ)。針對這一問題，我國對于水果采摘機器的研究也投入了大量的人力物力，相關(guān)的研究已達(dá)30年以上，現(xiàn)階段對于蘋果、橘子、西紅柿等的采摘機器人理論研究已十分豐富，相信相關(guān)機具的普及也會很快實現(xiàn)。

1?果樹采摘機器人的研究情況

我國現(xiàn)階段對果樹采摘機器人的研究多來自于科研院所及各大高校的農(nóng)機專業(yè)，相關(guān)研究重點在于采摘動作執(zhí)行、果實識別、自動導(dǎo)航行駛等方面。研究的難點問題包括：（1）自動識別技術(shù)受環(huán)境影響較大，光照條件、樹葉遮擋、果實形狀顏色不同都會影響視覺識別的準(zhǔn)確性;（2）采摘方式的柔性化。由于采摘不能破壞水果表面，對于脆嫩、形狀各異、位置不同的水果，需要實現(xiàn)無害化的采摘;（3）機械手需具備良好的避障能力。在滿足高效率采摘的過程中，機械手執(zhí)行動作還必須避開樹枝的遮擋，避免對機械手造成損壞，或?qū)Σ烧乃斐晒蝹?/p>

目前來看，水果采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)和自動化技術(shù)發(fā)展已比較成熟，但是智能識別技術(shù)、水果識別算法、避障技術(shù)的研究還需突破關(guān)鍵技術(shù)，才能保證水果采摘機器人技術(shù)得到全面提升，并為未來產(chǎn)業(yè)化提供足夠的技術(shù)保證。

2?關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)方式

2.1?基本結(jié)構(gòu)

果樹采摘機器人由三大部分組成，分別為移動平臺、機械臂、識別及控制系統(tǒng)，如圖1所示。移動平臺是采摘機器人運行的基礎(chǔ)，采摘機器人的行駛動力和運轉(zhuǎn)電能均來自于移動平臺。通常情況下移動平臺包括了常規(guī)底盤結(jié)構(gòu)，如傳動結(jié)構(gòu)、車輪或履帶和功能部件安裝架體，能夠在實現(xiàn)行使功能的同時為控制系統(tǒng)和機械手臂提供充足的安裝位置，并具有一定的功能擴展能力。機械臂安裝于移動平臺上，能夠?qū)崿F(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)、伸縮等多種功能，以保證采摘手在特定空間范圍內(nèi)到達(dá)任意位置，滿足對果實的采摘要求。識別及控制系統(tǒng)主要用來定位目標(biāo)水果位置，控制采摘機器人行駛至目標(biāo)附近，并由機械手臂完成采摘工作。

2.2?關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)

2.2.1?機械臂的動作執(zhí)行

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機械臂的設(shè)計也越來越科學(xué)化，其形式和功能也多種多樣，本次研究采用了典型的機械臂結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)動作執(zhí)行的相關(guān)要求。圖2為機械臂結(jié)構(gòu)，其主要包括了電動推桿、伺服電機、臂體、扭轉(zhuǎn)電機、座板等幾大部分，電動推桿主要實現(xiàn)伸縮的功能，而伺服電機起到豎直方向位置的調(diào)節(jié)，扭轉(zhuǎn)電機實現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動，以此實現(xiàn)空間范圍上使采摘手到達(dá)指定區(qū)域的任意位置，以便于通過采摘手夾持水果并利用電動刀具實現(xiàn)梁柄切割。除此之外，機械臂整體可以在移動平臺上通過氣缸升高，以滿足不同高度果實采摘的需求。

2.2.2?移動平臺的結(jié)構(gòu)與功能

移動平臺設(shè)計有兩種方案，分別為傳統(tǒng)輪式移動平臺和橡膠履帶式移動平臺，為適應(yīng)果園地形的復(fù)雜要求，橡膠履帶式移動平臺具有更好的適應(yīng)能力，應(yīng)用可靠性更高。橡膠履帶具有很長的使用壽命，通常能達(dá)到5000 h以上，由于履帶結(jié)構(gòu)與地面接觸面積大，能顯著的減少運行過程的振動，同時有利于保護果園的地表狀態(tài)，在濕潤泥濘的路面行駛能力強，有利于作業(yè)速度的提升。移動平臺上層架體結(jié)構(gòu)具備了安裝機械臂固定座、氣缸體、水果收集筐、控制系統(tǒng)裝置和視覺識別系統(tǒng)裝置的接口，可實現(xiàn)快速裝配要求，同時，架體上還預(yù)留了技術(shù)升級的空間位置，供后續(xù)功能升級使用。

2.2.3?自動控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)主要包括三大部分，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，控制系統(tǒng)技術(shù)路線設(shè)計如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括以下幾大主要功能部件：一是位于平臺中部的雙攝像頭視覺傳感器，用以獲取果樹的具體信息，通過高清攝像頭獲取圖像，分析并獲得目標(biāo)位置;二是位于視覺傳感器下方的定位傳感器，用于確定目標(biāo)與機器人的相對位置，為系統(tǒng)線路規(guī)劃提供位置數(shù)據(jù);三是位于機械臂采摘手上的觸覺傳感器和壓力傳感器，通過力敏電阻技術(shù)精確監(jiān)測采摘目標(biāo)果實的受力狀態(tài)，當(dāng)夾持壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，可控制刀具將果柄切斷，完成采摘要求。

（2）數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過主控計算機分析特定數(shù)據(jù)實現(xiàn)路徑規(guī)劃、圖像處理、機械臂運動學(xué)計算、伺服控制、反饋信息和傳感器信息的處理等功能。相關(guān)程序有專業(yè)技術(shù)人員編制，以滿足對不同水果、不同品種之間的差異化要求。控制過程采用了臺達(dá)交流伺服系統(tǒng)與交流伺服驅(qū)動器配合，能可靠實現(xiàn)位置、速度、轉(zhuǎn)矩的控制要求，通過RS-422串行通信技術(shù)，實現(xiàn)了將機器人運行狀態(tài)信息和故障情況傳遞給主監(jiān)控系統(tǒng)，以實現(xiàn)便捷的狀態(tài)觀察和故障維護。

（3）輔助系統(tǒng)有以下幾部分組成：一是動力電源，為控制和行駛、機械臂動作提供能源支持;二是氣泵，為升降功能的氣缸提供氣動支持;三是報警指示燈，為可能出現(xiàn)的故障問題提供警報;四是人工手動遙控器，可實現(xiàn)人工近距離對機器人的控制。

3?試驗研究

采摘試驗在室內(nèi)進(jìn)行，采用塑料仿真果樹代替真實果樹，為保證試驗數(shù)據(jù)的合理性，采摘試驗共進(jìn)行10次，分別對于不同位置的蘋果進(jìn)行識別、定位、采摘與收集。試驗中通過筆記本電腦監(jiān)控識別與決策過程，實際試驗數(shù)據(jù)如下表所示，采摘過程共識別蘋果62個，成功完成采摘56次，成功率較高。

對于采摘失敗的原因進(jìn)行分析，可能原因包括：（1）蘋果生長位置附近環(huán)境因素較復(fù)雜，枝葉干擾過多易引起機械手受力而偏離采摘方向，導(dǎo)致采摘任務(wù)的失敗;（2）光影的變化導(dǎo)致果實實際位置的判斷存在偏差，使機械手采摘時的預(yù)判位置錯誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器不能捕獲目標(biāo)果實;（3）移動平臺在行駛中無法到達(dá)預(yù)期采摘位置，導(dǎo)致采摘行為無法執(zhí)行;（4）測距傳感器在執(zhí)行采摘過程中檢測到機械臂進(jìn)入距離警戒值，發(fā)出警報，導(dǎo)致采摘過程中斷。

室內(nèi)仿真實驗過程與實際果園環(huán)境仍存在較大差異，但也具有一定的指導(dǎo)意義，經(jīng)分析當(dāng)械手末端位置滿足采摘要求時，成功率很高，未來采摘機器人的優(yōu)化應(yīng)重視通過性能和避障性能的研究，以進(jìn)一步提升果樹采摘機器人的工作能力。

4?結(jié)論

通過介紹果樹采摘機器人的應(yīng)用及功能實現(xiàn)方法，闡述了現(xiàn)代化技術(shù)在果樹采摘機器人上的應(yīng)用情況，說明了現(xiàn)階段實際應(yīng)用面臨的難題，通過試驗驗證盡管水果采摘成功率較高，但成功與否仍受環(huán)境影響較大。對采摘機器人的進(jìn)一步研究應(yīng)以實際生產(chǎn)環(huán)境為試驗對象，從而提升機具的應(yīng)用能力和適用性，保證相關(guān)產(chǎn)品能更好的應(yīng)用于市場。

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