一種采摘機器人的設(shè)計

冷俊男 陳毅豪

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

1 一種采摘機器人結(jié)構(gòu)組成

包括行走底盤和設(shè)置在行走底盤上的采摘臂、收集裝置和控制器；采摘臂的末端靠近機械爪的位置設(shè)置有攝像頭；行走底盤包括底盤本體，底盤本體底部中央設(shè)置有識別路線的傳感器，四角分別設(shè)置有麥克納姆輪；麥克納姆輪通過相應(yīng)的直流電機、電機減震連接件與底盤本體之間還設(shè)置有減震彈簧；收集裝置包括收集箱，至少一對擺桿和傾倒舵機，擺桿上端和收集箱連接，擺桿下端與傾倒舵機的輸出軸連接，傾倒舵機固定在底盤本體上。

圖1 采摘機器人立體結(jié)構(gòu)圖

收集箱是一上闊下窄的容納箱，收集箱的一側(cè)斜面與擺桿上端連接，收集箱的橫截面是一五邊形結(jié)構(gòu)；采摘臂包括旋轉(zhuǎn)底座、大臂、小臂和機械爪；旋轉(zhuǎn)底座與底盤本體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動連接且由底座舵機驅(qū)動，大臂通過大臂舵機與旋轉(zhuǎn)底座俯仰轉(zhuǎn)動連接，小臂通過小臂舵機與大臂俯仰轉(zhuǎn)動連接，機械爪通過腕部舵機與所有小臂的末端轉(zhuǎn)動連接，且機械爪由機械爪開合舵機驅(qū)動；底座舵機、大臂舵機、小臂舵機、腕部舵機、機械爪開合舵機與控制器連接。大臂和小臂均包括一對平行設(shè)置的臂桿。傳感器是灰度傳感器，傳感器有多個，多個傳感器呈矩形分布且通過傳感器安裝板設(shè)置在底盤本體底部。底盤本體是一框架結(jié)構(gòu)，框架結(jié)構(gòu)的上表設(shè)置有亞克力平板。

2 一種采摘機器人工作過程

本設(shè)計在工作時，當(dāng)機器人的前排傳感器或后排傳感器識別到循跡線時，機器人發(fā)出信號，使得車輪驅(qū)動電機控制轉(zhuǎn)速，使車輪驅(qū)動電機降低轉(zhuǎn)速，直到中排傳感器識別到地面標(biāo)識時，機器人停止在地面標(biāo)識上。

圖2 采摘機器人俯視圖

采摘臂的舵機會根據(jù)接收的信號，控制底部固定架旋轉(zhuǎn)一定角度，驅(qū)動電機會根據(jù)接收的信號旋轉(zhuǎn)一定角度，并控制臂桿轉(zhuǎn)過一定的角度，當(dāng)機械爪移動到果實所在位置時，攝像頭會識別前方有無果實，如果有，會發(fā)出信號給舵機，控制機械爪將果實抓取，抓取果實之后，會發(fā)送信號給舵機、驅(qū)動電機，將物體送至收集箱。

在機器人不在卸載區(qū)時，舵機會鎖死收集箱門，使其承受果實壓力而緊閉，當(dāng)達(dá)到卸載區(qū)時，機器人發(fā)出信號給舵機，讓其轉(zhuǎn)動，控制收集箱門打開，收集箱底部有一個從后部向前部傾斜的傾斜底板，使得卸載果實時，利用果實的自重，讓其自然滑落。

本設(shè)計采用灰度傳感器，能夠準(zhǔn)確識別路線；采用了舵機控制收集箱門，收集箱底部采用了傾斜底板，使得收集的物體自動卸載；采用攝像頭視覺技術(shù)，可以準(zhǔn)確識別目標(biāo)處有無物體，使用方便，自動化程度高，可以代替人工進(jìn)行長時間采摘工作，節(jié)省人力物力。

工作時，在采摘機器人移動過程中，傳感器用于矯正采摘機器人在移動過程因麥克納姆輪打滑所產(chǎn)生的偏差。當(dāng)攝像頭視界內(nèi)出現(xiàn)成熟果蔬時，采摘機器人旋轉(zhuǎn)，將目標(biāo)果蔬移至攝像頭視界中央，然后前進(jìn)，直至目標(biāo)果蔬閾值達(dá)到初始條件，采摘機器人行走底盤停止移動，采摘臂開始工作。

圖3 采摘機器人側(cè)視圖

當(dāng)采摘臂末端的攝像頭尋找到成熟果蔬后，大臂舵機、小臂舵機、腕部舵機工作，帶動大臂、小臂動作，使機械爪靠近目標(biāo)蔬果，在攝像頭世界內(nèi)目標(biāo)蔬果像素點達(dá)到閾值時，說明機械爪已經(jīng)能夠抓取到目標(biāo)蔬果，機械爪開合舵機動作，機械爪抓取到目標(biāo)果實，底座舵機、大臂舵機、小臂舵機、腕部舵機旋轉(zhuǎn)至固定角度，將蔬果放至收集箱中，完成一次采摘。

3 結(jié)語

本設(shè)計是一種基于獨立懸掛式麥克納姆輪和機器視覺的采摘機器人，麥克納姆輪可以實現(xiàn)采摘機器人的全向移動，保證了各個麥克納姆輪的完全接地，攝像頭用于識別可采摘蔬果；在具體應(yīng)用過程中，可以實現(xiàn)地面果蔬的抓取、采摘并收集、傾倒，節(jié)省人力，降低生產(chǎn)成本，提高勞動效率。這種采摘機器人可以替代一些農(nóng)業(yè)、林業(yè)的人工采摘。