基于雙目視覺(jué)的獼猴桃剪枝機(jī)器人研究

王龍寧 張 鵬 林豐山 潘時(shí)佳 李京儒

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

我國(guó)獼猴桃總產(chǎn)量和栽培面積均已居世界第一位，產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊。但是，截至目前，獼猴桃樹(shù)剪枝方式大多仍為人工剪枝，而且需經(jīng)常找專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，嚴(yán)重依賴(lài)人工操作，不僅成本高昂，而且浪費(fèi)人力、效率低下。另一方面，隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，鄉(xiāng)村勞動(dòng)力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的速度也在加快，越來(lái)越多的農(nóng)村人民選擇到城鎮(zhèn)謀生。隨著現(xiàn)代果園種植規(guī)模擴(kuò)大，技術(shù)工短缺、成本增加等問(wèn)題突出。果樹(shù)枝干復(fù)雜性、剪枝技術(shù)性和不可逆性等問(wèn)題導(dǎo)致剪枝機(jī)械發(fā)展緩慢，成為限制水果生產(chǎn)重要因素之一[2]。因此，在此大背景下，發(fā)展獼猴桃自動(dòng)化剪枝技術(shù)，特別是研發(fā)獼猴桃智能剪枝機(jī)器人，具有重要意義，而且具有較大應(yīng)用前景。鑒于近年來(lái)使用較多且效果較好的雙目視覺(jué)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文研究了一種基于雙目視覺(jué)的獼猴桃樹(shù)剪枝機(jī)器人，旨在改善完全依靠人工剪枝的現(xiàn)狀，解決人工剪枝成本高昂、浪費(fèi)人力、效率低下等問(wèn)題。

基于雙目視覺(jué)的獼猴桃樹(shù)剪枝機(jī)器人，考慮到獼猴桃剪枝工作帶來(lái)的困難，其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括履帶形式行走底盤(pán)總成，行走底盤(pán)總成上設(shè)置有剪叉式升降機(jī)、升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器，叉式升降機(jī)的升降臺(tái)上設(shè)置有四自由度機(jī)械臂，四自由度機(jī)械臂的末端設(shè)置有末端剪枝器和雙目視覺(jué)模塊，所述升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述雙目視覺(jué)模塊、所述末端剪枝器、所述四自由度機(jī)械臂分別與所述控制器連接，所述控制器與所述行走底盤(pán)總成的遙控器通信連接。本文著重研究剪枝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)行機(jī)理，為基于雙目視覺(jué)的獼猴桃樹(shù)剪枝機(jī)器人的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

1 剪枝機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1(a)為基于雙目視覺(jué)的獼猴桃樹(shù)剪枝機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)器人由底盤(pán)、升降機(jī)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。圖1(b)是本實(shí)施方式中基于雙目視覺(jué)的獼猴桃樹(shù)剪枝機(jī)器人的上下升降示意圖。末端剪枝器用螺栓螺母連接固定在四自由度機(jī)械臂末端，有一個(gè)張開(kāi)和閉合的自由度用于剪枝動(dòng)作的執(zhí)行；雙目視覺(jué)模塊用螺栓螺母連接固定在四自由度機(jī)械臂上末端剪枝器后方，用于識(shí)別所要進(jìn)行修剪的枝條；四自由度機(jī)械臂用螺栓螺母連接固定在升降臺(tái)上，剪叉式升降機(jī)用螺栓螺母連接固定在電機(jī)支座上，四自由度機(jī)械臂和剪叉式升降機(jī)驅(qū)動(dòng)末端剪枝器到獼猴桃枝條附近。

圖1

2 剪枝機(jī)器人的工作方式

2.1 剪枝機(jī)器人執(zhí)行機(jī)理

通電后機(jī)器人啟動(dòng)，履帶式車(chē)底盤(pán)將進(jìn)行工作，使用履帶保證了機(jī)器整體的操縱穩(wěn)定性以及對(duì)復(fù)雜地形的容錯(cuò)性，有效提升了機(jī)器人對(duì)獼猴桃樹(shù)園松軟地面的適應(yīng)性，微型控制器控制四自由度機(jī)械臂默認(rèn)執(zhí)行已經(jīng)寫(xiě)入微控制器的特定動(dòng)作組使雙目視覺(jué)模塊在機(jī)械臂的帶動(dòng)下在垂直方向?？?，以方便識(shí)別待修剪枝條，并將此動(dòng)作位置作為四自由度機(jī)械臂的初始位置，然后，控制器控制升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)減速器驅(qū)動(dòng)剪叉式升降機(jī)工作，將升降臺(tái)升起適當(dāng)高度，使末端剪枝器達(dá)到枝條下方一定距離，確保四自由度機(jī)械臂執(zhí)行剪枝動(dòng)作組時(shí)末端剪枝器能夠完成枝條修剪；人工使用紅外線遙控器遙控行走底盤(pán)總成在獼猴桃樹(shù)架下勻速緩慢前進(jìn)；在行走底盤(pán)總成緩慢前進(jìn)過(guò)程中，雙目視覺(jué)模塊識(shí)別待修剪枝條，識(shí)別到后向控制器發(fā)送目標(biāo)枝條坐標(biāo)，控制器進(jìn)行分析工作，控制器向遙控器發(fā)送信號(hào)，使遙控器內(nèi)置蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者停止車(chē)身總成前進(jìn)；機(jī)器人停止前進(jìn)之后，控制器根據(jù)獲取的目標(biāo)枝條坐標(biāo)控制四自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)末端剪枝器完成對(duì)目標(biāo)枝條的修剪，修剪完成后控制四自由度機(jī)械臂復(fù)位，并向遙控器發(fā)送信號(hào)，使遙控器內(nèi)置蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者一個(gè)工作循環(huán)已完成，進(jìn)入到下一個(gè)工作循環(huán)。

2.2 剪枝機(jī)器人執(zhí)行機(jī)理分析

本文所述基于雙目視覺(jué)的獼猴桃剪枝機(jī)器人采用雙目視覺(jué)模塊1采集枝條圖像及坐標(biāo)，并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)方法對(duì)圖像進(jìn)行處理和枝條識(shí)別(主要是通過(guò)花芽的個(gè)數(shù)來(lái)確定枝條是不是待修剪枝條)，CNN方法對(duì)圖像具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)表征能力，普適性、魯棒性好。與人工剪枝相比，所述基于雙目視覺(jué)的獼猴桃剪枝機(jī)器人有自動(dòng)化程度高、節(jié)省成本及人力、操作簡(jiǎn)便、剪枝準(zhǔn)確高效等優(yōu)點(diǎn)，但因本身獼猴桃枝條在修剪時(shí)期的特殊形態(tài)，造成視覺(jué)識(shí)別較為困難，以及雙目視覺(jué)識(shí)別模塊并未成熟等問(wèn)題，有小概率出現(xiàn)目標(biāo)剪枝識(shí)別錯(cuò)誤等問(wèn)題，仍需解決。

3 結(jié)論

智能控制器使用，保證了該剪枝機(jī)器人的智能性；采用高密度鋰電池供電保證了該剪枝機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間；可遙控履帶底盤(pán)總成的設(shè)計(jì)保證了該剪枝機(jī)器人轉(zhuǎn)向前進(jìn)的通過(guò)性、靈活性以及人工操作的簡(jiǎn)便性，有效提升了機(jī)器人對(duì)獼猴桃樹(shù)園松軟地面的適應(yīng)性；剪叉式升降機(jī)和四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)保證了剪枝的可靠性，雙目視覺(jué)模塊及末端剪枝器的設(shè)計(jì)保證了其剪枝的準(zhǔn)確性與高效性。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本文所述基于雙目視覺(jué)的獼猴桃剪枝機(jī)器人與人工剪枝相比，自動(dòng)化程度高、節(jié)省成本及人力、操作簡(jiǎn)便、剪枝準(zhǔn)確高效，有很大的應(yīng)用前景及發(fā)展空間。