一種新型草莓自動(dòng)采摘機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李玉青，劉寧，隋秀梅，張茂云

1.長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院（長(zhǎng)春 130022）；2.長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院（長(zhǎng)春 130022）

隨著水果產(chǎn)量逐年增加，水果采摘的工作量成倍增長(zhǎng)。農(nóng)業(yè)機(jī)械化可有效代替人力完成各項(xiàng)作業(yè)，極大提高效率。

國(guó)內(nèi)研發(fā)的水果采摘成型機(jī)器人尚未見(jiàn)報(bào)道。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中等在草莓果實(shí)目標(biāo)識(shí)別和提取上己經(jīng)取得一些成果，其視覺(jué)系統(tǒng)為針對(duì)特定的呈倒三角形狀的草莓進(jìn)行了研究，并且由于其攝像機(jī)標(biāo)定方法所限，只能確定標(biāo)定平面上的草莓的位置信息，其視覺(jué)系統(tǒng)識(shí)別草莓和確定果梗采摘點(diǎn)仍舊難以實(shí)現(xiàn)[1]。

以草莓為采摘對(duì)象，針對(duì)草莓視覺(jué)識(shí)別過(guò)程復(fù)雜、定位精度不高等問(wèn)題，提出基于Core-XY收集機(jī)構(gòu)配合機(jī)器視覺(jué)、應(yīng)用末端執(zhí)行器同時(shí)工作的草莓自動(dòng)采摘機(jī)，解決原有采摘機(jī)器采摘效率低、損傷率較高的問(wèn)題，降低農(nóng)民重復(fù)購(gòu)買機(jī)具的成本。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)

該小車由整體框架、雙目視覺(jué)定位部分、五自由度機(jī)構(gòu)和收集裝置組成。采用人力推動(dòng)便攜式草莓采摘小車，整體框架由鋁型材搭建而成，小車上帶有低成本的雙目視覺(jué)攝像頭，能夠快速識(shí)別并定位草莓梗[2]。采摘機(jī)構(gòu)共有5個(gè)自由度，能實(shí)現(xiàn)采摘所需要的位置和姿態(tài)。前2個(gè)自由度由Core-XY機(jī)構(gòu)構(gòu)成，能提供水平面內(nèi)的二維運(yùn)動(dòng)，保證其在平面內(nèi)做高精度運(yùn)動(dòng)，第3個(gè)自由度由垂直于平面的絲杠導(dǎo)軌組成，與Core-XY機(jī)構(gòu)配合構(gòu)成三維運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，第4、第5個(gè)自由度由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)使機(jī)械臂采摘末端自由轉(zhuǎn)動(dòng)以適應(yīng)草莓的不同采摘角度。2個(gè)6 mm寬的2GT同步帶緊密貼合在同步輪帶動(dòng)下相向運(yùn)動(dòng)夾緊草莓莖端，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中借助前端刀片將草莓莖部切斷，草莓繼續(xù)在同步帶的帶動(dòng)下向后運(yùn)動(dòng)，掉落在沖擊力小的棉布上，沿傳送帶進(jìn)入收集盒內(nèi)循環(huán)收集，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品同時(shí)，充分考慮國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)不足，設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)外形尺寸為長(zhǎng)度×寬度×高度分別800 mm×220 mm×600 mm；采摘角度為俯仰角±45°、橫滾角±40°；單次停留采摘空間為長(zhǎng)度×寬度×高度分別500 mm×300 mm×150 mm，如圖1所示[3]。

圖1 裝置整體機(jī)構(gòu)圖

2 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方案

2.1 Core-XY機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型

小車通過(guò)視覺(jué)標(biāo)定確定草莓位置，要實(shí)現(xiàn)將工作末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置，需要保證整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中準(zhǔn)確無(wú)誤地達(dá)到目標(biāo)位置并且保持機(jī)器的平衡性[4]。Core-XY機(jī)構(gòu)輕巧、控制簡(jiǎn)單、本身平穩(wěn)性好，故采用Core-XY機(jī)構(gòu)與絲杠傳動(dòng)裝置配合實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)準(zhǔn)確的三維坐標(biāo)控制。如圖2所示。

圖2 Core-XY機(jī)構(gòu)

2.2 Core-XY機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)原理

Core-XY的工作原理是由雙馬達(dá)控制X、Y方向移動(dòng)，馬達(dá)工作方向一致時(shí)，該機(jī)構(gòu)運(yùn)到X軸；相反，則移動(dòng)到Y(jié)軸。與單個(gè)馬達(dá)控制相比，雙馬達(dá)效率更高、運(yùn)行更穩(wěn)定，從而減輕工作臺(tái)上的質(zhì)量。

在X軸上的移動(dòng)是由2個(gè)馬達(dá)牽引同步帶動(dòng)，并且與執(zhí)行元件的右側(cè)方向是一致的且靠右。在Y方向移動(dòng)時(shí)，ΔA帶動(dòng)同步帶方向在執(zhí)行元件的上方且向上，ΔB方向朝下[5]。

2.3 Core-XY機(jī)構(gòu)平衡性分析

用Inventor測(cè)量Core-XY的負(fù)載部分的質(zhì)量約2.5 kg，掛載所占用位置面積為321 394mm2，所占體積為891 441 mm3，該機(jī)構(gòu)負(fù)載如圖3[6]。

圖3 Core-XY機(jī)構(gòu)負(fù)載部件

為保證Core-XY機(jī)構(gòu)在啟動(dòng)和停止過(guò)程中不丟步，采用2個(gè)57步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)Core-XY機(jī)構(gòu)，如表1所示。

表1 Core-XY電機(jī)參數(shù)

在程序中設(shè)定Core-XY機(jī)構(gòu)線速度最大為10 cm/s停止時(shí)間最短為0.1 s，慣性力F為

Inventor測(cè)量Core-XY的負(fù)載部分的質(zhì)量約2.456 kg，代入式（3）可得F≈2.456 N。

2個(gè)電機(jī)均攤負(fù)載（步進(jìn)電機(jī)同步輪直徑R=13 mm，摩擦力3 N）情況下：

代入數(shù)據(jù)得出M=0.035 4 N·m。

M小于上圖中的1.2 N·m，步進(jìn)電機(jī)的扭矩足夠提供負(fù)載的慣性力，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)丟步的情況，所以選用的電機(jī)能夠很好滿足Core-XY機(jī)構(gòu)的精確度要求。

2.4 滾珠絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)分析

在空間Z軸方向上位置坐標(biāo)確定，采用絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，使用42/57線性滾珠導(dǎo)軌滑臺(tái)，滑臺(tái)導(dǎo)程為4 mm，杠直徑12 mm，有效行程300 mm。如圖4所示。

圖4 絲杠運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

2.5 絲杠力學(xué)分析

由于絲杠垂直安裝，采用CBX滾珠絲杠中的1204型號(hào)，垂直載重10 kg。直線導(dǎo)軌承重與導(dǎo)向，步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，假設(shè)承重最大負(fù)載1 kg（包含滑塊草莓在內(nèi)），無(wú)徑向負(fù)載[7]，不考慮徑向切削力，根據(jù)采摘草莓時(shí)的實(shí)際情況，設(shè)綜合摩擦力μ為0.1。

式中：F為軸向載荷；f為絲杠的徑向切削力；μ為導(dǎo)件的綜合摩擦系數(shù)；N為重量。

假設(shè)進(jìn)給絲杠效率為0.94（根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料查詢），扭矩計(jì)算如式（6）。

式中：T為驅(qū)動(dòng)扭矩；L為絲杠導(dǎo)程；而42步進(jìn)電機(jī)的扭矩為0.42 N·m，結(jié)合計(jì)算所得，采用的絲杠電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置能夠達(dá)到效果。

2.6 Core-XY機(jī)構(gòu)與絲杠滑臺(tái)連接件應(yīng)力分析

為保證X、Y、Z坐標(biāo)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)性，在Core-XY機(jī)構(gòu)與絲杠滑臺(tái)需要一個(gè)非常穩(wěn)固的連接件，保證能夠協(xié)調(diào)運(yùn)作[8]。連接件的材料為鋁合金1060，上下表面固定，中間絲杠導(dǎo)通，假設(shè)絲杠滑臺(tái)與采摘手末端質(zhì)量為1.5 kg，估算要給連接件與絲杠滑臺(tái)接觸表面給一個(gè)均勻分布的外部載荷0.1 N·m，兩側(cè)面給均勻分布的外部載荷0.01 N·m，得到其應(yīng)力變形分布圖如圖5所示。

圖5 連接件應(yīng)力分布圖

Core-XY結(jié)構(gòu)與絲杠滑臺(tái)的連接件，零件將承受較大的應(yīng)力，利用Soildworks軟件對(duì)零件進(jìn)行受力分析，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠滿足運(yùn)動(dòng)要求，同時(shí)實(shí)物制作過(guò)程中，這個(gè)零件也能穩(wěn)定的連接滑臺(tái)和Core-XY機(jī)構(gòu)，減小誤差[9]。

2.7 Core-XY機(jī)構(gòu)與絲杠滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制策略

scale=4.897/10*2 #13 mm同步輪

scale_z=5 #50步1 mm

global temp_x

#global pos_x

global temp_y

#gLobal pos_y

global temp_z

D_X=pos_x-temp_x

D_Y=pos_y-temp_yl

D_A_MOTOR=int ((D_X+D_Y)*scale)

D_B_MOTOR=int ((D_X-D_Y)*scale)

D_z_MOTOR=int (pos_z-temp_z)*scale_z

if pos_x＞1000 or pos_y＞4000 or pos_z＞2000:

print (“out of x_range !”)

else: #1000步63 mm

if temp_x !=pos_x or temp_y !=pos_y:

#pos_x=int (pos_x*15.0)

Data_negative (ex65, exe, D_A_MOTOR)

#cv2.putText (img1_rectified, str (pos_x-temp_x),(500, 250), font, 1, (255, temp_x=pos_x

data_negative (0x05, 0x01, D_B_MOTOR)

#cv2.putText (img1_rectified, str (pos_y-temp_y),(500, 350), font, 1, (255,

temp_y=pos_y

if temp_z !=pos_z:

3 視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)

3.1 攝像頭標(biāo)定

樹(shù)莓派通過(guò)USB接收攝像頭的圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理識(shí)別定位后，計(jì)算出路徑和各個(gè)關(guān)節(jié)的角度，通過(guò)串口發(fā)送16進(jìn)制數(shù)據(jù)到STM32下位機(jī)，下位機(jī)發(fā)送多路脈沖信號(hào)來(lái)控制各個(gè)舵機(jī)的角度和步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)，工作流程圖如圖6所示。利用機(jī)械臂回原點(diǎn)的功能，用于對(duì)齊機(jī)械手坐標(biāo)系和基坐標(biāo)系，Core-XY機(jī)構(gòu)和步進(jìn)電機(jī)絲杠機(jī)構(gòu)的行程邊緣均有碰觸開(kāi)關(guān)，用于回原點(diǎn)的反饋。采用MATLAB的立體視覺(jué)標(biāo)定箱來(lái)獲取單個(gè)攝像頭的內(nèi)參，切線畸變和徑向畸變系數(shù)，以及2個(gè)攝像頭之間的旋轉(zhuǎn)關(guān)系和平移關(guān)系，便于之后的雙目定位[10-11]（如圖7所示）。

圖6 控制流程圖

圖7 MATLAB立體攝像頭標(biāo)定箱

3.2 視覺(jué)定位系統(tǒng)

Haar特征是一種反映圖像的灰度變化的，像素分模塊求差值的一種特征[12-13]。它分為3類：邊緣特征、線性特征、中心特征和對(duì)角線特征。用黑白兩種矩形框組合成特征模板，在特征模板內(nèi)用黑色矩形像素和減去白色矩形像素和表示這個(gè)模版的特征值。機(jī)器人采用OpenCV3跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，用Python語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，綜合運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)拍照采集2 000張成熟草莓各個(gè)角度的圖片，來(lái)進(jìn)行Haar訓(xùn)練，也就是說(shuō)，程序能夠認(rèn)識(shí)草莓的形態(tài)，不再通過(guò)簡(jiǎn)單的顏色區(qū)分來(lái)判別草莓，大幅提高低照度和高亮度情況下的草莓識(shí)別率，提高草莓識(shí)別的魯棒性。開(kāi)發(fā)的程序能夠同時(shí)識(shí)別多個(gè)草莓，也開(kāi)發(fā)草莓姿態(tài)預(yù)估的功能，能夠傳遞數(shù)據(jù)給機(jī)械手橫滾角的大小，提高草莓采摘的適用性[14-15]。雙目視覺(jué)識(shí)別定位程序?yàn)楠?dú)立完成，平均坐標(biāo)采樣頻率5次/s，深度精度±3 mm，通過(guò)比較成熟顏色的面積與草莓整體輪廓面積之比確定是否要摘取果實(shí)；對(duì)于多果密集分布的情況，根據(jù)不同的深度來(lái)進(jìn)行區(qū)分；果實(shí)采摘點(diǎn)張通過(guò)雙目視覺(jué)定位得到（如圖8所示）。

圖8 視覺(jué)定位系統(tǒng)

4 結(jié)果與分析

通過(guò)草莓采摘試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量草莓果實(shí)大小，如表2所示。

表2 草莓大小參數(shù)

草莓大小是實(shí)驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一，是評(píng)價(jià)采摘效率重要指標(biāo)，通過(guò)表2可知，草莓平均質(zhì)量在16 g左右，大小適中，采用該草莓用于后面草莓采摘工作效率實(shí)驗(yàn)，如表3所示。

表3 草莓采摘實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，采用雙目視覺(jué)識(shí)別定位，識(shí)別采摘草莓成熟程度為90%，按照草莓平均質(zhì)量16 g估算，采摘速度為325.6顆/h，采摘成功率為88%。采摘不成功原因主要來(lái)自草莓分布不均勻、有的甚至被頸部葉子遮蓋，視覺(jué)系統(tǒng)無(wú)法精確定位，末端執(zhí)行器無(wú)法采摘，通過(guò)人力彎腰去輔助采摘，進(jìn)而增加勞力，降低工作效率，為此對(duì)手推采摘小車進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 優(yōu)化建議

設(shè)計(jì)采摘小車時(shí)也考慮到農(nóng)民使用產(chǎn)品的舒適性，保證在長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)范圍內(nèi)，不容易疲勞。通過(guò)查詢資料，根據(jù)人體工程學(xué)，人在直立行走時(shí)手臂的高度在1 050～1 450 mm之間最為舒適，所以將小車推手末端設(shè)計(jì)為高度距離地面高度為1 200 mm，同時(shí)，推手傾角可調(diào)，更加方便農(nóng)民采摘。如圖所示，推手角度通過(guò)一個(gè)帶有豁口的連桿調(diào)節(jié)，豁口可以卡在3個(gè)凸起位置，來(lái)達(dá)到不同的推手角度（如圖9所示）。

圖9 優(yōu)化位置和加工后實(shí)物

6 結(jié)論

該文重點(diǎn)對(duì)Core-XY機(jī)構(gòu)的草莓自動(dòng)采摘機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，以此驗(yàn)證使用低成本Core-XY機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)裝置可以負(fù)載2.5 kg的質(zhì)量，在利用Soildworks對(duì)Core-XY結(jié)構(gòu)與絲杠滑臺(tái)的連接件進(jìn)行應(yīng)力分析，以滿足強(qiáng)度校核，對(duì)末端執(zhí)行器和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且制作出實(shí)物樣機(jī)，通過(guò)對(duì)采摘小車采摘草莓試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該小車體積小、效率高，減少由于人力彎腰采摘帶來(lái)的不便，使果農(nóng)采摘草莓更加便捷。根據(jù)使用感受及人體工程學(xué)設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行了二次優(yōu)化，增加了工作效率，有很高的市場(chǎng)前景和市場(chǎng)推廣價(jià)值。