玫瑰采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

吳汶奇，游 越，周建平

（1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

0 引言

隨著生活水平提高，人們對(duì)玫瑰精油、玫瑰化妝品、玫瑰純露、玫瑰保健品等高端產(chǎn)品需求日益增大。目前，國(guó)內(nèi)加工的玫瑰主要依靠人力采摘，采摘花朵分類不精細(xì)，無(wú)法達(dá)到高端產(chǎn)品質(zhì)量要求，國(guó)內(nèi)精加工方面的技術(shù)基本上是一片空白，高端產(chǎn)品主要依賴進(jìn)口。

玫瑰精加工對(duì)花朵的要求嚴(yán)格，采摘時(shí)需依據(jù)花朵的顏色和尺寸等指標(biāo)進(jìn)行選擇性的采摘。目前，市場(chǎng)上還沒(méi)有完善的、可以量化生產(chǎn)并且可以采摘多種果蔬的機(jī)器人[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)于采摘機(jī)器人的研究更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)采摘機(jī)器人的要求極為迫切[2]。因此，設(shè)計(jì)一款自動(dòng)化程度高、成本低、效率高的選擇性玫瑰采摘機(jī)器人勢(shì)在必行[3]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該機(jī)器人由行走系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、導(dǎo)航尋跡系統(tǒng)和AI 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)組成，玫瑰采摘機(jī)器人整體圖如圖1所示。

圖1 玫瑰采摘機(jī)器人整體圖

1.1 行走系統(tǒng)

機(jī)器人的行走系統(tǒng)采用履帶式底盤，四周裝配紅外避障雷達(dá)，采用13.5 kg扭矩霍爾電機(jī)為機(jī)器人行走提供動(dòng)力。該電機(jī)為直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速5 r/min～1 000 r/min，且支持電壓為12 V～24 V，根據(jù)路況和負(fù)載情況自動(dòng)選取不同的輸入電壓，為機(jī)器人提供穩(wěn)定的動(dòng)力。該電機(jī)上有6個(gè)引腳，提供給客戶進(jìn)行自行改編擴(kuò)展。電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時(shí)霍爾電機(jī)保存了編碼輸入功能，在保證機(jī)器人可以向任何方向、任何角度進(jìn)行移動(dòng)的前提下，為后期擴(kuò)展留下了空間。

圖2 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

其6 個(gè)引腳功能為A1、A2、A3 控制電機(jī)的狀態(tài)，其邏輯功能如表1 所示。PA 為 PWM 波輸入（電機(jī)速度調(diào)節(jié)）；G為接地引腳；12 V為 500 mA的控電壓輸出，電機(jī)采用AB雙相增量式磁性霍爾編碼電機(jī)，它能夠減少整體電阻，可與控制板直連。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相對(duì)較小，容易減速或剎車，能夠提高采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈敏性，改善其使用條件下的安全性，當(dāng)導(dǎo)航出現(xiàn)故障時(shí)，可根據(jù)其AB 的輸出方波，計(jì)算距離，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)位置停車[4]。

表1 A1、A2、A3 引腳邏輯功能表

通過(guò)Matlab 對(duì)電機(jī)進(jìn)行模擬，作出擬合曲線如圖3 所示，可根據(jù)實(shí)際載荷設(shè)計(jì)合適驅(qū)動(dòng)速度。

圖3 擬合曲線

1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器人的爪又稱為末端執(zhí)行裝置，是機(jī)器人直接用于采摘操作的部件。圖4具有模仿人手動(dòng)作的功能，安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于本裝置是對(duì)玫瑰花進(jìn)行夾取，因此，筆者設(shè)計(jì)的是夾鉗式取料手，該執(zhí)行裝置由一個(gè)舵機(jī)、一對(duì)齒輪、一對(duì)夾取爪組成，其中夾取爪最前端裝有一對(duì)刀片，在夾取時(shí)將玫瑰的莖切斷，防止采摘花朵時(shí)對(duì)玫瑰植株造成損傷。根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的指令完成玫瑰花朵的采摘。電路如圖5所示。

圖4 夾取爪結(jié)構(gòu)圖

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路圖

舵機(jī)的通電要符合其額定電壓，否則可能會(huì)出現(xiàn)高頻抖動(dòng)，導(dǎo)致舵機(jī)出現(xiàn)打齒等情況。在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)設(shè)定電路中不同電阻值，根據(jù)P=I*U模擬不同的負(fù)載，并計(jì)算其功率，如表2 所示；繪出負(fù)載與輸出功率關(guān)系圖，如圖6所示。

表2 不同負(fù)載功率表

圖6 負(fù)載與輸出功率關(guān)系圖

通過(guò)圖像可知，輸出功率最高時(shí)，負(fù)載電阻應(yīng)在20 Ω～30 Ω，輸出功率最大。

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)選取微型電腦為主控，搭載AI 人工智能識(shí)別系統(tǒng)和北斗定位系統(tǒng)，控制機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)用Python 語(yǔ)言寫入微型電腦主板，該主板處理完信息后，將信息以電信號(hào)傳遞給各個(gè)模塊，使各個(gè)模塊在統(tǒng)一指揮中進(jìn)行統(tǒng)一行動(dòng)。該系統(tǒng)的工作順序?yàn)椋?）將采摘花朵的顏色和尺寸等指標(biāo)和采摘路線輸入系統(tǒng)中，該系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算規(guī)劃出最優(yōu)路徑，配合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)確定各個(gè)停滯點(diǎn)。2）主板將信息脈沖發(fā)送到電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)，尋跡系統(tǒng)檢測(cè)到達(dá)指定停滯點(diǎn)，向主板反饋一個(gè)信號(hào)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)激活攝像頭，AI 自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)此時(shí)鎖定待采花朵，將圖像灰度化處理后，以脈沖信號(hào)輸送到觸控板，通過(guò)KCF 算法計(jì)算出一、二、三、四級(jí)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)將PWM 信號(hào)傳輸給舵機(jī)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)，采摘鎖定的玫瑰花朵，采摘后投入指定的容器中，完成對(duì)花朵的采摘。一個(gè)區(qū)域采摘結(jié)束后，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人對(duì)下一個(gè)區(qū)進(jìn)行識(shí)別采摘?？刂七壿媹D如圖7所示。

圖7 控制邏輯圖

1.4 導(dǎo)航尋跡系統(tǒng)

玫瑰花采摘機(jī)器人配備導(dǎo)航尋跡系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠確保在大型采摘場(chǎng)多批次機(jī)器人協(xié)同無(wú)縫采摘，且能根據(jù)場(chǎng)地自動(dòng)校正路線，防止出現(xiàn)偏離路線現(xiàn)象。本機(jī)器人導(dǎo)航尋跡系統(tǒng)采用我國(guó)自主研制的北斗系統(tǒng)，該系統(tǒng)民用版誤差在1 m以內(nèi)。配合3S 技術(shù)，可以完成大體上的路線規(guī)劃與定位。為了精細(xì)行進(jìn)路線，防止機(jī)器人偏離路線，在機(jī)器人兩側(cè)增加了2排8路的傳感器，這樣可以通過(guò)北斗和傳感器相互之間的配合，形成誤差補(bǔ)償。該傳感器以二值狀態(tài)工作，當(dāng)行駛在預(yù)定路線時(shí)，輸出12 V高電壓；當(dāng)偏離路線時(shí)，輸出0低電壓。這樣根據(jù)高低電壓的反饋，決定電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低，根據(jù)轉(zhuǎn)速的高低就可以自動(dòng)調(diào)整路線[4]。借助計(jì)算公式：

得到偏移誤差的公式 :

然后根據(jù)各傳感器的偏移誤差得到總體的偏移誤差：

通過(guò)北斗系統(tǒng)輸人x、y坐標(biāo)，配合傳感器的俯視探測(cè)角度，可以得到機(jī)體需要的旋轉(zhuǎn)角度。

1.5 AI自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)

AI自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)定根據(jù)花朵的顏色和尺寸指標(biāo)，機(jī)器自動(dòng)對(duì)區(qū)域內(nèi)的花朵圖像進(jìn)行提取以及灰度化處理,提取出其中的要素點(diǎn)，智能識(shí)別符合采摘要求的目標(biāo)花朵，依次將目標(biāo)信息傳給微型電腦。為了使機(jī)器人在遮擋條件下依舊能夠精準(zhǔn)識(shí)別花朵，筆者選取了KCF算法，并且針對(duì)該算法的部分弊端進(jìn)行了優(yōu)化。

1.5.1 控制算法邏輯

在玫瑰采摘的過(guò)程中，由于整個(gè)過(guò)程是一一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，且在有遮擋的情況下對(duì)目標(biāo)跟蹤的準(zhǔn)確率與跟蹤速度有著較高的要求，而傳統(tǒng)Python里的算法只能在無(wú)遮擋的環(huán)境下完成智能識(shí)別。因此，本機(jī)器人采用的是KCF(Kernel Correlation Filter)算法。該算法將傅里葉變換和循環(huán)矩陣相結(jié)合,提升相關(guān)反應(yīng)速度,并利用H0G特征與核函數(shù)結(jié)合解決跟蹤精度。

該算法中的樣本存在一定的區(qū)別度，為精準(zhǔn)區(qū)別，本算法優(yōu)化了循環(huán)算法，該算法是一一個(gè)二維向量，為了方便理解，可以從一維向量開始演算。

將該方式運(yùn)用到二維向量中，便可以發(fā)現(xiàn)圖片在垂直方向.上發(fā)生平移,可自動(dòng)將圖片調(diào)整到正常位置。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，可以看到垂直方向位移循環(huán)效果，如圖8所示。

對(duì)其進(jìn)行傅里葉矩陣變換，得到以下公式:

如圖8實(shí)驗(yàn)所示，在邊緣附近都會(huì)存在一定的邊緣效應(yīng)，此時(shí)可加入余弦窗口進(jìn)行填充與掩膜。

圖8 垂直方向位移循環(huán)圖

1.5.2 攝像頭相關(guān)算法

雙目立體視覺(jué)是通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)技術(shù)模仿了人兩只眼睛捕捉到的信息,并對(duì)捕捉到的信息進(jìn)行處理分析,可以得到目標(biāo)物體的坐標(biāo)位置[5]。攝像頭為hv3808 鏡頭，該攝像頭是COMS 的傳感類型，擁有30 萬(wàn)動(dòng)態(tài)像素，能提供480 P、30 PFS 高清晰度延遲圖像，可將拍攝到的照片以最低0.1LUX傳到微型電腦Open Source CV圖像處理庫(kù)，由于需要對(duì)玫瑰花的位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位，普通的單攝像頭無(wú)法完成相關(guān)定位，因此采用雙目攝像頭。雙目攝像頭的原理和人類的雙眼定位原理相同，如圖9所示。

圖9 雙攝原理圖

圖中OL和OR分別為左右兩個(gè)成像設(shè)備的光軸中心，則OLOR即為基線，長(zhǎng)度表示為B,分置于兩邊的圖像用L和R來(lái)表示，P點(diǎn)是選取的任意一個(gè)空間目標(biāo)點(diǎn)，距離目標(biāo)最短的垂直距離可以用z 來(lái)表示。設(shè)該攝像頭的焦距為，于是可以得到以下公式：

通過(guò)該公式，可以確定任意可視范圍類的物體距離，為下一步的采摘預(yù)設(shè)好坐標(biāo)。

該雙目攝像頭采用的Census 算法，比傳統(tǒng)算法在識(shí)別較多有順序物體時(shí)存在一定的優(yōu)勢(shì)。但是其計(jì)算方式由于總是需要一個(gè)中心點(diǎn)，當(dāng)中心點(diǎn)無(wú)法確定時(shí)，部分區(qū)域圖像信息的平滑度將會(huì)受影響變得較低，為了解決這種問(wèn)題，對(duì)該算法進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化算法如下所示：

ave(x,y)表示以中心點(diǎn)為匹配點(diǎn)的所有像素的平均灰度值，（X’,Y’)代表該圖像中任意一點(diǎn)的像素點(diǎn)，（x’+i,y’+i)為下一像素點(diǎn)。

以一張嬰兒圖片來(lái)進(jìn)行仿真模擬，如圖10所示。

圖10 仿真圖

通過(guò)上圖可以發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后，圖像中的噪點(diǎn)明顯減少，抗干擾能力明顯加強(qiáng)。通過(guò)大量模擬實(shí)驗(yàn)，得出優(yōu)化前后的誤匹配對(duì)比率如表3所示。

表3 誤匹配對(duì)比率

2 機(jī)械人測(cè)試

2.1 抓取測(cè)試

當(dāng)機(jī)器人開機(jī)時(shí)，設(shè)定特定的舵機(jī)復(fù)位伺服角度x=1 500，y=1 500，z=1 500，機(jī)械爪初始狀態(tài)如圖11所示。

圖11 機(jī)械爪初始狀態(tài)

機(jī)械爪在抓取玫瑰花朵時(shí)，準(zhǔn)確率高，效果穩(wěn)定，如圖12所示。

圖12 機(jī)械爪抓取目標(biāo)

為了測(cè)試機(jī)器人的平均工作狀態(tài)和工作性能，根據(jù)大數(shù)定律，判斷機(jī)器人的工作穩(wěn)定性及各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)如下項(xiàng)目進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 測(cè)試統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在采摘過(guò)程中的成功率大都在95%以上，實(shí)驗(yàn)較為成功。在分析采摘效果時(shí)發(fā)現(xiàn)失誤點(diǎn)大多出現(xiàn)在角落里，在這種角落里機(jī)械爪的活動(dòng)受到限制。為了解決此問(wèn)題，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，采用電機(jī)傾轉(zhuǎn)配合機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)，通過(guò)讀取霍爾傳感器的位置信號(hào)與機(jī)械爪的舵機(jī)傾轉(zhuǎn)信號(hào)，判斷花朵所在位置，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制器對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速做閉環(huán)控制，根據(jù)歐姆定律，控制輸出的相電壓即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。這種控制方法通過(guò)簡(jiǎn)單的六步換向改變電樞磁場(chǎng)，引領(lǐng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整電機(jī)位置，達(dá)到盲區(qū)采摘效果，相關(guān)控制如圖13所示。

圖13 方波控制邏輯圖

2.2 定位測(cè)試

在實(shí)際操作中，機(jī)器人的定位誤差以及誤差校正決定著采摘的準(zhǔn)確性和安全性，為此做了以下實(shí)驗(yàn)，相關(guān)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 定位誤差統(tǒng)計(jì)表

相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在200 m距離，誤差不超過(guò)0.6 m，誤差率0.30%，說(shuō)明機(jī)器人的平均距離誤差在可接受的誤差范圍之內(nèi)，基本為一個(gè)可以預(yù)測(cè)的值，可以準(zhǔn)確控制機(jī)器人的位置。

2.3 信號(hào)傳輸強(qiáng)度測(cè)試

在玫瑰采摘中，機(jī)器人往往在野外作業(yè)，為監(jiān)測(cè)到采摘效果，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)械故障，需要實(shí)時(shí)圖傳把現(xiàn)場(chǎng)畫面?zhèn)鬏敾貋?lái)，方便操作人員進(jìn)行監(jiān)管。在圖傳信號(hào)輸出端采用楓葉2.4G八目定向天線，并測(cè)試了其輻射度，如圖14所示。

圖14 輻射圖

通過(guò)Matlab 模擬軟件進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)輻射范圍可以達(dá)到20 km，足以應(yīng)對(duì)國(guó)內(nèi)大多數(shù)采摘場(chǎng)地。相關(guān)結(jié)果如圖15所示。

圖15 輻射范圍圖

模擬圖中圓點(diǎn)為信號(hào)優(yōu)良點(diǎn)，五角星為信號(hào)丟失點(diǎn)，三角形為信號(hào)良好點(diǎn)，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)大多數(shù)隨機(jī)點(diǎn)的信號(hào)在良好以上，滿足使用要求。

3 結(jié)論

筆者闡述了選擇性玫瑰采摘機(jī)器人的硬件、軟件設(shè)計(jì)，并完成了實(shí)驗(yàn)?zāi)M測(cè)試，該機(jī)器人能根據(jù)人們的需求選擇性采摘玫瑰，替代了人工采摘，提高了采摘效率，對(duì)玫瑰精加工是革命性進(jìn)步。隨著玫瑰采摘水平需求增高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，玫瑰采摘機(jī)器人智能化也變得越來(lái)越重要。在以后的研究中，要加入5G 技術(shù)，為機(jī)器人系統(tǒng)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸和較低的通信時(shí)延，提高機(jī)器人對(duì)環(huán)境和控制命令的反應(yīng)，最大程度優(yōu)化機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)算能力[5-6]。這需要在設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面要有前瞻性，更多地使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)出效率更高、實(shí)用性更強(qiáng)的智能玫瑰采摘機(jī)器人。