水果套袋機(jī)器人

河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 柏亞萌 張德林 程園

1 水果套袋機(jī)器人的研究背景及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 研究背景

通過對水果進(jìn)行套袋處理，能夠有效地防止農(nóng)藥、病蟲害的污染，除此之外，對水果進(jìn)行套袋還形成一種小的“溫室”環(huán)境，使水果能夠更好的著色，大大提高了水果的品質(zhì)?？梢娺@一技術(shù)不僅滿足了人們的需求，同時還通過高質(zhì)量的水果提高了市場價格。對于水果種植面積比較大的果農(nóng)來說，水果套袋過程煩瑣，人工套袋將會耗費大量的人力、物力，所以機(jī)械化、智能化地水果套袋是必然的。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

對于國內(nèi)來說，目前的套袋技術(shù)根據(jù)套袋的材質(zhì)可以分為塑料膜套袋和紙質(zhì)套袋。目前市場上已有的一些塑料膜套袋機(jī)械，主要工作原理是用膠棒粘力拉開塑膜袋，用蓄電池通電加熱電熱絲來熔合塑膜袋完成封口[1]。相對于塑料膜套袋，紙質(zhì)套袋更加環(huán)保，其所運用的機(jī)械也有所不同。

對于國外來說，這種機(jī)器人的總體構(gòu)造是履帶式行走小車上安裝有機(jī)械臂，機(jī)械臂的末端可以安裝多種末端執(zhí)行器并配有視覺系統(tǒng)[2]。

2 水果機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

其執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括果袋分離、運輸、撐開、封口四大機(jī)構(gòu)。首先水果套袋機(jī)器人先將果袋逐個分離開，然后經(jīng)果袋運輸機(jī)構(gòu)將果運輸?shù)较乱还ぷ鲄^(qū)域，果袋被撐開后將幼果放入袋子中，最后再將果袋進(jìn)行封口。

2.1 果袋分離和果袋運輸機(jī)構(gòu)

二者統(tǒng)稱為水果機(jī)器人的進(jìn)袋機(jī)構(gòu)，這里主要介紹兩種比較常見的工作方法

2.1.1 輥輪進(jìn)袋機(jī)構(gòu)

這種方法的原理是利用物品在運動過程當(dāng)中產(chǎn)生的摩擦力，推進(jìn)幼果前進(jìn)完成運輸。這類技術(shù)的應(yīng)用比較成熟，使用廣泛，在打印機(jī)、復(fù)印機(jī)上使用最為普遍[3]。該方法優(yōu)點是能夠方便紙袋的運輸，缺點是容易發(fā)生多張紙同時運輸?shù)目ㄋ垃F(xiàn)象。因此這種裝置方案對裝置精度要求較高,成功分離進(jìn)給的可靠性與輥輪的正壓力和轉(zhuǎn)速相關(guān)，裝置可實現(xiàn)精細(xì)可靠進(jìn)紙，輸出精度較高[4]。

2.1.2 氣流進(jìn)袋機(jī)構(gòu)

這種方法的原理是通過氣流推動物品。氣吹式裝置在播種機(jī)中的應(yīng)用效果優(yōu)良。推種效果明顯。種子的機(jī)械操作力小，而且只要匹配好排種輪轉(zhuǎn)速和推種氣流速度。氣流對排種均勻度的影響也可降低到最小[5]。

2.2 果袋撐開機(jī)構(gòu)

2.2.1 真空負(fù)壓撐袋

這種方法的工作原理是通過對果袋兩側(cè)進(jìn)行真空負(fù)壓處理并且通過相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)產(chǎn)生兩個作用相反的力撐開果袋。這一方法的優(yōu)點是撐開果袋的動作易實現(xiàn)，缺點是配備復(fù)雜。

2.2.2 靜電撐袋

這種方法的工作原理是在果袋口處有相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，果袋兩側(cè)同時裝有吸盤，然后利用靜電將果袋撐開，這種方法和真空負(fù)壓的方法相類似，都是將果袋兩側(cè)拉開從而達(dá)到撐袋的目的。

2.3 果袋封口機(jī)構(gòu)

2.3.1 果袋封口機(jī)構(gòu)引用計算機(jī)圖形處理方法

通過模擬人的動作實現(xiàn)機(jī)械封口。首先我們引用圖形處理方法中的拓?fù)鋱D來簡單描述實現(xiàn)這一封口過程的演變步驟。第一僅有兩條邊組成的拓?fù)鋱D只能實現(xiàn)簡單的推擠壓扁動作，跟人工套袋動作相差甚遠(yuǎn)，因此應(yīng)該對縮圖擴(kuò)充，即由最簡單的拓?fù)鋱D逐漸增加新的節(jié)點和邊，逐步轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜、更形象的拓?fù)鋱D，以便后期將其特定化[6]。

3 水果機(jī)器人的驅(qū)動裝置

驅(qū)動裝置是核心裝置，驅(qū)動方式可分為氣動驅(qū)動、電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動。電機(jī)驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單、可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，適合用于小型機(jī)器人上；液壓驅(qū)動方式反應(yīng)靈敏、精度高，但對工作環(huán)境的要求較高；氣動系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的組成類似。所以我們選用電動驅(qū)動系統(tǒng)作為機(jī)器人驅(qū)動裝置。電動驅(qū)動裝置的組成要根據(jù)果袋撐開和果袋封口的具體需求進(jìn)行布置設(shè)計。

4 水果套袋機(jī)器人的檢測裝置

水果采摘機(jī)器人的檢測裝置主要的組成是其視覺系統(tǒng)，在進(jìn)行套袋前，第一步是進(jìn)行目標(biāo)識別，即從視覺系統(tǒng)獲取的原始圖像中分離出識別的幼果背景環(huán)境。常有的方法有閾值分割、K-means聚類算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和K最近臨法（KNN）等[7]。識別到幼果的圖像后，對其進(jìn)行定位，采用類似包圍盒的方法，用略大于果實最大輪廓的球包圍果實，用球心和半徑定位即可確定位置[8]?；谝曈X的目標(biāo)識別和產(chǎn)品檢測技術(shù)已經(jīng)得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，如康耐視、美國國家儀器（NI）、基恩士等知名公司在機(jī)器視覺領(lǐng)域具有很深入的研究。機(jī)器人的視覺系統(tǒng)作用好比人的眼睛，首先獲取套袋時的周圍環(huán)境信息，然后進(jìn)行圖像處理，計算出障礙物距離，找出一條準(zhǔn)確越過障礙物到達(dá)最終套袋的作業(yè)位置，然后驅(qū)動電機(jī)，機(jī)器人向前行駛和轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)避障。

避障系統(tǒng)的軟件設(shè)計是ARM+DSP雙核內(nèi)部通信設(shè)計，其原理是兩個CPU通過共享數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，首先一方通過發(fā)送中斷信號來通知對方取走數(shù)據(jù)，另一方進(jìn)入中斷服務(wù)程序完成接收數(shù)據(jù)[9]。避障控制系統(tǒng)要保證避障過程當(dāng)中的路徑最短、消耗最少，因此除了基本的避障設(shè)計，還要制定正確的避障策略。對蘋果而言，機(jī)器人主要識別的是未套袋幼果和其他（樹葉、枝干和已套袋的幼果和紙袋），在此我們介紹一種全局法避障又稱C-空間。首先根據(jù)障礙物信息建立C-空間然后利用柵格法對空間進(jìn)行規(guī)劃，即將空間劃分為大小相同的柵格，然后對柵格信息進(jìn)行編碼處理。最后一步就是搜索障礙起點到終點的路徑，借用A*算法進(jìn)行搜索A*算法的估計函數(shù)為f*(x)=g*(x)+h*(x)經(jīng)此算法得到的最短路徑為離散的點。

5 水果套袋機(jī)器人的控制系統(tǒng)

要保證水果套袋機(jī)器人完成套袋，需要預(yù)先通過控制系統(tǒng)設(shè)定好相應(yīng)的時間參數(shù)和運動軌跡，進(jìn)袋和撐袋環(huán)節(jié)需要設(shè)置開始和終止的時間。在撐袋時選用真空負(fù)壓方式，需要控制回路中電磁轉(zhuǎn)換閥的通斷來控制氣缸的起停。在封口的過程中，需要兩對等驅(qū)動力，通過控制系統(tǒng)控制將這對兩等驅(qū)動力合二為一，簡化了工作過程，提高了工作效率。

控制系統(tǒng)的核心是PLC控制和單片機(jī)，單片機(jī)常用在小型的控制系統(tǒng)當(dāng)中，是一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，成本卻很低廉，其應(yīng)用滲透到我們生活的各個領(lǐng)域。PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，可進(jìn)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)與算數(shù)操作等，可靠性好，但成本較高，多用于機(jī)械化生產(chǎn)的過程控制[10]。對于水果套袋機(jī)器人來說，控制的主要是動作起停和換向閥的工作狀態(tài)，因此單片機(jī)更適用于控制系統(tǒng)應(yīng)用。

6 機(jī)器人電機(jī)和減速器的選擇

在關(guān)節(jié)型機(jī)器人中RV減速器具有更高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，且傳動比較大（30～260），因此常用作減速；RV減速器的結(jié)構(gòu)比諧波減速器要復(fù)雜得多，生產(chǎn)成本也高，因此在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域常用于S、L、U三個大慣量高扭矩關(guān)節(jié)。

我們選擇伺服電機(jī)作為套袋機(jī)器人的電機(jī)。對電機(jī)的要求有最大功率質(zhì)量比和扭矩慣量比、高起動轉(zhuǎn)矩、低慣量和較寬廣且平滑的調(diào)速范圍。特別是像機(jī)器人末端執(zhí)行器（手爪）應(yīng)采用體積、質(zhì)量盡可能小的電動機(jī)，尤其是要求快速響應(yīng)時，伺服電動機(jī)必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機(jī)在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用的先決條件。

7 結(jié)語

本文概述了套袋機(jī)器人的組成部分，并對各個部分都提出了相應(yīng)的方案設(shè)計，我們以幼果作為研究對象，確定了工作步驟，并對工作步驟展開了相關(guān)的方案論述，最后分析了機(jī)器人的電機(jī)和減速器的選擇。而選擇幼果時期套袋可以很大部分地隔絕農(nóng)藥和病蟲害的污染，因此實現(xiàn)幼果套袋機(jī)械化、智能化是必要的。