基于樹莓派控制的蘋果大小分級機(jī)械臂的設(shè)計(jì)*

崔 浩 ，張澤康 ，郭瑞峰 ，趙梁博 ，劉金秀

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人越來越多地出現(xiàn)在生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，各種各樣的多自由度機(jī)械臂應(yīng)運(yùn)而生，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械、加工制造、汽車焊接等眾多領(lǐng)域[1]。多自由度機(jī)械臂的特點(diǎn)在于系統(tǒng)穩(wěn)定、整體性靈活，是比較參考人體手臂關(guān)節(jié)運(yùn)動角度的范圍而設(shè)計(jì)的[2]。當(dāng)前，人們的生活水平提高了，經(jīng)常會買一些蘋果、香梨等水果，在購買水果的時候人們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)同一類型的水果會因?yàn)轶w積大小的不同而價格不同，有大型果、中型果和小型果等。而對于這些水果的大小分級，大部分地區(qū)尤其貧困地區(qū)采用人工或者網(wǎng)漏的方法進(jìn)行，這樣分級有很多的缺點(diǎn)：速度慢、質(zhì)量受到影響、人工費(fèi)高、不適合大規(guī)模的操作等?；诖?，本課題組研究利用機(jī)械臂自動實(shí)現(xiàn)水果大小的分揀，以減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，避免工作人員重復(fù)執(zhí)行簡單、機(jī)械化的操作，大大地提高工作效率。

1 總體設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)機(jī)械臂自動對蘋果大小進(jìn)行分揀，該裝置包括機(jī)座轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)、伸縮抓取機(jī)構(gòu)、視覺識別裝置、控制系統(tǒng)等[3]。

1.1 機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)控制，是通過輸入的信號經(jīng)數(shù)據(jù)處理后轉(zhuǎn)化為各個關(guān)節(jié)的力矩，在力矩的作用下產(chǎn)生對應(yīng)的運(yùn)動速度[4]，然后通過雅可比矩陣建立起機(jī)械臂的運(yùn)動速度和機(jī)械臂末端執(zhí)行器的配比關(guān)系[5]，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的目標(biāo)。因此，在底座安裝一個舵機(jī)，另外機(jī)械臂上安裝四個，舵機(jī)有兩個舵盤，一個為主動舵盤，另一個為從動舵盤，主動舵盤在齒輪的帶動下旋轉(zhuǎn)從而帶動這一個關(guān)節(jié)處的機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，安裝五個舵機(jī)使得整個機(jī)械臂的活動空間變大，活動范圍更廣。機(jī)械臂正視圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械臂正視圖

1.2 伸縮抓取機(jī)構(gòu)

抓取裝置：立爪有三只，根部均勻分布式安裝于圓形抓盤上，中部通過小連桿連接至大連桿上，舵機(jī)6安裝于機(jī)械爪最底部，控制大連桿的升降。當(dāng)大連桿下降時，產(chǎn)生拉力通過小連桿傳遞到立爪上，使三個立爪均向內(nèi)靠攏，實(shí)現(xiàn)對物品的抓取；當(dāng)大連桿上升時，產(chǎn)生推力通過小連桿傳遞到立爪上，使三個立爪均向外分散，實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪的張開。機(jī)械爪正視圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械爪正視圖

1.3 視覺識別裝置

機(jī)械臂在執(zhí)行物體抓取動作時，需要獲取目標(biāo)物體的位置。這就需要相機(jī)獲取抓取場景的點(diǎn)云信息，然后傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)經(jīng)過目標(biāo)識別和位姿估計(jì)算法處理后獲取目標(biāo)物體的位置信息[6]。所述視覺識別裝置包括攝像頭、支架和連接線，所述攝像頭是一顆可以自動聚焦的Kincet攝像頭，固定于支架上，使視角垂直于工作平面，保證對工作環(huán)境的分析和對物體大小的精準(zhǔn)識別，利用連接線將采集到的信息傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行分析，從而反饋不同的動作。

1.4 控制系統(tǒng)

所述控制裝置主要包括樹莓派4B主板和拓展板，利用樹莓派控制舵機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的各種自由度操作。樹莓派，也可以稱為微型電腦，它的體積小，用SD卡為存儲硬盤，但是功能強(qiáng)大，相當(dāng)于一臺電腦的主機(jī)[7]，是為學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的。當(dāng)它接入顯示屏、鍵盤和鼠標(biāo)時就可以在這個所設(shè)的系統(tǒng)中進(jìn)行編程操作。當(dāng)然，樹莓派還可以進(jìn)行調(diào)試工作，調(diào)試模塊包括串口、指示燈和按鍵等，系統(tǒng)的調(diào)試是必不可少的，這是完善系統(tǒng)的必備工具[8]。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械爪的設(shè)計(jì)

課題組設(shè)計(jì)的機(jī)械爪是三爪的，抓取水果時更加平穩(wěn)、可靠。內(nèi)部設(shè)計(jì)為齒輪連桿機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

2.2 旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)

舵機(jī)上的舵盤固定在金屬薄片上，中間放置軸承，然后上面放同樣大小的金屬薄片，將這兩個薄片通過螺栓固定，當(dāng)舵機(jī)的舵盤旋轉(zhuǎn)帶動軸承旋轉(zhuǎn)時，可以從而帶動機(jī)座旋轉(zhuǎn)。

3 工作原理

3.1 圖像處理

在攝像頭上外加一個環(huán)形燈，以環(huán)形燈為光源，攝像頭拍攝蘋果的投影面。將此投影面回傳到樹莓派主板，進(jìn)行OpenCV圖像處理，將尺寸大小統(tǒng)一設(shè)定為目標(biāo)尺寸[9]，然后通過高斯濾波函數(shù)和中值濾波函數(shù)，進(jìn)行圖像增強(qiáng)、降噪、特征提取[10]，最終得到清晰的圖像。在此過程中，最重要的一點(diǎn)是圖像是否聚焦。由于人工調(diào)焦的方式時間較長，而且效果也不明顯，因此采用基于圖像處理技術(shù)的自動調(diào)焦系統(tǒng)，即采用灰度差分的方法進(jìn)行調(diào)焦[11]。

3.2 投影面積近似計(jì)算

采用無限逼近的方法。因?yàn)樘O果在底面上的投影大致為圓形，所以利用多邊形無限逼近的方法對投影面積進(jìn)行近似計(jì)算。一般來說，投影面積越大的，體積對應(yīng)越大；投影面積越小的，體積對應(yīng)越小。

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

目前，新疆蘋果最為著名的是阿克蘇蘋果，現(xiàn)購進(jìn)不同大小的100個阿克蘇蘋果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。據(jù)目測觀察，這些蘋果的投影面積大致在50 cm2～95 cm2。第一組，將這些蘋果分為兩組：1）50 cm2～72.5 cm2；2）72.5 cm2～95 cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。第二組，將這些蘋果分為三組：1）50 cm2～65 cm2；2）65 cm2～80 cm2；3）80 cm2～95 cm2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 第一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 第二組實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，第一組分級成功率的平均值為94%，表面嚴(yán)重破損率的平均值為3.7%；第二組分級成功率的平均值為90.3%，表面嚴(yán)重破損率的平均值為4%。通過對比兩個表可知，當(dāng)分級梯度設(shè)置得越多，分級的成功率越小[12]。

5 結(jié)論

1）分級成功率都大于90%，成功率很高；而且表面破損率都很低，效率很高，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可以應(yīng)用到流水線作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)蘋果分級的規(guī)模化生產(chǎn)。

2）分級范圍越小，誤差越大，因此應(yīng)注意設(shè)計(jì)分級梯度。