智能移動水果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)

馮光

摘 要 設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，用來移動水果和采摘水果的智能產(chǎn)物。該機(jī)器人由尾端執(zhí)行器、采摘機(jī)械臂、橫向的移動機(jī)構(gòu)、智能移動平臺以及相關(guān)的控制系統(tǒng)組成，由C語言程序編寫的控制程序，開發(fā)人機(jī)能夠相互交流的界面。整個系統(tǒng)工作性能較為穩(wěn)定，對成熟果實(shí)的正確識別率為81.5%，成功采摘率為87.1%，每個水果的采摘耗時平均為9.45s。

關(guān)鍵詞 采摘機(jī)器人 機(jī)器視覺 移動平臺 水果

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0前言

歷年來，水果生產(chǎn)中，水果采摘一直是最費(fèi)力最耗時的環(huán)節(jié)之一，它所需全部生產(chǎn)過程的大約40%左右的勞動力。為了使更多的果農(nóng)從復(fù)雜的采摘作業(yè)中得到充分的解放以及提高果實(shí)采摘的效率，一直都有很多國內(nèi)外的專家以及學(xué)者專心投入對采摘機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)和研究。

1工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1工作原理

該機(jī)器人在果園作業(yè)時是這樣實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的：首先是主體控制器對由雙目攝像機(jī)采集的果樹行間的路面圖像進(jìn)行處理，通過分析得出導(dǎo)航路徑，然后再由串口1收集DGPS位姿信號，將其與視覺導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人移動平臺的自主導(dǎo)航。當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)至目標(biāo)果樹位置時，主控制器將會發(fā)出使移動平臺電機(jī)停止轉(zhuǎn)動的指令，然后再通過RS232向采摘機(jī)械臂發(fā)出控制指令，使機(jī)械臂移動到各個圖像采集位姿。當(dāng)對果樹的圖像采集完成后，主控制器還會對成熟果實(shí)進(jìn)行識別和定位，然后通過RS232向末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，末端執(zhí)行器便抓取果實(shí)。采摘完成后，各級機(jī)械臂回到導(dǎo)航初始位置，重復(fù)執(zhí)行以上采摘作業(yè)。

1.2總體結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是履帶式的，主要由控制系統(tǒng)及其機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)如圖1所示，主要包括橫向滑移機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行器，采摘機(jī)械臂，移動平臺等。控制系統(tǒng)主要包括雙目攝像機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡，機(jī)械臂控制器，末端采集控制器，運(yùn)動控制卡，GPS，1394轉(zhuǎn)換卡，電機(jī)驅(qū)動器以及各傳感器和各個控制電路等。移動平臺包括固定平臺，機(jī)架，履帶式行走裝置等。

2工作主要部件

2.1橫向的滑移機(jī)構(gòu)

在前期的實(shí)驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)果實(shí)的采摘有兩種漏摘現(xiàn)象：（1）當(dāng)果實(shí)與攝像機(jī)的距離低于0.85m時，攝像機(jī)不能準(zhǔn)確的對果實(shí)進(jìn)行立體匹配；（2）當(dāng)機(jī)械臂基坐標(biāo)系原點(diǎn)與果實(shí)距離超過1.75m時，果實(shí)將超出機(jī)械臂采摘范圍。為此，我們設(shè)計(jì)了如圖2所示的橫向滑移機(jī)構(gòu)，將機(jī)械臂底座固定安裝在滑移機(jī)構(gòu)的滑臺上，使機(jī)械臂與果樹之間的距離以及攝像機(jī)與果樹間的距離均能方便調(diào)節(jié)，很好地解決了漏摘的問題。

2.2末端執(zhí)行器與采摘機(jī)械臂

末端執(zhí)行器采用的是由德國SCHUNK公司生產(chǎn)的型號為EVG55HUB100的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該執(zhí)行器的抓取動作是由滑覺傳感器和力傳感器的信號決定的。

采摘機(jī)械臂采用的是由日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMAN-SSF2000型的工業(yè)機(jī)器人。其額度負(fù)載為6kg，采摘半徑為1378mm，度2403mm，機(jī)械臂底座距離地面的高度為1200mm。

2.3履帶式的移動平臺

為了可以準(zhǔn)確獲取障礙物的距離和行駛路徑等信息，此次設(shè)計(jì)采用了減振性能較好的橡膠履帶。為了避免鋼制驅(qū)動輪與橡膠履帶配合造成橡膠履帶磨損過快的缺陷，驅(qū)動輪采用了超高分子聚乙烯材料。移動平臺的行走裝置采用了安川電動機(jī)來驅(qū)動，這種電動機(jī)只需改變驅(qū)動器設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)交流與直流間的供電切換，這樣便減少了有些果園沒有三相交流電的使用限制。

3機(jī)器的視覺系統(tǒng)

3.1果實(shí)的定位與識別

定位系統(tǒng)和果實(shí)識別的硬件主要由1394轉(zhuǎn)換卡，雙目攝像機(jī)和主控制器組成。先由攝像機(jī)采集果樹圖像，然后通過1394轉(zhuǎn)換卡將采集到的果樹圖像傳輸?shù)街骺刂破鳎谥骺刂破髦胁捎酶鞣N圖像處理算法對果樹圖像進(jìn)行處理，從而識別出成熟的果實(shí)，解算出果實(shí)在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

3.2果實(shí)的圖形采集

由于攝像機(jī)的視野有限，只采集一幅圖片是不能對整棵果樹進(jìn)行覆蓋的，所以采集圖像時機(jī)械臂需要在多個不同的位姿進(jìn)行采集。通過實(shí)驗(yàn)表明，大部分果樹需要采集6幅圖片方可覆蓋。系統(tǒng)每采集一幅圖，就會對果實(shí)進(jìn)行識別和定位處理，并且對該圖片中成熟果實(shí)的位姿信息進(jìn)行保存，然后由上位機(jī)根據(jù)成熟果實(shí)的位姿信息對機(jī)械臂采摘路徑作出規(guī)劃。當(dāng)一幅圖像中的成熟果實(shí)采集完畢后，機(jī)械臂自行運(yùn)動到下一個圖像采集位姿，并重復(fù)以上圖片的采集過程，直至6幅圖片中所有被識別的成熟果實(shí)采集完畢。

4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

這個采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由上、下位機(jī)控制器和傳感系統(tǒng)等部分組成，該硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4.2下位機(jī)和上位機(jī)的控制器

該控制系統(tǒng)采用的是上、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)，下位機(jī)控制器包括：末端執(zhí)行器控制器，機(jī)械臂控制器及移動平臺控制器。上位機(jī)控制器采用研華IPC610-H型工控機(jī)，其主頻為2.66GHZ，CPU為Core2雙核。機(jī)械臂控制器由RS232與上位機(jī)控制器連接進(jìn)行通信。末端執(zhí)行控制器也是如此通信，該控制器用來控制末端執(zhí)行器手指閉合和張開的位置與速度。移動平臺控制器采用研華PCI1240U，該控制器通過PCI總線與上位機(jī)控制器，進(jìn)行通信，該控制器能控制4個自由度，移動平臺只要其中兩軸即可，其他兩軸可用來作為功能拓展。

4.3傳感器的系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要由滑覺傳感器、力傳感器、GPS和雙目攝像機(jī)組成。攝像機(jī)采用的是Point Grey Research公司的bumblebee2型攝像機(jī)，其基線長120mm，焦距為3.8mm。

攝像機(jī)通過1394轉(zhuǎn)接卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPS采用JAVAD公司所生產(chǎn)的機(jī)器，其接收機(jī)天線型號為GPS702-GG。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確測向和定位。滑覺傳感器與力傳感器的型號分別為FSR-406和FSR-402。

4.4軟件的系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)軟件是在VC++6.0中開發(fā)完成的，其程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡述如下：（1）系統(tǒng)設(shè)備初始化。（2）主控制器首先通過1394轉(zhuǎn)接卡采集雙目攝像機(jī)所拍攝的路面圖像，通過RS232采集GPS航向信息及位置坐標(biāo)。然后主控制器對導(dǎo)航圖像進(jìn)行處理，并提取視覺導(dǎo)航參數(shù)。最后主控制器再根據(jù)GPS采集位置和航向信息以及坐標(biāo)導(dǎo)航圖像信息進(jìn)行決策分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動平臺的自主導(dǎo)航。（3）主控制器通過1394轉(zhuǎn)接卡采集雙目攝像機(jī)拍攝的果樹圖像，對成熟果實(shí)進(jìn)行識別與定位。并將攝像機(jī)坐標(biāo)系下目標(biāo)果實(shí)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到采摘機(jī)械臂的基坐標(biāo)系下。再由主控制器根據(jù)果實(shí)位置坐標(biāo)對機(jī)械臂采摘路徑進(jìn)行規(guī)劃。（4）當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動到目標(biāo)姿位后，主控制器通過RS232向末端執(zhí)行控制器發(fā)出指令，是末端執(zhí)行器抓取果實(shí)。（5）重復(fù)以上四個步驟直到機(jī)械臂采摘范圍內(nèi)的果實(shí)采摘完畢。（6）機(jī)械臂回到導(dǎo)航的初始位姿，并重復(fù)以上自主導(dǎo)航和自主采摘過程。

5采摘機(jī)械臂的路徑規(guī)劃

機(jī)械臂的路徑規(guī)劃是果實(shí)采摘的關(guān)鍵問題之一。這個智能采摘機(jī)器人針對果樹生長狀況及果枝分布的特點(diǎn)，采用了多段路徑規(guī)劃來完成了機(jī)械臂的運(yùn)動控制。

如圖6所示，XYZ為機(jī)械臂的基坐標(biāo)系，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，F(xiàn)為果實(shí)中心，F(xiàn)？ 為果實(shí)中心在XOY面內(nèi)的投影。A、B、C、D分別為采摘機(jī)械臂處于不同位姿時其末端執(zhí)行器的對稱中心點(diǎn)。因?yàn)閳D像采集位姿在采摘之前就已經(jīng)給定了，所以B點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，D點(diǎn)的坐標(biāo)可由雙目視覺系統(tǒng)求得，故要完成整個路徑規(guī)劃，必須求出C點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的距離為L，試驗(yàn)中確定L的長度為0.5m，由以上已知條件可求得C點(diǎn)的坐標(biāo)。

雙目攝像機(jī)完成圖像采集后，機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至與Y軸夾角%a 處。。水果采摘時，機(jī)械臂在由點(diǎn)FOF？構(gòu)成的平面內(nèi)運(yùn)動，考慮到機(jī)械運(yùn)動的平順性，A到B及B到C之間路徑采用的是PTP圓弧插補(bǔ)方式的運(yùn)動。C到D之間軌跡采用的是PTP直線插補(bǔ)方式的運(yùn)動，末端執(zhí)行器只在FOF？平面上作直線平移，這樣對應(yīng)果實(shí)采摘所需空間變小，末端執(zhí)行器碰到的樹枝等障礙的幾率變小，從而保證了果實(shí)采摘的成功率。果實(shí)采摘成功后，先由D回到C，再有C回到果實(shí)收集箱的上方，然后末端執(zhí)行器夾持手指松開，果實(shí)下落到收集箱內(nèi)。

6結(jié)論

（1）根據(jù)果樹智能化的采摘要求，設(shè)計(jì)了智能移動水果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活等優(yōu)點(diǎn)。（2）在VC++6.0中編寫了智能移動水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)控制程序，開發(fā)了人機(jī)交互界面。（3）整個系統(tǒng)將末端執(zhí)行器，傳感器系統(tǒng)，采摘機(jī)械臂，圖像處理算法和移動平臺等部分關(guān)鍵技術(shù)融合在了一起，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器摘取，機(jī)械臂運(yùn)動，移動平臺導(dǎo)航及水果裝箱等關(guān)鍵動作的智能協(xié)調(diào)控制，從而真正實(shí)現(xiàn)了水果采摘的無人化與智能化。

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