農業采摘機器人設計與研究

徐世亮

摘要隨著農業現代化的不斷發展和完善，農業自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農業機器人主要由視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農業采摘機器人的總體結構進行設計的基礎上，對農業采摘機器人的視覺采集系統、末端執行感知系統以及控制系統的具體設計進行詳細的分析。

關鍵詞農業自動化；采摘機器人；視覺系統；控制系統

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內水果產業中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產鏈中最耗時耗力的環節，同時，果實的采摘質量也會對水果的質量造成直接影響。如何提高果實采摘作業的機械化程度，已經成為了我國水果行業發展所面臨的重大課題。

1農業采摘機器人總體結構設計

本文所設計的農業采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農業采摘機器人的整體結構如圖1所示。

圖1農業采摘機器人整體結構

表1農業采摘機器人結構組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設備

14 地面

如圖1所示，采用關節型結構，可以更加有效的確定末端執行器在三維空間中的位置和姿態。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關節型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執行器夾持機構的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執行器上的旋轉式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調整末端執行器的姿態就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構成部分主要分為視覺系統、感知系統和控制系統三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農業采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業機器人相比，果實采集機器人所處的空間環境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內容包括：

1）確定采摘機器人的末端執行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統安裝在執行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執行器感知系統

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執行器上的紅外光電對管和力敏電阻產生的都是模擬信號，不能直接被控制設備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平。基準電壓由反相輸出端的電阻R1生成，滑動變阻器R1所構成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關來作為碰撞傳感器，如果設計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設計為五組碰撞傳感器則根據安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統設計

在設計中，主控系統采用KP-6420i工業控制計算機，通過視覺系統和感知系統采集相關的數據，以及實現運動學、機械臂正等功能。通過串口實現對交流伺服驅動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統框架如圖2所示。

5總結

本文主要對農業采摘機器人的硬件結構的設計進行研究，將采摘機器人的硬件結構劃分成視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊進行了設計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結構設計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農業機器人的開發背景及技術動向[J].農機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2001，32（6）：53-58.

endprint

摘要隨著農業現代化的不斷發展和完善，農業自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農業機器人主要由視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農業采摘機器人的總體結構進行設計的基礎上，對農業采摘機器人的視覺采集系統、末端執行感知系統以及控制系統的具體設計進行詳細的分析。

關鍵詞農業自動化；采摘機器人；視覺系統；控制系統

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內水果產業中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產鏈中最耗時耗力的環節，同時，果實的采摘質量也會對水果的質量造成直接影響。如何提高果實采摘作業的機械化程度，已經成為了我國水果行業發展所面臨的重大課題。

1農業采摘機器人總體結構設計

本文所設計的農業采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農業采摘機器人的整體結構如圖1所示。

圖1農業采摘機器人整體結構

表1農業采摘機器人結構組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設備

14 地面

如圖1所示，采用關節型結構，可以更加有效的確定末端執行器在三維空間中的位置和姿態。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關節型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執行器夾持機構的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執行器上的旋轉式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調整末端執行器的姿態就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構成部分主要分為視覺系統、感知系統和控制系統三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農業采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業機器人相比，果實采集機器人所處的空間環境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內容包括：

1）確定采摘機器人的末端執行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統安裝在執行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執行器感知系統

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執行器上的紅外光電對管和力敏電阻產生的都是模擬信號，不能直接被控制設備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平。基準電壓由反相輸出端的電阻R1生成，滑動變阻器R1所構成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關來作為碰撞傳感器，如果設計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設計為五組碰撞傳感器則根據安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統設計

在設計中，主控系統采用KP-6420i工業控制計算機，通過視覺系統和感知系統采集相關的數據，以及實現運動學、機械臂正等功能。通過串口實現對交流伺服驅動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統框架如圖2所示。

5總結

本文主要對農業采摘機器人的硬件結構的設計進行研究，將采摘機器人的硬件結構劃分成視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊進行了設計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結構設計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農業機器人的開發背景及技術動向[J].農機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2001，32（6）：53-58.

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摘要隨著農業現代化的不斷發展和完善，農業自動采集機器人的需求也越來越廣泛。文章所研究的農業機器人主要由視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊所組成。在研究過程中，主要在對農業采摘機器人的總體結構進行設計的基礎上，對農業采摘機器人的視覺采集系統、末端執行感知系統以及控制系統的具體設計進行詳細的分析。

關鍵詞農業自動化；采摘機器人；視覺系統；控制系統

中圖分類號：S225 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）12-0021-02

目前，在國內水果產業中果實的采摘仍然主要依靠人工來完成，使得果實采摘成為了整個水果生產鏈中最耗時耗力的環節，同時，果實的采摘質量也會對水果的質量造成直接影響。如何提高果實采摘作業的機械化程度，已經成為了我國水果行業發展所面臨的重大課題。

1農業采摘機器人總體結構設計

本文所設計的農業采摘機器人主要包括五個自由度的機械手和兩個自由度的移動載體兩個部分。農業采摘機器人的整體結構如圖1所示。

圖1農業采摘機器人整體結構

表1農業采摘機器人結構組成簡介

編號 簡介

1 履帶小車

2 果實收集框

3 伸展帶

4 采集末端執行器

5 果實收集裝置

6 伸展電動推桿

7 小臂電機

8 大臂

9 大臂電機

10 腰部電機

11 腰部

12 升降機

13 電源、控制設備

14 地面

如圖1所示，采用關節型結構，可以更加有效的確定末端執行器在三維空間中的位置和姿態。由于果實在果樹上的分布具有隨機性，而且分布的空間也較大，在采摘時可能會遇到很多的障礙物，采用多自由度的關節型機械手可以擬合三維空間中的任意曲線，通過控制管件的運動，有效躲避障礙物。除此之外，采用氣泵作為末端執行器夾持機構的動力源，可以適度補償機械本體的位置誤差，末端執行器上的旋轉式果柄切割裝置可以不需要對果柄位置進行檢測，并且調整末端執行器的姿態就可以將果實脫離果樹。

總體來說，如圖1所示，采摘機器人的主要核心構成部分主要分為視覺系統、感知系統和控制系統三大模塊。

2視覺采集和分析模塊

視覺采集模塊主要負責通過攝像機采集視覺信息，并且對視覺信息進行分析。農業采摘機器人主要通過視覺傳感器來獲取采摘機器人的工作環境、工作對象以及機器人自身位置等信息。與工業機器人相比，果實采集機器人所處的空間環境，以及工作的對象更加復雜，需要通過對所采集的視覺信息處理。其中視覺傳感器的主要工作內容包括：

1）確定采摘機器人的末端執行器與將要采摘果實之間的相對距離。

2）確定所要采摘果實的形狀、尺寸和品質。

3）作為采摘機器人行走的視覺導航。

視覺采集傳感器是整個采摘機器人的核心部件，為了能夠讓采摘機器人有更寬闊的視覺范圍，而且不被末端執行器擋住視角，在本課題中采用視覺系統安裝在執行末端中間的安裝方式。并且在綜合考慮了可靠性、經濟性和實用性之后，選用DIGI-HIBW-60視頻攝像頭。

3末端執行器感知系統

3.1 壓力感知器

在研究中，采用FSR-402的力敏點來作為壓力感知器。FSR-402是一種用半導體材料的壓力電阻效應制成的，可以將機械能轉換為電信號的特殊電子元件。當末端夾持器上的壓力傳感器感受到一定的壓力之后，就開始啟動電動道具切割果柄。由于機器人耦斷執行器上的紅外光電對管和力敏電阻產生的都是模擬信號，不能直接被控制設備進行處理，因此需要進行相對應的信號轉換。

在電路中，RM連接FSR作為電壓分配器，U1輸出高電平或低電平為電壓比較器，U1輸入端的輸入電壓由RM和FSR所組成的電壓分配器決定，當FSR所承受的力增大時，其輸出電壓也會相應的增大。在初始狀況，壓力感知器沒有感知到力的作用時，U1比較電壓器的輸出電壓為低電平，的那個U1比較電壓器的輸入電壓大于反相輸入端電壓時，U1輸出為高電平。基準電壓由反相輸出端的電阻R1生成，滑動變阻器R1所構成的基準電壓也可以由兩個固定的電阻所組成的電壓分配器形式所替代。

3.2 碰撞感知器

碰撞感知器是避免機器人在果實采摘過程中，末端執行器碰撞障礙物。在機器人小臂的不同方位安裝4-5組微動開關來作為碰撞傳感器，如果設計為三組碰撞傳感器則按照安裝的方位分別為CR、CU、CL；如果設計為五組碰撞傳感器則根據安裝的方位分別為CR、CRU、CU、CLU、CL。碰撞傳感器可以收集水果采摘過程中的障礙物信息，并且將這些信息傳送到軟件控制端進行處理。

4控制系統設計

在設計中，主控系統采用KP-6420i工業控制計算機，通過視覺系統和感知系統采集相關的數據，以及實現運動學、機械臂正等功能。通過串口實現對交流伺服驅動器的控制。本課題中的采摘機器人控制系統框架如圖2所示。

5總結

本文主要對農業采摘機器人的硬件結構的設計進行研究，將采摘機器人的硬件結構劃分成視覺采集系統模塊、末端執行器感知系統模塊和控制模塊進行了設計，并且分別對每個模塊的硬件選型和結構設計進行分析和研究。

圖2機器人控制模塊框架圖

參考文獻

[1]沈明霞，姬長英.農業機器人的開發背景及技術動向[J].農機化研究，2010（5）：31-35.

[2]湯修映，張鐵中.果蔬收獲機器人研究綜述[J].機器人，2012，27（1）：90-96.

[3]趙勻，武傳宇，胡旭東，等.農業機器人的研究進展及存在的問題[J].農業工程學報，2013，19（1）：20-25.

[4]陸懷民.林木球果采集機器人設計與試驗[J].農業機械學報，2001，32（6）：53-58.

endprint