蘋果采摘機器人末端執行器的設計與試驗研究

劉雙紅，馬小雨

(1.鄭州航空工業管理學院 計算機科學與應用系，鄭州 450046；2.河南工程學院 計算機學院，鄭州 451191)

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蘋果采摘機器人末端執行器的設計與試驗研究

劉雙紅1，馬小雨2

(1.鄭州航空工業管理學院 計算機科學與應用系，鄭州 450046；2.河南工程學院 計算機學院，鄭州 451191)

對蘋果采摘機器人末端執行器進行了設計，并通過國內在該領域相關試驗研究予以驗證。首先，在了解我國蘋果產業發展現狀的基礎上，針對傳統的人工采摘方式，以及過度老化、落后的傳統機械作業方式，發掘其中存在的問題；然后，對新型智能式農業機器人末端執行器進行總體方案設計，并使用機械制圖軟件UG，建立蘋果采摘智能機器人末端執行器的三維構造模型，設計出蘋果采摘機器人末端執行器的內部系統，包括硬件系統和軟件系統；最后，搭建一個試驗操作平臺，進行果實采摘現場模擬，主要評價指標以果實采摘成功率、采摘效率、果實損傷等指標為主。

蘋果采摘；農業機器人；末端執行器；性能評價

0 引言

我國是蘋果種植大國，無論是年產量還是生產規模，均排在世界各國首位。同時，發展包括蘋果在內的果蔬產業，也是當下我國農業化現代化水平不斷進步的一種表現。在新時期，我國果蔬產業化結構不斷整合與優化，以蘋果種植、生產等各環節為例：通常情況下，在實際生產的過程中，蘋果采摘環節是最復雜的一個環節，不僅耗時耗力，也是比較容易出現差錯的一個環節。由于蘋果采摘作業具有較強的季節性、勞動強度及較高的成本費用，綜合評價比較復雜，這也進一步印證了當下我國在果品采摘環節機械化和自動化水平較低、技術含量不高等問題。在我國東部沿海地區(如浙江、江蘇、福建等地)，蘋果采摘作業機械化水平較高，而在中部和西部果品產區地帶，采摘環節基本還是沿用較為傳統、落后的人工作業方式。在這種情況下，人工勞力成本費用僅占到了總采摘成本的 30%～50%，效率比較低下。為此，提出一種智能化的蘋果采摘機器人，就其末端執行器設計進行探討，并通過試驗設計來檢驗其實際應用的可行性。

1 研究現狀

在人類文明發展的今天，社會的進步來自于人們的不斷創新，工業與農業是相輔相成的關系。1959年，世界上第1臺工業機器人誕生了，它是由美國人英格伯格、德沃爾兩人研發設計制造出來的。經過半個世紀的發展，目前在工業農業應用領域機器人數量已經高達幾百萬臺，種類和形式也是豐富多樣，不僅改善了人們的生活，且推動著全球經濟的發展。當然，最初機器人的產生主要應用和服務于工業生產領域，相比較而言，機器人在農業生產領域的應用和服務起步比較晚，相應的技術發展也比較慢。

就目前來看，雖然國內整體投入和應用程度較差，但是在某些技術領域、某地區的發展成果還是相對比較突出的。總體上來評價，當前我國在農業機器人發展應用領域，主要呈現為以下特點：① 作業對象大多屬于嬌嫩型，作業活動具有一定的復雜性。具體講，就是指被作業和采摘的生物具有軟弱易傷的特性。因此，農業機器人在技術嵌入層面上需要具備一定的柔性。② 農業機器人的作業情況、環境比較復雜，在這種情況下要求生物農業機器人需具有與生物柔性相對應的處理功能。在具體技術設計層面上，可重點在視覺、知識推理及思維判斷方面切入，也就是智能化機器人，以此來更好地應對變化無常的自然環境。③ 農業機器人作業動作過于復雜化，在實際作業工作過程中，機器人的作業方式基本都是作業和移動同時進行。換言之，這種移動式、行走性的作業，并不是連接出發點和作業終點的最短距離。④ 農業機器人自身的特殊性，包括技術層面上及操作層面上，具體指操作對象特殊性及機械設備特殊性。以蘋果采摘為例，機器人的操作者是農民，而不是研發它的工程師或者技術人員，因此在很大程度上要求農業機器人要提高其可靠性及操作性。此外，當前農業機器人價格過高，這也是其難以普及的根本原因之一。因為果品生產種植農戶，基本都是以個體經營為主，如果機器設備價格過高，就很難得到有效普及和推廣。

2 我國在該領域的發展

國內對于果蔬類(蘋果、番茄等)采摘末端執行器的研究還處在一個起步階段，雖然取得了一定的成果，但應用經驗比較少，況且當前在我國中西部地區，機械化水平還相對比較低。在新時期，在國家重點強調農業技術研發應用及科教興國戰略不斷深化的基礎上，國內各科研院所、高等院校大量汲取了國外在該領域的一些研究成功過程及經驗教訓，針對現實需要，策略性地研究設計出了一種蘋果生產、采摘的末端執行器，通過在我國東部幾個試點城市地區的試驗與推廣，取得了較好的效果。

圖1是我國某科研院所自主研制的末端執行器，是一種欠驅動式的果實采摘機械手，對于后期我國在農業智能化機器人操作作業領域的技術研發層面具有一定的借鑒和指導意義。經過試驗，這種末端執行器的果實采摘成功率高達 90% ，如圖1所示。

1.直流電機 2.蝸輪蝸桿機構 3.鋼絲軟管傳動 4.刀架、刀片 5.刀架轉輪 6.碰觸傳感器 7.光電開光裝置 8.手指 9.限位開關裝置 10(壓力)傳感器裝置 11.視覺傳感器 12.雙作用汽缸 13.結構固定件 14.機械臂連接部件圖1 末端執行器主體結構

3 末端執行器的設計與試驗

3.1 末端執行器設計

1)設計目標。該環節設計主要是針對蘋果自身特性來進行，如生長方式及果實大小等。具體包括：采摘蘋果的直徑范圍在 55～100mm之間，盡量體積小巧、質量要小；在工作過程中，要保證高效率、低成本、易于維護。

2)采摘機構如圖2所示。其主要功能是依據簡化幾何模型來實現，確保被采摘或者是正在被采摘的果實與果柄分離。

圖2 旋轉式采摘機構模型

結合圖1和圖2可知：該蘋果采摘機器人末端執行器工作原理如下：首先，通過視覺感應技術的嵌入，較為精準地確認并獲取到待采摘果實(蘋果)所處的位置，即機器視覺感觸空間內的坐標位置；以機械臂控制末端執行器，從而使原點與機器視覺空間內獲取到的果實原點位置處在同一垂直線上。其次，在感觸到果實所處坐標位置之后，末端執行器會自動地靠近待摘的蘋果，通過系統內設計嵌入的紅外開關檢測裝置來對該果實迅速的檢測，看是否可以進入到機器人手指，以待抓取。最后，當蘋果被機器人抓入到手指后，呈現前后手指抓取蘋果試樣，智能機器人手指中構造內部安裝的壓力傳感器會在第一時間予以感應，控制其抓持力大小程度，進而達到預設壓力，以待采摘。末端執行器樣機如圖3所示。

3.2 試驗

1)壓力傳感器測試。在調試的過程中，重點檢測壓力傳感器標定值。此次壓力測試環節，采用壓力加載標定系統，在壓力標準設定上，使用了砝碼為50～800g進行加載試驗，加載量間隔設定為 50g。試驗重復持續3次，最終的結果取3次平均數值。壓力傳感器標定值如表1所示。

圖3 末端執行器樣機表1 壓力傳感器標定值

質量/g電壓值/V平均電壓值/V500.220.360.410.331001.051.171.351.191501.591.681.841.702001.962.111.922.002502.302.272.172.253002.642.492.702.613502.932.963.082.994003.133.042.953.044503.093.023.103.075003.233.223.233.275503.413.383.293.366003.393.373.363.376503.443.453.453.457003.453.513.463.477503.543.583.483.538003.603.603.603.60

2)蘋果采摘機器人末端執行器性能評價。本次試驗數據及相關資料來源于我國西北農林科技大學眉縣試驗站。在試驗中使用到的材料及相關設備包括聯想ThinkPad T400筆記本、采摘末端執行器樣機、三腳架和Led燈等相關儀器設備。

本次試驗重點針對果實(蘋果)在采摘的過程中蘋果所受力及變化情況，以此來進一步統計分析采摘機器人采摘蘋果的成功率及對蘋果采摘過程中識別情況。試驗結果如表2所示。

表2 試驗結果

試驗中發現，對蘋果的識別經常出現重復識別或者漏識別的情況。根據提取一些樣本數據統計可知：重復識別率為 2.07% ，漏識別率為 5.78% ，但并沒有出現錯誤識別的情況。

4 結論

在蘋果生產過程中也存在著一系列問題，最為突出的就是機械化程度低，嚴重限制和阻礙了我國蘋果產業集約化發展的進程。本文基于蘋果采集機器人末端執行器的設計與試驗，重點以蘋果采摘作為研究對象，根據我國農業機器人技術開發與研究現狀，進行了相應的試驗探索。試驗表明：本文提出的智能化蘋果采摘機器人末端執行器，完全符合實際采摘作業的要求，對蘋果果實不會產生不必要的傷害，值得在業內大力推廣和普及。

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Design and Experimental Research on the End Effector of Apple Picking Robot

Liu Shuanghong1, Ma Xiaoyu2

(1.Zhengzhou Aviation Industry Management Institute of Computer Science and Application System, Zhengzhou 450046, China; 2.Computer College of Henan College of Engineering, Zhengzhou 451191, China)

This practice topic research, focuses on the analysis of the mechanical design of apple picking robot end effector, and through the domestic research in the field of relevant test to be expressed.First, in understanding the basis of the status quo of China's apple industry development, the traditional manual harvesting methods, and excessive aging, backward of traditional mechanical operation mode, to explore the problems. After of the new intelligent agricultural robot end actuator for the overall program design.The third step is to use mechanical drawing software UG, establishing apple picking robot end effector three-dimensional structural model. The fourth step further design of apple picking robot end effector is the internal system, including hardware system and software system.Finally, through the embedded system, actively build a test operation platform, carry on the fruit picking field simulation, the main evaluation and lateral indicators to fruit picking success rate, picking efficiency, fruit damage and other indicators.

apple picking; agricultural robot; end effector; performance evaluation

2016-05-09

河南省科技攻關項目(142102210503)；河南省科技攻關項目(132102210172)

劉雙紅(1978-)，女，遼寧鐵嶺人，講師，碩士研究生，(E-mail)liushuanghong0509@163.com。

馬小雨(1978-)，男，鄭州人，講師，博士研究生。

S225.93

A

1003-188X(2017)06-0154-04