桃子采摘機器人的設計與開發

馮國亮　韋雄棉　容興鵬　孫寶福

【摘 要】隨著新農業生產模式和新技術的發展與應用，農業機器人逐步邁向農業生產主力軍的行列。我國桃子采摘基本上都是靠人工勞動力，需要大量的人力，效率低，成本高。因此桃子采摘機器人具有非常巨大的發展潛力，具有很高的研究價值。針對桃子采摘的特點，設計了一種基于計算機視覺具有高精度、高效率的桃子采摘機器人。

【關鍵詞】桃子；采摘；機器人

中圖分類號： S225.93；TP391.41；TP242 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）11-0084-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.11.035

1 背景介紹

隨著新農業生產模式和新技術的發展與應用，農業機器人逐步邁向農業生產主力軍的行列。我國采摘機器人的研究也逐漸起步，有些已取得階段性成果。目前，比較典型的采摘機器人有人機協作型柑橘采摘機器人，西紅柿、黃瓜、草莓和多功能葡萄采摘機器人等。而桃子采摘一直采用人工采摘的方式，相關的采摘設備和輔助機械裝置研究的相對較少，因此桃子采摘機器人有著很大的發展潛力。

研究的主要問題包括機器人的執行機構、驅動-傳動機構、移動平臺、控制系統和智能系統的設計和調控。

2 執行機構

桃子的形狀一般呈卵形、寬的橢圓形和扁圓形，直徑一般在5-7厘米之間[1]。當桃子成熟后，桃子會與桃樹通過果柄相連，并且桃子會與桃樹貼的很近，有時幾個桃子也會生長在一起。目前的采摘方式是通過人工用手輕輕旋扭90度摘取。因此，在桃子采摘機器人的末端執行器就是模擬的人手的采摘過程，設計而來。

綜上所訴，并根據桃子的生長特點，我們設計了從桃子外圍接近的仿生手指抓住桃子、手腕旋轉分離果柄的末端執行器，在爪子外圈包裹一層軟的橡膠，防止損傷到桃子。

末端執行器的總體結構如圖1所示。連接板2與爪座3連接在一起，以下屬于手腕部分；絲桿5固定在軸承4上，通過連接件與電機1相連；絲桿螺母6與絲桿5相互嚙合，與拉動盤7固連在一起；帶橡膠的爪子8連接在爪座3上，可繞支點回轉。其運作過程為：電機轉動帶動絲桿旋轉，從而驅動絲桿螺母向下或移動，進而帶動拉動盤上下移動，最后拉動盤拉動帶橡膠的爪子閉合或者推動帶橡膠的爪子張開。

3 系統整體設計方案

桃子種植方式為均勻的間隔種植，桃子主要生長在距地50～250cm 的高度，生長不均布。桃樹的過道為一般土地或是草地，共同特點是：不平整、雜草多。因此我們設計一種基于SR-04測距的桃子采摘機器人。其模型如圖2所示，系統大體上分為兩部分：移動端、PC 端。其中：移動端主要由五大部分組成：FPV攝像頭、移動平臺、超聲波測距、機械臂及末端執行器；PC端具有兩大目的：其一是通過計算機視覺庫對采集到的圖像進行處理，其二則是通過串口對移動端的運行不斷進行調整，基于串口的通訊模式，價格合理且經久耐用。通過USB2.0輸送各種數據，以便實時對移動端進行人為控制。

系統的工作流程如下：當整個裝置初始化完成后，FPV攝像機為視覺系統采集圖像，并通過無線圖像傳輸裝置傳回PC端進行分析處理，檢測并識別機械手前方。若經過PC處理的圖像中出現桃子，則計算出桃子所處的平面位置坐標，并將得到的平面坐標傳遞到機械手控制端，開始執行定位工作；直到果實的坐標位置在機械手圖像的中心區域。通過不斷地視覺判斷，以及移動端的調整，直到目標桃子相對于機械手的坐標滿足采摘條件。若視覺系統檢測到有多個桃子滿足采摘條件，則選取靠近做端點的目標桃子優先被采摘，再依次采摘剩下中的靠近左端點的桃子，采摘到的桃子放置于移動平臺前端的籃子里。機器人工作期間，工作人員可以通過 PC端監控機器人的運行狀態，隨時介意對機器人的工作參數與工作狀態進行更改。

4 機械臂和移動端的結構設計

4.1 履帶驅動移動端的模型設計

根據桃子種植的過道可能為山坡或是較為崎嶇的地形，移動端應該具備優良的越地形性能。移動端的適應地形運動能力，選擇方案有兩種：其一是使用履帶式；其二是四輪直驅式。我們小組充分考慮到實際地形較為不平坦和野外工作條件較為復雜的特點，選擇履帶式進行設計。單邊履帶由單獨電機驅動板L298N驅動步進電機，減速器的減速比為1：89。通過過單邊履帶運動模式控制移動平臺構成機器人轉彎。移動平臺使用鋰電池作為其能源，通過不同的電源處理器對各部位實施供電，如移動平臺的Mega開發板模塊需5 V 電源，而輪子的步進電機需12V直流電源，機器臂伺服電機則是5V。

4.2 四自由度機械臂的模型設計

為使得機械臂靈活伸縮以達到良好的運動性能，機器人采用四自由度柔性機械手設計。末端的采摘手實際為三腳手爪，采摘時鍘刀剪斷果柄并且夾住剪斷的果柄，再將桃子運送至果籃。機械臂各個關節聯結的總體長度達到25 cm，亞力克板距離地面高度約為15 cm，機械臂的采摘半徑約為20cm，采摘桃子的末端執行器坐標允許誤差為2 cm，機械臂的關節使用型號為MG995的舵機。

5 圖像處理

成熟的桃子的整體特征具有近似紅色圓球，PC端的識別方法正借鑒此特征進行識別。圖3所示為識別程序流程圖，先由FPV攝像頭采集圖像進行處理再進行判斷，若判斷成功則輸出平面坐標，若失敗則返回至獲取圖像，重新采集圖像。

6 控制系統設計

6.1 硬件設計

桃子采摘機器人為一機構簡單的機械系統，圖4所示，機器人控制系統主要由PC控制以及下位機組成。PC端為圖5中的PC控制中心。PC 端是一臺電腦，CPU為E5-2670，主 頻 2.6G，內存16G。PC通過 USB串口與下位機的移動端控制器通信，圖像通過FPV攝像頭無線圖像傳輸的方式與視頻采集卡通信。機械臂控制器的功能主要是通過控制電機運行以控制機械臂按照規劃的軌跡運動，并通過控制控制采摘手閉合與張開。移動平臺控制器的功能主要是通過平臺調整機器人位置。

6.2 軟件設計

機器人的軟件設計主要包括 PC 端控制、移動平臺控制器程序設計、機械臂及末端執行器程序設計以及遙控器程序設計。PC端在VC ++環境下進行，而下位機則是使用Mega2560控制板。主要視覺計算在PC端完成，下位機的任務主要為各個硬件驅動。整體的程序流程：PC開機初始化各個設備， 機械臂復位，通過FPV攝像頭獲取桃子圖像，并對圖像進行預處理。若檢測到視頻流中存在成熟桃子，則獲取桃子平面坐標，否則機器人左轉繼續捕獲桃子圖像，從第三步循環執行，如果檢索完圖像中所有的部分，且未發現桃子，那么機器人原地打轉，跳至第三步開始執行。

6.3 模型的測試

由于沒有成熟的桃子與末端執行器的行程過短等原因，所以暫時使用成熟的蘋果代替和兵乓球代替，經過測試撿起一個兵乓球的時間為20s。如圖所示：

7 結論

（1）機械采摘手采用“內剛外柔”模式，即在金屬采摘手外面整合硅膠等柔軟、摩擦系數大的物體。這樣既能牢牢地抓住水果，又能防止碰壞水果。機械仿生手指，通過模擬人工采摘方式來采摘桃子。

（2）運用智能攝像機、超聲波、實時跟蹤與定位系統，隨時準確定位移動的水果（采摘過程中可能會搖動枝條而導致水果移動），在有風的天氣下也能采摘水果。

（3）每當采摘完一輪將要運動到下一個地點采摘前，用風扇吹動葉子，若發現還有水果，則摘取，這樣就可以減少漏摘的水果。

【參考文獻】

[1]董芒，顧寶興，姬長英，張慶怡，查啟明.水果采摘機器人智能移動平臺的設計與試驗[J].華南農業大學學報，2016，37（04）：128-133.

[2]蘇媛，楊磊，宋欣，李冰.智能移動蘋果采摘機器人的設計及試驗[J].農機化研究，2016，38（01）：159-162.

[3]伍錫如，黃國明，劉金霞，徐波.新型蘋果采摘機器人的設計與試驗[J].科學技術與工程，2016，16（09）：71-79.

[4]李宇飛，高朝輝，申麟.基于視覺的機械臂空間目標抓取策略研究[J].中國科學：技術科學，2015，45（01）：31-35.