基于標準化果園采摘機器人的設計

田壯 劉富成

摘 要：隨著農業機械化的發展，農業機器人逐漸走進人們的生活。果實成熟后，對果實進行采摘往往需要農民付出很大的勞動量。因此，采摘機器人在農業生產過程中就顯得十分重要[1]。本文設計了一種標準化種植果園的采摘機器人，詳細介紹了其機械結構、工作過程以及其工作特點分析，為采摘機器人的自動化、高效化研究提出了一種新的設計思路和設計方法。

關鍵詞：農業;機器人;果蔬采摘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.099

0 引言

我國是一個農業大國，有著廣闊的種植面積和廣大的農民群眾，每年生產的糧食以及果蔬產量極大。這就要求農民們在農業生產中投入很大的勞動力，傳統的耕作以及收獲方式是以人力為動力的方式，但果實的收獲必須要做到及時以保證果實質量，這就要求農民在短時間內收獲大量果實，顯然存在很大困難。為了解決這一問題，采摘機器人便逐漸進入農業生產中。

農業采摘的自動化是如今采摘作業的發展趨勢，但由于如今人工智能技術還不夠成熟，當今農業機械化的發展還沒有做到任意地點全自動化，很難做到在一個完全陌生的環境下工作，這就要求大規模的農場實現規范種植、標準種植。減少機器人由于種植不規范而造成的誤動作[2]。本文所設計的采摘機器人便是在標準化果園里進行采摘作業的，實現了標準化種植果園內的高效、精準采摘，為農業采摘機器人進一步的自動化、高效化研究提出了一種新的設計思路。

1 機器人的結構

1.1 總體結構

如圖1所示，采摘機器人由底盤、傳感器固定架、紅外傳感器、兩個球狀萬向輪、支撐柱、驅動輪、車輪驅動電機、收集箱、舵機、傾斜底板、機械臂、底部固定架、視覺模塊以及主控板組成。

1.2 各部件裝配關系

第一球狀萬向輪和第二球狀萬向輪分別通過相應的支撐柱固定在底盤上;第二球狀萬向輪的支撐柱短于第一球狀萬向輪的支撐柱。兩個驅動輪對稱設置于底盤后部左右兩側，分別與相應的車輪驅動電機連接，如驅動輪采用橡膠輪;車輪驅動電機分別通過相應的電機固定架固定在傳感器固定架和底盤上。

收集箱頂部開口，底部設置有一個從后部向前部傾斜的傾斜底板，前部設置有收集箱門，收集箱門由舵機控制其開合。采摘臂包括底部固定架、第一臂桿、第二臂桿和機械手，底部固定架可轉動地設置在底盤上以實現水平面內360°旋轉;第一臂桿一端與底部固定架轉動連接，另一端與第二臂桿轉動連接以實現所述采摘臂豎直平面內的轉動;機械手可轉動的設置在第二臂桿的外端，第二臂桿上靠近機械爪的部分還設置有攝像頭。

底部固定架與底盤之間設置有舵機，第一臂桿一端通過驅動電機與底部固定架轉動連接，另一端通過驅動電機與第二臂桿轉動連接;機械手通過舵機與第二臂桿的外端連接。本設計，底部固定架總體呈圓柱形框架結構，底部固定架的底平面上固定舵機，底部固定架的頂平面上固定有一對第一驅動電機，底座固定架位于兩個車輪驅動電機的中間位置。

2 機器人的工作過程

工作時，視覺模塊會建立空間坐標系，將目標位置數據的坐標反饋給主控板，主控板給電機發送數據，控制機器人行進至目標位置，進行采摘動作。另外，果園內部地面上應設有相關采摘點標識，當機器人的傳感器識別到果園內相關標識時，機器人發出信號，使得車輪驅動電機控制轉速，使車輪驅動電機降低轉速，直到視覺模塊識別到所要采摘的位置時停止。

機械臂的舵機會根據接受的信號，控制底部固定架旋轉一定角度，驅動電機會根據接受的信號旋轉一定角度，使第一臂桿轉過一定角度，第二驅動電機會根據接受的信號，控制第二臂桿轉過一定的角度，當機械爪移動到果實所在位置時，攝像頭會識別前方有沒有果實，如果有，會發出信號給舵機，控制機械爪將果實抓取，抓取果實之后，會發送信號給舵機、第一驅動電機、第二驅動電機，將物體送至收集箱。

在機器人不在卸載區時，舵機會鎖死收集箱門，使其承受果實壓力而緊閉，當達到卸載區時，機器人發出信號給舵機，讓其轉動，控制收集箱門打開，收集箱底部有一個從后部向前部傾斜的傾斜底板，使得卸載果實時，利用果實的自重，讓其自然滑落。

3 機器人的工作特點分析

用了舵機控制收集箱門，收集箱底部采用了傾斜底板，使得收集的物體自動卸載;采用攝像頭視覺技術，可以準確識別目標處有無物體，使用方便，自動化程度高，可以代替人工進行長時間采摘工作，節省人力物力。但所有采摘工作的前提是在滿足此機器人工作的標準化果園內進行。

4 總結

由于人工智能技術水平的限制，如今的采摘機器人只能在標準化的果園內進行采摘作業[3]。本文從機械結構、工作過程以及其工作特點三個方面介紹了一種新型的采摘機器人，為采摘機器人的自動化、高效化研究提出了一種新的設計思路和設計方法。相信在不遠的未來，通過科學家們不懈的努力，采摘機器人將更加普遍、更加高效地運用在農業科學中，切實的幫助農民完成采摘作業。

參考文獻：

[1]伍錫如，雪剛剛，劉英璇.基于深度學習的水果采摘機器人視覺識別系統設計[J].農機化研究，2020，42（02）：177-182+188.

[2]楊玉，王政博.基于雙目視覺的采摘機器人[J].電子世界，2019（07）：47-48.

[3]張莎，馮聰利，趙培.水果采摘裝置的現狀及發展趨勢[J].科技創新與應用，2019（07）：84-85.