基于自動化的蘋果采摘機(jī)器人

劉國棟 楊孟杰 張應(yīng)紅 孫元廣

摘 要：蘋果是具有長久的季節(jié)性的水果，且人工采摘的勞動強(qiáng)度大，風(fēng)險(xiǎn)高，成本高。解決人工采摘蘋果的問題需要將農(nóng)業(yè)與工業(yè)智能化的結(jié)合。為此設(shè)計(jì)一種五自由度，滿足工作空間的基于自動化的蘋果采摘機(jī)器人。該機(jī)器人通過工業(yè)攝像機(jī)、紅外線探頭采集外部環(huán)境信息，并傳遞到電源控制模塊，從而控制以步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)的源動力的驅(qū)動，進(jìn)一步控制各個機(jī)械臂和機(jī)械手的轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對蘋果的自動化的采摘。

關(guān)鍵詞：采摘蘋果；自動化；工業(yè)攝像機(jī)；機(jī)械手

引言：隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣化和精確化、規(guī)模化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求也正在逐漸提高，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施智能化農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。對于降低人工勞動強(qiáng)度和采摘成本、保證蘋果適時采收，研究滿足工作空間的自動化采摘機(jī)器人對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

1.蘋果采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)：

采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖主要由底座、腰部，大臂，肘部，小臂，末端機(jī)械手等主要部分組成，其總體結(jié)構(gòu)簡圖1.1所示。該機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人類似，具有五個自由度的工作空間，分別是自由度1（腰部回轉(zhuǎn)），自由度2（大臂旋轉(zhuǎn)），自由度3（小臂旋轉(zhuǎn)），自由度4（肘回轉(zhuǎn)），自由度5（機(jī)械手旋轉(zhuǎn)）。

1.2移動平臺方案的確定：

在確定設(shè)計(jì)方案以后對機(jī)器人的移動載體采取分析并進(jìn)行選擇。

（1）履帶式移動平臺特點(diǎn)及存在問題

特點(diǎn) a. 轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

b.支撐地面的面積大，下陷度小，滾動阻力大，越野機(jī)動性能好；在松軟或者潮濕的土地環(huán)境中具有較好的越障能力。

c.履帶支撐面上有很多履齒，行走時不容易打滑，附著性能好；。

存在問題： a.履帶式移動平臺的體積和重量大，速度慢，耗能高；。

b.履帶容易磨損，需要經(jīng)常性的檢查

（2）輪式移動平臺特點(diǎn)及存在問題

特點(diǎn)： a.輪式移動平臺的能量損耗比較小。

b.相對于比較適合高速移動的場合。

存在問題： a.支撐面積小，滾動阻力小，越野機(jī)動性能不太理想，不太適合于環(huán)境惡劣的路面；果園作業(yè)不夠靈活。

b.轉(zhuǎn)向半徑較大，需要較大的轉(zhuǎn)向空間

c.容易打滑，附著性能不理想。

（3）智能移動平臺最終方案確定

履帶式移動平臺適合于未加工的天然地面行走，它是輪式移動機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車輪連續(xù)鋪路的作用。果園里的路面環(huán)境相對較差，尤其是雨后，路面很滑的情況下。采用履帶式智能移動平臺不僅有利于克服果園崎嶇不平的 路邊環(huán)境，而且在雨后更為惡劣的路面環(huán)境中仍有良好的通過性。

1.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu) ：

采用的機(jī)械手為平行移動式機(jī)械手，如下圖所示，以電機(jī)為動力，帶動絲桿（3）轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)帶動與絲桿（3）螺旋配合的滑塊（5）前后移動，滑塊通過連接件（4）帶動左右機(jī)械手（1）進(jìn)行平行移動，機(jī)械手左右端的的末端由銷 釘（2）限制住機(jī)械手的 x 軸移動，根據(jù)三點(diǎn)確定一個平面的定理，使機(jī)械手只能進(jìn)行左右平行移動。從而實(shí)現(xiàn)采摘末端執(zhí)行器的抓取動作取決于力傳感器和視覺傳感器的信號。無論采摘的水果是大是小，只要數(shù)攏采集卡采集的力傳感器 信號達(dá)到設(shè)定安全值，末端執(zhí)行器的雙指會停止運(yùn)動。如果末端執(zhí)行器抓取過程中視覺傳感器檢測到果實(shí)有滑動，則夾持雙指便會自動增加夾持力，確保在果 實(shí)不被夾傷的情況下，不會從夾持雙指中滑落。果園調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蘋果直徑一般在 50mm-100mm 之間，因此所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器夾持手指之間距離為110mm。

1.4工作原理：

我們采用了圖像處理的方法，在各種天氣下采集果實(shí)的圖像。采摘過程中，工業(yè)攝像機(jī)與紅外線抬頭進(jìn)行果實(shí)的定位，機(jī)器人根據(jù)機(jī)器視覺系統(tǒng)、STM32 主控芯片以及其他傳感器反饋的定位信息和避障信息來控制采摘機(jī)器人的各個部位的運(yùn)動，機(jī)械手是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行部分，要使機(jī)械手準(zhǔn)確找到果實(shí)位置并采摘下來，需要得到熟蘋果的位置。機(jī)械手兩端附帶壓力傳感器， 機(jī)械手夾住果實(shí)，壓力達(dá)到蘋果接近損壞的程度時，觸發(fā)舵機(jī)開關(guān)，使機(jī)械手上端的剪切執(zhí)行器會切斷樹枝。

1.5總體結(jié)構(gòu)確定

綜上所述：此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是履帶式移動的，主要由控制系統(tǒng)及其機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成，具有5個自由度。采摘機(jī)器人主要包括行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、機(jī)械手結(jié)構(gòu)、 圖像信息處理系統(tǒng)等幾大部分。如下圖1.5所示，機(jī)械手是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行部分，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，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，底盤機(jī)架，履帶式行走裝置等。

2.系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

2.1整體控制方案

采摘機(jī)器人選用STM32F103C8T6為主控芯片，左右步進(jìn)電機(jī)帶動履帶為采摘機(jī)器人提供動力以及方向控制，機(jī)械手臂的每一個自由度對應(yīng)一個舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手臂動作的控制，處理工業(yè)攝像機(jī)得到的數(shù)據(jù)后，再完成一系列采摘動作。

2.2主控芯片選擇

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，運(yùn)行速度快，可利用DMA模式下處理數(shù)據(jù)，減輕負(fù)擔(dān)，定時器在PWM模式能同時產(chǎn)生多路PWM波，實(shí)現(xiàn)多個舵機(jī)控制。系統(tǒng)框圖如下：

2.3電源模塊

12V鋰電池作為主電源，可以多次充放電，高效且充電效率高。

單片機(jī)由于使用電壓一般在3.3V～6.0V之間，利用降壓模塊將電壓降到5V對舵機(jī)以及單片機(jī)供電。

2.4行走控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制，但所需要的驅(qū)動電流過大，單片機(jī)負(fù)荷不起，需要電機(jī)驅(qū)動模塊來產(chǎn)生較大電流驅(qū)動電機(jī)，避免燒壞單片機(jī)。

2.5機(jī)械臂控制

舵機(jī)體積小，重量輕，扭矩大，常用于精確的角度控制。可以減少舵機(jī)占用空間，減輕機(jī)械手臂重量，使機(jī)械手臂能有較大的承重力，機(jī)械手能有足夠的力夾緊水果，精確的角度控制能減少誤差，避免重復(fù)定位，夾漏等失誤操作主控芯片產(chǎn)生一個控制信號，控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。

3.結(jié)束語

本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器的控制系統(tǒng)來對蘋果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，確定其基礎(chǔ)組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法。在蘋果采摘的定位信息上采用一種基于OpenCV的雙目立體視覺技術(shù)，并反饋到由ARM+PC協(xié)同的控制系統(tǒng)，驅(qū)動五自由度的機(jī)械人進(jìn)行采摘工作，并且配備履帶式的移動平臺，使其工作更加具有靈活性和實(shí)用性，對人類的未來智能農(nóng)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[2]付亞子.機(jī)械手控制系統(tǒng)[C].湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.

[3]周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995

[4]濮良貴. 陳國定. 機(jī)械設(shè)計(jì)（第九版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[5]董慧穎 .機(jī)器人原理與技術(shù)[M]. 清華大學(xué)出版社，2014.

[6]蔡自興.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[7]孫樹棟.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.