自動化草莓采摘車的設(shè)計與實現(xiàn)

孫姍姍 武瑛 司詠梅

（嘉興學院 南湖學院，浙江 嘉興 314001）

一、背景

草莓富含豐富維生素C和礦物質(zhì)，具有很高的營養(yǎng)價值和經(jīng)濟價值，深受人們喜愛。國內(nèi)外市場格外推崇這營養(yǎng)價值高，礦物質(zhì)和維生素C含量高的小漿果，將其稱為“水果皇后”[1]。科技不斷發(fā)展，種植草莓的技術(shù)也在不斷推廣，更多的土地面積用來種植草莓。但是由于機器落后，至今我國草莓的采摘還是主要依靠人工來完成。這種方法要求工人連續(xù)蹲下或彎腰做業(yè)，在采摘過程中勞動量十分大且效率較低。并且草莓具有果皮柔軟、成熟期不確定等特性，給果農(nóng)在收獲草莓時帶來巨大的麻煩。同時在采摘過程中果皮一旦破損，將會失去它的經(jīng)濟價值與食用價值，給果農(nóng)帶來經(jīng)濟上的損失。中國大多采用壟作栽培的方式來大面積種植草莓，這就需要投入大量成本來人工采摘草莓。為改變這一問題，我們不斷嘗試去開發(fā)一種自動化機器來取代人力，同時滿足自動并且低損壞草莓的要求，因此自動化草莓采摘機誕生了。

自動化草莓采摘車結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜且能耗較低。現(xiàn)有的草莓采摘機器在性能上和實現(xiàn)方面存在不足，我們設(shè)計采用花苞式機械手來減小采摘中對果實的損壞以延長存儲時間，可以較好的完成采摘任務(wù)。

二、草莓機械手的設(shè)計

（一）草莓的物理特性

草莓采摘機械手需要在設(shè)計上擁有足夠的可變性以及適應(yīng)各種環(huán)境的能力，所以在設(shè)計草莓采摘機械手之前要充分了解和研究草莓的特性。通過查閱資料以及各方了解，我們大致掌握了農(nóng)產(chǎn)品的主要特性，如下：

表1 農(nóng)產(chǎn)品主要物理特性

考慮到農(nóng)產(chǎn)品的物理特征及特性，我們設(shè)計草莓采摘機械手時多加注意。同時由于草莓果實的外觀尺寸大有不同，不同種類的草莓的大小和重量也沒有固定規(guī)律，設(shè)計機械手時也要格外小心，以防損壞果實，通過對實物的觀測，擬采取尺寸在（35mm*40mm）的中等大小作為研究對象。

（二）機械手的設(shè)計

設(shè)計機械手時，要結(jié)合果實的特性以及人工采摘方式，充分考慮到栽種果蔬的習慣和果實生長方式[2]。就當前來說，果蔬采摘機通常利用機械手來直接扭斷或切割果梗來將其與果實分離。一般像橙子、蘋果這種質(zhì)地硬的水果，通常會扭斷果梗的方式來進行采摘。對于這種果蔬，采摘機會采用多指式機械手，牢牢抓住果實然后旋轉(zhuǎn)摘除。像草莓這種不具有規(guī)則外形，且質(zhì)地柔軟易遭到損壞的果蔬，一般采摘方式都是直接切割果梗。大多數(shù)草莓都是高架式栽培，因此果實都是懸空的，這就考驗自動采摘機如何在不損壞果實的情況下分離果實與植株。這過程中最為重要的就是準確利用圖像識別來定位果實，這決定了整個采摘過程中采摘機器人的性能高低[3]。但現(xiàn)有的蘋果等水果采摘機械手不足以滿足草莓的采摘要求，因此我們自主設(shè)計了一種花苞式機械手。此機械手采用四片“花瓣”猶如花苞一樣將草莓輕輕地包裹其中，其中有兩片“花瓣”封口做成刀口，用于切割草莓的梗，另外兩瓣“花瓣”用于輔助，承載草莓將草莓牢牢鎖在“花瓣”內(nèi)，然后有傳送系統(tǒng)傳送至籃框內(nèi)，達到低損傷運輸?shù)男ЧＭ瑫r籃筐處裝有重力傳感器，一旦采摘的草莓達到一定重量將會停止工作并提醒工作人員前來收集。

花苞式機械手的組成：“花瓣”的材料選用金屬材料鋁合金與非金屬材料PU海綿，金屬材料我們選擇鋁合金，因為其質(zhì)量輕可以減少對車的負重且易于系統(tǒng)操作，耐腐蝕性強，并且它具有很好的延展性便于加工所需要的花瓣形形狀；PU海綿具有隔熱、減震、防靜電、透氣性好等優(yōu)點，在草莓運輸過程中可以降低因運輸過程顛簸而導(dǎo)致草莓表面損壞，提高草莓的保存時間。所以長久保存草莓且降低損壞率，我們用PU海綿包裹機械手內(nèi)部，驅(qū)動機械手時也緩慢采用螺旋式，通過絲杠驅(qū)動傳動部件來進行減速，然后驅(qū)動機械手運動變形來包裹果實，再閉環(huán)控制傳感器的反饋旌旗燈號，這一系列過程結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。機械臂運轉(zhuǎn)是否順暢往往看控制系統(tǒng)的操作是否熟練。

三、草莓機械車控制系統(tǒng)的設(shè)計

（一）Arduino

圖1-2 Arduino開發(fā)板

Arduino是單片機二次開發(fā)的產(chǎn)物（如圖1-1所示），所用的軟件編程（如圖1-2）是arduino-1.6.11-windows。在實際操作中，普通單片機只是零散部件，這樣大大加大工作量與工作難度。而且Arduino是半成品，只需把相應(yīng)的模塊組合在一起，編寫或參考一些編程就可以使系統(tǒng)運作，使用起來難度大大減小。Arduino一般使用單片機來進行開發(fā)C語言、匯編語言、配置寄存器等操作，同時將其作為核心板。Arduino簡化了開發(fā)C語言的方法，使語言相對簡單。在開發(fā)時，它不需要與AVR寄存器和其他東西的底部糾結(jié)，設(shè)計者只要在IDE中編寫程序代碼，上傳程序到Arduino電路板后，Arduino電路板便會控制機械手來進行采摘。

圖1-2 Arduino 軟件界面

（二）步進電機與驅(qū)動器

該螺釘通過轉(zhuǎn)化步進電機的旋轉(zhuǎn)運動為拾取機械手驅(qū)動部件的線性運動。因此，通過一系列的計算和演示，可以得到驅(qū)動機械指單元的驅(qū)動部件的驅(qū)動力，從而獲得步進電機的最小輸出扭矩。在眾多經(jīng)濟型步進電機驅(qū)動器中，TB6560款屬于穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性都比較強的那種。該驅(qū)動器適用于各種工業(yè)控制環(huán)境，主要用于驅(qū)動28、35、39、42 型4、6、8線兩相混合式步進電機[4]。

（三）紅外攝像頭及其傳感器

通過紅外攝像頭所收集到的信息與圖像傳遞起給傳感器，經(jīng)過信息處理來判斷草莓是否達到采摘要求，再將判斷結(jié)果傳達到步進電機與驅(qū)動器進行對草莓的抓取。傳感器選用Arduino的TCS3200（如圖1-3）顏色傳感器，在其燒錄識別紅色的程序以達到選取紅色草莓的目的。

目前有具備紅綠藍和清除4種濾光器的TCS3200D傳感器可供選擇，我們主要通過判斷引腳S2和S3的高低電平來選擇濾波器模式。我們此次試驗所需的是紅光濾光器，其中需將引腳S2、S3全部調(diào)為高電平。（如圖1-4）

圖1-3 TCS3200引腳

圖1-4 引腳功能

（四）車模

由于草莓的生長地環(huán)境相比于理想情況下惡劣，所以選取飛思卡爾越野式車模（如圖1-5所示），其寬大的車輪和減震系統(tǒng)可以適應(yīng)草莓園里凹凸不平的地面，使機械手在工作過程中保持自身的平穩(wěn)并且可以減少果實由于顛簸可能帶來的損傷，使采摘工作平穩(wěn)有序的進行。

四、結(jié)語

在信息和科技高速發(fā)展的今天，一味地依賴純?nèi)斯谧鞯臅r代已經(jīng)過去，迎接我們的將是機械代替人工的局面。本文主要研究對象為壟作式種植草莓，進一步探索設(shè)計了草莓采摘機械車，以下為完成工作的總結(jié)：

通過調(diào)查草莓的生長環(huán)境及采摘方式方面，本文獲悉目前國內(nèi)大部分采用壟作式栽培來種植草莓，而人力采摘草莓成本較大，工作量相對較高，自動化機器普及率低。由此廣大種植戶比較關(guān)心機械化、自動化收獲作業(yè)。

目前采摘果實面臨的主要問題就是果實是否成熟，以及成熟度如何。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在我們可以利用人工智能視覺系統(tǒng)對果實顏色、飽和度等信息數(shù)據(jù)進行分析，使智能采摘機器人能夠判斷果實是否成熟，但是效果并不如人意。剛開始處于試驗期的草莓采摘車尚能應(yīng)對。但在離開實驗室后，面對果園復(fù)雜的光照環(huán)境、果實形狀的多樣性、果實生長位置的不確定性等問題，水果機器人暴露出收獲率低、收獲效率極低、不能快速準確地收獲成熟果實等問題。一系列問題接踵而至，并且亟待解決，為此我們也需不斷努力。