基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機器人研究

王龍寧 張 鵬 林豐山 潘時佳 李京儒

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

0 引言

我國獼猴桃總產量和栽培面積均已居世界第一位，產業前景非常廣闊。但是，截至目前，獼猴桃樹剪枝方式大多仍為人工剪枝，而且需經常找專業人員進行操作，嚴重依賴人工操作，不僅成本高昂，而且浪費人力、效率低下。另一方面，隨著我國城市化進程的加快，鄉村勞動力向城鎮轉移的速度也在加快，越來越多的農村人民選擇到城鎮謀生。隨著現代果園種植規模擴大，技術工短缺、成本增加等問題突出。果樹枝干復雜性、剪枝技術性和不可逆性等問題導致剪枝機械發展緩慢，成為限制水果生產重要因素之一[2]。因此，在此大背景下，發展獼猴桃自動化剪枝技術，特別是研發獼猴桃智能剪枝機器人，具有重要意義，而且具有較大應用前景。鑒于近年來使用較多且效果較好的雙目視覺以及神經網絡技術，本文研究了一種基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機器人，旨在改善完全依靠人工剪枝的現狀，解決人工剪枝成本高昂、浪費人力、效率低下等問題。

基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機器人，考慮到獼猴桃剪枝工作帶來的困難，其整體機械結構復雜，包括履帶形式行走底盤總成，行走底盤總成上設置有剪叉式升降機、升降機驅動電機和控制器，叉式升降機的升降臺上設置有四自由度機械臂，四自由度機械臂的末端設置有末端剪枝器和雙目視覺模塊，所述升降機驅動電機、所述雙目視覺模塊、所述末端剪枝器、所述四自由度機械臂分別與所述控制器連接，所述控制器與所述行走底盤總成的遙控器通信連接。本文著重研究剪枝機器人的運動方式和運行機理，為基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機器人的進一步智能化研究提供參考。

1 剪枝機器人的機械結構

圖1(a)為基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機器人的結構示意圖，該機器人由底盤、升降機、機械臂、末端執行機構等組成。圖1(b)是本實施方式中基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機器人的上下升降示意圖。末端剪枝器用螺栓螺母連接固定在四自由度機械臂末端，有一個張開和閉合的自由度用于剪枝動作的執行；雙目視覺模塊用螺栓螺母連接固定在四自由度機械臂上末端剪枝器后方，用于識別所要進行修剪的枝條；四自由度機械臂用螺栓螺母連接固定在升降臺上，剪叉式升降機用螺栓螺母連接固定在電機支座上，四自由度機械臂和剪叉式升降機驅動末端剪枝器到獼猴桃枝條附近。

圖1

2 剪枝機器人的工作方式

2.1 剪枝機器人執行機理

通電后機器人啟動，履帶式車底盤將進行工作，使用履帶保證了機器整體的操縱穩定性以及對復雜地形的容錯性，有效提升了機器人對獼猴桃樹園松軟地面的適應性，微型控制器控制四自由度機械臂默認執行已經寫入微控制器的特定動作組使雙目視覺模塊在機械臂的帶動下在垂直方向停靠，以方便識別待修剪枝條，并將此動作位置作為四自由度機械臂的初始位置，然后，控制器控制升降機驅動電機通過減速器驅動剪叉式升降機工作，將升降臺升起適當高度，使末端剪枝器達到枝條下方一定距離，確保四自由度機械臂執行剪枝動作組時末端剪枝器能夠完成枝條修剪；人工使用紅外線遙控器遙控行走底盤總成在獼猴桃樹架下勻速緩慢前進；在行走底盤總成緩慢前進過程中，雙目視覺模塊識別待修剪枝條，識別到后向控制器發送目標枝條坐標，控制器進行分析工作，控制器向遙控器發送信號，使遙控器內置蜂鳴器報警，提醒操作者停止車身總成前進；機器人停止前進之后，控制器根據獲取的目標枝條坐標控制四自由度機械臂驅動末端剪枝器完成對目標枝條的修剪，修剪完成后控制四自由度機械臂復位，并向遙控器發送信號，使遙控器內置蜂鳴器報警，提醒操作者一個工作循環已完成，進入到下一個工作循環。

2.2 剪枝機器人執行機理分析

本文所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機器人采用雙目視覺模塊1采集枝條圖像及坐標，并采用卷積神經網絡(convolutional neural network，CNN)方法對圖像進行處理和枝條識別(主要是通過花芽的個數來確定枝條是不是待修剪枝條)，CNN方法對圖像具有極強的數據表征能力，普適性、魯棒性好。與人工剪枝相比，所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機器人有自動化程度高、節省成本及人力、操作簡便、剪枝準確高效等優點，但因本身獼猴桃枝條在修剪時期的特殊形態，造成視覺識別較為困難，以及雙目視覺識別模塊并未成熟等問題，有小概率出現目標剪枝識別錯誤等問題，仍需解決。

3 結論

智能控制器使用，保證了該剪枝機器人的智能性；采用高密度鋰電池供電保證了該剪枝機器人的續航時間；可遙控履帶底盤總成的設計保證了該剪枝機器人轉向前進的通過性、靈活性以及人工操作的簡便性，有效提升了機器人對獼猴桃樹園松軟地面的適應性；剪叉式升降機和四自由度機械臂的設計保證了剪枝的可靠性，雙目視覺模塊及末端剪枝器的設計保證了其剪枝的準確性與高效性。綜合以上優點，本文所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機器人與人工剪枝相比，自動化程度高、節省成本及人力、操作簡便、剪枝準確高效，有很大的應用前景及發展空間。