高檔名優綠茶仿生采摘指氣動控制系統研制*

劉俊鋒，潘志剛，陳勇，肖宏儒，韓余，郝淼

(1.南京林業大學機械電子工程學院，南京市，210037；2.農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

采茶勞動力緊缺和人工成本高是名優綠茶產業發展的瓶頸。然而市場對于名優綠茶的需求越來越大，導致了名優綠茶的供需不平衡。目前，大宗茶的采摘已經基本實現機械化，市場上普遍使用采茶機將茶樹冠部全部剪切收集，這種采摘方式對葉片造成了不同程度的損壞，大大降低了茶葉的品質[1]，存在芽葉破碎、混雜老梗老葉等問題。對于高檔名優綠茶一芽一葉、一芽兩葉的采摘標準，這種剪切式的采茶機并不適用。因此，研發適用于名優綠茶新梢的采摘裝置是解決當前茶產業勞動力緊缺問題的關鍵。

近年來，已有學者開始了名優綠茶智能化采摘的研究。浙江工業大學[2-4]將機器視覺應用于乘坐式采茶機上，識別新梢后機器自動調整割刀的高度，使其與所采新梢高度相對應。南京林業大學[5-8]基于機器視覺、光譜分析、并聯機器人等技術，研發了對新梢有選擇性采摘的機器人。安徽農業大學[9-10]開展了履帶式智能采茶機的研究，利用自動感應切割深度的篩選板，可根據新梢長度、葉張幅寬及茶蓬高度來調節切割器采摘高度。臺灣大學[11-12]利用深度學習來完成采茶機導航和茶葉采摘點的定位。另外，文獻檢索表明，國內外尚未研制出適用于名優綠茶智能化采摘的末端執行器。

針對現有的采茶機對新梢采摘缺乏選擇性，且專門用于高檔名優綠茶的采摘設備尚處于探索階段的問題。本文創新性地研制用于采茶機器人的仿生采摘指，通過固定、提拉等動作將新梢的莖拉斷，其效果如同人工“提手采”，重點開展采摘指氣動控制系統設計，并進行采摘試驗。

1 仿生采摘整體方案

采茶機器人在待采摘區域利用機器視覺對茶蓬表面的新梢進行識別，然后機器人上的線性模組將仿生采摘指送至采摘點。采摘指模仿人工“提手采”的動作，對名優綠茶新梢實現成功采摘，在該區域識別出的新梢采摘完成后，機器人移動至下一個待采摘區域進行采摘作業。

1.1 新梢識別方案

實現采茶機器人的自動化采茶，首先要解決茶樹新梢識別問題。新梢與老葉、枝干、土壤等背景的顏色特征具有一定差異性，因此在顏色空間中提取新梢圖像的R、G、B分量，利用像素分布法和因子迭代法確定三個分量的關系式，可有效劃分新梢與背景區域[13]。分割處理后圖像采用連通域標記的面積濾波法過濾提取，保留較為完整可采摘的茶樹新梢，便于采摘指進行采摘。新梢識別效果如圖1所示。

(a)原始圖像

1.2 采摘指整體結構

本文以采摘新梢中一芽一葉為例，在新梢芽和葉之間設定A、B兩個夾持點，兩點間距稱第一節間距，如圖2所示。

圖2 茶葉新梢示意圖

根據對品種為“龍井43”茶樹新梢的形態特性和力學參數實地測量，結合人工“提手采”動作要領分析及測量結果，設計了仿生采摘指的機械結構，如圖3所示。上夾爪和下夾爪分別通過氣缸活塞桿帶動連桿運動，實現對A點、B點位置的夾持和松開動作。待上夾爪和下夾爪完成對新梢的夾持后，升降機構通過氣缸活塞桿推出帶動整個里層套結構向上運動，使被夾緊的A點向上移動，完成一芽一葉的采摘。

圖3 采摘指整體結構圖

2 采摘指控制系統設計

采摘指控制系統采用STM32為主控芯片，控制光耦合器的通斷使繼電器吸合或釋放，進而控制電磁換向閥的兩個出氣口有序開啟，來實現氣缸活塞桿的推出和退回，使采摘指進行新梢采摘。

2.1 采摘指控制系統氣路設計

根據采摘指的控制要求，設計了控制系統氣路如圖4所示。氣源裝置產生高壓氣體通過PU管輸送到氣動三聯件中，對氣體進行過濾干燥。過濾后的氣體進入調壓閥中進行壓力調節，以滿足執行元件的氣壓要求。調節后的高壓氣體經過油霧器，與霧化油滴混合對執行元件內部進行潤滑提高采摘動作流暢性。本文通過十字四涌接頭，將高壓氣體分為三路，分別驅動上夾爪氣缸、下夾爪氣缸和升降氣缸。

圖4 采摘指控制系統氣路圖

以上夾爪控制氣路為例，如圖5所示：當高壓氣體進入電磁換向閥進氣口P后，控制信號接通電磁閥A1，此時電磁閥芯通過電磁力向左移動接通P-A和B-S口。高壓氣體從P-A口流出，進入單向節流閥I的進氣口。經過節流閥I對氣體流量的調節后，降低了氣體推動氣缸活塞的速度，防止夾爪運動過快對新梢造成損傷。此時氣缸右腔氣體受到活塞推動，從電磁閥排氣口排出。氣缸活塞桿隨活塞一起向右推出，通過氣缸桿連接支架帶動芯軸運動，驅使上夾爪內連桿與外連桿運動，使對稱的一對上夾爪進行夾持動作。完成夾持后電磁閥失電，由于電磁閥具有中位自鎖功能，保證了新梢與莖稈分離前，上夾爪對新梢的穩定夾持。

圖5 上夾爪控制氣路圖

當新梢與莖稈分離后，控制信號接通電磁閥A2，此時電磁閥芯向右移動接通P-B和A-R口。高壓氣體通過P-B口從電磁閥流出，再通過單向節流閥Ⅱ限流后進入到氣缸右腔，推動氣缸活塞向左移動，氣缸左腔氣體受到擠壓從電磁閥左腔排氣口排出。此時氣缸活塞桿退回，帶動夾爪松開新梢，復位到初始位置。

2.2 采摘指氣路元件選型設計

為了便于采摘指的控制和對新梢的穩定夾持，本文將選用三個同樣規格的雙作用氣缸作為氣動控制系統的執行元件。根據氣缸的理論輸出力計算公式，可以確定氣缸內徑。

(1)

(2)

式中：η——氣缸負載率；

F——氣缸負載力；

F0——氣缸理論輸出力；

D——氣缸內徑；

d——氣缸活塞桿直徑；

p——氣缸工作壓力。

根據對新梢力學特性的研究[14]，升降氣缸需滿足負載力為40 N。取η=0.5，活塞桿直徑d=0.2D，可得氣缸內徑D=15.55 mm?？紤]到氣缸內徑均為整數，取D=16 mm。

氣缸的選型還需確定氣缸行程：升降氣缸行程要保證新梢與莖稈完全分離，上夾爪和下夾爪氣缸行程則要滿足采摘指夾爪的張開距離。為防止夾持新梢時夾到其他葉片和合攏時間過長，取夾爪張開距離為50 mm。由于夾爪是左右對稱的，所以左右部分進行夾持動作各需移動25 mm，即取氣缸行程L=25 mm。綜上分析，本文選用的氣缸型號為CDJ2B16-25，氣缸規格參數：氣缸內徑為16 mm，行程為25 mm，使用壓力范圍0.06～0.7 MPa，符合要求。

氣缸耗氣量是氣路中其他元件選型的重要依據，其計算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中：V1——活塞伸出時排氣量；

V2——活塞退回時排氣量。

氣缸活塞往復一次所耗壓縮空氣量

(5)

單個氣缸每分鐘工作次數為N，則每分鐘活塞運動的耗氣量

V′=V×N

(6)

采摘指完成一次采摘動作的時間是可調節的，為了便于進行采摘試驗，初步設定完成一個新梢采摘時間為1.5 s，則N=40。根據式(5)、式(6)，可得V′=0.389 36 L/min。采摘指完成一次新梢采摘，需要3個氣缸共同工作，因此采摘指工作時每分鐘耗氣量為1.116 808 L。

結合上述分析及氣動控制要求，完成了氣路中氣源裝置、氣動三聯件、電磁換向閥和節流閥的選型。

2.3 采摘指控制系統設計

本文選用STM32F103單片機作為仿生采摘指氣動控制系統的微處理器，STM32F103具有37個I/O引腳，能夠很好地實現控制要求。通過STM32F103單片機PA0～PA5輸出控制信號，利用繼電器的吸合和釋放來控制電磁換向閥兩個出氣口的有序開啟，進而控制氣缸活塞桿的運動方向。為了增加系統安全性，在電路中加入了EL817光耦合器，將控制信號與工作信號相隔離。采摘指控制系統硬件電路如圖6所示。

以上夾爪電磁換向閥控制為例，當采摘指上夾爪夾持新梢時，PA0輸出低電平，EL817光耦合器導通，三極管MMMBT5551導通，電磁繼電器吸合，接通電磁換向閥A1。同時PA1輸出高電平，EL817光耦合器截止，三極管MMMBT5551截止，電磁繼電器斷電，電磁換向閥A2失電，此時高壓氣體經過電磁閥，將上夾爪氣缸活塞桿推出。同樣當PA0輸出高電平，PA1輸出低電平時，上夾爪氣缸活塞桿退回。

當采摘指氣動控制系統上電時，單片機接通上夾爪電磁換向閥A1和下夾爪電磁換向閥B1，氣缸活塞桿推出帶動上夾爪和下夾爪閉合，對新梢進行夾持。接著單片機接通升降電磁換向閥C1，升降氣缸活塞桿推出帶動里層套向上運動，實現新梢與莖稈的分離。然后，單片機接通上夾爪電磁換向閥A2和下夾爪電磁換向閥B2，上夾爪和下夾爪氣缸活塞桿退回實現夾爪復位。最后，單片機接通升降電磁換向閥C2，升降氣缸活塞桿退回，準備進行下一個新梢的采摘，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 采摘試驗

3.1 試驗裝置與材料

在仿生采摘指實物樣機的基礎上，搭建采摘指氣動控制系統試驗平臺，如圖8所示。

圖8 仿生采摘指氣動控制系統實驗平臺

試驗材料為“龍井43”新梢枝條，分兩次采摘于江蘇鑫品茶葉有限公司，每組樣本數量為60個，采摘后立即返回實驗室進行一芽一葉采摘試驗。

3.2 試驗結果與分析

因為目前階段機器視覺裝置尚未與仿生采摘指集成一個完整系統，所以由人工手持新梢枝條放入采摘指，采摘指自動進行新梢的采摘以測試其仿生效果。采摘過程如圖9所示，從圖9可以看出采摘指有效實現了新梢與莖稈的分離，單次平均采摘時間為1.59 s，與設定時間基本符合。采摘試驗結果如表1所示，仿生采摘指氣動控制系統對一芽一葉采摘成功率達90%，采摘效果較好。

(a)夾持完成

表1 采摘指氣動控制系統采摘試驗統計結果

采摘試驗中發生了一些采摘失敗的結果：(1)錯采一芽兩葉和芽葉分離；(2)新梢未能與莖稈發生分離，但莖稈部分發生夾損。其主要原因有：(1)少數新梢第一節間距較小，由于夾爪指尖有一定的寬度，兩對夾爪難以在第一節間距內對新梢進行夾持；(2)采摘指機械結構存在一定的加工誤差，導致一對夾爪閉合時發生錯位。

4 結論

1)利用像素分布法和因子迭代法識別新梢，并通過模仿人工“提手采”的方式，設計了采摘指的機械結構。

2)根據控制要求，對采摘指氣動控制系統進行設計。采用STM32為主控芯片，通過光耦合器和繼電器使電磁閥兩個出氣口有序開啟，來控制氣缸活塞桿的推出與退回，實現新梢的采摘。

3)仿生采摘試驗成功率達90%，能夠實現預期動作。后續研究將開展田間試驗，進一步完善仿生采摘指氣動控制系統，提高采摘成功率；與機器視覺裝置集成，實現名優綠茶采摘機器人的自動化采摘。