水果套袋機器人

河北農業大學 柏亞萌 張德林 程園

1 水果套袋機器人的研究背景及發展現狀

1.1 研究背景

通過對水果進行套袋處理，能夠有效地防止農藥、病蟲害的污染，除此之外，對水果進行套袋還形成一種小的“溫室”環境，使水果能夠更好的著色，大大提高了水果的品質。可見這一技術不僅滿足了人們的需求，同時還通過高質量的水果提高了市場價格。對于水果種植面積比較大的果農來說，水果套袋過程煩瑣，人工套袋將會耗費大量的人力、物力，所以機械化、智能化地水果套袋是必然的。

1.2 發展現狀

對于國內來說，目前的套袋技術根據套袋的材質可以分為塑料膜套袋和紙質套袋。目前市場上已有的一些塑料膜套袋機械，主要工作原理是用膠棒粘力拉開塑膜袋，用蓄電池通電加熱電熱絲來熔合塑膜袋完成封口[1]。相對于塑料膜套袋，紙質套袋更加環保，其所運用的機械也有所不同。

對于國外來說，這種機器人的總體構造是履帶式行走小車上安裝有機械臂，機械臂的末端可以安裝多種末端執行器并配有視覺系統[2]。

2 水果機器人的執行機構

其執行機構主要包括果袋分離、運輸、撐開、封口四大機構。首先水果套袋機器人先將果袋逐個分離開，然后經果袋運輸機構將果運輸到下一工作區域，果袋被撐開后將幼果放入袋子中，最后再將果袋進行封口。

2.1 果袋分離和果袋運輸機構

二者統稱為水果機器人的進袋機構，這里主要介紹兩種比較常見的工作方法

2.1.1 輥輪進袋機構

這種方法的原理是利用物品在運動過程當中產生的摩擦力，推進幼果前進完成運輸。這類技術的應用比較成熟，使用廣泛，在打印機、復印機上使用最為普遍[3]。該方法優點是能夠方便紙袋的運輸，缺點是容易發生多張紙同時運輸的卡死現象。因此這種裝置方案對裝置精度要求較高,成功分離進給的可靠性與輥輪的正壓力和轉速相關，裝置可實現精細可靠進紙，輸出精度較高[4]。

2.1.2 氣流進袋機構

這種方法的原理是通過氣流推動物品。氣吹式裝置在播種機中的應用效果優良。推種效果明顯。種子的機械操作力小，而且只要匹配好排種輪轉速和推種氣流速度。氣流對排種均勻度的影響也可降低到最小[5]。

2.2 果袋撐開機構

2.2.1 真空負壓撐袋

這種方法的工作原理是通過對果袋兩側進行真空負壓處理并且通過相應的機械機構產生兩個作用相反的力撐開果袋。這一方法的優點是撐開果袋的動作易實現，缺點是配備復雜。

2.2.2 靜電撐袋

這種方法的工作原理是在果袋口處有相應的機械結構，果袋兩側同時裝有吸盤，然后利用靜電將果袋撐開，這種方法和真空負壓的方法相類似，都是將果袋兩側拉開從而達到撐袋的目的。

2.3 果袋封口機構

2.3.1 果袋封口機構引用計算機圖形處理方法

通過模擬人的動作實現機械封口。首先我們引用圖形處理方法中的拓撲圖來簡單描述實現這一封口過程的演變步驟。第一僅有兩條邊組成的拓撲圖只能實現簡單的推擠壓扁動作，跟人工套袋動作相差甚遠，因此應該對縮圖擴充，即由最簡單的拓撲圖逐漸增加新的節點和邊，逐步轉化為更復雜、更形象的拓撲圖，以便后期將其特定化[6]。

3 水果機器人的驅動裝置

驅動裝置是核心裝置，驅動方式可分為氣動驅動、電機驅動和液壓驅動。電機驅動方式結構簡單、可實現正反轉，適合用于小型機器人上；液壓驅動方式反應靈敏、精度高，但對工作環境的要求較高；氣動系統與液壓系統的組成類似。所以我們選用電動驅動系統作為機器人驅動裝置。電動驅動裝置的組成要根據果袋撐開和果袋封口的具體需求進行布置設計。

4 水果套袋機器人的檢測裝置

水果采摘機器人的檢測裝置主要的組成是其視覺系統，在進行套袋前，第一步是進行目標識別，即從視覺系統獲取的原始圖像中分離出識別的幼果背景環境。常有的方法有閾值分割、K-means聚類算法、人工神經網絡和K最近臨法（KNN）等[7]。識別到幼果的圖像后，對其進行定位，采用類似包圍盒的方法，用略大于果實最大輪廓的球包圍果實，用球心和半徑定位即可確定位置[8]。基于視覺的目標識別和產品檢測技術已經得到了深入的研究和廣泛的應用，如康耐視、美國國家儀器（NI）、基恩士等知名公司在機器視覺領域具有很深入的研究。機器人的視覺系統作用好比人的眼睛，首先獲取套袋時的周圍環境信息，然后進行圖像處理，計算出障礙物距離，找出一條準確越過障礙物到達最終套袋的作業位置，然后驅動電機，機器人向前行駛和轉向，實現避障。

避障系統的軟件設計是ARM+DSP雙核內部通信設計，其原理是兩個CPU通過共享數據實現數據交互，首先一方通過發送中斷信號來通知對方取走數據，另一方進入中斷服務程序完成接收數據[9]。避障控制系統要保證避障過程當中的路徑最短、消耗最少，因此除了基本的避障設計，還要制定正確的避障策略。對蘋果而言，機器人主要識別的是未套袋幼果和其他（樹葉、枝干和已套袋的幼果和紙袋），在此我們介紹一種全局法避障又稱C-空間。首先根據障礙物信息建立C-空間然后利用柵格法對空間進行規劃，即將空間劃分為大小相同的柵格，然后對柵格信息進行編碼處理。最后一步就是搜索障礙起點到終點的路徑，借用A*算法進行搜索A*算法的估計函數為f*(x)=g*(x)+h*(x)經此算法得到的最短路徑為離散的點。

5 水果套袋機器人的控制系統

要保證水果套袋機器人完成套袋，需要預先通過控制系統設定好相應的時間參數和運動軌跡，進袋和撐袋環節需要設置開始和終止的時間。在撐袋時選用真空負壓方式，需要控制回路中電磁轉換閥的通斷來控制氣缸的起停。在封口的過程中，需要兩對等驅動力，通過控制系統控制將這對兩等驅動力合二為一，簡化了工作過程，提高了工作效率。

控制系統的核心是PLC控制和單片機，單片機常用在小型的控制系統當中，是一個小而完善的計算機系統，功能強大，成本卻很低廉，其應用滲透到我們生活的各個領域。PLC是可編程邏輯控制器的簡稱，可進行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算數操作等，可靠性好，但成本較高，多用于機械化生產的過程控制[10]。對于水果套袋機器人來說，控制的主要是動作起停和換向閥的工作狀態，因此單片機更適用于控制系統應用。

6 機器人電機和減速器的選擇

在關節型機器人中RV減速器具有更高的剛度和回轉精度，且傳動比較大（30～260），因此常用作減速；RV減速器的結構比諧波減速器要復雜得多，生產成本也高，因此在工業機器人領域常用于S、L、U三個大慣量高扭矩關節。

我們選擇伺服電機作為套袋機器人的電機。對電機的要求有最大功率質量比和扭矩慣量比、高起動轉矩、低慣量和較寬廣且平滑的調速范圍。特別是像機器人末端執行器（手爪）應采用體積、質量盡可能小的電動機，尤其是要求快速響應時，伺服電動機必須具有較高的可靠性和穩定性，并且具有較大的短時過載能力。這是伺服電動機在工業機器人中應用的先決條件。

7 結語

本文概述了套袋機器人的組成部分，并對各個部分都提出了相應的方案設計，我們以幼果作為研究對象，確定了工作步驟，并對工作步驟展開了相關的方案論述，最后分析了機器人的電機和減速器的選擇。而選擇幼果時期套袋可以很大部分地隔絕農藥和病蟲害的污染，因此實現幼果套袋機械化、智能化是必要的。