草莓采摘機器人的系統(tǒng)研究設(shè)計

徐明東，邱立濤，曲文浩，冀年源，于楊青

(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

隨著草莓栽培技術(shù)的突破，國內(nèi)草莓種植面積急劇增加，并且在一些地區(qū)草莓種植已經(jīng)成為主要的經(jīng)濟來源，由于草莓果實成熟期短暫、果實特殊、草莓采摘必須在早上和晚上，導(dǎo)致工作勞動強度較大，所需經(jīng)濟成本較高，約占草莓種植總生產(chǎn)成本的25%。采摘期，勞動力不足，嚴重限制了草莓種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過研究設(shè)計相應(yīng)的機器人來代替人工完成這項費時費力的采摘工作，實現(xiàn)采摘到裝盒過程的一體化，不僅可以提高采摘的效率，還可以降低人們的勞動強度，有利于推廣更大面積的草莓種植。

目前，我國草莓采摘工作基本依靠人工，采摘效率低，成本占比逐年上升。據(jù)調(diào)查，近年來草莓的種植面積逐年增加，因此研究采摘草莓機器人具有重要意義。筆者重點通過對國內(nèi)外采摘機器人的研究和雙目立體識別技術(shù)的分析，設(shè)計出一套草莓采摘機器人結(jié)構(gòu)方案，對于減少傳統(tǒng)大棚草莓采摘的人力投入和完成傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型有著至關(guān)重要的意義。

1 國內(nèi)外草莓采摘機器人研究現(xiàn)狀

早在1968年美國的Schertz和Brown[1]首次提出果蔬采摘機器人,但由于受到當(dāng)時的工業(yè)控制水平的制約，美國的果蔬采摘機器人只停留在半自動化階段。隨著計算機圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，提高了果蔬采摘機器人的自動化水平。許多國家開展大量研究，成功研究出僅適用于簡單工作環(huán)境的果蔬采摘機器人。我國的果蔬采摘機器人發(fā)展較晚，于20世紀90年代首次提出果蔬采摘機器人，但在多家院校、學(xué)者的共同努力下，我國果蔬采摘機器人的研究取得了許多成果。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中[2]提出了基于BP視覺網(wǎng)絡(luò)的草莓圖像分割法，但此方法需要通過大量的樣本訓(xùn)練才能將輸入圖像通過計算機權(quán)值獲得所期望的輸出圖像。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了“采摘童一號”草莓采摘機器人，但該款機器人僅適用于高架草莓的采摘，目前還沒有生產(chǎn)出一款能應(yīng)用于實際農(nóng)業(yè)中的草莓采摘設(shè)備。周云山和李強等研究蘑菇采摘機器人，該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機、采摘機器手、三自由度氣動伺服機構(gòu)、機器手抓取控制系統(tǒng)和計算機等組成。但目前的果蔬采摘機器人還是不成熟的，仍存在果實識別率、定位精度低，果實損傷率較高，果蔬采摘機器人采摘周期長等問題，造成一些果實成熟不及時采摘而腐爛的現(xiàn)象。

2 總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計

為解決目前草莓采摘機器人果實識別率低、定位精度低、果實損傷率較高和采摘周期長的問題，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的“采摘童一號”草莓采摘機器人的基礎(chǔ)上，提出了一套適用于大棚中的草莓采摘機器人機械結(jié)構(gòu)思路，其總體方案布局如圖1所示，與以往的采摘機器人相比，此次設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)通過主軸上的滑塊與導(dǎo)軌來帶動機械手，讓機械手的運動范圍更廣泛，采摘面積更大。并設(shè)計了草莓的運輸裝置和存儲裝置，實現(xiàn)采摘、運輸、裝盒一體化的過程，大大降低了人們的勞動強度。圖像識別系統(tǒng)運用了雙目立體識別技術(shù)能夠更好的提高果實的定位精度，控制機械手來實現(xiàn)更準(zhǔn)確的采摘。設(shè)計的關(guān)鍵點在于：如何正確識別成熟草莓、快速準(zhǔn)確和高效率的采摘草莓機械手設(shè)計、采摘草莓的中間運輸過程和儲存問題、采摘裝置的準(zhǔn)確快速運動和定位。

圖1 總體方案布局

2.1 采摘機器手與存儲裝置

該機構(gòu)主要是由旋轉(zhuǎn)裝置、滑動導(dǎo)軌、伸縮活塞、機械手指等幾部分構(gòu)成，其采摘機械手三維模型如圖2所示。該裝置主要用于采摘成熟草莓，滑動裝置與旋轉(zhuǎn)裝置通過過盈配合連接在一起，旋轉(zhuǎn)裝置軸承連接主軸上，機械手與伸縮活塞相連接一同固定在滑塊上，可跟隨滑塊在導(dǎo)軌上做滑動。該裝置的設(shè)計優(yōu)點在于采摘的范圍較大，能夠采摘到以主軸為圓心、導(dǎo)軌為半經(jīng)的圓形面積范圍內(nèi)的草莓。該機械手設(shè)計了四根機械手指，深度模仿了人抓取物體時的場景。

用兩個CCD攝像機定位裝置確定成熟草莓的位置和采摘點，主軸帶動機械手旋轉(zhuǎn)、滑塊在滑軌上運動帶動機械手運動到草莓的正上方，此時活塞伸長，帶動機械手下降，氣動馬達伸長，機械手指張開，切斷草莓果莖，成功采摘到草莓后、氣動馬達縮回，機械手整體縮回并旋轉(zhuǎn)到固定的位置，機械手指松開，把草莓放到存儲裝置中，存儲裝置如圖3所示，連續(xù)重復(fù)上述采摘過程30次，將存儲裝置裝滿后，然后把已經(jīng)采摘的草莓從外圍支撐板運送到提升裝置，提升裝置上升，到達存儲箱體的空余位置，然后把存儲裝置運出到存儲箱體的固定位置，接著提升裝置向下運動到下一次，通過同步帶從下一次運出空的草莓盒子，接著把空的存儲裝置運送到剛才地方，等待下一次的運送。

圖2 采摘機械手 圖3 存儲裝置

2.2 草莓運送裝置

該結(jié)構(gòu)主要是使用絲杠螺母和皮帶的結(jié)合，通過皮帶摩擦把草莓盒子運送到提升裝置上，經(jīng)過絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動提升裝置把裝滿的草莓盒子運送到存儲箱對應(yīng)高度的位置，使用旋轉(zhuǎn)裝置把裝滿草莓的草莓盒子轉(zhuǎn)到空的箱體位置，然后再通過皮帶把草莓盒子傳送到存儲箱相對應(yīng)的位置。此裝置是通過電機的帶動軸的轉(zhuǎn)動，嚙合的齒輪，實現(xiàn)在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)將草莓存儲盒帶到該水平高度想要的位置的功能，此裝置再與提升裝置相配合就能在水平高度上運動，這樣一來，極大的增加了運動的范圍，可以更方便的將儲存箱送到想要的位置，其草莓運輸及相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)裝置如圖4所示。

圖4 運輸裝置三維模型

2.3 同步嚙合帶參數(shù)設(shè)計

此設(shè)計中涉及到同步嚙合帶來傳送草莓盒子和運輸空草莓盒子，同步嚙合帶的具體設(shè)計參數(shù)如下。

在此次設(shè)計當(dāng)中同步帶的工作環(huán)境為低速，輕載，所以同步帶的型號可以任意選取，現(xiàn)選取周節(jié)制，型號為H，查表得節(jié)距pb=12.7 mm，齒形角2β=40°，齒根厚s=6.12 mm，齒高ht=2.29 mm，帶高hs=4.3 mm，帶寬度bs=76.2 mm，齒根圓角半徑=齒頂圓角半徑rr=ra=1.02 mm。

根據(jù)以上公式計算后查表選用規(guī)格為260 H的帶，節(jié)線長度為LP=660.40 mm，則：

2.4 圖像識別系統(tǒng)

物體的運動算法大多采用傳統(tǒng)的單目識別技術(shù)，單目識別技術(shù)對于靜止的物體很容易實現(xiàn)識別，精度較高。但單目識別技術(shù)只具有有限的觀測范圍，移動的物體很容易超出這個觀測范圍，并且不能識別出物體的三維坐標(biāo)，更不能判斷出物體的形狀和大小。

草莓的種植環(huán)境一般位于大棚之中，大棚的環(huán)境條件為地壟截面呈等腰梯形，壟頂寬L1=400 mm, 壟底寬L2=600 mm, 壟高L3=250 mm，壟溝寬度L4=150～200 mm，草莓果實長出后伏在壟的側(cè)面，果梗上方與壟壁有 10～20 mm的間隙。

采摘機器人的圖像識別系統(tǒng)是基于單目識別的基礎(chǔ)上并結(jié)合草莓的種植環(huán)境提出了改進的雙目立體識別技術(shù)。雙目立體識別技術(shù)是一種模擬人眼從兩個不同的視野來更加準(zhǔn)確的采集物體形狀、位置、大小等信息的技術(shù)，用兩個攝像頭在不同位置去觀察物理，運動的物體運動出一個攝像頭的監(jiān)控范圍，另一個攝像頭還可以對物體進行監(jiān)控，跟單目識別技術(shù)相比，雙目識別技術(shù)監(jiān)控的范圍更廣泛，采集信息更準(zhǔn)確，也能采集單目識別技術(shù)采集不了的深度信息，再通過計算機準(zhǔn)確的計算出其三維模型。其原理主要是由兩個參數(shù)彼此一致的攝像頭，其光軸平行且垂直于基線，雙目立體識別技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 雙目立體識別技術(shù)原理圖

2.5 提升系統(tǒng)

提升裝置主要利用運輸裝置上螺母在絲杠上運動起到提升的作用，其原理圖如圖6所示。

設(shè)計方案利用滾珠絲杠的優(yōu)點在于：由于滾珠絲杠副的絲杠軸和絲杠螺母之間有許多滾珠滾動，可以獲得較高的運動效率。與以往的滑絲杠副相比，驅(qū)動力矩小于1/3，即實現(xiàn)相同運動結(jié)果所需的功率為滑絲杠副的1/3，又有助于節(jié)省電力。并且滾珠絲杠副由于利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。

圖6 滾珠絲杠三維圖

3 設(shè)計可行性分析

通過以上設(shè)計及對各個部分原理的分析，最后通過三維軟件建模進行運動仿真分析，生成完整的動畫，所設(shè)計的草莓采摘機器人能夠完成所預(yù)期的采摘、裝盒、運輸動作，其各個動作如圖7～9所示。

圖7 采摘動作 圖8 裝盒動作 圖9 運輸動作

分別對關(guān)鍵零部件齒輪、軸承等進行了強度校核且均滿足要求。此草莓采摘機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計對后續(xù)的實體制作、設(shè)備調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義。

此次設(shè)計的草莓采摘機器人機械系統(tǒng)，相比其他的采摘機器人，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于制造和維護。主要零部件選用均按最優(yōu)化原則設(shè)計，達到消耗最少，污染最少的情況下完成生產(chǎn)，并且可以直接外購。提升系統(tǒng)部分采用絲杠螺母傳動的形式，效率較高，能量損失較少，同時傳動平穩(wěn)，使得機械系統(tǒng)在傳動過程中的噪聲降低到一定程度。草莓采摘機器人的機械系統(tǒng)主要采用電機傳動、齒輪、皮帶和氣缸傳動，基本上沒有污染物和垃圾排放。其次采摘效率高，機構(gòu)簡單，易于維護，操作簡單，制造成本低，在一定程度上最大可能的降低了成本，提高了性價比。

4 結(jié) 語

介紹了國內(nèi)外的采摘機器人研究現(xiàn)狀，結(jié)合了草

莓種植的環(huán)境，對草莓采摘機器人的采摘機械手、存儲裝置、旋轉(zhuǎn)裝置和提升系統(tǒng)部分進行了類比設(shè)計，又結(jié)合了草莓的種植生長環(huán)境提出了改進的雙目立體識別技術(shù)，完成了有關(guān)運輸裝置的同步嚙合帶的設(shè)計。設(shè)計的采摘機器人目前處于研發(fā)向推廣使用的過渡階段，對于采摘機器人投入到農(nóng)民手中使用還有較長的路要走，仍需要大量學(xué)者的共同努力，進行深入的研究，不斷的改進和完善現(xiàn)有的采摘機器人和開發(fā)其新功能，深入到機械本體的優(yōu)化設(shè)計、路徑規(guī)劃、運動控制和機器后期維護與保養(yǎng)方面的研究。相信在諸多學(xué)者的共同努力之下，在不久的未來，采摘機器人會從實驗室走進農(nóng)民的田地中，采摘機器人技術(shù)也會越來越成熟并最終實現(xiàn)商業(yè)化。