基于視覺分揀系統中機械手執行部的設計

劉江彩 崔彪

（河北化工醫藥職業技術學院，河北 石家莊 050030）

1 設計的提出及主要任務

近年來，我國的水果價格不斷上漲，全國各地越來越多的農民都想做果樹種植。國家為了能夠鼓勵農民將土地資源高效的利用起來，相關部門也沒少費力氣對水果種植進行補貼。再加上我國政府大力支持農業機械化，在政策上也是出臺了一系列的扶持政策，實行農業機械購置補貼以及加強農業機械化人才隊伍建設。當前，根據有關數據統計，我國是全球果樹種植數量最多、面積最廣、產量最大的國家。但是盡管我國果樹種植的規模巨大，我國的大部分果樹種植的流程都是人工操作，機械化的操作流程水平還是遠遠落后。

由于我國果樹種植的品種較多，我國種植果樹的作業場景比較復雜，果樹智能化種植管理一直沒有實質性的進展。而且隨著我國城市化的發展速度越來越快，農村大部分有勞動力的人都在往大城市流出，相對于現在的農村勞動力每年都在不斷下降。我國農村勞動力人口大量減少，老齡化問題不斷加劇，農村面臨無勞動力雇傭，這對農業發展造成了較大的影響。所以農業發展需要加快智能化的普及。

本文以河北省種植面積最大的梨樹為例，梨果的產出周期我們一共分為初期、中期、后期三個階段。初期需要對梨樹開花的花蕾進行疏花以及梨果授粉后進行疏果；中期需要在梨果定型時對梨果進行保護袋套袋操作以及果實成熟后進行去保護帶操作；后期在果實完全成熟后對梨果進行選擇性采摘，根據梨果的品質進行分揀，然后再對其梨果套保護網后根據要求計重裝箱操作。河北省梨果年產量約占中國的三分之一。但目前仍然大部分梨果的培育過程依舊是以人工為主，因為產量巨大，經常會造成梨果的采摘不及時及分揀困難等問題。

綜上所述，根據梨樹梨果的生長周期，設計具有視覺分揀功能的機械手執行部，以應對梨果在不同生長周期的培育流程需求。根據需求設計整個梨樹梨果的生命周期管理系統，整套管理控制系統由履帶車+機械臂+視頻控制系統+機械手末端執行器，本次的主要任務是根據梨樹梨果的形狀大小及性質的不同，針對不同梨果的軟硬程度及形狀，設計相應功能的機械手執行部。

2 基于視覺機械手的概述

隨著我國新一代信息技術的發展，視覺技術在各行各業快速的滲透。作為“新基建”，核心領域之一，視覺系統在近年來的發展極為迅猛，讓越來越多的設備擁有了感知物理世界的能力，視覺被廣泛應用于智能制造、智慧農業、智慧城市、智慧交通、智慧安防等諸多領域。視覺主要是基于識別、定位、檢測、測量這四大功能。識別對已知規律的物體進行分辨，比較容易的包含外形、顏色、圖案、數字、條碼和二維碼等。當然也有信息量大或者更抽象的，比如人臉、指紋、虹膜等。定位是在識別出物體的基礎上并精確給出物體的坐標和角度信息。定位在視覺應用中屬于基礎應用，一個軟件的好壞很大程度取決于定位算法的能力。測量把獲取的圖像像素信息標定成常用的度量衡單位，然后在圖像中精確的計算出需要的幾何尺寸。檢測主要指的各類外觀缺陷，其種類繁雜。檢測功能在機器視覺應用中處于相對難解決的應用。最常見的缺陷表面有裝配缺陷（如漏裝、錯位、錯色等）、表面印刷缺陷（如漏印、重印、拉絲、模糊等）、表面形狀缺陷（如凸起、凹坑、磨損等）。

機械手是最早出現的工業機器人，它能夠模仿人手臂的某些動作，從而通過這種功能進行設置程序。在當今的社會發展進程中，我國是制造業大國，目前正在以飛快的速度從傳統的制造轉向智能制造。機械手則為智能制造的最關鍵的執行機構。它能夠代替人進行固定抓取、搬運等自動操作。尤其是在特殊的操作環境下，機器換人已經是大范圍展開應用了。機械手能夠根據設置好的程序精準有效的將操作執行，從而能夠大大提高我們作業的效率。

基于視覺的機械手相當于是給機器人裝上了眼睛，視覺機械手能夠通過視覺相機對外界進行視覺感知，能夠根據視覺系統進行分析，能夠配合控制器給執行機構提供合理的執行操作流程，從而能夠代替人工進行各種任務的操作，促進智能化的發展。

3 技術路線

果樹智能化全生命周期管理控制系統由履帶車+機械臂+控制系統+末端執行部構成。可以針對不同的果實的軟硬度、形狀等特征，按照功能要求設計用于不同功能的機械手執行末端，從而實現一機多用，機器換人的作用。

圖1 整體機構結構圖

整套控制機構還配備了視覺機構、稱重機構、執行機構以及動力機構。視覺機構配備了3d 視覺攝像頭，視覺攝像頭中集成了AI 系統，能夠對梨樹梨果進行尺寸大小測量、外表質量識別等功能，能夠通過AI 系統算法按要求分析后有序配合執行機構操作任務；稱重機構主要是配置了稱重傳感器，對摘取的梨果進行稱重檢測，按照不同重量等級與執行機構配合進行不同規格的梨果進行分揀操作；動力機構電動驅動裝置，內置便攜式可拆卸鋰電池盒，能夠方便機器在果園中快速的穿行，而且還便于快速更換動力供給裝置；執行機構配置了針對于梨樹的生長周期所需要的機械手執行器末端。

末端執行部通過3D 建模，完成后進行機械加工并實驗。整體操作流程先由視覺機構對梨果進行視頻采集，根據AI 系統對其識別，動力機構及執行機構配合控制系統進行相應操作，稱重機構對執行操作的任務進行檢測，最終完成農業機械化操作。

圖2 執行部機構模組示例

圖3 視覺檢測模組示例

控制方式：本機械手執行部采用單片機的形式來進行控制，單片機是在一塊半導體硅片上同時集成中央處理器CPU、定時器、存儲器、中斷系統、系統總線和系統時鐘電路的微型計算機。它的體積非常小，而且功耗低，成本也低，相對于運用PLC控制單片機在戶外操作設備控制的優勢更大，所以本次設計的執行器控制機構采用單片機的形式，且單片機的類型采用STM32 單片機。STM32 單片機擁有強大的用戶基礎，并且擁有極高的性能。

圖4 動力機構模組示例

圖5 稱重機構模組示例

4 對梨樹梨果生長周期所需配備的執行器末端設計

4.1 疏花執行器

在梨書開花的時候，果農一般會給梨花進行一次疏花的操作，目前大多數采用的是人工用剪刀剪去多余的花蕾，為了保證梨樹的生產質量，果農需要大量人員進行疏花，但是由于人工的疏花可能導致疏花的效果不佳，經常會導致疏花有漏疏等問題。

我們設計的機械手疏花疏果末端執行工具主要是以傳統的氣缸為基礎，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達相應的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。

4.2 授粉執行器

目前果農對梨樹進行授粉一般是采用人工點授、撣授法以及液體噴霧等方法，傳統的人工授粉太過于麻煩。

我們設計的授粉執行器主要以旋轉氣缸為基礎，在旋轉氣缸旁增加兩個限位氣缸。啟動旋轉氣缸旋轉工作碰到兩個限位氣缸可實現反轉功能；在旋轉氣缸上固定一把毛刷（毛刷規格可自行規定）。毛刷通過旋轉氣缸的動作可實現人工授粉的要求。

4.3 疏果執行器

當梨花結小果后，果農一般為了追求高質量的梨果，一般會進行人工疏果操作。人工疏果是將統一區域或枝干上的多余的梨果進行剪出，防止同一枝干上果實過多導致梨果生長不均衡。

我們設計的機械手疏花蔬果末端執行主要是以傳統的氣缸為基礎，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達相應的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。視覺系統中設置了標準花果形態規格，機械手執行器會根據視覺系統鏡頭對不合格的花果進行處理。疏花疏果最主要的目的是保證產量，提高品質。

4.4 套保護紙袋執行器

當梨果生長定型之后，為了防止各種害蟲對梨果表皮進行侵害，果農一般會給梨果套上保護袋，防止害蟲對表皮進行破壞。

我們設計的套袋執行器為圓形手爪，在圓形手爪下面安裝一個底座用來裝紙袋；我們利用氣缸的伸縮來控制機械環形伸縮裝置。并且在執行上安裝充氣裝置,避免袋口變形套袋失敗。在套袋前提前將袋充氣，使全袋膨膠起來，兩底角的出水氣孔張開。在袋口下2-3 厘米處，套上果實,從中間向兩側依次折疊袋口。綁口時不能把袋口綁成喇叭狀，以免積存藥液流入袋內，每花序套1 個果。我們在套袋執行器的上方安裝扎口執行器，當套袋完成后對其封口進行扎口，扎口由鐵絲扎口釘通過對封口進行夾緊，鐵絲釘對其封口夾緊后完成自動套袋操作。

4.5 去保護紙袋執行器

首先，一般梨果套袋后比不套袋梨果的含糖量下降很多，所以一般果農會在梨果完全成熟前一兩周將保護袋去掉，讓梨果吸收更多的陽光，從而增加梨果的含糖量及梨果的水分。而且對于梨果成熟后，去掉保護袋的梨果在采摘的同時就能對其梨果進行稱重分揀的操作。

我們設計的機械手去保護袋末端執行工具與疏花疏果執行器為同一個，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達相應的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉保護袋。

4.6 采摘執行器

在果實成熟后，果農會根據不同品質按照級別進行選擇性的采摘，并且現場進行裝箱等操作。在挑選梨果的要求是非常高的，畸形果、傷果、小果等都是不符合要求的，果農需要按果實大小形狀進行分級。

我們設計的采摘執行器主要是以傳統的氣缸為基礎，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達相應的位置再來控制氣缸從而使得能夠剪下梨果的枝藤。在剪刀執行器下方安裝柔性6 爪執行器，收集摘取的梨果后裝入收集箱。

4.7 視覺分揀執行器

采摘后需要根據梨果的大小品質對其分揀，梨外觀等級規格指標分為特等、一等、二等，特等梨要求最高，個頭要求大，形狀要求不能有歪斜，整體形狀保持正圓，外表皮不能有一點損傷，顏色為白里透黃，且放至平面能夠穩定不移動。一等的梨果個頭要求比特等的形狀規格小，但表皮依舊是不能有半點破損，二等梨果要求較低，只要梨果表皮無蟲害及損傷則為二等。

我們設計的視覺分揀機械手執行部，機械手設有6 根柔性軟爪，主要是以傳統的氣缸為基礎，利用氣缸的伸縮來控制軟爪緊和松的動作；通過視覺相機對梨進行圖像采集，根據梨的大小通過視覺檢測系統對其進行分類，再通過視覺分揀機械手執行部將梨按照分類裝入到相應規格收集箱中。

4.8 自動套保護網執行器

在梨采摘分揀后需要將梨套一層保護網，防止在運輸過程中磕碰對梨造成損壞。我們選擇的保護網為珍珠棉泡沐網材質。保護網尺寸按照梨的規格選擇3 款規格保護網，分別為：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我們設計的自動套保護網機械手執行機構，機械手設有4 根弧形柔性軟爪，執行部裝有翻轉機構。機械手根據機器視覺系統對梨的規格確定后，機械手選擇相應尺寸的保護網后，執行機構移動到梨的上方，機械手4 爪進行翻轉操作，將保護網套中梨后4 爪再翻回完成套保護網操作。

4.9 套網后自動計重裝箱

自動計重裝箱操作是通過碼垛機械手執行器將不同外形尺寸的包裝貨物，整齊、自動地碼在托盤上。由于梨果的形狀為橢圓形，且裝箱抓取環境位置為不規則，所以我們在分揀梨果的時候只能單個進行分揀操作。

自動計重裝箱執行器機械手采用6 爪執行器, 為減少抓取起來的梨掉落,在機械執行器手抓上面設有橡膠涂層，增大機械執行器手爪與瓜類的摩擦力。并且我們在6 爪執行器上安裝了拉力傳感器，拉力傳感器會產生細微拉伸,通過拉力傳感器的細微拉伸距離從而判定梨的重量。

5 結論

在我國，目前果樹種植依舊是以人力為主，整個農果的生長培育等操作大部分是靠人工進行，從而經常導致農作物無標準化等諸多問題。通過本設計的機械手執行機構，能夠減少8-15 人的人員投入，從而可以大大提高效率，也能進一步推動我國農業智能化的發展。