智能花椒采摘機的設計研究*

蔡芳蘭

（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101）

0 引言

目前我國花椒栽培的主產區在甘肅、陜西、四川、河南、河北、山西和山東等省，據2016年資料統計，甘肅花椒種植面積突破27萬hm2，居全國種植面積首位，在甘肅花椒種植地區，花椒是大部分農戶的主要經濟來源?；ń凡烧绞揭允止橹鳎烧ぷ餍实?，花椒生有皮刺，采摘速度慢、難度大、用工多，人工采摘已成為制約花椒產業發展的一個限制因素，特別是近年來花椒采摘工價不斷攀升，2020年高達12元/kg，用工費用占近1/3的花椒產值，致使花椒生產“豐產不豐收”，廣大椒農的利益得不到保障，嚴重制約了花椒產業的健康發展[1-2]。我國花椒采摘科研起步晚、力量分散，在許多地區的研究還不夠深入。

花椒采摘智能化、一體化的實現，采摘機輕量化、便攜帶、易操作、可靠性等方面的性能提升及降低對果品和枝葉損傷方面的研究，能夠提高椒農對采摘機的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的問題。隨著農村城鎮化建設的推進，椒農以中老年人居多，采摘機的創新設計進一步減緩了農村勞動力缺乏與用工需求增加之間的矛盾，符合當前花椒產業省力化、機械化、智能化栽培的要求[3-4]。

1 智能花椒采摘機的工作原理及設計步驟

1.1 工作原理

智能花椒采摘機主要應用于大面積種植花椒的農田，采用四輪履帶式底盤設計，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性；同時，四條履帶在轉彎的時候可以減少與地面的摩擦面積從而降低履帶的磨損程度，節約生產成本。機械臂采用二節式手臂，底座應用滾動軸承和步進電機來實現機械臂360°精準旋轉；第一節手臂是連桿機構，便于快速地伸縮，提高機械臂的工作效率以及減少其工作時間；第二節手臂頂端配備了一枚攝像頭，可以實時監控本機器運動狀態并采集信息；同時，采用的是拼裝結構，可以通過拼裝連接機械爪或裝有裁剪部件來實現一機多用，機械爪采用關節式結構以達到精準進行抓取的目的[5]。

主控采用STM32單片機搭配openMV模塊實現。首先，openMV完成花椒的識別和定位，然后，將花椒的位置信息發送給STM32主控芯片；芯片根據收到的位置信息控制機械手臂運行，將花椒摘下，摘下后的花椒由機械抓手送入收集袋。

首先由openMV將攝像頭拍攝到的不同形狀、不同相對位置的花椒照片存儲于openMV內置存儲卡中，形成模板庫。然后，在識別和定位時利用模塊特征點提取函數，將實時拍攝到的照片與模板進行匹配，達到閾值后，則匹配成功；再利用色塊識別函數完成對花椒顏色的識別，當其LAB值在預期范圍內，識別成功[6]。將以上兩者的識別結果和匹配結果求交集都滿足時，才為識別成功，大大降低了識別的錯誤率。

當識別成功時，機械手臂動作到openMV返回的坐標位置。其動作由STM32單片機在空間柱坐標系中求逆解獲得運動軌跡后，控制電機實現。當機械手臂運動到指定位置時，連桿夾緊機構動作，利用連桿端部刀具將花椒根部切斷[7]。花椒采摘完成后，機械

手臂運動到收集箱位置，連桿夾緊機構松開，花椒送到收集箱。由此完成一個周期的工作。

1.2 設計步驟的主要內容

1）底盤結構設計：采用四輪履帶式底盤設計，與一般的兩條履帶模式相比，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性。小車底盤采用鋁合金材質或亞克力板等材料，達到了硬度和輕量化的需求，同時，加裝1020鋁型材為車架，增強整體車身載重能力；分別設計履帶直線行走、轉向及原地自轉；底部履帶直流電機的選取：設底盤的移動速度為v1，承受正壓力F1，摩擦系數f=Fm/F1，Fm為摩擦力，則計算電機功率

①整體懸掛分析：對于載重小車來說，懸掛系統十分重要。其主要功能是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，同時，緩解車輛在多種復雜路面運行時給車身、車架帶來的沖擊，并衰減由此引起的震動，以保證車輛平順行駛。然而，由于小車需要適用于多種地形，因此采用了坦克上扭桿式懸掛。

扭桿懸掛工作原理：扭桿實際上也是彈簧，但它通過金屬結構的扭轉運動，從而獲得彈性力。一般來說，小車的負重輪通過肘節與扭桿連接，當負重輪上下運動時，肘節把運動轉換為扭轉扭桿的運動，使扭桿的彈性力產生緩沖作用。扭桿式懸掛特點：一是扭矩大，彈性力強；二是運行路程大，扭轉幾乎不占空間，這要比彈簧好得多；三是結構比彈簧組件更加簡單而且更加牢固，可靠性更高；四是整體占地空間很小。

②直線行走原理：直流電機在地面驅動履帶轉動，只要選用的直流電機的功率足夠大，就可以輕松驅動履帶轉動，所以履帶在各種地形上就像在平地上一樣順利地行走。履帶的特殊性，使得對機器人前進的分析比較復雜，為了簡化分析過程，假定一個非常柔軟的帶子作為機器人行走的履帶，每一節履帶都作為一個點。設履帶相對于機器人的轉動速率為Vx，履帶隨機體一同前進的牽連速率為Vq，履帶上的某一點的絕對速率Vj應為相對速率和牽連速率的向量和，如式（1）所示。

③轉向原理：履帶機器人轉向時，機體做平面運動，兩組履帶之間產生差速，從而使機體平面繞某一點旋轉。用縱向速度，側向速度v2、角速度可以完全描述機體的運動。在機體轉動的任一時間，機體的平面運動都可以當作機體繞該平面的某一點做旋轉運動，這個點就是機器人的轉動圓心。履帶和地面接觸部分與地面之間的運動關系決定了轉動過程當中墻面和履帶之間的作用力（水平面內），所以對于履帶的運動，主要分析履帶和地面接觸部分的運動[9]。

轉彎運動學分析履帶機器人轉向過程中履帶和地面接觸部分的運動，履帶和地面接觸部分的運動是機體運動和履帶卷繞運動的復合。機體的運動為繞轉動圓心的旋轉運動，轉動角速度為ω，履帶和地面接觸部分的任意一點的牽連速率如式（2）所示：

④原地自轉原理：當小車遇到前方障礙物過大時，需要大角度調節自身位置，兩邊電機便可反向旋轉，讓小車兩條履帶反方向轉動，可以達到原地360°旋轉的效果。履帶驅動成熟簡單，增大接觸面，能很好地分散壓力，更大的優點是履帶式機器人的行走重心更平穩，重心能最大限度地貼近地面，從而減小機械誤差。

2）對機器要用到的直流電機、步進電機、舵機等的功率進行計算；設計可調控伸縮桿；步進電機選用兩相步進電機驅動，可實現正反轉控制，通過3位撥碼開關選擇7擋細分控制，通過3位撥碼開關選擇8擋電流控制。適合驅動57型、42型兩相、四相混合式步進電機。驅動電機能達到低振動、小噪聲、高速度的效果。機械臂采用二節式手臂，底座應用滾動軸承和步進電機來實現機械臂360°精準旋轉。手臂自由度的計算：首先采用的是兩節式手臂，底部有一個平面180°旋轉，中間有上下120°旋轉，手爪有一個捏合，手臂有三個活動構件，則F2=3n-(2pl+ph)=3*3-(2*2+1)=4，所以手臂自由度為4。

3）手爪攝像頭的選?。簲z像頭鏡頭規格為F2.0光圈、110°廣角；分辨率為1 920*1 080（1 080 P），夜視距離可達9 m；具有防抖功能以解決機械臂抖動時拍攝不清的問題。

4）控制單元：編寫主控S T M 3 2單片機及openMV模塊控制程序；openMV以STM32F767CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效地實現了核心機器視覺算法，提供Python編程接口?；贏RM? Cortex?-M4的STM32F4系列單片機（MCU）采用了意法半導體的NVM工藝和ART加速器，在180 MHz的工作頻率下通過閃存執行指令時可實現225 DMIPS/608 CoreMark的性能。STM32F4系列包括11條兼容的數字信號控制器（DSC）產品線，是MCU實時控制功能與DSP信號處理功能的完美結合體。采用藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通信，按功能分為藍牙數據模塊和藍牙語音模塊。

5）組裝及功能測試流程如表1所示。

表1 組裝及功能測試流程

2 智能花椒采摘機的創新點

1）借助高速圖像識別模塊，識別準確率高、速度快；2）采用了四輪履帶式底盤設計，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性；3）移動式底盤和可調控伸縮桿設計滿足機械臂工作高度和移動的需求，使采摘機對花椒樹干的大小有很強的適應性，能在樹干間自由工作，降低了損傷花椒果莖和葉子的可能性[10]；4）機械臂平臺應用步進電機和滾動軸承來實現360°精準轉動，同時，使用關節式結構實現準確定位；5）生產成本低，自動化程度高，人工干預少；6）采用藍牙控制，并預留GPS和4G接口，方便遠程部署和調度。

3 結語

花椒采摘智能化、輕量化、便攜帶、易操作、可靠性等方面的提升及降低對果品和枝葉損傷方面的研究，能夠提高種植戶對花椒采摘機的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的問題。采摘機的智能化設計進一步減緩了農村勞動力缺乏與用工需求增加之間的矛盾，符合當前花椒產業機械化、智能化栽培的要求。