蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人設(shè)計(jì)

袁秣頗,李 晶,呂海霆

(大連科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116052)

0 引言

現(xiàn)今多數(shù)爬行機(jī)器人應(yīng)用于社會(huì)環(huán)境,缺少在多變的野生環(huán)境中進(jìn)行植物采集的能力和在較小空間以及斜面上探索的措施。大連海事大學(xué)衣正堯等[1]研制了一種永磁真空混合吸附式壁面除銹機(jī)器人,該機(jī)器人通過(guò)履帶上的永磁體實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶壁面的吸附,并根據(jù)爬壁高度的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載管路質(zhì)量及重心的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在中國(guó),公開(kāi)了一種重心可變式毛毛蟲(chóng)機(jī)器人專利,雖然該機(jī)器人設(shè)計(jì)上可通過(guò)皮帶的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整中心,從而翻越障礙物,但該機(jī)器人缺少應(yīng)對(duì)具有較大坡度障礙物的攀爬能力,以及質(zhì)量不均勻的皮帶更易磨損的缺點(diǎn)[2]。

在野生環(huán)境中難以發(fā)現(xiàn)體積較小和種群較小的植物,在采集植物過(guò)程中存在容易遺漏等問(wèn)題。對(duì)于僅在特定時(shí)期可見(jiàn)的植物,如開(kāi)花或結(jié)果時(shí)期,其存活時(shí)間非常短暫,觀察植物的短期生長(zhǎng)較為困難,采集時(shí)間難以把控,難以采集樣本[3]。

為觀察植物的成長(zhǎng)周期,需進(jìn)入動(dòng)物領(lǐng)地或危險(xiǎn)的地域中,這樣不僅會(huì)讓拍攝人員和研究人員的人身安全受到威脅,也會(huì)影響觀察結(jié)果。針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人進(jìn)行解決[4]。

1 整體結(jié)構(gòu)

蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人,由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、識(shí)別系統(tǒng)三部分組成(圖1),以相連的各個(gè)容腔為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),利用一對(duì)驅(qū)動(dòng)履帶和多對(duì)從動(dòng)輪進(jìn)行整體運(yùn)動(dòng),舵機(jī)以不同方向安裝于各個(gè)容腔內(nèi)部,配合各部分結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向、蠕動(dòng)、位置固定和斜坡爬行的動(dòng)作[5]。蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人設(shè)計(jì)過(guò)程技術(shù)路線圖,如圖2所示。

1.識(shí)別系統(tǒng);2.采樣系統(tǒng);3.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)圖1 蠕蟲(chóng)形爬行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 蠕蟲(chóng)形爬行機(jī)器人技術(shù)路線圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)履帶、轉(zhuǎn)向裝置、鉤爪、從動(dòng)輪。轉(zhuǎn)向裝置包括各節(jié)容腔、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)、連接板、鉤爪、從動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)履帶位于驅(qū)動(dòng)容腔下端兩側(cè),通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪,驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓范圍為12～24 V,減速比為1∶48[6]。

2.1.1 驅(qū)動(dòng)履帶

驅(qū)動(dòng)履帶配合后方的從動(dòng)輪帶動(dòng)蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人做前進(jìn)及后退運(yùn)動(dòng),如圖3所示。在驅(qū)動(dòng)容腔的下部剖開(kāi)一個(gè)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)外形相配合的孔洞,驅(qū)動(dòng)電機(jī)馬達(dá)端從第四節(jié)容腔底部伸出,馬達(dá)端兩側(cè)分別安裝驅(qū)動(dòng)履帶的驅(qū)動(dòng)輪,驅(qū)動(dòng)電機(jī)將足夠的動(dòng)力傳輸?shù)较路降尿?qū)動(dòng)輪上。驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)履帶及后方負(fù)重輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)連杠與兩個(gè)負(fù)重輪相互固定,使驅(qū)動(dòng)輪和負(fù)重輪在同一水平線上。凹凸的履帶表面在保證抓地力的同時(shí),還能保證機(jī)器人應(yīng)對(duì)不同地形和斜面傾斜度的爬行。

1.驅(qū)動(dòng)電機(jī);2.履帶;3.驅(qū)動(dòng)輪;4.負(fù)重輪;5.連杠圖3 驅(qū)動(dòng)履帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 轉(zhuǎn)向裝置

以每個(gè)容腔為單位進(jìn)行運(yùn)動(dòng),其內(nèi)部裝有獨(dú)立的舵機(jī)。連接板與容腔兩側(cè)的凸臺(tái)和預(yù)留孔伸出的舵機(jī)相連,將容腔分為橫向連接板和縱向連接板兩種形式,橫向連接板連接的容腔擁有縱向自由度,可越過(guò)較高的凸起地形,以及爬過(guò)較淺的小型坑洞。縱向連接板連接的容腔擁有橫向自由度,可通過(guò)多臺(tái)舵機(jī)配合,完成轉(zhuǎn)向、前進(jìn)的方位調(diào)整[7],轉(zhuǎn)向裝置連接板容腔結(jié)構(gòu)示意,如圖4所示。

1.舵機(jī);2.容腔;3.凸臺(tái);4.縱向連接板;5.橫向連接板;6.預(yù)留孔;7.從動(dòng)輪圖4 轉(zhuǎn)向裝置連接板容腔結(jié)構(gòu)示意圖

在蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)時(shí),多臺(tái)舵機(jī)同時(shí)協(xié)作,在保證蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人協(xié)調(diào)前進(jìn)的同時(shí),也可固定舵機(jī)旋轉(zhuǎn)位置,可將驅(qū)動(dòng)輪連接的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流反轉(zhuǎn)進(jìn)行后退。在需要調(diào)整前進(jìn)方向時(shí),舵機(jī)按照從前到后的順序依次微調(diào)方向,在掉頭和進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)向時(shí)需要在較大空間內(nèi)進(jìn)行,以完成大幅度轉(zhuǎn)向過(guò)程中對(duì)大體積物體的避障和位置調(diào)整動(dòng)作。

2.1.3 鉤爪結(jié)構(gòu)

由兩個(gè)帶有倒鉤的弧形鉤,通過(guò)拉桿平行連接組成單個(gè)鉤爪,鉤爪對(duì)稱安裝于兩個(gè)相鄰的容腔底部組成鉤爪對(duì)(圖5)。為了保證固定時(shí)蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人整體的穩(wěn)定性,鉤爪對(duì)安裝于蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人的中間和末尾部分。在到達(dá)指定位置時(shí),兩個(gè)鉤爪對(duì)進(jìn)行抓合,將蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人固定于當(dāng)前位置,不受其他環(huán)境因素的影響。在定點(diǎn)拍攝時(shí),蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人根據(jù)地形變?yōu)檫m當(dāng)?shù)男螤?兩個(gè)鉤爪對(duì)同時(shí)抓牢地面,利用中間部分、末尾部分底部的鉤爪結(jié)構(gòu)交替抓牢斜面,以此進(jìn)行斜面上的攀爬,從而對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定點(diǎn)拍攝[8]。

圖5 鉤爪對(duì)結(jié)構(gòu)圖

在斜面拍攝時(shí),鉤爪對(duì)和轉(zhuǎn)向裝置容腔內(nèi)部的舵機(jī)相互配合,先由中間部分的鉤爪對(duì)進(jìn)行抓合,再由中間部分容腔的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),沿縱向自由度慢慢抬起,緊接著末尾部分的鉤爪對(duì)進(jìn)行抓合,中間部分的鉤爪對(duì)慢慢張開(kāi),同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)傳動(dòng)至驅(qū)動(dòng)輪,蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)。重復(fù)此爬行運(yùn)動(dòng),完成對(duì)斜面的攀爬直至到達(dá)指定位置。

2.2 采樣系統(tǒng)

采樣系統(tǒng)包括微型相機(jī)、采集裝置、萬(wàn)向輪和固定裝置,結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1.微型相機(jī);2.采集裝置;3.萬(wàn)向輪;4.固定裝置;5.采集容腔圖6 采樣系統(tǒng)圖

2.2.1 微型相機(jī)

微型相機(jī)位于采集容腔前端的上部,通過(guò)藍(lán)牙與設(shè)備進(jìn)行無(wú)線連接,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、拍攝、錄像的功能,便于操作機(jī)器人對(duì)采集目標(biāo)識(shí)別和觀測(cè)[9]。微型相機(jī)選擇36 mm×36 mm×34 mm尺寸的類長(zhǎng)方形,其配備的電池能支持約90 min的持續(xù)拍攝,還可進(jìn)行定時(shí)長(zhǎng)時(shí)間拍攝。微型相機(jī)錄制的視頻和拍攝圖片都具有較高清晰度,通過(guò)藍(lán)牙將微型相機(jī)與智能手機(jī)相連,對(duì)相機(jī)實(shí)施遠(yuǎn)程遙控,調(diào)整微型相機(jī)的拍攝角度。微型相機(jī)既能將照片和視頻錄入內(nèi)置儲(chǔ)存卡中查看,也能通過(guò)手機(jī)瀏覽。微型相機(jī)拍攝下來(lái)的畫(huà)面及視頻,具有連拍和縮時(shí)拍攝的特點(diǎn)。微型相機(jī)內(nèi)部組件還有防水、防摔、防抖效果,通過(guò)加裝保護(hù)殼還可以防震[10]。

2.2.2 采集裝置

采集裝置包括電動(dòng)夾爪、電動(dòng)推桿、切裝頭和底座(圖7)。底座安裝于采集容腔內(nèi)部末端,與電動(dòng)推桿相連,通過(guò)與容腔內(nèi)部相連起到固定電動(dòng)推桿的作用。電動(dòng)推桿控制電動(dòng)夾爪的伸縮,電壓12 V,行程30 mm,推力60 N,速度15 mm/s。電動(dòng)夾爪與切裝頭配合安裝,電動(dòng)推桿配合切裝頭進(jìn)行閉合和張開(kāi)等不同幅度的動(dòng)作,滑臺(tái)最大行程5 mm,最大夾持力110 N,最高速度60 mm/s,電壓24 V[11]。切裝頭前邊和下邊為刀刃,通過(guò)閉合的方式剪切和裝取植物。萬(wàn)向輪安裝于第一節(jié)容腔的前端底部和后端底部,起到支撐作用和從動(dòng)作用。

1.切裝頭;2.電動(dòng)夾爪;3.電動(dòng)推桿;4.底座圖7 采集裝置示意圖

一對(duì)切裝頭安裝于電動(dòng)夾爪的兩個(gè)滑臺(tái)上,電動(dòng)夾爪末端與電動(dòng)推桿前端緊密相連,電動(dòng)推桿末端固定于底座中間位置,底座固定于采集容腔末端起到穩(wěn)定作用。通過(guò)采集容腔平臺(tái)對(duì)電動(dòng)夾爪的承載,輔助采集裝置進(jìn)行伸縮位置調(diào)整。

為方便采集生長(zhǎng)方向不同的植物,切裝頭的前邊和下邊均為刀刃,通過(guò)調(diào)整機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)和采樣裝置的位置,將采集植物的部分調(diào)整至切裝頭內(nèi)部,通過(guò)閉合的方式剪切植物,采集植物部分通常遠(yuǎn)大于剪切部分,故閉合的方式同樣可以達(dá)到裝取采集植物的作用。當(dāng)切裝頭完成采樣閉合時(shí),其內(nèi)部最大體積為3.3×105mm3,尾部容腔內(nèi)安有柔性收集袋,完成采樣動(dòng)作后,各節(jié)舵機(jī)旋轉(zhuǎn),采集容腔向尾部運(yùn)動(dòng),采集裝置將切裝頭內(nèi)部的采集樣本放入最尾部的柔性收集袋中。

2.2.3 固定裝置

固定裝置包括固定容腔、固定爪、轉(zhuǎn)桿、轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)等(圖8)。固定容腔內(nèi)部安裝兩對(duì)左右對(duì)稱的固定爪,轉(zhuǎn)桿和固定爪為一體,通過(guò)轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)控制固定爪的旋轉(zhuǎn)角度和力度。轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)用于帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿進(jìn)行不同角度的旋轉(zhuǎn)。

1.固定爪;2.轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī);3.轉(zhuǎn)桿;4.夾合孔;5.固定容腔圖8 固定裝置示意圖

固定容腔共有兩節(jié)并相互連接,兩節(jié)固定容腔連接于第一節(jié)容腔后方,固定容腔底部?jī)蓚?cè)對(duì)稱開(kāi)了4個(gè)夾合孔,兩根轉(zhuǎn)桿對(duì)稱安裝于固定容腔內(nèi)部的夾合孔上方。待蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人到達(dá)指定位置時(shí),固定裝置開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn),控制轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)桿進(jìn)行旋轉(zhuǎn),直至固定爪抓緊下方物體,穩(wěn)定機(jī)器人的采集容腔和固定容腔,便于進(jìn)行采樣作業(yè)。

2.3 識(shí)別系統(tǒng)

2.3.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)

超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103ZET6和超聲波傳感器HC-SR04組成。當(dāng)超聲波傳感器探測(cè)到障礙物時(shí),它將檢測(cè)到的距離值發(fā)送給單片機(jī)。單片機(jī)處理距離值后,向驅(qū)動(dòng)輪發(fā)送控制指令,以控制機(jī)器人是繼續(xù)前進(jìn)還是停止。該設(shè)計(jì)不僅解決了超聲波傳感器在實(shí)際場(chǎng)景中的抗干擾問(wèn)題,還實(shí)現(xiàn)了避障效果。

超聲波傳感器工作頻率在40 kHz,遙控距離約100 mm,將超聲波傳感器嵌入外殼內(nèi)使用時(shí),在傳感器周圍用橡膠或海綿等不影響傳感器振動(dòng)的彈性材料覆蓋。選擇會(huì)隨溫度變化而發(fā)生剛性變化較少的材料,確保傳感器的振動(dòng)不會(huì)傳遞到基板或外殼上[12]。

2.3.2 目標(biāo)識(shí)別

基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的YOLO模型,用于快速自動(dòng)識(shí)別植物圖像。該模型采用了端到端的目標(biāo)識(shí)別方法,并引入了可變形卷積來(lái)適應(yīng)目標(biāo)輪廓。與傳統(tǒng)基于候選區(qū)域的方法相比[13],YOLO模型無(wú)需提取候選區(qū)域,從而大大提高了目標(biāo)識(shí)別速度。基于深度學(xué)習(xí)的植物圖像識(shí)別算法,通過(guò)引入可變形卷積和優(yōu)化模型設(shè)計(jì),提高了植物圖像識(shí)別的準(zhǔn)確性和效率。這對(duì)于植物和種子分類等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值,此方法可提升植物識(shí)別的自動(dòng)化程度[14]。

通過(guò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合YOLOv7算法,采用微型相機(jī)對(duì)采樣植物進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別。在本研究中,使用320張包含目標(biāo)植物圖像的數(shù)據(jù)集進(jìn)行模型的訓(xùn)練和測(cè)試。通過(guò)評(píng)估模型在測(cè)試集上的性能,基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)的YOLO模型在目標(biāo)植物圖像識(shí)別方面表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性和效率,平均識(shí)別時(shí)間為2.6 s,平均準(zhǔn)確率達(dá)到88.2%。此外,還對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了可視化展示,驗(yàn)證了模型的有效性。拍攝320張圖片,其中110張用于訓(xùn)練、110張用于測(cè)試、100張用于驗(yàn)證。再通過(guò)LabelImg軟件,進(jìn)行圖片的標(biāo)簽制作,然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行分類選取,設(shè)置候選框,提高識(shí)別精度[15]。該過(guò)程具有高效性和精確性,微型相機(jī)可進(jìn)行橫向、縱向270°旋轉(zhuǎn),使得機(jī)器人能夠通過(guò)掃描周圍環(huán)境,自動(dòng)識(shí)別并找到目標(biāo)植物,無(wú)需人為干預(yù)。同時(shí),還可以通過(guò)繼續(xù)深度學(xué)習(xí),自動(dòng)識(shí)別出植物的特征,從而快速找到目標(biāo)植物訓(xùn)練結(jié)果及識(shí)別結(jié)果,如圖9、圖10所示。

圖9 訓(xùn)練結(jié)果

圖10 多張識(shí)別結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)人類在自然環(huán)境中采樣植物活動(dòng)受限,以及安全性較低的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一款蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人,其體型多變,各個(gè)橫向、豎向連接容腔內(nèi)部的舵機(jī)可進(jìn)行0°～45°的擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)從水平面到斜面的爬坡,在小型洞穴及陡峭斜坡環(huán)境中進(jìn)行轉(zhuǎn)向、避障、倒行等運(yùn)動(dòng)。利用深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)YOLOv7進(jìn)行模型的訓(xùn)練和目標(biāo)識(shí)別,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確識(shí)別和采樣。在識(shí)別中,固定爪使機(jī)器人的采集結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,電動(dòng)夾爪和切裝頭的共同運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物的切割和樣品的儲(chǔ)存。蠕蟲(chóng)形植物采樣機(jī)器人操作方便、效率高、性能穩(wěn)定,未來(lái)可實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景應(yīng)用。