蠕蟲形植物采樣機(jī)器人設(shè)計

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)器人通過履帶上的永磁體實現(xiàn)對船舶壁面的吸附,并根據(jù)爬壁高度的變化實現(xiàn)對負(fù)載管路質(zhì)量及重心的自動調(diào)節(jié)。在中國,公開了一種重心可變式毛毛蟲機(jī)器人專利,雖然該機(jī)器人設(shè)計上可通過皮帶的轉(zhuǎn)動調(diào)整中心,從而翻越障礙物,但該機(jī)器人缺少應(yīng)對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[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,在采集植物過程中存在容易遺漏等問題。對于僅在特定時期可見的植物,如開花或結(jié)果時期,其存活時間非常短暫,觀察植物的短期生長較為困難,采集時間難以把控,難以采集樣本[3]。

為觀察植物的成長周期,需進(jìn)入動物領(lǐng)地或危險的地域中,這樣不僅會讓拍攝人員和研究人員的人身安全受到威脅,也會影響觀察結(jié)果。針對上述問題設(shè)計蠕蟲形植物采樣機(jī)器人進(jìn)行解決[4]。

1 整體結(jié)構(gòu)

蠕蟲形植物采樣機(jī)器人,由驅(qū)動系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、識別系統(tǒng)三部分組成(圖1),以相連的各個容腔為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),利用一對驅(qū)動履帶和多對從動輪進(jìn)行整體運動,舵機(jī)以不同方向安裝于各個容腔內(nèi)部,配合各部分結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向、蠕動、位置固定和斜坡爬行的動作[5]。蠕蟲形植物采樣機(jī)器人設(shè)計過程技術(shù)路線圖,如圖2所示。

1.識別系統(tǒng);2.采樣系統(tǒng);3.驅(qū)動系統(tǒng)圖1 蠕蟲形爬行機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 蠕蟲形爬行機(jī)器人技術(shù)路線圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

2.1 驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動履帶、轉(zhuǎn)向裝置、鉤爪、從動輪。轉(zhuǎn)向裝置包括各節(jié)容腔、轉(zhuǎn)動舵機(jī)、連接板、鉤爪、從動輪。驅(qū)動履帶位于驅(qū)動容腔下端兩側(cè),通過驅(qū)動電機(jī)帶動驅(qū)動輪,驅(qū)動輪帶動機(jī)器人的整體運動。驅(qū)動電機(jī)電壓范圍為12～24 V,減速比為1∶48[6]。

2.1.1 驅(qū)動履帶

驅(qū)動履帶配合后方的從動輪帶動蠕蟲形植物采樣機(jī)器人做前進(jìn)及后退運動,如圖3所示。在驅(qū)動容腔的下部剖開一個與驅(qū)動電機(jī)外形相配合的孔洞,驅(qū)動電機(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)動履帶的驅(qū)動輪,驅(qū)動電機(jī)將足夠的動力傳輸?shù)较路降尿?qū)動輪上。驅(qū)動輪帶動履帶及后方負(fù)重輪進(jìn)行轉(zhuǎn)動,驅(qū)動輪通過連杠與兩個負(fù)重輪相互固定,使驅(qū)動輪和負(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,還能保證機(jī)器人應(yīng)對不同地形和斜面傾斜度的爬行。

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

2.1.2 轉(zhuǎn)向裝置

以每個容腔為單位進(jìn)行運動,其內(nèi)部裝有獨立的舵機(jī)。連接板與容腔兩側(cè)的凸臺和預(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,可越過較高的凸起地形,以及爬過較淺的小型坑洞。縱向連接板連接的容腔擁有橫向自由度,可通過多臺舵機(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;4.縱向連接板;5.橫向連接板;6.預(yù)留孔;7.從動輪圖4 轉(zhuǎn)向裝置連接板容腔結(jié)構(gòu)示意圖

在蠕蟲形植物采樣機(jī)器人整體運動時,多臺舵機(jī)同時協(xié)作,在保證蠕蟲形植物采樣機(jī)器人協(xié)調(diào)前進(jìn)的同時,也可固定舵機(jī)旋轉(zhuǎn)位置,可將驅(qū)動輪連接的驅(qū)動電機(jī)電流反轉(zhuǎn)進(jìn)行后退。在需要調(diào)整前進(jìn)方向時,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)向時需要在較大空間內(nèi)進(jìn)行,以完成大幅度轉(zhuǎn)向過程中對大體積物體的避障和位置調(diào)整動作。

2.1.3 鉤爪結(jié)構(gòu)

由兩個帶有倒鉤的弧形鉤,通過拉桿平行連接組成單個鉤爪,鉤爪對稱安裝于兩個相鄰的容腔底部組成鉤爪對(圖5)。為了保證固定時蠕蟲形植物采樣機(jī)器人整體的穩(wěn)定性,鉤爪對安裝于蠕蟲形植物采樣機(jī)器人的中間和末尾部分。在到達(dá)指定位置時,兩個鉤爪對進(jìn)行抓合,將蠕蟲形植物采樣機(jī)器人固定于當(dāng)前位置,不受其他環(huán)境因素的影響。在定點拍攝時,蠕蟲形植物采樣機(jī)器人根據(jù)地形變?yōu)檫m當(dāng)?shù)男螤?兩個鉤爪對同時抓牢地面,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,從而對目標(biāo)進(jìn)行定點拍攝[8]。

圖5 鉤爪對結(jié)構(gòu)圖

在斜面拍攝時,鉤爪對和轉(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進(jìn)行抓合,再由中間部分容腔的舵機(jī)轉(zhuǎn)動,沿縱向自由度慢慢抬起,緊接著末尾部分的鉤爪對進(jìn)行抓合,中間部分的鉤爪對慢慢張開,同時驅(qū)動電機(jī)傳動至驅(qū)動輪,蠕蟲形植物采樣機(jī)器人向前運動。重復(fù)此爬行運動,完成對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,通過藍(lán)牙與設(shè)備進(jìn)行無線連接,實現(xiàn)實時監(jiān)控、拍攝、錄像的功能,便于操作機(jī)器人對采集目標(biāo)識別和觀測[9]。微型相機(jī)選擇36 mm×36 mm×34 mm尺寸的類長方形,其配備的電池能支持約90 min的持續(xù)拍攝,還可進(jìn)行定時長時間拍攝。微型相機(jī)錄制的視頻和拍攝圖片都具有較高清晰度,通過藍(lán)牙將微型相機(jī)與智能手機(jī)相連,對相機(jī)實施遠(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)置儲存卡中查看,也能通過手機(jī)瀏覽。微型相機(jī)拍攝下來的畫面及視頻,具有連拍和縮時拍攝的特點。微型相機(jī)內(nèi)部組件還有防水、防摔、防抖效果,通過加裝保護(hù)殼還可以防震[10]。

2.2.2 采集裝置

采集裝置包括電動夾爪、電動推桿、切裝頭和底座(圖7)。底座安裝于采集容腔內(nèi)部末端,與電動推桿相連,通過與容腔內(nèi)部相連起到固定電動推桿的作用。電動推桿控制電動夾爪的伸縮,電壓12 V,行程30 mm,推力60 N,速度15 mm/s。電動夾爪與切裝頭配合安裝,電動推桿配合切裝頭進(jìn)行閉合和張開等不同幅度的動作,滑臺最大行程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,通過閉合的方式剪切和裝取植物。萬向輪安裝于第一節(jié)容腔的前端底部和后端底部,起到支撐作用和從動作用。

1.切裝頭;2.電動夾爪;3.電動推桿;4.底座圖7 采集裝置示意圖

一對切裝頭安裝于電動夾爪的兩個滑臺上,電動夾爪末端與電動推桿前端緊密相連,電動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。通過采集容腔平臺對電動夾爪的承載,輔助采集裝置進(jìn)行伸縮位置調(diào)整。

為方便采集生長方向不同的植物,切裝頭的前邊和下邊均為刀刃,通過調(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,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,完成采樣動作后,各節(jié)舵機(jī)旋轉(zhuǎn),采集容腔向尾部運動,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)動舵機(jī)等(圖8)。固定容腔內(nèi)部安裝兩對左右對稱的固定爪,轉(zhuǎn)桿和固定爪為一體,通過轉(zhuǎn)桿的旋轉(zhuǎn)角度來控制固定爪的旋轉(zhuǎn)角度和力度。轉(zhuǎn)動舵機(jī)用于帶動轉(zhuǎn)桿進(jìn)行不同角度的旋轉(zhuǎn)。

1.固定爪;2.轉(zhuǎn)動舵機(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,固定容腔底部兩側(cè)對稱開了4個夾合孔,兩根轉(zhuǎn)桿對稱安裝于固定容腔內(nèi)部的夾合孔上方。待蠕蟲形植物采樣機(jī)器人到達(dá)指定位置時,固定裝置開始運轉(zhuǎn),控制轉(zhuǎn)動舵機(jī)帶動轉(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 識別系統(tǒng)

2.3.1 超聲波測距系統(tǒng)

超聲波測距系統(tǒng)主要由微控制器STM32F103ZET6和超聲波傳感器HC-SR04組成。當(dāng)超聲波傳感器探測到障礙物時,它將檢測到的距離值發(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)計不僅解決了超聲波傳感器在實際場景中的抗干擾問題,還實現(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,在傳感器周圍用橡膠或海綿等不影響傳感器振動的彈性材料覆蓋。選擇會隨溫度變化而發(fā)生剛性變化較少的材料,確保傳感器的振動不會傳遞到基板或外殼上[12]。

2.3.2 目標(biāo)識別

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

通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合YOLOv7算法,采用微型相機(jī)對采樣植物進(jìn)行目標(biāo)識別。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)練和測試。通過評估模型在測試集上的性能,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)植物圖像識別方面表現(xiàn)出良好的準(zhǔn)確性和效率,平均識別時間為2.6 s,平均準(zhǔn)確率達(dá)到88.2%。此外,還對識別結(jié)果進(jìn)行了可視化展示,驗證了模型的有效性。拍攝320張圖片,其中110張用于訓(xùn)練、110張用于測試、100張用于驗證。再通過LabelImg軟件,進(jìn)行圖片的標(biāo)簽制作,然后對結(jié)果進(jìn)行分類選取,設(shè)置候選框,提高識別精度[15]。該過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)器人能夠通過掃描周圍環(huán)境,自動識別并找到目標(biāo)植物,無需人為干預(yù)。同時,還可以通過繼續(xù)深度學(xué)習(xí),自動識別出植物的特征,從而快速找到目標(biāo)植物訓(xùn)練結(jié)果及識別結(jié)果,如圖9、圖10所示。

圖9 訓(xùn)練結(jié)果

圖10 多張識別結(jié)果

3 結(jié)語

針對人類在自然環(huán)境中采樣植物活動受限,以及安全性較低的問題,設(shè)計了一款蠕蟲形植物采樣機(jī)器人,其體型多變,各個橫向、豎向連接容腔內(nèi)部的舵機(jī)可進(jìn)行0°～45°的擺動,實現(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、倒行等運動。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)識別,實現(xiàn)準(zhǔn)確識別和采樣。在識別中,固定爪使機(jī)器人的采集結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,電動夾爪和切裝頭的共同運動,實現(xiàn)了對植物的切割和樣品的儲存。蠕蟲形植物采樣機(jī)器人操作方便、效率高、性能穩(wěn)定,未來可實現(xiàn)多場景應(yīng)用。