基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機設計

劉鴻宇

（中南大學機電工程學院， 湖南長沙 410012）

0 引言

葡萄在國內種植品種約800 種， 種植面積約60 公頃，采摘勞動力需求大。我國人口老齡化和農村勞動力流失日益嚴重，迫切需要葡萄采摘自動化。 鄉村振興戰略、美麗鄉村建設不斷實施，人們不斷深入探索采摘自動化。當前學者對葡萄采摘自動化研究如下， 日本岡山大學Monta 等[1]針對棚架種植設計了基于激光掃描識別的5自由度葡萄采摘機器人；李慧鵬等[2-3]針對葡萄采摘機自然環境下采摘點定位困難問題，對葡萄、葡萄果梗識別和采摘點定位問題進行了研究；楊皓天等[4]針對機械臂藤蔓避障問題， 進一步優化完善了藤蔓干涉情況的數據計算與分析能力；單海勇等[5-6]以葡萄采摘機構為研究對象，向讀者展示了各自的葡萄采摘實現機構。 當前學者針對葡萄、葡萄果梗識別的研究較多、且大多理論已較成熟，但采摘機構的研究多為針對大型葡萄種植基地的大型采摘機，針對中小型葡萄種植戶的小型自動化葡萄采摘機研究較少。針對以上研究現狀，本文設計了一款適用于中小型葡萄種植戶的基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機， 實現了葡萄采摘、封裝和運輸一體化操作，提高了采摘效率、降低了勞動成本。

1 智能葡萄采摘機整體設計

本文基于現代智能識別技術和計算機遠程操作模式，設計了一款基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機（下文簡稱“智能葡萄采摘機”）。智能葡萄采摘機主要包括葡萄的采摘系統、封裝系統、分裝系統、行進系統、掉落收集系統和視覺定位系統6 部分。 基于MBD （Model Based Design）技術，應用Solidworks 三維建模軟件設計的智能葡萄采摘機如圖1 所示。

圖1 葡萄采摘機整體結構圖

該智能葡萄采摘機工作原理如下：首先，在雙目視覺系統2 確定采摘葡萄位置后， 主控系統控制行進系統16、左運輸臂4 和右運輸臂7 的動力系統運動，實現采摘姿態調整；其次，塑料袋供給裝置17 將空塑料袋6 安裝在袋裝裝置5，并沿著左運輸臂4 運動到采摘葡萄下方，同時展開空塑料袋6 做收集準備；再次，塑料袋裝滿葡萄后，夾持裝置12 將裝葡萄的塑料袋從袋裝裝置5 轉移到右運輸臂7，并沿著右運輸臂7 運動到采摘機的主體倉1內，通過主體倉內壁上的封口裝置13 利用鋁釘將裝有葡萄的塑料袋封口；最后，收集裝置14 運動到夾持裝置12正下方，夾持裝置12 張開后裝葡萄的塑料袋掉落到收集裝置14 中， 并將葡萄存放到存放裝置15 實現葡萄的存放操作。

2 智能葡萄采摘機結構設計

2.1 采摘系統設計

采摘系統包括采摘機械臂、左運輸臂、袋裝裝置和塑料袋供給裝置4 部分。 采摘機械臂采用帶剪子的6 自由度機械臂， 末端執行器上的剪子用于實現葡萄與藤蔓的分離。 左運輸臂是設有橡膠軌道的環狀支撐臂，安裝有2個袋裝裝置可以沿著橡膠軌道運動。 左側電機轉動可驅動左運輸臂實現傾斜角度調整。

袋裝裝置結構如圖2 所示， 空塑料袋安裝在袋裝裝置后，左、右固定夾持器閉合實現塑料袋的固定操作。 伸縮吸盤吸附住靠運動導軌側的塑料袋外側后， 伸縮吸盤與左、右固定夾持器同時向著運動導軌中間方向運動，實現塑料袋的展開操作。

圖2 袋裝裝置結構示意圖

2.2 封裝系統設計

封裝系統包括右運輸臂、 夾持裝置和封口裝置3 部分。右運輸臂側面設有橡膠軌道，臂上安裝有1 個夾持裝置可沿橡膠軌道運動。 右側電機轉動可驅動右運輸臂實現傾斜角度調整。

夾持裝置用于實現葡萄從袋裝裝置到右運輸臂的轉移，其結構如圖3 所示，是一個可在X 方向、Z 方向運動的2 自由度機械臂。

圖3 夾持裝置結構示意圖

2.3 分裝系統設計

分裝系統包括葡萄的收集裝置、存放裝置2 部分，其結構如圖4 所示。 前、后橫向絲桿轉動使葡萄接收筐沿X方向運動實現橫向位置調節， 縱向絲桿轉動使葡萄接收筐沿Y 方向運動實現縱向位置調整。 前/后橫向絲桿、縱向絲桿驅動葡萄接收筐運動到右運輸臂上的夾持裝置下方，夾持機構展開將葡萄放置到葡萄接收筐中；前/后橫向絲桿、 縱向絲桿再驅動葡萄接收筐運動到對應葡萄存放格上方，打開底板將葡萄放到存放格實現分裝操作。

圖4 葡萄分裝系統結構圖

2.4 行進系統設計

行進系統采用履帶式行進機構， 在主動軸兩端都設有結構一樣的行星差速結構。主動電機使主動軸轉動，帶動左、右主動軸圓錐齒作等速同向轉動，進而帶動左、右動力輸出軸作等速同向轉動實現采摘機直線運動； 差速電機轉動使左、 右差速輸出軸作等速反向轉動， 進而使左、右差速行星輪作等速反向轉動，導致左、右動力輸出軸出現轉速差，實現轉彎運動。

3 智能葡萄采摘機仿真分析

3.1 智能葡萄采摘機系統仿真

智能葡萄采摘機系統仿真主要驗證采摘機的葡萄采摘、封裝、運輸功能，智能葡萄采摘機的采摘流程如圖5所示。

圖5 智能葡萄采摘機的采摘流程圖

對采摘、封裝和運輸一體化采摘過程進行仿真。 在一次采摘過程中，極限采摘工況（采摘機械臂處于最大打開狀態，完成葡萄采摘、裝袋并運至左后方的存放格中）下的目標葡萄串的運動軌跡如圖6 所示。

圖6 目標葡萄串的運動軌跡示意圖

3.2 主要零部件分析校核

智能葡萄采摘機的驅動機構采用市面上的成熟產品進行選型設計，具備較大的安全設計余量，因此不再進行力學分析校核， 主要對自制零部件葡萄接收筐進行校核分析。

葡萄接收筐作為葡萄分裝過程的主要承載部件，按照滿載葡萄狀態（約1.5kg）開展力學分析校核，并根據分析結果對葡萄接收筐擋板進行優化設計， 最后對優化后的結構進行力學分析校核。 結果表明：最大應力為48.3MPa，遠小于對應材料304 不銹鋼的屈服強度（205MPa）；最大變形僅為0.57mm，滿足剛強度設計需求。

4 結論

本文設計了一種基于雙目視覺定位的智能葡萄采摘機， 詳細介紹了該系統的基本原理與各個功能分系統的結構組成，系統仿真了采摘機的葡萄采摘、封裝、運輸功能， 輸出目標葡萄串的運動軌跡， 并基于ANSYS Workbench 軟件對主要受力部件開展分析校核，對結構方案設計及材料選型進行驗證分析。該系統可自動化實現采摘、封裝和運輸的一體化操作，具有較強的工程實施價值，相對于傳統人工采摘的方式，能有效提高采摘效率、降低采摘人力成本， 對提高葡萄采摘自動化水平有十分重要的意義，同時可以為其他類似自動化產品設計提供參考。