張娓娓，袁路路

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

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基于滑覺檢測的農(nóng)業(yè)機器人果蔬柔性抓取控制研究

張娓娓，袁路路

(河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473000)

果蔬采摘是水果蔬菜生產(chǎn)種植中最繁瑣、最耗時間、最費精力的部分之一，直接影響果蔬日后的價值和銷售。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展、外出務(wù)工人員增多及農(nóng)業(yè)勞動力減少，勞動力在果蔬種植成本所占比例越來越大。實現(xiàn)果蔬自動化采摘是降低成本、釋放農(nóng)業(yè)勞動力的重要舉措。20世紀80年代，美國成功生產(chǎn)了世界上第1臺西紅柿采摘機器人。近年來，隨著信息技術(shù)和自動化技術(shù)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)采摘機器人的研究和開發(fā)取得了很大進步，但對果蔬柔性抓取的研究進展較慢。為此，基于滑覺傳感檢測技術(shù)與果蔬損傷機理，以農(nóng)業(yè)機器人采摘控制系統(tǒng)為研究平臺，運用離散小波變換算法，從傳感器和抓取力控制著手，深入研究和設(shè)計了農(nóng)業(yè)機器人柔性無損采摘控制系統(tǒng)。試驗表明：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性強，對實現(xiàn)果蔬柔性采摘具有十分重要的應(yīng)用意義。

果蔬采摘；柔性抓取；滑覺檢測；小波變換

0 引言

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，社會生活水平有了顯著提高，人們開始重視水果蔬菜的質(zhì)量，農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)結(jié)構(gòu)開始逐漸調(diào)整。果蔬的采摘作業(yè)費時費力，而且危險性高。由于信息技術(shù)與機電一體化的高速發(fā)展，以及機器人的研究與應(yīng)用逐漸深入，人們開始用機器人去替代這些簡單、繁瑣的勞動，并要求機械采摘手臂在采摘果蔬時不造成損傷，因此采摘手臂在作業(yè)過程中既要能穩(wěn)穩(wěn)抓住果蔬，又要盡量減少對果蔬的損傷。而各種果蔬的形狀大小以及成熟度不同，夾持力太大容易損害果蔬，夾持力太小果蔬容易滑落，因此夾持力要根據(jù)果蔬的大小進行靈活調(diào)整。本文將從滑覺檢測技術(shù)出發(fā)，以機器手臂夾持力度控制為基礎(chǔ)，根據(jù)果蔬的特定性質(zhì)和機械損傷機理，設(shè)計和研究農(nóng)業(yè)機器人果蔬柔性抓取控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對果蔬柔性的無損采摘。

1 農(nóng)業(yè)機器人果蔬損傷機理

機械手臂采摘果蔬時，最理想的狀態(tài)是機械手臂能夠以最小的夾持力穩(wěn)定采摘果蔬。在采摘果蔬過程中，機械手臂會對果蔬有一定的夾力，由于力的相互作用，果蔬也會受到一對方向相反的外力；而由于受到重力的作用，果蔬還要受到一對向上的摩擦力。對于果蔬來說，夾持力給果蔬的摩擦力是果蔬不掉落的重要因素。采摘過程中果蔬受力作用如圖1所示。

圖1 采摘過程中果蔬的受力作用圖Fig.1 Stress function of fruits and vegetables during picking process

圖1中，假設(shè)采摘手臂左右指對果蔬的力滿足水平方向，果蔬不掉落必須滿足的條件為

2uF≥G

(1)

即

(2)

式(1)、式(2)中，u為采摘手臂左右指與果蔬之間的摩擦因數(shù)；F為采摘手臂左右指對果蔬的夾持力；G為果蔬自身的重力。

農(nóng)業(yè)采摘機器人在工作中，采摘對象種類較多，工作環(huán)境也復(fù)雜多變。對于任何待摘對象，無法提前知道其質(zhì)量和與采摘手臂左右指的摩擦因數(shù)。根據(jù)彈性摩擦重力公式，具有彈性的物體摩擦力為

FC=(KFα-1)F

(3)

其中，F(xiàn)為采摘手臂左右指對果蔬的正壓力；KFα-1相當于摩擦因數(shù)μ；α為一個小于1的數(shù)。式(3)表明：采摘手臂左右指對待摘對象壓力越大，它們之間的有效摩擦因數(shù)越小。因此，對于待摘對象，其有效靜摩擦因數(shù)是變化的，無法人為設(shè)定最小夾持力去采摘目標對象。

2 農(nóng)業(yè)機器人滑覺檢測原理

利用農(nóng)業(yè)機器人采摘收獲果蔬時，常常需要依靠采摘手臂進行采摘工作。為了穩(wěn)定柔性地抓取果蔬，又不至于造成果蔬機械損傷，采摘手臂左右指的夾持力要調(diào)節(jié)得非常合適、準確，因此滑覺檢測對采摘機器人柔性抓取目標對象及減少機械損傷有著重要作用。想要采摘手臂以最小的夾持力抓取物體，必須要檢測被摘對象表皮與采摘手爪之間的初始滑覺。本文采用壓敏傳感器作為壓控電路的重要部分，設(shè)計了一款靈敏程度非常高的滑覺傳感器，用來測量采摘過程中的初始滑覺。

2.1 滑覺檢測機構(gòu)

滑覺傳感器是滑覺檢測機構(gòu)的重要部分，是主要用于檢測采摘手的手爪與被摘對象之間相對滑動的裝置。其通過實時檢測待摘對象表面的相對滑動，判斷采摘過程中的握力，在不損傷目標物體的情況下逐漸增加力量，采摘目標物體。本文設(shè)計的滑覺傳感器主要包括力敏導(dǎo)電硅膠、有機玻璃基板、聚合物薄膜力敏電阻及放大電路等部分?；X傳感器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 滑覺傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Slip sensor structure

滑覺傳感器的正負電極相互交替盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)，水平安放在環(huán)氧樹脂玻璃基板上，力敏導(dǎo)電硅膠安裝在正負電極的正上方?；X傳感器工作時，放大電路將檢測正負電極的電壓信號放大，并通過ADC芯片轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，最終交由處理器進行信號分析與處理，進而判斷物體是否產(chǎn)生滑動。該滑覺傳感器結(jié)構(gòu)簡單，傳感區(qū)接觸面積大，線路精簡可靠，干擾少，且后續(xù)處理容易。

2.2 滑覺傳感器的信號輸出

機器人采摘手臂兩指上都裝有壓力和滑覺傳感器。壓力傳感器結(jié)構(gòu)和滑覺傳感器大致一樣，其核心也是壓敏電阻及放大電路等。在實驗過程中，將測試的蘋果放在采摘手兩指間，并以2N左右的力閉合。待閉合穩(wěn)定后，來回拖動蘋果滑動時，滑覺傳感器將有信號輸出，如圖3所示。

圖3 滑覺傳感器的電壓信號輸出Fig.3 Voltage signal output of slip sensor

圖3中，A點之前為靜摩擦區(qū)域，B點之后為動摩擦區(qū)域；A點表示蘋果在受力情況下要移動但還沒實際位移，B點表示蘋果已經(jīng)開始移動。在A時刻，蘋果受切向力產(chǎn)生切向變形，電壓信號V變大；在B時刻，受外力的作用，蘋果沿著滑覺傳感器表面發(fā)生滑動的瞬間，壓敏電阻值不穩(wěn)定，傳感器輸出的電壓信號V有比較復(fù)雜的波動現(xiàn)象。由圖3可以看出：在靜摩擦力區(qū)域，滑覺信號已經(jīng)出現(xiàn)明顯波動，結(jié)合準確的算法，完全可以在蘋果出現(xiàn)明顯滑動時檢測出其初始摩擦力。

2.3 滑覺傳感器頻譜分析

為了在靜摩擦區(qū)域獲取有效滑動的電壓信號，檢測物體的靜摩擦力，需要獲得適合的算法，將信號準確反饋給控制系統(tǒng)對夾持器進行抓取力控制；然后，對輸出信號進行短拉斯變換，以觀察其頻譜成分?；X傳感器的信號輸出和短拉斯變換的結(jié)果分別如圖4、圖5所示。

圖4 滑覺傳感器的信號Fig.4 Slip sensor signal

圖5中，橫坐標表示時間，顏色的深淺說明頻譜能量大小程度。結(jié)合圖4、圖5可以看出：在0.15s前，物體沒有實際位移，拉力較小，滑覺傳感器輸出的信號無明顯變化，在這區(qū)間的信號中只有少量高頻成分和能量；在物體移動的瞬間，拉力增大，切向變形變大，輸出信號波動幅度大，出現(xiàn)大量的高頻成分和能量；在物體停止移動時刻，高頻成分和能量同時大量減少。

圖5 滑覺傳感器信號的頻譜分析Fig.5 Spectrum analysis of sensor signal

3 基于離散小波變換的滑覺檢測

由滑覺傳感器頻譜分析可知：當夾持器與采摘對象發(fā)生滑動、產(chǎn)生動摩擦力時，頻譜信號中會出現(xiàn)大于2Hz高頻成分；當只有靜摩擦力時，頻譜信號中的頻率成分都小于2Hz。因此，可以通過離散小波變換檢測滑覺傳感器輸出信號瞬間的頻率分布，判斷初始滑動。

離散小波變換是一種比較方便、好用的時域分析方法，是結(jié)合傅里葉變換和拉斯變換的優(yōu)缺點形成的，已廣泛應(yīng)用于信號處理、機器視覺、圖像處理、模式識別及機器學(xué)習等領(lǐng)域。離散小波變換在時域和頻域具有很好地局部化特征，可以采集處理信號并提供各個頻率子端的頻譜能量或者頻率信息。利用小波基函數(shù)可以將ψ(t)進行收縮和平移，則

(4)

其中，j為尺度系數(shù)；t為平移系數(shù)。

任意L2(R)空間中的函數(shù)f(t)離散小波變換為

(5)

離散小波信號是在尺度-位移的平面上，它對應(yīng)的是一些離散的信號點。離散小波信號點分布如圖6所示。

圖6 離散小波信號點分布圖Fig.6 Discrete wavelet signal point distribution

采用離散小波變換技術(shù)對傳感器輸出的信號進行收集、處理，并提取電信號中的高頻分量，設(shè)定合適的閾值，然后通過比較離散小波變換的小波系數(shù)和閾值的關(guān)系，判斷物體是否發(fā)生初始滑動。

農(nóng)業(yè)機器人末端夾持器在作業(yè)過程中，在法向力加載和卸載期間也會產(chǎn)生滑覺信號，在檢測時要注意將其與待測物體滑動引起的滑動信號區(qū)別開來。法向力作用下的頻譜分析如圖7所示。

圖7 法向力作用下的頻譜分析Fig.7 Spectrum analysis under normal force

結(jié)合圖5和圖7進行分析，可以發(fā)現(xiàn)兩者小波系數(shù)值差別很小，在法向力作用下，裝載和卸載時同時伴有高頻成分存在。因此，不能單單只從頻率特性判斷待摘物體的滑動信號。但是，在加載時輸出信號的幅值因子小于零，卸載時幅值因子大于零，而待測物體滑動時滑覺傳感器輸出信號幅值因子有正值和負值。因此，在判斷過程中，加載法向力時，只要是離散小波信號幅值因子大于0.15，則認定待摘物體發(fā)生滑動；卸載法向力時，只要是離散小波信號幅值因子小于-0.15，則認定待摘物體發(fā)生滑動；無法向力作用時，離散小波信號幅值因子大于0.15，則認定為有滑動產(chǎn)生。

4 滑覺檢測柔性采摘抓取力的控制

本文設(shè)計了實物抓取實驗，測試抓取力控制的靈敏度，測試過程如圖8所示。實驗在單一機械手的單向運動中進行，機械采摘手左右兩指都裝有滑覺傳感器，測試過程中控制周期為10ms。首先，機械采摘手以最小抓力夾持空塑料瓶，機械手處于夾緊狀態(tài)；然后，向空塑料瓶逐漸加水，即慢慢加大被抓物體的質(zhì)量；當塑料瓶整體質(zhì)量接近由抓取力產(chǎn)生的摩擦力時，塑料瓶開始有滑落的跡象；在出現(xiàn)滑動跡象時，滑覺傳感器輸出信號被控制系統(tǒng)檢測到，并迅速增大機械采摘手抓取力夾緊被抓物體。

圖8 機械采摘手抓取實驗Fig.8 Mechanical picking hand grab experiment

機械采摘手抓取空瓶調(diào)節(jié)結(jié)果與離散小波信號細節(jié)因子分析如圖9、圖10所示。

圖9 機械采摘手抓取空瓶調(diào)節(jié)結(jié)果Fig.9 Mechanical picking hand grab empty bottle adjustment results

圖10 離散小波信號細節(jié)因子分析Fig.10 Discrete wavelet signal detail factor analysis

由圖9、圖10可知：在整個過程中，機械手可以實現(xiàn)以最小抓力抓取該物體，被抓物體沒有發(fā)生滑落，向下滑動位移只有0.5mm，抓取力調(diào)節(jié)比較穩(wěn)定，能有效減少采摘過程中對果蔬的機械損傷。

5 結(jié)束語

隨著采摘機器人作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜化，對末端執(zhí)行器性能要求越來越高，自動化代替作業(yè)的同時，還要要求其對果蔬減少損傷。本文基于滑覺傳感器技術(shù)，以末端執(zhí)行器為研究對象，運用離散小波變換算法，設(shè)計和研究了農(nóng)業(yè)機器人無損抓取控制系統(tǒng)。測試結(jié)果表明：末端執(zhí)行器在抓取過程中，對抓取力控制非常精準，抓取力調(diào)節(jié)比較穩(wěn)定，減少了末端執(zhí)行器中對果蔬的機械損傷。這一研究對實現(xiàn)果蔬柔性采摘具有重要的實際應(yīng)用意義。

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Design of the Control System of Fruit and Vegetable Flexible Grasping of Agricultural Robot Based on Slip Detection

Zhang Weiwei, Yuan Lulu

(Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China)

Fruit and vegetable picking fruit cultivation of vegetable production in the most complicated, the most time consuming, the cost of effort on the part of the one, which has a direct impact on the future value and sales of fruit and vegetable. With the rapid development of economy, migrant workers increased, reduced agricultural labor force, labor in the fruit and vegetable planting costs accounted for an increasingly large proportion. Fruit and vegetable automatic picking is an important measure to reduce the cost and release the agricultural labor force. In the 1980s, the United States has succeeded in producing the first Tomato Picking Robot, in recent years, with the rapid development of information technology and automation technology, agricultural harvesting robot research and development has made great progress, but research on fruit and vegetable soft grasping into development is slow. This paper based on slipping sensing detection technology of fruits and vegetables, damage mechanism, the agricultural robot picking control system as the research platform, the use of discrete wavelet transform algorithm, from the start of sensor and grasping force control, in-depth study and design the agricultural robot flexible nondestructive picking control system. The experiments show that the control system stable operation, high reliability, for the fruit flexible pick has very important significance.

fruit and vegetable picking; flexible grasping; slip detection; wavelet transform

2016-03-03

河南省自然科學(xué)基金項目(2015ZCB115)；南陽市科技攻關(guān)項目(2012GG029)

張娓娓(1985-)，女，河南南陽人，助教，碩士。

袁路路(1982-)，女，河南南陽人，講師，碩士，(E-mail)wwandll80@qq.com。

S225.92；TP391.41

A

1003-188X(2017)06-0228-05