張健，趙暉，賈靖，張成浩，俞晨良，喻擎蒼*

(1.浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州 310018； 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021)

隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展和人民生活水平的提高，蔬菜的需求量日趨增加，人們對(duì)蔬菜質(zhì)量提出了更高的要求。2010—2015年，全國(guó)蔬菜種植面積及產(chǎn)量穩(wěn)步提高，蔬菜種植面積增幅為2%～4%，產(chǎn)量增幅為2.5%～3.3%，各省蔬菜種植面積及產(chǎn)量發(fā)展不均衡[1]。由于可輪作田塊的減少，農(nóng)藥使用限量標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)[2]，嫁接成為客服土傳病、保障果蔬增產(chǎn)的主要途徑之一[3]，蔬菜嫁接機(jī)的使用受到越來(lái)越多的關(guān)注[4]。

為應(yīng)對(duì)多樣、繁雜的農(nóng)作物對(duì)象和作業(yè)環(huán)境，機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化中的研究日趨深入，如利用機(jī)器視覺(jué)識(shí)別穴盤苗子葉方向、苗徑和位置信息[5-7]，以及進(jìn)行移栽作業(yè)[8]。機(jī)器視覺(jué)代替人工，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的感知和對(duì)作業(yè)對(duì)象的識(shí)別，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件可根據(jù)機(jī)器視覺(jué)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作調(diào)整，較為精準(zhǔn)地完成預(yù)設(shè)動(dòng)作，以適應(yīng)作物的不規(guī)整性。機(jī)器視覺(jué)已成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化和智能化的有效手段。

1 嫁接機(jī)樣機(jī)的機(jī)構(gòu)與空間分析

1.1 總體設(shè)計(jì)

穴盤苗自動(dòng)嫁接機(jī)一般有進(jìn)苗、上苗、切削、嫁接和固定等一系列過(guò)程和相應(yīng)機(jī)構(gòu)[9]，針對(duì)此設(shè)計(jì)不同的系統(tǒng)，各系統(tǒng)之間緊密配合、相互依賴，構(gòu)成有機(jī)整體。各系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 嫁接機(jī)各系統(tǒng)的流程

進(jìn)苗系統(tǒng)是以合適的速度將穴盤苗運(yùn)送到嫁接操作區(qū)域，本系統(tǒng)采取帶有步進(jìn)電機(jī)的滑軌來(lái)實(shí)現(xiàn)接穗及砧木的運(yùn)輸；上苗系統(tǒng)采用攝像頭智能識(shí)別接穗及砧木子葉方向及位置信息，實(shí)現(xiàn)智能上苗，代替人工操作；嫁接操作系統(tǒng)采用5臺(tái)機(jī)械臂配合末端夾手及視覺(jué)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；工位旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是嫁接整個(gè)環(huán)節(jié)的流程控制系統(tǒng)，需要有效確保各系統(tǒng)操作步驟的一致性，滿足5個(gè)工位進(jìn)行嫁接作業(yè)，5個(gè)工位分別對(duì)應(yīng)不同的操作過(guò)程，需在每次完成后進(jìn)行工位變換。樣機(jī)整體框架是由鋁型材搭建，中間高度480 mm區(qū)域作為嫁接工作區(qū)?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 嫁接機(jī)的總體設(shè)計(jì)

1.2 空間結(jié)構(gòu)

1.2.1 機(jī)械臂

機(jī)械臂是由連桿及連桿的關(guān)節(jié)組成，關(guān)節(jié)有1個(gè)或多個(gè)自由度，機(jī)械臂前端在三維空間的任意位置上移動(dòng)至少需要3個(gè)自由度[10]。機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖3所示，以底部旋轉(zhuǎn)電機(jī)軸線與底面交點(diǎn)為參考點(diǎn)，機(jī)械臂水平方向運(yùn)動(dòng)范圍為172～442 mm，豎直方向運(yùn)動(dòng)范圍為150.6～322.7 mm。

圖3 嫁接機(jī)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)模型

1.2.2 進(jìn)苗系統(tǒng)

根據(jù)樣機(jī)總體設(shè)計(jì)，進(jìn)苗系統(tǒng)的兩路滑軌分別輸送砧木苗及接穗苗，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。進(jìn)苗操作空間寬度為1 000 mm，滑軌長(zhǎng)度 900 mm，機(jī)械臂底座電機(jī)中心到穴盤近端邊緣140 mm，到遠(yuǎn)端邊緣水平距離420 mm，步進(jìn)電機(jī)底座距離地面180 mm，穴盤上平面距地面140 mm，電機(jī)底座平面與穴盤上平面垂直距離差40 mm，根據(jù)圖3機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂的水平操作范圍大于50穴穴盤寬度，配合進(jìn)苗電機(jī)的徑向運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂操作范圍能覆蓋整個(gè)穴盤。

圖4 嫁接機(jī)進(jìn)苗系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)

1.2.3 上苗系統(tǒng)

上苗系統(tǒng)主要是采用3自由度Dobot機(jī)械臂模擬人工進(jìn)行操作，通過(guò)Solidworks設(shè)計(jì)機(jī)械臂末端嫁接夾及視覺(jué)裝置安裝在機(jī)械臂末端，共同完成整個(gè)自動(dòng)上苗系統(tǒng)的操作，其結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 嫁接機(jī)上苗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

工位夾距離地面高度為240 mm，距穴盤上表面為100 mm，工位夾到步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)垂直距離為80 mm，機(jī)械臂中心到工位夾末端水平距離為280 mm，工位夾不干涉進(jìn)苗。同時(shí)2臺(tái)上苗機(jī)械臂底座中心間距1 000 mm，2臺(tái)機(jī)械臂可互不干擾地同時(shí)執(zhí)行砧木和接穗的上苗操作。

1.2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)主要是通過(guò)工位盤的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)接穗及砧木在不同工作臺(tái)上進(jìn)行嫁接操作，其結(jié)構(gòu)的俯視圖如圖6所示意。

圖6 嫁接機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的空間結(jié)構(gòu)分析

1、2號(hào)工位執(zhí)行自動(dòng)上苗操作，3號(hào)工位執(zhí)行砧木及接穗的切削操作，4號(hào)工位執(zhí)行上嫁接夾操作，5號(hào)工位執(zhí)行回栽操作。中心到工位盤邊緣最近距離d1為280 mm，根據(jù)進(jìn)苗系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該距離大于穴盤邊緣到工作臺(tái)中心距離，因此，工位盤的空間尺寸不會(huì)影響自動(dòng)上苗系統(tǒng)對(duì)接穗及砧木的抓取。1、2、3、5號(hào)工作臺(tái)采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，操作距離d2為300 mm，4號(hào)工作臺(tái)操作距離d3為280 mm，均滿足機(jī)械臂的參數(shù)要求。由于機(jī)械臂僅操作1個(gè)工位，5個(gè)工作臺(tái)上機(jī)械臂之間運(yùn)動(dòng)互相不受干擾。

2 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂末端夾持機(jī)構(gòu)如圖7所示，夾頭前端預(yù)留海綿安裝位置，保證在夾取苗的過(guò)程中對(duì)苗徑的保護(hù)。接穗苗夾持機(jī)構(gòu)預(yù)留刀片安裝孔，在上苗過(guò)程對(duì)接穗進(jìn)行斷根夾持，砧木苗夾持機(jī)構(gòu)則不安裝刀片。機(jī)械臂加持機(jī)構(gòu)兩側(cè)的圓形孔用以固定彈簧，保證夾持機(jī)構(gòu)的復(fù)位并保持一定夾持力。夾持機(jī)構(gòu)后側(cè)安裝滾輪，其正上方安裝雙向自保持電磁鐵，電磁鐵末端根據(jù)需求設(shè)計(jì)特定的推塊結(jié)構(gòu)。

圖7 嫁接機(jī)機(jī)械臂末端夾持的機(jī)構(gòu)

工位夾的主要任務(wù)是接收機(jī)械臂末端夾持機(jī)構(gòu)夾取過(guò)來(lái)的砧木及接穗，并通過(guò)固定在架子上的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)送至下一個(gè)操作點(diǎn)(圖8)。設(shè)計(jì)的整個(gè)上苗系統(tǒng)在工位盤上5個(gè)工位點(diǎn)(一周期)可以實(shí)現(xiàn)一顆苗完整的嫁接任務(wù)。

圖8 嫁接機(jī)工位夾持的機(jī)構(gòu)

3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及樣機(jī)試制

3.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)

機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)是有效控制機(jī)械臂，保證控制的效率與精度，影響嫁接機(jī)樣機(jī)順利運(yùn)行的關(guān)鍵[11]。本研究選取Arduino DUE作為機(jī)械臂的主控制器，雙路輸出DRV8825作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。為了提高系統(tǒng)可維護(hù)性，通過(guò)制作PCB中間板完成對(duì)主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及所需電路的線路布局，完成電氣控制系統(tǒng)的集成，PCB板線路布局如圖9所示。機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)如圖10所示。

圖9 嫁接機(jī)PCB線路的布局

圖10 嫁接機(jī)的機(jī)械臂電氣控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的圖像處理主要在PC機(jī)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)，本自動(dòng)嫁接機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)集成度高，因此選用Raspberry pi與USB攝像頭進(jìn)行整合，完成對(duì)嫁接苗信息的獲取與處理，并將視覺(jué)驅(qū)動(dòng)裝置與電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行整合(圖11)，通過(guò)圖像處理所獲取的子葉方向等信息指導(dǎo)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，共同完成自動(dòng)上苗任務(wù)。

圖11 嫁接機(jī)的集成控制系統(tǒng)

3.2 嫁接機(jī)樣機(jī)試制

根據(jù)嫁接機(jī)總體設(shè)計(jì)所初步完成的樣機(jī)如圖12所示。進(jìn)苗系統(tǒng)是通過(guò)雙路滑臺(tái)模擬傳送帶來(lái)進(jìn)行砧木及接穗的傳送，滑臺(tái)長(zhǎng)度為800 mm；旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)由57步進(jìn)，2個(gè)同步輪齒比設(shè)計(jì)為4∶1，同步帶寬度為15 mm，旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)需要同時(shí)參考5個(gè)操作工位及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)來(lái)設(shè)置轉(zhuǎn)速；自動(dòng)上苗系統(tǒng)由電氣控制模塊、末端夾持機(jī)構(gòu)及圖像采集裝置組成，其中電氣控制模塊主要負(fù)責(zé)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制及末端夾持機(jī)構(gòu)的開(kāi)閉，圖像采集裝置主要負(fù)責(zé)對(duì)接穗以及砧木生長(zhǎng)狀態(tài)和位置信息的采集與判斷，從而精確的指導(dǎo)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

圖12 嫁接機(jī)的樣機(jī)

4 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)了1種基于視覺(jué)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)嫁接機(jī)樣機(jī)，采用多臺(tái)低價(jià)的桌面機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)一種具有柔性通用的嫁接機(jī)，可以通過(guò)對(duì)機(jī)械臂終端夾持機(jī)構(gòu)的更換來(lái)更好的適應(yīng)不同的嫁接對(duì)象。本嫁接機(jī)針對(duì)嫁接所需步驟設(shè)計(jì)了5個(gè)工位，滿足嫁接所需整個(gè)步驟，并針對(duì)工位所需機(jī)械臂設(shè)計(jì)了能同時(shí)控制4路步進(jìn)電機(jī)的電氣控制系統(tǒng)，滿足對(duì)單個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制需求，同時(shí)視覺(jué)驅(qū)動(dòng)裝置能對(duì)自動(dòng)上苗機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)指導(dǎo)，各系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)運(yùn)作是完成對(duì)穴盤苗的嫁接任務(wù)的關(guān)鍵。本自動(dòng)嫁接機(jī)能進(jìn)一步提升蔬菜供給量，節(jié)省人力物力成本，實(shí)現(xiàn)蔬菜嫁接自動(dòng)化。