劉國(guó)棟 楊孟杰 張應(yīng)紅 孫元廣

摘 要：蘋(píng)果是具有長(zhǎng)久的季節(jié)性的水果，且人工采摘的勞動(dòng)強(qiáng)度大，風(fēng)險(xiǎn)高，成本高。解決人工采摘蘋(píng)果的問(wèn)題需要將農(nóng)業(yè)與工業(yè)智能化的結(jié)合。為此設(shè)計(jì)一種五自由度，滿足工作空間的基于自動(dòng)化的蘋(píng)果采摘機(jī)器人。該機(jī)器人通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)、紅外線探頭采集外部環(huán)境信息，并傳遞到電源控制模塊，從而控制以步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)的源動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步控制各個(gè)機(jī)械臂和機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋(píng)果的自動(dòng)化的采摘。

關(guān)鍵詞：采摘蘋(píng)果；自動(dòng)化；工業(yè)攝像機(jī)；機(jī)械手

引言：隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多樣化和精確化、規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求也正在逐漸提高，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施智能化農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。對(duì)于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和采摘成本、保證蘋(píng)果適時(shí)采收，研究滿足工作空間的自動(dòng)化采摘機(jī)器人對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和提高經(jīng)濟(jì)效益具有重大的意義。

1.蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)：

采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖主要由底座、腰部，大臂，肘部，小臂，末端機(jī)械手等主要部分組成，其總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1.1所示。該機(jī)器人與傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人類(lèi)似，具有五個(gè)自由度的工作空間，分別是自由度1（腰部回轉(zhuǎn)），自由度2（大臂旋轉(zhuǎn)），自由度3（小臂旋轉(zhuǎn)），自由度4（肘回轉(zhuǎn)），自由度5（機(jī)械手旋轉(zhuǎn)）。

1.2移動(dòng)平臺(tái)方案的確定：

在確定設(shè)計(jì)方案以后對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)載體采取分析并進(jìn)行選擇。

（1）履帶式移動(dòng)平臺(tái)特點(diǎn)及存在問(wèn)題

特點(diǎn) a. 轉(zhuǎn)向半徑小，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。

b.支撐地面的面積大，下陷度小，滾動(dòng)阻力大，越野機(jī)動(dòng)性能好；在松軟或者潮濕的土地環(huán)境中具有較好的越障能力。

c.履帶支撐面上有很多履齒，行走時(shí)不容易打滑，附著性能好；。

存在問(wèn)題： a.履帶式移動(dòng)平臺(tái)的體積和重量大，速度慢，耗能高；。

b.履帶容易磨損，需要經(jīng)常性的檢查

（2）輪式移動(dòng)平臺(tái)特點(diǎn)及存在問(wèn)題

特點(diǎn)： a.輪式移動(dòng)平臺(tái)的能量損耗比較小。

b.相對(duì)于比較適合高速移動(dòng)的場(chǎng)合。

存在問(wèn)題： a.支撐面積小，滾動(dòng)阻力小，越野機(jī)動(dòng)性能不太理想，不太適合于環(huán)境惡劣的路面；果園作業(yè)不夠靈活。

b.轉(zhuǎn)向半徑較大，需要較大的轉(zhuǎn)向空間

c.容易打滑，附著性能不理想。

（3）智能移動(dòng)平臺(tái)最終方案確定

履帶式移動(dòng)平臺(tái)適合于未加工的天然地面行走，它是輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的拓展，履帶本身起著給車(chē)輪連續(xù)鋪路的作用。果園里的路面環(huán)境相對(duì)較差，尤其是雨后，路面很滑的情況下。采用履帶式智能移動(dòng)平臺(tái)不僅有利于克服果園崎嶇不平的 路邊環(huán)境，而且在雨后更為惡劣的路面環(huán)境中仍有良好的通過(guò)性。

1.3 機(jī)械手結(jié)構(gòu) ：

采用的機(jī)械手為平行移動(dòng)式機(jī)械手，如下圖所示，以電機(jī)為動(dòng)力，帶動(dòng)絲桿（3）轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)與絲桿（3）螺旋配合的滑塊（5）前后移動(dòng)，滑塊通過(guò)連接件（4）帶動(dòng)左右機(jī)械手（1）進(jìn)行平行移動(dòng)，機(jī)械手左右端的的末端由銷(xiāo) 釘（2）限制住機(jī)械手的 x 軸移動(dòng)，根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的定理，使機(jī)械手只能進(jìn)行左右平行移動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)采摘末端執(zhí)行器的抓取動(dòng)作取決于力傳感器和視覺(jué)傳感器的信號(hào)。無(wú)論采摘的水果是大是小，只要數(shù)攏采集卡采集的力傳感器 信號(hào)達(dá)到設(shè)定安全值，末端執(zhí)行器的雙指會(huì)停止運(yùn)動(dòng)。如果末端執(zhí)行器抓取過(guò)程中視覺(jué)傳感器檢測(cè)到果實(shí)有滑動(dòng)，則夾持雙指便會(huì)自動(dòng)增加夾持力，確保在果 實(shí)不被夾傷的情況下，不會(huì)從夾持雙指中滑落。果園調(diào)研發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果直徑一般在 50mm-100mm 之間，因此所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器夾持手指之間距離為110mm。

1.4工作原理：

我們采用了圖像處理的方法，在各種天氣下采集果實(shí)的圖像。采摘過(guò)程中，工業(yè)攝像機(jī)與紅外線抬頭進(jìn)行果實(shí)的定位，機(jī)器人根據(jù)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、STM32 主控芯片以及其他傳感器反饋的定位信息和避障信息來(lái)控制采摘機(jī)器人的各個(gè)部位的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行部分，要使機(jī)械手準(zhǔn)確找到果實(shí)位置并采摘下來(lái)，需要得到熟蘋(píng)果的位置。機(jī)械手兩端附帶壓力傳感器， 機(jī)械手夾住果實(shí)，壓力達(dá)到蘋(píng)果接近損壞的程度時(shí)，觸發(fā)舵機(jī)開(kāi)關(guān)，使機(jī)械手上端的剪切執(zhí)行器會(huì)切斷樹(shù)枝。

1.5總體結(jié)構(gòu)確定

綜上所述：此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是履帶式移動(dòng)的，主要由控制系統(tǒng)及其機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成，具有5個(gè)自由度。采摘機(jī)器人主要包括行走機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、機(jī)械手結(jié)構(gòu)、 圖像信息處理系統(tǒng)等幾大部分。如下圖1.5所示，機(jī)械手是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行部分，控制系統(tǒng)主要包括雙目攝像機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡，機(jī)械臂控制器，末端采集控制 器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及各傳感器和各個(gè)控制電路等。移動(dòng)平臺(tái)包括固定平臺(tái)，底盤(pán)機(jī)架，履帶式行走裝置等。

2.系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)

2.1整體控制方案

采摘機(jī)器人選用STM32F103C8T6為主控芯片，左右步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)履帶為采摘機(jī)器人提供動(dòng)力以及方向控制，機(jī)械手臂的每一個(gè)自由度對(duì)應(yīng)一個(gè)舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂動(dòng)作的控制，處理工業(yè)攝像機(jī)得到的數(shù)據(jù)后，再完成一系列采摘?jiǎng)幼鳌?/p>

2.2主控芯片選擇

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，運(yùn)行速度快，可利用DMA模式下處理數(shù)據(jù)，減輕負(fù)擔(dān)，定時(shí)器在PWM模式能同時(shí)產(chǎn)生多路PWM波，實(shí)現(xiàn)多個(gè)舵機(jī)控制。系統(tǒng)框圖如下：

2.3電源模塊

12V鋰電池作為主電源，可以多次充放電，高效且充電效率高。

單片機(jī)由于使用電壓一般在3.3V～6.0V之間，利用降壓模塊將電壓降到5V對(duì)舵機(jī)以及單片機(jī)供電。

2.4行走控制系統(tǒng)

步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī)控制，但所需要的驅(qū)動(dòng)電流過(guò)大，單片機(jī)負(fù)荷不起，需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)產(chǎn)生較大電流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，避免燒壞單片機(jī)。

2.5機(jī)械臂控制

舵機(jī)體積小，重量輕，扭矩大，常用于精確的角度控制?？梢詼p少舵機(jī)占用空間，減輕機(jī)械手臂重量，使機(jī)械手臂能有較大的承重力，機(jī)械手能有足夠的力夾緊水果，精確的角度控制能減少誤差，避免重復(fù)定位，夾漏等失誤操作主控芯片產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.結(jié)束語(yǔ)

本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和機(jī)器的控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，確定其基礎(chǔ)組成部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法。在蘋(píng)果采摘的定位信息上采用一種基于OpenCV的雙目立體視覺(jué)技術(shù)，并反饋到由ARM+PC協(xié)同的控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)五自由度的機(jī)械人進(jìn)行采摘工作，并且配備履帶式的移動(dòng)平臺(tái)，使其工作更加具有靈活性和實(shí)用性，對(duì)人類(lèi)的未來(lái)智能農(nóng)業(yè)發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

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