1. 項目研究背景

廣西壯族自治區(qū)賀州市鐘山縣貢柑產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，種植面積達到10萬畝，年產(chǎn)量高達10萬噸，是全國貢柑生產(chǎn)的大縣。在整個貢柑種植過程中，成熟貢柑的采摘耗時最長，勞動力需求最大;而隨著外出務(wù)工人員的增多，農(nóng)村勞動力減少，導(dǎo)致請勞力成本上漲，果農(nóng)的生產(chǎn)成本增加，高用工成本嚴重制約著貢柑產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。貢柑產(chǎn)業(yè)向更深層次發(fā)展，亟需控制生產(chǎn)成本、減少人工采摘; 而在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用智能采摘機器人，對于節(jié)省成本、提高生產(chǎn)率具有重要意義。本文結(jié)合貢柑生產(chǎn)種植環(huán)境和實際采摘過程，基于越疆機械臂平臺結(jié)合視覺技術(shù)設(shè)計機器人對貢柑采摘過程的試驗研究，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)貢柑的智能采摘。

2.? 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 工作原理：

該采摘機器人由機械結(jié)構(gòu)部分和電氣智能控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。機械結(jié)構(gòu)包括可移動載體、越疆機械臂、采摘器和自動控制裝置; 電氣智能控制系統(tǒng)主要包括工控計算機、伺服電機驅(qū)動、單 PIXY 攝像機、傳感器控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、GPIB 卡、驅(qū)動模板、鋰電池和控制系統(tǒng)，如圖 2 所示。

2.2 設(shè)計制作

2.2.1 機械結(jié)構(gòu)部分：該部分是智能采摘機器人的硬件平臺，為機器人進行成熟果實識別與采摘奠定了堅實的基礎(chǔ)，其各個部件的作用各不相同，結(jié)合起來實現(xiàn)采摘機器人的自動控制。

機械手臂裝置采用多關(guān)節(jié)越疆機械臂，有4個主自由度，可以做左右轉(zhuǎn)動和上下移動的動作; 再加上采摘器的X、Y 軸轉(zhuǎn)動，可以使夾持采摘器到達臂長范圍的任何三維坐標點。該機器人的機械手臂裝置韌性強、承受負載大、自身輕薄、靈活性高、到達指定位置誤差小，在整個采摘作業(yè)過程中，運行速度適中，慣性較小，平穩(wěn)度高。

2.2.2 貢柑采摘器：這部分是采摘過程中作用最大的部件，是采摘機器人的“手”，貢柑的抓取收獲依靠其完成，可以根據(jù)命令直接執(zhí)行采摘任務(wù)。該設(shè)計中采用“夾持器+弧形雙剪”結(jié)構(gòu)，夾持器最大工作角度為 180°，采摘過程中夾緊力未 270N（“未270N”是指末端夾緊力為270牛頓），質(zhì)量為 0.15kg，閉合時間為 0.2s; “雙剪”與夾持器同步運行，一次性完成貢柑果采摘關(guān)鍵技術(shù)點“一果二剪”，裝置輕便，采摘角度大，耗時短，力度適中，不會給果實帶來機械損傷。

2.2.3 成熟貢柑果判斷

本作品采用“PIXY”智能攝像頭作為貢柑果采摘末端信號采集器。該攝像頭配置高級語言Python腳本，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以快速運算并把計算結(jié)果用來控制IO引腳。“PIXY”作為末端執(zhí)行器和普通的執(zhí)行器相比，不但可以減少電機的數(shù)量，并且提高采摘機器人的工作效率。其中的柔性抓取器不僅代替了普通的末端執(zhí)行器的手爪功能，從而減去了一個被驅(qū)動元件，還能直接把采摘的果實直接輸送到指定點，進而大大提高了收獲效率。

3.? 主要技術(shù)指標

該機器人由機械結(jié)構(gòu)部分和電氣智能控制系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。機械結(jié)構(gòu)包括可移動載體、機械手臂、夾持器和橫向滑動裝置;電氣智能控制系統(tǒng)主要包括工控計算機、伺服電機驅(qū)動、PIXY攝像頭、傳感器控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡、鋰電池供電箱和控制系統(tǒng)，構(gòu)成了完成這一項目的關(guān)鍵。

3.1 末端執(zhí)行器：深圳越疆科技有限公司生產(chǎn)的DOBOT魔術(shù)師機械臂為工業(yè)型機器人，其額度負載0.5kg，采摘半徑320mm，四軸旋轉(zhuǎn)為+90°到-90°，機械臂距離地面高度可根據(jù)采摘水果類型做更換移動平臺即可。

3.2 機器視覺系統(tǒng)

3.2.1果實的定位與識別

定位系統(tǒng)和果實識別的硬件主要由1394轉(zhuǎn)換卡、單目攝像機和主控制器組成。先由攝像機采集果樹圖像，然后通轉(zhuǎn)換卡將采集到的果樹圖像傳輸?shù)街骺刂破?，在主控制器中采用各種圖像處理算法對果樹圖像進行處理，從而識別出成熟的果實，解算出果實在機械臂基坐標系下的三維坐標。

3.2.2 果實的圖形采集

由于攝像機的視野有限，只采集一幅圖片是不能對整棵果樹進行覆蓋的，所以采集圖像時機械臂需要在多個不同的位姿進行采集。通過實驗表明，大部分果樹需要采集3幅圖片方可覆蓋。系統(tǒng)每采集1幅圖，就會對果實進行識別和定位處理，并且對該圖片中成熟果實的位姿信息進行保存，然后由上位機根據(jù)成熟果實的位姿信息對機械臂采摘路徑作出規(guī)劃。當一幅圖像中的成熟果實采集完畢后，機械臂自行運動到下一個圖像采集位姿，并重復(fù)以上圖片的采集過程，直至3幅圖片中所有被識別的成熟果實采集完畢。

3.2.3 軟件的系統(tǒng)

整個控制系統(tǒng)軟件是在Lua? VC++6.0中開發(fā)完成的，其程序設(shè)計流程如圖：

采摘機器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計簡述如下：（1）系統(tǒng)設(shè)備初始化。（2）主控制器首先通過1394轉(zhuǎn)接卡采集單目攝像機所拍攝的路面圖像，通過RS232采集GPS航向信息及位置坐標。然后主控制器對導(dǎo)航圖像進行處理，并提取視覺導(dǎo)航參數(shù)。最后主控制器再根據(jù)GPS采集位置和航向信息以及坐標導(dǎo)航圖像信息進行決策分析，進而實現(xiàn)移動平臺的自主導(dǎo)航。（3）主控制器通過1394轉(zhuǎn)接卡采集單目攝像機拍攝的果樹圖像，對成熟果實進行識別與定位。并將攝像機坐標系下目標果實的三維坐標轉(zhuǎn)換到采摘機械臂的基坐標系下。再由主控制器根據(jù)果實位置坐標對機械臂采摘路徑進行規(guī)劃。（4）當機械臂運動到目標姿位后，主控制器通過RS232向末端執(zhí)行控制器發(fā)出指令，于是末端執(zhí)行器抓取果實。（5）重復(fù)以上四個步驟直到機械臂采摘范圍內(nèi)的果實采摘完畢。（6）機械臂回到導(dǎo)航的初始位姿，并重復(fù)以上自主導(dǎo)航和自主采摘過程。

上圖所示，XYZ為機械臂的基坐標系，O為坐標原點，F(xiàn)為果實中心，F(xiàn)為果實中心在XOY面內(nèi)的投影。A、B、C、D分別為采摘機械臂處于不同位姿時其末端執(zhí)行器的對稱中心點。因為圖像采集位姿在采摘之前就已經(jīng)給定了，所以B點的坐標是已知的，D點的坐標可由雙目視覺系統(tǒng)求得，故要完成整個路徑規(guī)劃，必須求出C點的坐標，設(shè)C點與D點之間的距離為L，試驗中確定L的長度為0.5m，由以上已知條件可求得C點的坐標。

單目攝像機完成圖像采集后，機械臂腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至與Y軸夾角θ處。水果采摘時，機械臂在由點FOF構(gòu)成的平面內(nèi)運動，考慮到機械運動的平順性，A到B及B到C之間路徑采用的是PTP圓弧插補方式的運動。C到D之間軌跡采用的是PTP直線插補方式的運動，末端執(zhí)行器只在FOF平面上作直線平移，這樣對應(yīng)果實采摘所需空間變小，末端執(zhí)行器碰到樹枝等障礙物幾率變小，從而保證果實采摘的成果率。果實采摘成功后，先由D回到C，再有C回到果實收集箱的上方，然后末端執(zhí)行器夾持手指松開，果實下落到收集箱內(nèi)。

4.? 科學性、先進性

對成熟貢柑果實的成功采摘，是衡量智能貢柑采摘機器人的性能優(yōu)良的重要條件。作品在樹齡為5年的貢柑果園進行成熟果實的采摘，并對果園中遮擋嚴重的貢柑做了一些整理，在機器人自主運行的情況下進行了采摘試驗。

智能貢柑采摘機器人均可自動控制自身正常移動，能準確完成采摘作業(yè)，機械手臂及采摘器在智能控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下能實現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。從測試結(jié)果看，智能貢柑采摘機器人采摘目標果實的成功率在可以達到85%以上，對單個目標果實的采摘時間能控制在2s以內(nèi)，證明該智能采摘機器人的采摘效果非常好，適合貢柑采摘作業(yè)過程中應(yīng)用。

5.? 結(jié)果

根據(jù)果農(nóng)對成熟貢柑果的收獲作業(yè)要求，設(shè)計制造了基于越疆魔術(shù)師機械臂平臺，具有視覺技術(shù)的智能貢柑采摘機器人。該機器人將機器視覺技術(shù)與自動化技術(shù)融合在一起，機械結(jié)構(gòu)簡易、協(xié)調(diào)靈活、運行速度快，識別目標果實速度快，采摘果實的成功率高，實現(xiàn)了貢柑采摘過程的智能化、自動化、無人化，具有十分寬廣的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]劉長林，張鐵中，楊麗.果蔬采摘機器人研究進展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2008，36 （13）：5394-5397.

[2]劉銳.水果采摘機器人視覺控制及其軌跡規(guī)劃研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學，2010.

[3]安秋.農(nóng)業(yè)機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)及其光照問題的研究[D].南京農(nóng)業(yè)大學，2008.

[4]李建平。林妙玲.自動導(dǎo)航技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用研究進展[J].農(nóng)機工程學報，2006，22（9）：232-236.