孫姍姍 武瑛 司詠梅

（嘉興學(xué)院 南湖學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

一、背景

草莓富含豐富維生素C和礦物質(zhì)，具有很高的營養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，深受人們喜愛。國內(nèi)外市場格外推崇這營養(yǎng)價(jià)值高，礦物質(zhì)和維生素C含量高的小漿果，將其稱為“水果皇后”[1]。科技不斷發(fā)展，種植草莓的技術(shù)也在不斷推廣，更多的土地面積用來種植草莓。但是由于機(jī)器落后，至今我國草莓的采摘還是主要依靠人工來完成。這種方法要求工人連續(xù)蹲下或彎腰做業(yè)，在采摘過程中勞動(dòng)量十分大且效率較低。并且草莓具有果皮柔軟、成熟期不確定等特性，給果農(nóng)在收獲草莓時(shí)帶來巨大的麻煩。同時(shí)在采摘過程中果皮一旦破損，將會(huì)失去它的經(jīng)濟(jì)價(jià)值與食用價(jià)值，給果農(nóng)帶來經(jīng)濟(jì)上的損失。中國大多采用壟作栽培的方式來大面積種植草莓，這就需要投入大量成本來人工采摘草莓。為改變這一問題，我們不斷嘗試去開發(fā)一種自動(dòng)化機(jī)器來取代人力，同時(shí)滿足自動(dòng)并且低損壞草莓的要求，因此自動(dòng)化草莓采摘機(jī)誕生了。

自動(dòng)化草莓采摘車結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜且能耗較低?，F(xiàn)有的草莓采摘機(jī)器在性能上和實(shí)現(xiàn)方面存在不足，我們?cè)O(shè)計(jì)采用花苞式機(jī)械手來減小采摘中對(duì)果實(shí)的損壞以延長存儲(chǔ)時(shí)間，可以較好的完成采摘任務(wù)。

二、草莓機(jī)械手的設(shè)計(jì)

（一）草莓的物理特性

草莓采摘機(jī)械手需要在設(shè)計(jì)上擁有足夠的可變性以及適應(yīng)各種環(huán)境的能力，所以在設(shè)計(jì)草莓采摘機(jī)械手之前要充分了解和研究草莓的特性。通過查閱資料以及各方了解，我們大致掌握了農(nóng)產(chǎn)品的主要特性，如下：

表1 農(nóng)產(chǎn)品主要物理特性

考慮到農(nóng)產(chǎn)品的物理特征及特性，我們?cè)O(shè)計(jì)草莓采摘機(jī)械手時(shí)多加注意。同時(shí)由于草莓果實(shí)的外觀尺寸大有不同，不同種類的草莓的大小和重量也沒有固定規(guī)律，設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)也要格外小心，以防損壞果實(shí)，通過對(duì)實(shí)物的觀測，擬采取尺寸在（35mm*40mm）的中等大小作為研究對(duì)象。

（二）機(jī)械手的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，要結(jié)合果實(shí)的特性以及人工采摘方式，充分考慮到栽種果蔬的習(xí)慣和果實(shí)生長方式[2]。就當(dāng)前來說，果蔬采摘機(jī)通常利用機(jī)械手來直接扭斷或切割果梗來將其與果實(shí)分離。一般像橙子、蘋果這種質(zhì)地硬的水果，通常會(huì)扭斷果梗的方式來進(jìn)行采摘。對(duì)于這種果蔬，采摘機(jī)會(huì)采用多指式機(jī)械手，牢牢抓住果實(shí)然后旋轉(zhuǎn)摘除。像草莓這種不具有規(guī)則外形，且質(zhì)地柔軟易遭到損壞的果蔬，一般采摘方式都是直接切割果梗。大多數(shù)草莓都是高架式栽培，因此果實(shí)都是懸空的，這就考驗(yàn)自動(dòng)采摘機(jī)如何在不損壞果實(shí)的情況下分離果實(shí)與植株。這過程中最為重要的就是準(zhǔn)確利用圖像識(shí)別來定位果實(shí)，這決定了整個(gè)采摘過程中采摘機(jī)器人的性能高低[3]。但現(xiàn)有的蘋果等水果采摘機(jī)械手不足以滿足草莓的采摘要求，因此我們自主設(shè)計(jì)了一種花苞式機(jī)械手。此機(jī)械手采用四片“花瓣”猶如花苞一樣將草莓輕輕地包裹其中，其中有兩片“花瓣”封口做成刀口，用于切割草莓的梗，另外兩瓣“花瓣”用于輔助，承載草莓將草莓牢牢鎖在“花瓣”內(nèi)，然后有傳送系統(tǒng)傳送至籃框內(nèi)，達(dá)到低損傷運(yùn)輸?shù)男Ч?。同時(shí)籃筐處裝有重力傳感器，一旦采摘的草莓達(dá)到一定重量將會(huì)停止工作并提醒工作人員前來收集。

花苞式機(jī)械手的組成：“花瓣”的材料選用金屬材料鋁合金與非金屬材料PU海綿，金屬材料我們選擇鋁合金，因?yàn)槠滟|(zhì)量輕可以減少對(duì)車的負(fù)重且易于系統(tǒng)操作，耐腐蝕性強(qiáng)，并且它具有很好的延展性便于加工所需要的花瓣形形狀；PU海綿具有隔熱、減震、防靜電、透氣性好等優(yōu)點(diǎn)，在草莓運(yùn)輸過程中可以降低因運(yùn)輸過程顛簸而導(dǎo)致草莓表面損壞，提高草莓的保存時(shí)間。所以長久保存草莓且降低損壞率，我們用PU海綿包裹機(jī)械手內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手時(shí)也緩慢采用螺旋式，通過絲杠驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件來進(jìn)行減速，然后驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)變形來包裹果實(shí)，再閉環(huán)控制傳感器的反饋旌旗燈號(hào)，這一系列過程結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)。機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)是否順暢往往看控制系統(tǒng)的操作是否熟練。

三、草莓機(jī)械車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

（一）Arduino

圖1-2 Arduino開發(fā)板

Arduino是單片機(jī)二次開發(fā)的產(chǎn)物（如圖1-1所示），所用的軟件編程（如圖1-2）是arduino-1.6.11-windows。在實(shí)際操作中，普通單片機(jī)只是零散部件，這樣大大加大工作量與工作難度。而且Arduino是半成品，只需把相應(yīng)的模塊組合在一起，編寫或參考一些編程就可以使系統(tǒng)運(yùn)作，使用起來難度大大減小。Arduino一般使用單片機(jī)來進(jìn)行開發(fā)C語言、匯編語言、配置寄存器等操作，同時(shí)將其作為核心板。Arduino簡化了開發(fā)C語言的方法，使語言相對(duì)簡單。在開發(fā)時(shí)，它不需要與AVR寄存器和其他東西的底部糾結(jié)，設(shè)計(jì)者只要在IDE中編寫程序代碼，上傳程序到Arduino電路板后，Arduino電路板便會(huì)控制機(jī)械手來進(jìn)行采摘。

圖1-2 Arduino 軟件界面

（二）步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器

該螺釘通過轉(zhuǎn)化步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為拾取機(jī)械手驅(qū)動(dòng)部件的線性運(yùn)動(dòng)。因此，通過一系列的計(jì)算和演示，可以得到驅(qū)動(dòng)機(jī)械指單元的驅(qū)動(dòng)部件的驅(qū)動(dòng)力，從而獲得步進(jìn)電機(jī)的最小輸出扭矩。在眾多經(jīng)濟(jì)型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，TB6560款屬于穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾性都比較強(qiáng)的那種。該驅(qū)動(dòng)器適用于各種工業(yè)控制環(huán)境，主要用于驅(qū)動(dòng)28、35、39、42 型4、6、8線兩相混合式步進(jìn)電機(jī)[4]。

（三）紅外攝像頭及其傳感器

通過紅外攝像頭所收集到的信息與圖像傳遞起給傳感器，經(jīng)過信息處理來判斷草莓是否達(dá)到采摘要求，再將判斷結(jié)果傳達(dá)到步進(jìn)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行對(duì)草莓的抓取。傳感器選用Arduino的TCS3200（如圖1-3）顏色傳感器，在其燒錄識(shí)別紅色的程序以達(dá)到選取紅色草莓的目的。

目前有具備紅綠藍(lán)和清除4種濾光器的TCS3200D傳感器可供選擇，我們主要通過判斷引腳S2和S3的高低電平來選擇濾波器模式。我們此次試驗(yàn)所需的是紅光濾光器，其中需將引腳S2、S3全部調(diào)為高電平。（如圖1-4）

圖1-3 TCS3200引腳

圖1-4 引腳功能

（四）車模

由于草莓的生長地環(huán)境相比于理想情況下惡劣，所以選取飛思卡爾越野式車模（如圖1-5所示），其寬大的車輪和減震系統(tǒng)可以適應(yīng)草莓園里凹凸不平的地面，使機(jī)械手在工作過程中保持自身的平穩(wěn)并且可以減少果實(shí)由于顛簸可能帶來的損傷，使采摘工作平穩(wěn)有序的進(jìn)行。

四、結(jié)語

在信息和科技高速發(fā)展的今天，一味地依賴純?nèi)斯谧鞯臅r(shí)代已經(jīng)過去，迎接我們的將是機(jī)械代替人工的局面。本文主要研究對(duì)象為壟作式種植草莓，進(jìn)一步探索設(shè)計(jì)了草莓采摘機(jī)械車，以下為完成工作的總結(jié)：

通過調(diào)查草莓的生長環(huán)境及采摘方式方面，本文獲悉目前國內(nèi)大部分采用壟作式栽培來種植草莓，而人力采摘草莓成本較大，工作量相對(duì)較高，自動(dòng)化機(jī)器普及率低。由此廣大種植戶比較關(guān)心機(jī)械化、自動(dòng)化收獲作業(yè)。

目前采摘果實(shí)面臨的主要問題就是果實(shí)是否成熟，以及成熟度如何。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)在我們可以利用人工智能視覺系統(tǒng)對(duì)果實(shí)顏色、飽和度等信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，使智能采摘機(jī)器人能夠判斷果實(shí)是否成熟，但是效果并不如人意。剛開始處于試驗(yàn)期的草莓采摘車尚能應(yīng)對(duì)。但在離開實(shí)驗(yàn)室后，面對(duì)果園復(fù)雜的光照環(huán)境、果實(shí)形狀的多樣性、果實(shí)生長位置的不確定性等問題，水果機(jī)器人暴露出收獲率低、收獲效率極低、不能快速準(zhǔn)確地收獲成熟果實(shí)等問題。一系列問題接踵而至，并且亟待解決，為此我們也需不斷努力。