陳毅豪 冷俊男

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

由于蘋果在樹上分布的不規(guī)律性，蘋果采摘目前仍然依靠人力進(jìn)行采摘，效率低下且人力成本較高。又因為蘋果在我國分布面積較大，總產(chǎn)量高。因此，有必要發(fā)明一種自動采摘蘋果的機(jī)械裝置。如此以來不僅可以降低人力成本，提高個人必要勞動時間，而且可以進(jìn)一步增加企業(yè)或者果農(nóng)的利潤，解放勞動力和提高生產(chǎn)力。為此，本文提出一種基于STM32單片機(jī)的并聯(lián)采摘機(jī)器人和采摘方法。

1 并聯(lián)采摘機(jī)器人的組成部分

一種基于STM32單片機(jī)的并聯(lián)采摘機(jī)器人的俯視圖如圖1所示，由視覺模塊、控制模塊、機(jī)械臂模塊和驅(qū)動模塊4個部分組成。

圖1 并聯(lián)采摘機(jī)器人的俯視圖

1.1 視覺模塊

視覺模塊包括雙目攝像頭和Opencv。雙目攝像頭固定在采摘口附近，通過識別蘋果的顏色來判斷蘋果是否成熟，如果判斷蘋果成熟，獲取其三維坐標(biāo)，并將果實的坐標(biāo)傳遞給并聯(lián)機(jī)器人的主控板STM32單片機(jī)。

1.2 控制模塊

控制模塊的主控板為STM32單片機(jī)。控制板接收視覺模塊發(fā)送的三維坐標(biāo)，通過并聯(lián)機(jī)器人主控板已經(jīng)封裝的函數(shù)對坐標(biāo)進(jìn)行姿態(tài)解算得出每個電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度，并對其進(jìn)行路徑優(yōu)化，然后向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)送脈沖，使電機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，控制與其相連的主動桿件，帶動從動桿件使采摘口運(yùn)動。主控板判斷4個直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動后，啟動涵道，涵道加速果實周圍空氣的流動從而引起果實周圍產(chǎn)生足夠的壓強(qiáng)差將果實吸取下來完成對果實的采摘。

1.3 機(jī)械臂模塊

機(jī)械臂模塊包括主動桿件、從動桿件和涵道。從動桿件與主動桿件之間以球副相連接。涵道固定在從動桿件中間的圓心處。4個主動桿件呈“十”字型對稱分布，一端與電機(jī)連接，另一端與從動桿件連接。4個從動桿另一端與采摘口相連，采摘口具有3個自由度，可以在三維空間中移動。采摘口通過可伸縮管道與涵道相通，涵道結(jié)構(gòu)如圖2所示，涵道產(chǎn)生的負(fù)壓吸力通過采摘口將蘋果吸下。

圖2 涵道結(jié)構(gòu)圖

1.4 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊包括4個直流電機(jī)驅(qū)動器和涵道電機(jī)驅(qū)動器，分別控制4個直流電機(jī)涵道電機(jī)。

2 并聯(lián)采摘機(jī)器人的工作過程

并聯(lián)機(jī)器人的工作流程如圖3所示。

圖3 并聯(lián)機(jī)器人的工作流程圖

雙目攝像頭啟動工作，識別到蘋果后根據(jù)顏色判斷其是否成熟，若成熟，則對其進(jìn)行定位，并將果實的三維坐標(biāo)傳遞給STM32單片機(jī)。STM32單片機(jī)進(jìn)行姿態(tài)解算將果實位于圖像中的空間位置反解，進(jìn)而將所得結(jié)果進(jìn)行正解轉(zhuǎn)化成4個直流電機(jī)分別需要轉(zhuǎn)動的角度，并對其進(jìn)行路徑規(guī)劃，找出最優(yōu)路徑。隨后將需要轉(zhuǎn)動的數(shù)值通過pwm波傳遞給4個電機(jī)。4個電機(jī)分別轉(zhuǎn)動至STM32單片機(jī)需要的位置后，攝像頭模塊再次確定是否要進(jìn)一步轉(zhuǎn)動，形成閉環(huán)控制。確定不再需要4個直流電機(jī)轉(zhuǎn)動后，單片機(jī)控制涵道開始工作，涵道產(chǎn)生負(fù)壓吸力將果實從樹上吸取下來，果實通過采摘口落入伸縮管道底部，底部有緩沖收集裝置，上面安裝有壓力傳感器，壓力傳感器感受到蘋果的重力，閥門打開，蘋果落入收集箱，完成一個果實的采摘。Opencv解算空間坐標(biāo)是將一張圖像上所有的果實位置全部判斷出來，并且全部計算出其各自所具有的3維空間坐標(biāo)系。整個圖像中所有的果實采摘完畢后，雙目攝像頭進(jìn)行下一步工作，重新拍攝一幅圖像，返回第一步進(jìn)行工作，如此循環(huán)往復(fù)直到所有的果實全部采摘完畢為止。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于STM32單片機(jī)的并聯(lián)采摘機(jī)器人，其對成熟的蘋果進(jìn)行定位后，涵道可以產(chǎn)生負(fù)壓吸力，將蘋果吸下，使其落入管道進(jìn)入收集箱。與傳統(tǒng)的機(jī)械手采摘式機(jī)器人不同，本文介紹的機(jī)器人可以避免果皮損傷，保證果實的質(zhì)量，從而保證了經(jīng)濟(jì)效益。