王龍寧 張 鵬 林豐山 潘時(shí)佳 李京儒

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

我國獼猴桃總產(chǎn)量和栽培面積均已居世界第一位，產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊。但是，截至目前，獼猴桃樹剪枝方式大多仍為人工剪枝，而且需經(jīng)常找專業(yè)人員進(jìn)行操作，嚴(yán)重依賴人工操作，不僅成本高昂，而且浪費(fèi)人力、效率低下。另一方面，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，鄉(xiāng)村勞動(dòng)力向城鎮(zhèn)轉(zhuǎn)移的速度也在加快，越來越多的農(nóng)村人民選擇到城鎮(zhèn)謀生。隨著現(xiàn)代果園種植規(guī)模擴(kuò)大，技術(shù)工短缺、成本增加等問題突出。果樹枝干復(fù)雜性、剪枝技術(shù)性和不可逆性等問題導(dǎo)致剪枝機(jī)械發(fā)展緩慢，成為限制水果生產(chǎn)重要因素之一[2]。因此，在此大背景下，發(fā)展獼猴桃自動(dòng)化剪枝技術(shù)，特別是研發(fā)獼猴桃智能剪枝機(jī)器人，具有重要意義，而且具有較大應(yīng)用前景。鑒于近年來使用較多且效果較好的雙目視覺以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文研究了一種基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機(jī)器人，旨在改善完全依靠人工剪枝的現(xiàn)狀，解決人工剪枝成本高昂、浪費(fèi)人力、效率低下等問題。

基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機(jī)器人，考慮到獼猴桃剪枝工作帶來的困難，其整體機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括履帶形式行走底盤總成，行走底盤總成上設(shè)置有剪叉式升降機(jī)、升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器，叉式升降機(jī)的升降臺(tái)上設(shè)置有四自由度機(jī)械臂，四自由度機(jī)械臂的末端設(shè)置有末端剪枝器和雙目視覺模塊，所述升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、所述雙目視覺模塊、所述末端剪枝器、所述四自由度機(jī)械臂分別與所述控制器連接，所述控制器與所述行走底盤總成的遙控器通信連接。本文著重研究剪枝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)行機(jī)理，為基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機(jī)器人的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

1 剪枝機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1(a)為基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖，該機(jī)器人由底盤、升降機(jī)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。圖1(b)是本實(shí)施方式中基于雙目視覺的獼猴桃樹剪枝機(jī)器人的上下升降示意圖。末端剪枝器用螺栓螺母連接固定在四自由度機(jī)械臂末端，有一個(gè)張開和閉合的自由度用于剪枝動(dòng)作的執(zhí)行；雙目視覺模塊用螺栓螺母連接固定在四自由度機(jī)械臂上末端剪枝器后方，用于識(shí)別所要進(jìn)行修剪的枝條；四自由度機(jī)械臂用螺栓螺母連接固定在升降臺(tái)上，剪叉式升降機(jī)用螺栓螺母連接固定在電機(jī)支座上，四自由度機(jī)械臂和剪叉式升降機(jī)驅(qū)動(dòng)末端剪枝器到獼猴桃枝條附近。

圖1

2 剪枝機(jī)器人的工作方式

2.1 剪枝機(jī)器人執(zhí)行機(jī)理

通電后機(jī)器人啟動(dòng)，履帶式車底盤將進(jìn)行工作，使用履帶保證了機(jī)器整體的操縱穩(wěn)定性以及對(duì)復(fù)雜地形的容錯(cuò)性，有效提升了機(jī)器人對(duì)獼猴桃樹園松軟地面的適應(yīng)性，微型控制器控制四自由度機(jī)械臂默認(rèn)執(zhí)行已經(jīng)寫入微控制器的特定動(dòng)作組使雙目視覺模塊在機(jī)械臂的帶動(dòng)下在垂直方向?？?，以方便識(shí)別待修剪枝條，并將此動(dòng)作位置作為四自由度機(jī)械臂的初始位置，然后，控制器控制升降機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)剪叉式升降機(jī)工作，將升降臺(tái)升起適當(dāng)高度，使末端剪枝器達(dá)到枝條下方一定距離，確保四自由度機(jī)械臂執(zhí)行剪枝動(dòng)作組時(shí)末端剪枝器能夠完成枝條修剪；人工使用紅外線遙控器遙控行走底盤總成在獼猴桃樹架下勻速緩慢前進(jìn)；在行走底盤總成緩慢前進(jìn)過程中，雙目視覺模塊識(shí)別待修剪枝條，識(shí)別到后向控制器發(fā)送目標(biāo)枝條坐標(biāo)，控制器進(jìn)行分析工作，控制器向遙控器發(fā)送信號(hào)，使遙控器內(nèi)置蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者停止車身總成前進(jìn)；機(jī)器人停止前進(jìn)之后，控制器根據(jù)獲取的目標(biāo)枝條坐標(biāo)控制四自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)末端剪枝器完成對(duì)目標(biāo)枝條的修剪，修剪完成后控制四自由度機(jī)械臂復(fù)位，并向遙控器發(fā)送信號(hào)，使遙控器內(nèi)置蜂鳴器報(bào)警，提醒操作者一個(gè)工作循環(huán)已完成，進(jìn)入到下一個(gè)工作循環(huán)。

2.2 剪枝機(jī)器人執(zhí)行機(jī)理分析

本文所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機(jī)器人采用雙目視覺模塊1采集枝條圖像及坐標(biāo)，并采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(convolutional neural network，CNN)方法對(duì)圖像進(jìn)行處理和枝條識(shí)別(主要是通過花芽的個(gè)數(shù)來確定枝條是不是待修剪枝條)，CNN方法對(duì)圖像具有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)表征能力，普適性、魯棒性好。與人工剪枝相比，所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機(jī)器人有自動(dòng)化程度高、節(jié)省成本及人力、操作簡便、剪枝準(zhǔn)確高效等優(yōu)點(diǎn)，但因本身獼猴桃枝條在修剪時(shí)期的特殊形態(tài)，造成視覺識(shí)別較為困難，以及雙目視覺識(shí)別模塊并未成熟等問題，有小概率出現(xiàn)目標(biāo)剪枝識(shí)別錯(cuò)誤等問題，仍需解決。

3 結(jié)論

智能控制器使用，保證了該剪枝機(jī)器人的智能性；采用高密度鋰電池供電保證了該剪枝機(jī)器人的續(xù)航時(shí)間；可遙控履帶底盤總成的設(shè)計(jì)保證了該剪枝機(jī)器人轉(zhuǎn)向前進(jìn)的通過性、靈活性以及人工操作的簡便性，有效提升了機(jī)器人對(duì)獼猴桃樹園松軟地面的適應(yīng)性；剪叉式升降機(jī)和四自由度機(jī)械臂的設(shè)計(jì)保證了剪枝的可靠性，雙目視覺模塊及末端剪枝器的設(shè)計(jì)保證了其剪枝的準(zhǔn)確性與高效性。綜合以上優(yōu)點(diǎn)，本文所述基于雙目視覺的獼猴桃剪枝機(jī)器人與人工剪枝相比，自動(dòng)化程度高、節(jié)省成本及人力、操作簡便、剪枝準(zhǔn)確高效，有很大的應(yīng)用前景及發(fā)展空間。