魏國(guó)蓮,林成全

(1.青海大學(xué) 自動(dòng)化系,西寧 810799; 2.青海高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院,青海 海東 810799 )

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中,成熟作物果實(shí)采摘是極其重要的環(huán)節(jié),消耗了巨大的人力和時(shí)間成本,約1/3 以上的時(shí)間和人力都投入在成熟作物的采摘中[1]。迄今為止,由于機(jī)械化程度一直處于較低水準(zhǔn),農(nóng)業(yè)作物果實(shí)采摘主要依靠人工采摘,50%以上的整體成本投入成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大負(fù)擔(dān)。快速發(fā)展中的農(nóng)業(yè)果蔬種植產(chǎn)業(yè),近年來(lái)無(wú)論是果蔬種植面積,還是年產(chǎn)量均呈現(xiàn)逐年增加的趨勢(shì),因而對(duì)采摘成功率和完整率提出了更高的要求,而高強(qiáng)度勞動(dòng)作業(yè),迫使一部分農(nóng)戶為提高采摘率而降低了采摘果實(shí)的質(zhì)量,從而直接影響了后續(xù)的果蔬儲(chǔ)藏、運(yùn)輸和加工,以至于最終影響到銷售環(huán)節(jié),極大程度上限制了經(jīng)濟(jì)作物種植產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展?；谝陨鲜聦?shí),為實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)作物果實(shí)的自動(dòng)化采摘,降低采摘成本,提高采摘質(zhì)量,研制和開發(fā)果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)器人,不論是對(duì)經(jīng)濟(jì)效益還是對(duì)整體農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展都有非常高的價(jià)值[2]。

20世紀(jì),隨著工業(yè)化程度的逐年提高,應(yīng)用于農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中的機(jī)器人開始走上農(nóng)業(yè)發(fā)展的歷史舞臺(tái),其中果蔬采摘也成為農(nóng)業(yè)機(jī)器人主要攻克的課題之一,但由于田間環(huán)境的復(fù)雜和不確定性,其作業(yè)效果并沒有達(dá)到預(yù)期。20世紀(jì)50年代左右,種植業(yè)生產(chǎn)逐漸向智能、自動(dòng)、機(jī)械化發(fā)展,機(jī)器人才開始正式引入到農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中。對(duì)種植作物的成熟果實(shí)采摘工作,Schertz、Brown(1968)率先進(jìn)行嘗試并提出了理論設(shè)計(jì)[3]。耗時(shí)幾年時(shí)間,世界上第一臺(tái)果蔬采摘機(jī)誕生在美國(guó);與此同時(shí),德國(guó)、日本等國(guó)家也開始了果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)的研究工作[4-6]。到20世紀(jì)末,一些國(guó)家領(lǐng)先在果蔬采摘機(jī)研制上取得了巨大進(jìn)展。我國(guó)的果蔬采摘機(jī)研制起步較晚,進(jìn)入新世紀(jì),制約農(nóng)業(yè)快速發(fā)展的主要瓶頸之一便是農(nóng)村勞動(dòng)力緊缺,因而自動(dòng)采摘機(jī)器人的研究已經(jīng)刻不容緩。

1 總體設(shè)計(jì)

果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)主要包含底座、結(jié)構(gòu)支撐架、采摘臂、采摘機(jī)械手,以及支持以上部件工作的電子電傳系統(tǒng)等。其中,底座作為采摘機(jī)的穩(wěn)定部分,剛性連接在結(jié)構(gòu)支撐架上,主要起到為機(jī)構(gòu)采摘臂提供動(dòng)力及支持機(jī)械旋轉(zhuǎn)的作用。

采摘臂主要由主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié),主要作用是連接底座與采摘機(jī)械手,與機(jī)器中間的關(guān)節(jié)共同將采摘機(jī)械手移動(dòng)到指定空間位置并使之完成正確的末端位姿,在給定的操作空間內(nèi),實(shí)現(xiàn)采摘范圍限制下更長(zhǎng)的行程。

采摘機(jī)械手由夾采結(jié)構(gòu)、動(dòng)作電動(dòng)機(jī)及傳感器(包含壓力、識(shí)別傳感器)組成,可能在腕部帶動(dòng)下于節(jié)點(diǎn)處切斷果實(shí)與作物本身的連接,實(shí)現(xiàn)作物果實(shí)的抓取,然后在采摘臂的動(dòng)作下完成果實(shí)到果實(shí)箱的運(yùn)輸。

1.1 采摘機(jī)的技術(shù)要求

采摘臂的主要結(jié)構(gòu)是多桿串聯(lián),并交接成開環(huán)結(jié)構(gòu)。工業(yè)上的機(jī)械臂,不需要應(yīng)對(duì)田間地頭的復(fù)雜環(huán)境,有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)適應(yīng)性;而工業(yè)環(huán)境在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并不具備,因而在技術(shù)指標(biāo)上,采摘臂技術(shù)指標(biāo)與工業(yè)用機(jī)械臂主要技術(shù)參數(shù)呈現(xiàn)一定的差異,在開發(fā)工藝需求上也會(huì)有一些具體差異化要求:

1)自動(dòng)采摘機(jī)器人的采摘臂需要滿足能夠控制果實(shí)損傷率小于5%,采摘機(jī)在采摘的過(guò)程中需要避免對(duì)作物的傷害,從而使延長(zhǎng)蔬儲(chǔ)存時(shí)間,提升經(jīng)濟(jì)效率。

2)增加單位時(shí)間內(nèi)采摘果實(shí)的數(shù)量,且果蔬的平均采摘時(shí)長(zhǎng)應(yīng)進(jìn)行控制,同時(shí)在抓取和運(yùn)送過(guò)程中應(yīng)注意盡可能保全果實(shí)完整,保證果實(shí)枝干不受傷害。

3)控制采摘臂的自由關(guān)節(jié)數(shù)量,不僅能減少采摘機(jī)的控制難度,同時(shí)還可以提升機(jī)械工作的穩(wěn)定性。

1.2 果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)采摘臂技術(shù)方案

1.2.1 采摘臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在機(jī)械臂設(shè)計(jì)中,主要的結(jié)構(gòu)形式有直角、圓柱、極坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)4種結(jié)構(gòu)型式,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有如下特征:

l)機(jī)械臂直角結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造方式簡(jiǎn)單、機(jī)械臂覆蓋范圍大、易于操控,同時(shí)也具有較高的實(shí)現(xiàn)性價(jià)比;缺點(diǎn)是動(dòng)作能力有限,工作范圍限制在對(duì)高度較低的果實(shí)的采摘。

2)機(jī)械臂圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是形式簡(jiǎn)單、定位便捷、機(jī)械臂覆蓋范圍大、易于控制及高性價(jià)比等;缺點(diǎn)是動(dòng)作滯后嚴(yán)重,穩(wěn)定性有所欠缺。圖1為一個(gè)3方向可控圓柱坐標(biāo)系構(gòu)造分析。

圖1 3方向可控圓柱坐標(biāo)系構(gòu)造分析圖

3)機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作自由而且機(jī)械較小,但同時(shí)有避障性能薄弱的缺點(diǎn)。圖2為機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 機(jī)械臂極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

4)機(jī)械臂多關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。這種類型的機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)最為靈活,同時(shí)有最大的作業(yè)覆蓋范圍;但相應(yīng)的機(jī)械手抓取東西的質(zhì)量受到限制,同時(shí)動(dòng)作精準(zhǔn)程度有折損。圖3為高自由度多關(guān)節(jié)標(biāo)結(jié)構(gòu)。

圖3 高自由度多關(guān)節(jié)標(biāo)結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于應(yīng)用在作物采摘領(lǐng)域的機(jī)器人而言,選擇采摘臂結(jié)構(gòu),主要需要考量的特征包含:機(jī)械臂結(jié)構(gòu)是否能適應(yīng)田間有限的活動(dòng)區(qū)域;結(jié)構(gòu)靈活程度能否達(dá)到規(guī)模生產(chǎn)的要求;精準(zhǔn)定位特性是否符合果實(shí)生長(zhǎng)位置的普遍特征。

與工業(yè)廠房的環(huán)境相比,田間的生產(chǎn)環(huán)境空間限制因素較多,增加了布局上的變化可能,因此采摘臂的選型除了參考工業(yè)領(lǐng)域的基本準(zhǔn)則,而更應(yīng)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)限制下的需求?？紤]到上述因素,最終選取機(jī)械臂多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用到采摘機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)中。

1.2.2 采摘臂關(guān)節(jié)自由度

采摘臂的自由關(guān)節(jié)數(shù)目采摘機(jī)的構(gòu)造設(shè)計(jì)有決定性的作用。采摘作業(yè)的田間環(huán)境存在不對(duì)稱性,機(jī)械活動(dòng)自由度的提高能夠方便機(jī)器避開障礙,因此采摘機(jī)最好具有超出要求的活動(dòng)范圍。為了適應(yīng)這種設(shè)計(jì),動(dòng)力驅(qū)動(dòng)需要相應(yīng)增加,受控系數(shù)也隨之減小,會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致成本的增加, 因此采摘臂自由度的選擇不可過(guò)多。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)采摘臂在有限活動(dòng)范圍內(nèi)的最大精準(zhǔn)化,采摘臂在結(jié)構(gòu)上由3個(gè)關(guān)節(jié)連接組成,且機(jī)械臂連接部和底座能夠在平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)作物果實(shí)尺寸和質(zhì)量特征,采摘?jiǎng)幼鞯臋C(jī)械手也需要有一個(gè)開關(guān)的自由度來(lái)完成對(duì)作物果實(shí)抓取,按照上述計(jì)算,采摘機(jī)需要6個(gè)自由度。

1.3 果蔬采摘機(jī)驅(qū)動(dòng)方式對(duì)比與選型

驅(qū)動(dòng)裝置為機(jī)械完成采摘?jiǎng)幼魈峁﹦?dòng)力來(lái)源,電動(dòng)、液動(dòng)(液壓動(dòng)力)、氣動(dòng)(氣壓動(dòng)力)是服務(wù)于田間勞動(dòng)的機(jī)器人的主要?jiǎng)恿Ψ诸?其特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表 1 3 種機(jī)器人動(dòng)力方式特征比較

由表1可知:相比于其他兩種驅(qū)動(dòng)類型,電動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)能夠提供更大的扭矩,操作的反應(yīng)能力也更為迅捷,且電動(dòng)驅(qū)動(dòng)也更為穩(wěn)定,有更好的性價(jià)比;雖然其動(dòng)作較液壓有所不足,但完全能夠滿足田間環(huán)境的采摘臂動(dòng)作要求。據(jù)此,本課題設(shè)計(jì)的自動(dòng)采摘機(jī)器人將使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)。

2 果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)采摘臂設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人采摘臂以機(jī)械底座為基準(zhǔn),在底座上順次連接主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié)3個(gè)主要?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu),在動(dòng)作結(jié)構(gòu)末端是采摘果實(shí)的機(jī)械手,整個(gè)結(jié)構(gòu)在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下工作。

2.1 底座與電動(dòng)機(jī)類型選擇

底座是機(jī)器人動(dòng)作結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和支撐部分,底座外蒙有一層金屬薄壁,回轉(zhuǎn)軸連接在底座上為采摘臂提供轉(zhuǎn)動(dòng)支持。采摘臂結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 采摘臂結(jié)構(gòu)圖

圖4中,假設(shè)IG1、IG2、IG3對(duì)應(yīng)于主臂、連接臂和前臂關(guān)節(jié)環(huán)繞連接點(diǎn)動(dòng)作的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,測(cè)量豎直連接柱、主臂、連接臂、前臂的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2、L3、L4;豎直連接柱的可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ1、主臂可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ2、連接臂可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ3、前臂可轉(zhuǎn)動(dòng)角度為θ4。其中,θ1=[-180°,180°],θ2=[-85°,85°],θ3=[-145°,145°],θ4=[-145°,145°]。

根據(jù)平行軸定理公式計(jì)算,第一關(guān)節(jié)軸處旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為

(1)

測(cè)量得到主臂質(zhì)量為m1、連接臂質(zhì)量m2、前臂及末端質(zhì)量m3,數(shù)值大小分別為4 800、3 950、9 900g,l1、l2、l3為以上部件各自相對(duì)底盤的長(zhǎng)度,測(cè)量值分別為 287、589、881mm,可略去IG1、IG2、IG3,則式(1)簡(jiǎn)化為

(2)

根據(jù)式(2)計(jì)算轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩,即

T=I·ω

(3)

假設(shè)底座主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為 145°/s,0.2s可加速到最大值,在此過(guò)程中起動(dòng)力矩計(jì)算為

(4)

代入以上參數(shù)值計(jì)算T1=128.1N·m。

采摘臂到連接臂關(guān)節(jié)的質(zhì)量遞減,對(duì)動(dòng)力要求逐步降低,因此以為豎直連接柱和主臂選取的電機(jī)動(dòng)力為基本動(dòng)力。在此要求背景下,選取LD-1501 型電動(dòng)機(jī), 170N·m為其最大扭矩,符合以上計(jì)算要求。該型電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)表2所示。

表 2 LD-1501 電動(dòng)機(jī)技術(shù)性能

2.2 采摘機(jī)主臂、前臂設(shè)計(jì)和電機(jī)選擇

主臂和前臂部分是本機(jī)器人的主要?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu),因此在滿足動(dòng)作動(dòng)力要求的基礎(chǔ)上,同時(shí)應(yīng)考慮實(shí)際采摘過(guò)程中的環(huán)境影響因素。

對(duì)采摘果實(shí)目標(biāo)的定位將在果實(shí)位置平面內(nèi)的xy軸方向上確定位置,至少需要兩個(gè)關(guān)節(jié)才能實(shí)現(xiàn)采摘果實(shí)的定位動(dòng)作?？紤]到實(shí)際采摘過(guò)程中采摘臂結(jié)構(gòu)會(huì)受到作物枝葉的阻礙,因此在工作能力上進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)。將連接關(guān)節(jié)數(shù)量提升至3～4個(gè),電機(jī)數(shù)量增加到對(duì)應(yīng)數(shù)量。因此,本研究中使用了最小數(shù)量的冗余關(guān)節(jié)數(shù),即主臂、連接臂和前臂。

前文提到在果實(shí)位置的xy軸平面內(nèi)確定位置,據(jù)此繪制出X-O-Y平面投影模型,如圖5所示。

圖5 X-0-Y 平面投影模型

采摘臂尺寸設(shè)計(jì)時(shí)最常用的方法有優(yōu)化法、解析法和圖解法。本課題采摘臂擁有6 個(gè)自由度,解析法受到較大限制。圖解法的實(shí)現(xiàn)借助了計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)來(lái)繪制采摘臂末端的位置形態(tài),可根據(jù)整體采摘臂的活動(dòng)范圍調(diào)整動(dòng)作參數(shù),但計(jì)算邏輯復(fù)雜、不易優(yōu)化。對(duì)比之下,將末端姿態(tài)當(dāng)成約束條件并在此約束下計(jì)算活動(dòng)范圍使之滿足要求即可進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整的優(yōu)化法則有較為靈活的改進(jìn)空間,可以將目標(biāo)函數(shù)修改為其他指標(biāo)。

假設(shè)采摘機(jī)在采摘作業(yè)時(shí)位置固定,在此情形下配合移動(dòng)采摘臂,采摘臂的最大空間邊界能覆蓋作物位置1/2的剖面即可采摘。

在前臂收縮時(shí)連接臂動(dòng)作范圍(見圖6)的情形下,主臂和前臂關(guān)節(jié)的角度活動(dòng)范圍分別為α和β。此情形下,手臂運(yùn)動(dòng)范圍邊界呈現(xiàn)為4段弧形,主臂夾角最小與最大時(shí),前臂運(yùn)動(dòng)范圍最大邊界分別為CD、EF;前臂和主臂夾角最小與最大時(shí),采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)范圍最大邊界分別為DF、CE。當(dāng)前臂繼續(xù)向外運(yùn)動(dòng)伸展到極限,最大運(yùn)動(dòng)空間邊界變成了C1E1和C1D1,如圖7所示。在以上模型基礎(chǔ)上,樹冠可以作為水平面坐標(biāo),則作業(yè)面即為平面內(nèi)的一個(gè)矩形空間,如圖8所示。

圖6 前臂收縮時(shí)連接臂動(dòng)作范圍

圖7 前臂伸長(zhǎng)極限時(shí)連接臂動(dòng)作范圍

圖8 水平坐標(biāo)系下的目標(biāo)空間

由西紅柿等茄科植物果實(shí)生長(zhǎng)特點(diǎn)可知:采摘臂的水平和垂直動(dòng)作范圍應(yīng)在0.5～1.2m、l～1.6m;由此結(jié)合作物采摘環(huán)境計(jì)算可得采摘臂各關(guān)節(jié)尺寸,底座長(zhǎng)度為320mm,主臂長(zhǎng)度為320mm,連接臂長(zhǎng)度為150mm,前臂長(zhǎng)度為200mm。

代入式(4)計(jì)算可知;主臂扭矩大于連接臂的扭矩小于豎直連接柱的扭矩,考慮到實(shí)際采摘果實(shí)動(dòng)作時(shí),主臂、前臂在動(dòng)作過(guò)程中受到作物枝葉影響,主臂選用更為靈活的 LD-20MG 型舵機(jī),前臂和采摘機(jī)械手關(guān)節(jié)也選用此舵機(jī),其性能參數(shù)如表3所示。

表3 LD-20MG型舵機(jī)技術(shù)性能

3 果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)實(shí)際環(huán)境作業(yè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

2018年2月23日,果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)的性能試驗(yàn)在鄭州市某農(nóng)場(chǎng)西紅柿大棚區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)的果實(shí)收集目標(biāo)為西紅柿,種植于2017年8月,作物行距為1 210mm,株距為580mm,西紅柿整體平均高度1 320mm,平均單株果樹結(jié)果8.2 個(gè),果實(shí)高度普遍分布在在90～820mm,果實(shí)橫向直徑約為533～841mm。在棚內(nèi)日間自然光照下,果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)進(jìn)行了采摘,并記錄作業(yè)數(shù)據(jù)。西紅柿種植場(chǎng)地環(huán)境如圖9所示。

圖9 西紅柿采摘環(huán)境

試驗(yàn)開始,首先將試驗(yàn)系統(tǒng)清空,使之完成初始化,同時(shí)對(duì)機(jī)器人動(dòng)作恢復(fù)到初始位置,如圖10(a)所示;動(dòng)作前,先使用雙目視覺系統(tǒng)獲取目標(biāo)西紅柿圖像并通過(guò)圖像處理定位得到空間中的坐標(biāo),通過(guò)一定放大比例計(jì)算后,得出機(jī)械動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)量和角度;然后開始機(jī)械動(dòng)作,根據(jù)上一步中計(jì)算處的動(dòng)作量,機(jī)械手準(zhǔn)確抓取到目標(biāo)果實(shí),如圖10(b)所示。確認(rèn)抓取目標(biāo)到位后,控制系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓取命令,實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)械手的壓力傳感器信號(hào),完成一定力量的抓取,如圖10(c)所示。最后,將果實(shí)從作物枝干上分離下來(lái),放置入果籃中完成全部采摘?jiǎng)幼?如圖 10(d)所示。

(a) 程序機(jī)械初始化

3.2 實(shí)際環(huán)境作業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)實(shí)際環(huán)境作業(yè)試驗(yàn)中,將試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)識(shí)別并完成采摘?jiǎng)幼鞑烧轿骷t柿果實(shí)定義為成功采摘,其他未能完成果實(shí)采摘的定義為采摘失敗。根據(jù)以上定義,對(duì)試驗(yàn)中的各項(xiàng)主要數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄監(jiān)測(cè),整體采摘試驗(yàn)結(jié)果如表4、表5所示。

表4 識(shí)別結(jié)果

表5 采摘效果

表4數(shù)據(jù)表明:目標(biāo)果實(shí)的整體識(shí)別率接近89%,平均識(shí)別耗時(shí)3.285s,時(shí)間消耗較短。由此得出:本圖像識(shí)別和位置算法在田間表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性,但在對(duì)受到枝葉遮擋較多的果實(shí)識(shí)別和定位效果還有很大的提升空間。

表5數(shù)據(jù)表明:采摘機(jī)對(duì)于理想無(wú)遮擋的西紅柿果實(shí)采摘表現(xiàn)較好,整體試驗(yàn)采摘成功率可達(dá) 79.7%,相比之下受到遮擋的西紅柿果實(shí)則不易采摘,采摘率僅有57.1%。綜合而言,整體采摘成功率68.5%,一次性采摘成功率尚不足七成;采摘時(shí)間上,成功采摘的西紅柿,平均單個(gè)采摘時(shí)間為6.712s,采摘時(shí)間消耗在預(yù)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)。對(duì)于整體采摘成功率不高的問(wèn)題,主要原因總結(jié)為:①采摘臂動(dòng)作時(shí)造成果實(shí)晃動(dòng),從而使機(jī)械手未能準(zhǔn)確抓住果實(shí);②機(jī)械手損傷了果實(shí)外皮,主要是機(jī)械手的壓力傳感器靈敏度反應(yīng)不穩(wěn)定,與果實(shí)外形不確定有關(guān);③機(jī)械手提前進(jìn)行了抓取動(dòng)作,根據(jù)實(shí)際情況分析歸因?yàn)橹θ~影響了距離傳感器的數(shù)據(jù)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中凸顯的這幾類問(wèn)題,對(duì)收起機(jī)器人的改進(jìn)主要從以下幾方面進(jìn)行:①改進(jìn)圖像識(shí)別和處理算法,特別是增加機(jī)械臂動(dòng)作過(guò)程中的實(shí)時(shí)距離傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)和調(diào)整,從而使機(jī)械臂能及時(shí)處理各種復(fù)雜的阻擋情況。②提升機(jī)械手抓取時(shí)的壓力傳感器數(shù)量和靈敏度,以適應(yīng)果實(shí)的不同形狀,減小對(duì)果實(shí)外表的傷害。

4 結(jié)論

針對(duì)國(guó)內(nèi)外多款采摘機(jī)器人的研究,歸納總結(jié)果蔬自動(dòng)化采摘機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)、存在問(wèn)題及解決問(wèn)題的應(yīng)對(duì)思路,完成了采摘機(jī)的設(shè)計(jì)研制。選擇關(guān)節(jié)型機(jī)械臂作為本采摘機(jī)的機(jī)械臂類型,應(yīng)用綜合法對(duì)采摘臂尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì),底座長(zhǎng)度為320mm,主臂長(zhǎng)度為320mm,連接臂長(zhǎng)度為150mm,前臂長(zhǎng)度為200mm。在此基礎(chǔ)上配置了二指采摘機(jī)械手,以 LD-1501、LD-20MG型電動(dòng)舵驅(qū)動(dòng),完成整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。田間試驗(yàn)表明:圖像抓取和識(shí)別對(duì)果實(shí)正確識(shí)別率接近89%,各種情況下的果實(shí)平均采摘率為68.5%,單個(gè)果實(shí)平均采摘消耗時(shí)間僅9.997s。但是,雙目視覺系統(tǒng)算法、自動(dòng)化采摘機(jī)結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計(jì)具備一定普遍適用性,但離規(guī)模生產(chǎn)并投入實(shí)際田間作業(yè)還有距離,需要通過(guò)改進(jìn)圖像識(shí)別和處理算法,加強(qiáng)動(dòng)作過(guò)程中的及時(shí)動(dòng)作反應(yīng)和調(diào)整能力等方式來(lái)提升采摘效率,以完成其實(shí)際產(chǎn)品化的生產(chǎn)的要求。