吳汶奇，周建平

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

1 引言

隨著生活水平的提高，人們對玫瑰精油、玫瑰化妝品、玫瑰保健品、玫瑰飲料[1]等產(chǎn)品需求日益增大，現(xiàn)在國外和國內(nèi)主要是依靠人力采摘。這種采摘方式效率低，成本高，采摘花朵質(zhì)量參差不齊且受環(huán)境天氣影響，而本文設(shè)計的自動采摘機(jī)器人以Raspberry Pi微型電腦為主控，搭載AI人工智能識別系統(tǒng)，實現(xiàn)顏色識別追蹤與自動采摘，可以全天候，全時段進(jìn)行采摘，不受天氣和環(huán)境的影響。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該機(jī)器人由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和AI自動識別系統(tǒng)4部分組成。其原理可以概括為攝像頭收集信息，識別系統(tǒng)判別信息，控制系統(tǒng)處理信息并發(fā)出指令，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動進(jìn)給，當(dāng)機(jī)器人要轉(zhuǎn)移位置時，驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力帶動系統(tǒng)整體前進(jìn)。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由履帶式行走器、基座、機(jī)械臂、末端執(zhí)行裝置組成。

2.1.1 履帶式行走器

由履帶式底盤組成，該底盤具有重心低，驅(qū)動穩(wěn)定等優(yōu)良特點。行走裝置主體由不銹鋼組成，保證在固定上堅實可靠。履帶中有2個驅(qū)動輪和6個承重輪。驅(qū)動輪的驅(qū)動電機(jī)可以提供最大13.5 kg扭矩，確保有效載荷在10 kg左右。同時，驅(qū)動電機(jī)上配有高低電瓶磁性霍爾編碼器，從而為后期開發(fā)更多功能留下了空間。

2.1.2 基座

基座是整個采摘機(jī)器人機(jī)械臂的支撐，用來聯(lián)接機(jī)械臂、驅(qū)動裝置、Raspberry Pi微型電腦和AI識別系統(tǒng)。為保證機(jī)器臂運行的穩(wěn)定性，其主體基座將使用實心鑄鐵，該基座最下端將與履帶式行走器相接。

2.1.3 機(jī)械臂

機(jī)械臂由大小臂構(gòu)成，大臂長130 mm，小臂長90 mm,有2個自由度，即伸縮回轉(zhuǎn),俯仰或升降。機(jī)械臂采用合金材質(zhì)，確保有足夠的承載能力和剛度，同時較輕的重量能增強機(jī)械臂采摘的精度和平穩(wěn)性。

2.1.4 末端執(zhí)行裝置

機(jī)器人的手又稱為末端執(zhí)行裝置，它使機(jī)器人直接用于采摘操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于本裝置是對玫瑰花進(jìn)行夾取，因此本文選用的是夾鉗式取料手，該執(zhí)行裝置由一個舵機(jī)，一對齒輪，一對夾取爪組成，其中夾取抓最前端裝有一對刀片，在夾取時將玫瑰的莖切斷，防止采摘花朵時對玫瑰植株造成損傷。抓取果實的機(jī)械臂由數(shù)字舵機(jī)與支架構(gòu)成，數(shù)字舵機(jī)發(fā)送一次 PWM 信號就能鎖定角度不變，而且可以通過上位機(jī)軟件與舵機(jī)控制板通信直接調(diào)節(jié)舵機(jī)角度，在利用舵機(jī)控制 板控制舵機(jī)時，注意電源供電不足，會引起舵機(jī)亂動，或者舵機(jī)不受控。供電不足表示電流不夠，不是電壓不夠，而且舵機(jī)控制板是個輔助工具，只能接收單片機(jī)發(fā)送的命令，或者執(zhí)行事先設(shè)置好的命令，不能對其編程只能作為一 個 驅(qū) 動 板。在與單片機(jī)通信時，要嚴(yán)格按照所用舵機(jī)控制板的協(xié)議來通信，否 則，可能損壞舵機(jī)控制板或者舵機(jī)。在給舵機(jī)控制板通電時，舵機(jī)可能會亂動，這是上電復(fù)位的情況?？梢栽陔娔X上先設(shè)置一個簡單的動作組，并且用上位機(jī)軟件設(shè)置為脫機(jī)工作，這樣就可以解決舵機(jī)在剛通電時亂動的問題[2]。

2.2 驅(qū)動裝置

驅(qū)動系統(tǒng)采用13.5kg扭矩的直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的方式為機(jī)器人履帶行走提供動力。同時霍爾電機(jī)保存了編碼輸入功能，在保證機(jī)器人可以向任何方向、任何角度進(jìn)行移動的前提下，為后期擴(kuò)展留下了空間。

2.3 AI自動識別系統(tǒng)

AI自動識別由攝像頭hv3808負(fù)責(zé)，該攝像頭是COMS的傳感類型，擁有30萬個動態(tài)像素，能提供480P、30PFS高清晰度延遲圖像，可將拍攝到的照片以最低0.1LUX傳到Raspberry Pi微型電腦Open Source CV圖像處理庫，通過Al視覺算法來定位需要采摘的玫瑰花朵，然后向控制系統(tǒng)傳輸PWM脈沖，反饋識別結(jié)果。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是人們向機(jī)器人發(fā)出各種指令,讓其按照要求完成各種任務(wù)的裝置[3]。本機(jī)器人采用Raspberry Pi微型電腦為主控，搭載AI人工智能識別系統(tǒng)和GPS定位系統(tǒng)，控制機(jī)器人按規(guī)定的程序運動,把接受的指令信息存儲起來,然后對各末端操作器發(fā)出指令,讓機(jī)器人自動識別需要采摘的玫瑰花朵，采摘后放入指定的容器中，一個區(qū)域采摘結(jié)束后，按照設(shè)定的路線對下一個區(qū)域進(jìn)行掃描識別(圖1)。

圖1 控制系統(tǒng)圖

3 運動學(xué)算法

由于機(jī)械臂的采摘運動是由各個關(guān)節(jié)部位的旋轉(zhuǎn)、平移所構(gòu)成，因此解決關(guān)節(jié)的運動學(xué)算法，就可以完成機(jī)械臂的采摘進(jìn)給運動。

3.1 坐標(biāo)系的選擇

笛卡爾坐標(biāo)系是目前常用的描述速度、加速度、角速度的空間坐標(biāo)系，因此在該算法中選擇笛卡爾坐標(biāo)系。當(dāng)繞一個軸旋轉(zhuǎn)多少度時用右手定則來判斷。

3.2 平移和位移

位置是使用一個三維向量來表示，平移變換是坐標(biāo)系空間位置的變換，可以用坐標(biāo)系原點О的位置向量表示，如圖2所示。多次平移變換也很簡單，向量之間直接相加就可以求空間中一個點的位置在經(jīng)過平移變換后的坐標(biāo)系{B}中的坐標(biāo)。

圖2 平移變換圖

3.3 角度、方向、旋轉(zhuǎn)變換

表示一個物體的三維位置和朝向，通常都會在物體上提前建立一個跟著它轉(zhuǎn)動的坐標(biāo)系，然后通過描述這個坐標(biāo)系與參考坐標(biāo)系的關(guān)系來描述這個物體[4]。一個物體在坐標(biāo)系中的位置和朝向的變化，可以認(rèn)為是兩個參考坐標(biāo)系之間的關(guān)系。這里講角度、方向表示法，只要講兩個坐標(biāo)系之間的關(guān)系就可以了。要知道一個坐標(biāo)系相對于另一個坐標(biāo)系如何旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)了多少，可以從二維角度先分析(圖3)。

圖3 旋轉(zhuǎn)變換圖

3.4 旋轉(zhuǎn)矩陣

3.5 正運動學(xué)

需要用一系列參數(shù)來表達(dá)兩對關(guān)節(jié)連桿之間位置角度關(guān)系的機(jī)械臂數(shù)學(xué)模型，因此選用DH 4個參數(shù)。這4個參數(shù)分別是：

(1)link length(連桿長度):兩個關(guān)節(jié)的軸(旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸，平移關(guān)節(jié)的平移軸)之間的公共法線長度。

(2)link twist(連桿扭轉(zhuǎn)):一個關(guān)節(jié)的軸相對于另一個關(guān)節(jié)的軸繞它們的公共法線旋轉(zhuǎn)的角度。

(3)link offset(連桿偏移):一個關(guān)節(jié)與下一個關(guān)節(jié)的公共法線和它與上一個關(guān)節(jié)的公共法線沿這個關(guān)節(jié)軸的距離。

(4)joint angle(關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角):一個關(guān)節(jié)與下一個關(guān)節(jié)的公共法線和它與上一個關(guān)節(jié)的公共法線繞這個關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角。

機(jī)器人在運動時需要一個參考系，為其關(guān)節(jié)進(jìn)行的運動作為參考[5]，因此需要在x,y,z三個坐標(biāo)軸中挑選出一個作為其參考軸。

以Z軸為例，當(dāng)關(guān)節(jié)開始進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動的時候，用右手定理來進(jìn)行判斷方向，而繞z軸旋轉(zhuǎn)的角度是一個實時變化的量;當(dāng)關(guān)節(jié)做滑動運動的時候，那么z軸的方向即是沿直線滑動的方向，沿Z軸的連桿長度d是關(guān)節(jié)變量。同理x,y也一樣。確定好坐標(biāo)系后，用新的方式表達(dá)4個參數(shù)：

(1)link length(連桿長度)a-1:沿Xi-1的Zi-1到Z的距離。

勝德（蘇州）密封系統(tǒng)有限公司是一家成立于2009年的德國獨資公司，是聚合物密封、膠粘和澆注系統(tǒng)、供料設(shè)備、自動化及應(yīng)用服務(wù)領(lǐng)域的知名系統(tǒng)供應(yīng)商，在行業(yè)內(nèi)處于世界領(lǐng)先地位。產(chǎn)品主要應(yīng)用于汽車、機(jī)柜、過濾器、電子及照明等行業(yè)。勝德總部位于德國科隆，在美國、意大利和西班牙等國家都設(shè)有分公司。

(2)link twist(連桿扭轉(zhuǎn))ai-1:Z相對于Zi-1.繞Xi-1旋轉(zhuǎn)的角度。

(3)link offset(連桿偏移):沿Z的Xi-1到Xi的距離。

(4)joint angle(關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角):X相對于Xi-1;.繞Z旋轉(zhuǎn)的角度。

然后根據(jù)各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)矩陣得到總體的末坐標(biāo)方程：

通過輸入x,y坐標(biāo)，配合攝像頭的俯視角度，可以得到舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

3.6 機(jī)械臂抓取

3.6.1 靜止抓取

物體在視野中處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過計算機(jī)捕捉圖樣，反饋到中控處理器中，之后通過上述運動學(xué)算法，驅(qū)動舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，夾取相應(yīng)的物塊。

3.6.2 運動物體夾取

由于在實際環(huán)境中，會有風(fēng)的影響，夾取時物體不是靜止的，因此具有移動夾取功能是十分重要的。按照不同的速度移動小物塊，測量反應(yīng)時間和成功率，每組實驗重復(fù)1000次以上(表1)。

表1 機(jī)械臂抓取成功率測試統(tǒng)計

通過表1實驗數(shù)據(jù)，可以觀察發(fā)現(xiàn)在一般的風(fēng)速條件下，成功率是在80%以上，性能相對非常穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文闡述了玫瑰采摘機(jī)器人的組成、機(jī)械臂運動學(xué)算法原理和設(shè)計方案。該機(jī)器人能根據(jù)人們的需求選擇性采摘玫瑰，極大程度替代了人工采摘，提高了采摘效率，對玫瑰精加工無益是革命性進(jìn)步。

隨著玫瑰采摘水平需求增高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 5G的應(yīng)用，玫瑰采摘機(jī)器人智能化[6]的設(shè)計也變得越來越重要。這需要在設(shè)計與應(yīng)用方面要有前瞻性，更多地使用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，設(shè)計出效率更高、實用性更強的智能玫瑰采摘機(jī)器人。