王 雯，張葉清，張 靜，2，歐 月，李夢(mèng)茹

（1.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010；2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥230026）

1 引言

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，農(nóng)業(yè)機(jī)器人因能有效解放勞動(dòng)力，從而被大力推廣，且目前中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人中的收獲和采摘機(jī)器人被人們所重點(diǎn)關(guān)注[1]?，F(xiàn)有的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人主要通過(guò)視覺(jué)感知對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別、定位和判別水果成熟度，而當(dāng)目標(biāo)為獼猴桃這類(lèi)僅用視覺(jué)無(wú)法準(zhǔn)確獲取成熟度信息的水果時(shí)，則可通過(guò)觸覺(jué)感知來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于現(xiàn)階段采摘機(jī)器人觸覺(jué)感知能力不足，很大程度上限制了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的發(fā)展，因此豐富農(nóng)業(yè)機(jī)器人觸覺(jué)感知能力是必要的。

由于采摘機(jī)器人的觸覺(jué)感知能力不足，因而進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)檢測(cè)獼猴桃成熟度有一定的難度。大多數(shù)檢測(cè)水果成熟度的方法是應(yīng)用機(jī)器人視覺(jué)感官[2-5]，但對(duì)于僅用視覺(jué)無(wú)法準(zhǔn)確獲取成熟度信息的水果則難以分辨。孟慶龍等[6]將光纖光譜技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)獼猴桃硬度，從而判別獼猴桃成熟度，可做到無(wú)損快速檢測(cè)，若將其應(yīng)用于采摘作業(yè)，因環(huán)境條件限制難以滿(mǎn)足。毛磊東等[7]利用三維壓力傳感器構(gòu)建觸覺(jué)感知系統(tǒng)，對(duì)表面參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，可用于檢測(cè)物體的材質(zhì)、檢測(cè)抓取狀態(tài)、判定滑移方向。但是，關(guān)于對(duì)獼猴桃成熟度感知方法的研究未見(jiàn)報(bào)道，而且以上實(shí)驗(yàn)平臺(tái)多數(shù)對(duì)環(huán)境和條件有較高要求，難以將其適用于農(nóng)業(yè)采摘環(huán)境中。

本文針對(duì)采摘機(jī)器人視覺(jué)感知的應(yīng)用問(wèn)題，提出將觸覺(jué)感知應(yīng)用在辨別獼猴桃成熟度上。利用3D觸覺(jué)傳感器開(kāi)展夾取獼猴桃的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)獲取夾取獼猴桃時(shí)其所受的接觸力時(shí)序模態(tài)特征，建立稀疏表征模型，再利用上升沿曲線(xiàn)到獼猴桃硬度之間的非線(xiàn)性映射，得到獼猴桃成熟度的估計(jì)等級(jí)。

2 觸覺(jué)傳感器力學(xué)模型

本研究采用3D觸覺(jué)傳感器進(jìn)行觸覺(jué)感知，觸覺(jué)傳感器由多個(gè)感應(yīng)點(diǎn)陣列組成，每個(gè)感應(yīng)點(diǎn)由觸頭、力敏導(dǎo)電橡膠和柔性電極三部分組成。觸頭為半球形，當(dāng)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，觸頭會(huì)發(fā)生形變，力敏導(dǎo)電橡膠可直接感受形變。隨著力敏導(dǎo)電橡膠上施加的壓力改變，其與柔性電極導(dǎo)電體的接觸狀況會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致接觸電阻變化。壓力傳感器感應(yīng)點(diǎn)受力模型如圖1所示。

圖1 傳感器感應(yīng)點(diǎn)模型圖

3 研究試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用品質(zhì)優(yōu)良的徐香獼猴桃，果形多為橢圓形，外表有毛，每顆80～140 g。因同一成熟期內(nèi)的獼猴桃硬度有差異，以人手觸覺(jué)感知選取時(shí)可采成熟度期、食用成熟度期、生理成熟度期三種成熟度的獼猴桃各20個(gè)，去除有損傷和病蟲(chóng)害的果實(shí)，并分別對(duì)三組的20個(gè)獼猴桃按照硬軟度進(jìn)行編號(hào)。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置由R5機(jī)械臂、二指型末端執(zhí)行器和3D觸覺(jué)傳感器組成。將壓力傳感器背部與手指指面貼合牢固，設(shè)置手指閉合速度，即夾取速度最小為20 mm/s；二指末端執(zhí)行器行程為85 mm，完全閉合時(shí)位置為0 mm，設(shè)置手指每次夾取最終位置為47 mm（小于獼猴桃直徑，而不使獼猴桃被夾破）。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

將3D觸覺(jué)傳感器裝置置于采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器手指指面，手指與水平桌面平齊，且距離大致為獼猴桃高度一半。采用程序控制末端執(zhí)行器，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)手指的開(kāi)合位置、速度、力度均保持一致，速度勻速且緩慢，位置和力度合適，不使獼猴桃受到損傷。依次對(duì)3組獼猴桃進(jìn)行壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，當(dāng)3D觸覺(jué)傳感器就緒時(shí)，啟動(dòng)末端執(zhí)行器對(duì)獼猴桃進(jìn)行夾取。提取手指與獼猴桃未接觸時(shí)至夾取穩(wěn)定后3D觸覺(jué)傳感器的壓力值，計(jì)算數(shù)據(jù)，繪制獼猴桃受力大小隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。將同一成熟度的獼猴桃受力曲線(xiàn)進(jìn)行分析對(duì)比，得到同一成熟度下獼猴桃受力范圍。獼猴桃壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖2所示。

圖2 獼猴桃壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)示意圖

3.4 感知效果

隨機(jī)選取10個(gè)獼猴桃進(jìn)行壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)。用末端執(zhí)行器手指夾取獼猴桃，對(duì)獼猴桃進(jìn)行受力分析，得到獼猴桃稀疏表征模型，由曲線(xiàn)關(guān)系判斷獼猴桃成熟度，并驗(yàn)證。

4 結(jié)果與分析

4.1 壓力測(cè)試分析

在壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中獼猴桃表面受力的時(shí)序模態(tài)如圖3所示。將該特征集通過(guò)最值濾波算法進(jìn)行邊沿提取，建立稀疏表征模型。利用上升沿曲線(xiàn)建立特征模型到獼猴桃硬度之間的非線(xiàn)性映射，可分別測(cè)量計(jì)算出可采成熟度、食用成熟度、生理期成熟度3組獼猴桃的上升斜率，如表1所示。

由圖3可知，機(jī)械爪未接觸到獼猴桃時(shí)，觸覺(jué)傳感器受到的壓力幾乎為0，在接觸到獼猴桃時(shí)，受力突然變得很大，然后逐漸減小，又趨于平緩。

圖3 獼猴桃時(shí)序模態(tài)

由表1可知，不同獼猴桃曲線(xiàn)上升斜率有差異，可采成熟度期獼猴桃曲線(xiàn)斜率基本大于食用成熟度期的獼猴桃，食用成熟度期獼猴桃曲線(xiàn)斜率大于生理成熟度期獼猴桃。三種成熟度抓取上升斜率k范圍分別為13.28～23.17、5.67～13.93、3.29～6.99，且平均值分別為17.54、10.48、4.81。

表1 獼猴桃1～20號(hào)夾取上升斜率

對(duì)比參數(shù)可知，不同成熟度期獼猴桃抓取上升斜率差異呈梯形，成熟度越高上升斜率均值越高，且各成熟度斜率范圍存在交叉，是由于不同獼猴桃半徑、高度等有所不同，但整體趨勢(shì)與成熟度關(guān)系成正比，即以同樣的速度夾取獼猴桃時(shí)，硬度越大的獼猴桃上升斜率越大，越快達(dá)到力度的尖峰值，再逐步下降，最終趨于平緩。

4.2 感知效果分析

隨機(jī)選取10個(gè)獼猴桃進(jìn)行壓力測(cè)試試驗(yàn)，分別建立10個(gè)獼猴桃的稀疏表征模型，由上升沿曲線(xiàn)測(cè)量和計(jì)算各獼猴桃的上升斜率。10組獼猴桃的上升斜率如表2所示。

分別對(duì)10個(gè)獼猴桃以人的觸覺(jué)感知對(duì)獼猴桃成熟度進(jìn)行初步驗(yàn)證，再采用紫外/可見(jiàn)光譜技術(shù)和BP網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)獼猴桃糖度[8]，以確定獼猴桃成熟度。結(jié)果表明，獼猴桃7屬于未熟期；獼猴桃3、5屬于可采成熟期；獼猴桃2、6、8、9屬于可食用成熟期；獼猴桃1、4、10屬于生理成熟期。即測(cè)試準(zhǔn)確度為85%，能有效感知獼猴桃成熟信息。

表2 測(cè)試獼猴桃數(shù)據(jù)

表2（續(xù)）

5 結(jié)論

本文提出了一種基于觸覺(jué)的獼猴桃成熟度感知方法，克服了傳統(tǒng)的僅用視覺(jué)感知難以判斷獼猴桃這類(lèi)水果成熟度的不足。通過(guò)3D觸覺(jué)傳感器實(shí)時(shí)采集抓取接觸力，提取觸覺(jué)感知信息并建立稀疏表征模型，再利用上升沿曲線(xiàn)的非線(xiàn)性映射，最終得到獼猴桃成熟度的估計(jì)等級(jí)。經(jīng)驗(yàn)證該感知方法簡(jiǎn)便有效，可有效解決因視覺(jué)無(wú)法感知判斷獼猴桃成熟度的問(wèn)題。豐富了機(jī)器人觸覺(jué)感知能力的應(yīng)用，從而擴(kuò)大了機(jī)器人感知技術(shù)的應(yīng)用市場(chǎng)。后續(xù)研究將分析采摘機(jī)器人抓取水果時(shí)的滑動(dòng)感知以及抓取的穩(wěn)定性。