韓冰 張連壯 田皓宇 王雪偉 李國(guó)昭 趙艷霞

摘要：目前農(nóng)業(yè)上的草莓采摘只是依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度高，而現(xiàn)在的智能采摘智能停留在理論層次。該草莓采摘機(jī)器人可在一定范圍內(nèi)基于機(jī)器視覺識(shí)別成熟草莓位置和精準(zhǔn)定位，并以?shī)A持、扭轉(zhuǎn)果柄的方式摘取果實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)草莓的無損傷采摘。設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人由五自由度機(jī)械手臂，用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)，三菱fx3n PLC控制系統(tǒng)，視覺識(shí)別系統(tǒng)組成，并采用面向?qū)ο缶幊坦ぞ逤#編寫了控制終端及視覺自動(dòng)采摘算法。

關(guān)鍵詞：草莓、采摘機(jī)器人、機(jī)器視覺。

為了提高生產(chǎn)效率，溫室的草莓種植情況，如壟面寬、壟溝寬、溝深并非采取標(biāo)準(zhǔn)尺寸，且可能比標(biāo)準(zhǔn)尺寸更小;同時(shí)溝面不平整。因此，在溝面不平整的溫室中采用跨壟式或者懸掛式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，而在比較標(biāo)準(zhǔn)的溫室中可以采用四輪驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)。

本設(shè)計(jì)采用跨壟四輪行走機(jī)構(gòu)，。本體設(shè)計(jì)以步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力裝置，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人沿溝壟前進(jìn)。在機(jī)身的上方是五自由度機(jī)械手臂，用伺服電機(jī)作為動(dòng)力源，根據(jù)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出的脈沖信號(hào)，使機(jī)械手臂達(dá)到指定位置。同時(shí)在機(jī)械手下方安裝一個(gè)小框，用于放置草莓果實(shí)，在設(shè)定好的時(shí)間內(nèi)裝滿后，由工作人員更換小框。整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)都安裝在小車上，可以進(jìn)行固定距離的移動(dòng)。

基于具體的采摘要求，機(jī)械手要具有較好的采摘能力。包括：

（1）最優(yōu)的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性好。

（2）具有較好額避障能力。果實(shí)采摘過程中，機(jī)械手能避開障礙物。

（3）機(jī)械手設(shè)計(jì)合理。在滿足要求的前提下，采用特殊機(jī)構(gòu)的機(jī)械手機(jī)構(gòu)，使相鄰運(yùn)動(dòng)副的軸線相互平行或正交。

（4）農(nóng)業(yè)機(jī)器人要求操作簡(jiǎn)單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的形式。

機(jī)械手的手臂是采摘機(jī)器人的主要執(zhí)行元件，其作用是支撐末端執(zhí)行器和腕部并改變末端執(zhí)行器在空間的位置。由于機(jī)械手臂的重量比較大，受力比較復(fù)雜，在采摘草莓時(shí)受到腕部、手爪和草莓的靜（動(dòng)）載荷，引起電位準(zhǔn)確性。機(jī)械手手臂的機(jī)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)要根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形式、抓取草莓的重量，自由度以及運(yùn)動(dòng)精度來決定。因此設(shè)計(jì)機(jī)械手手臂考慮了幾個(gè)要點(diǎn)：

1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)該滿足采摘草莓時(shí)作業(yè)空間的要求。作業(yè)空間的形狀和大小與手臂的長(zhǎng)度、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的范圍密切相關(guān);

2）根據(jù)手臂承受的載荷和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，合理選擇手臂的材料;

3）機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小。

在草莓采摘過程中，圖像的識(shí)別尤為重要，我們基于機(jī)器視覺原理利用圖像的成像，利用雙目攝像頭的成像進(jìn)行標(biāo)定，之后傳輸數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和采集，形成數(shù)字圖像，之后進(jìn)行圖像二值化處理，圖像索貝爾邊緣處理，之后確定出草莓的特征點(diǎn)，與草莓果實(shí)立體匹配，根據(jù)數(shù)據(jù)處理，再由攝像頭進(jìn)行草莓果實(shí)的三維計(jì)算，最后輸出給機(jī)械手指令，機(jī)械手進(jìn)行動(dòng)作和定位，進(jìn)行草莓的抓取和采摘。

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