劉江彩 崔彪

（河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050030）

1 設(shè)計的提出及主要任務(wù)

近年來，我國的水果價格不斷上漲，全國各地越來越多的農(nóng)民都想做果樹種植。國家為了能夠鼓勵農(nóng)民將土地資源高效的利用起來，相關(guān)部門也沒少費力氣對水果種植進(jìn)行補貼。再加上我國政府大力支持農(nóng)業(yè)機械化，在政策上也是出臺了一系列的扶持政策，實行農(nóng)業(yè)機械購置補貼以及加強農(nóng)業(yè)機械化人才隊伍建設(shè)。當(dāng)前，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國是全球果樹種植數(shù)量最多、面積最廣、產(chǎn)量最大的國家。但是盡管我國果樹種植的規(guī)模巨大，我國的大部分果樹種植的流程都是人工操作，機械化的操作流程水平還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。

由于我國果樹種植的品種較多，我國種植果樹的作業(yè)場景比較復(fù)雜，果樹智能化種植管理一直沒有實質(zhì)性的進(jìn)展。而且隨著我國城市化的發(fā)展速度越來越快，農(nóng)村大部分有勞動力的人都在往大城市流出，相對于現(xiàn)在的農(nóng)村勞動力每年都在不斷下降。我國農(nóng)村勞動力人口大量減少，老齡化問題不斷加劇，農(nóng)村面臨無勞動力雇傭，這對農(nóng)業(yè)發(fā)展造成了較大的影響。所以農(nóng)業(yè)發(fā)展需要加快智能化的普及。

本文以河北省種植面積最大的梨樹為例，梨果的產(chǎn)出周期我們一共分為初期、中期、后期三個階段。初期需要對梨樹開花的花蕾進(jìn)行疏花以及梨果授粉后進(jìn)行疏果；中期需要在梨果定型時對梨果進(jìn)行保護袋套袋操作以及果實成熟后進(jìn)行去保護帶操作；后期在果實完全成熟后對梨果進(jìn)行選擇性采摘，根據(jù)梨果的品質(zhì)進(jìn)行分揀，然后再對其梨果套保護網(wǎng)后根據(jù)要求計重裝箱操作。河北省梨果年產(chǎn)量約占中國的三分之一。但目前仍然大部分梨果的培育過程依舊是以人工為主，因為產(chǎn)量巨大，經(jīng)常會造成梨果的采摘不及時及分揀困難等問題。

綜上所述，根據(jù)梨樹梨果的生長周期，設(shè)計具有視覺分揀功能的機械手執(zhí)行部，以應(yīng)對梨果在不同生長周期的培育流程需求。根據(jù)需求設(shè)計整個梨樹梨果的生命周期管理系統(tǒng)，整套管理控制系統(tǒng)由履帶車+機械臂+視頻控制系統(tǒng)+機械手末端執(zhí)行器，本次的主要任務(wù)是根據(jù)梨樹梨果的形狀大小及性質(zhì)的不同，針對不同梨果的軟硬程度及形狀，設(shè)計相應(yīng)功能的機械手執(zhí)行部。

2 基于視覺機械手的概述

隨著我國新一代信息技術(shù)的發(fā)展，視覺技術(shù)在各行各業(yè)快速的滲透。作為“新基建”，核心領(lǐng)域之一，視覺系統(tǒng)在近年來的發(fā)展極為迅猛，讓越來越多的設(shè)備擁有了感知物理世界的能力，視覺被廣泛應(yīng)用于智能制造、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智慧交通、智慧安防等諸多領(lǐng)域。視覺主要是基于識別、定位、檢測、測量這四大功能。識別對已知規(guī)律的物體進(jìn)行分辨，比較容易的包含外形、顏色、圖案、數(shù)字、條碼和二維碼等。當(dāng)然也有信息量大或者更抽象的，比如人臉、指紋、虹膜等。定位是在識別出物體的基礎(chǔ)上并精確給出物體的坐標(biāo)和角度信息。定位在視覺應(yīng)用中屬于基礎(chǔ)應(yīng)用，一個軟件的好壞很大程度取決于定位算法的能力。測量把獲取的圖像像素信息標(biāo)定成常用的度量衡單位，然后在圖像中精確的計算出需要的幾何尺寸。檢測主要指的各類外觀缺陷，其種類繁雜。檢測功能在機器視覺應(yīng)用中處于相對難解決的應(yīng)用。最常見的缺陷表面有裝配缺陷（如漏裝、錯位、錯色等）、表面印刷缺陷（如漏印、重印、拉絲、模糊等）、表面形狀缺陷（如凸起、凹坑、磨損等）。

機械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機器人，它能夠模仿人手臂的某些動作，從而通過這種功能進(jìn)行設(shè)置程序。在當(dāng)今的社會發(fā)展進(jìn)程中，我國是制造業(yè)大國，目前正在以飛快的速度從傳統(tǒng)的制造轉(zhuǎn)向智能制造。機械手則為智能制造的最關(guān)鍵的執(zhí)行機構(gòu)。它能夠代替人進(jìn)行固定抓取、搬運等自動操作。尤其是在特殊的操作環(huán)境下，機器換人已經(jīng)是大范圍展開應(yīng)用了。機械手能夠根據(jù)設(shè)置好的程序精準(zhǔn)有效的將操作執(zhí)行，從而能夠大大提高我們作業(yè)的效率。

基于視覺的機械手相當(dāng)于是給機器人裝上了眼睛，視覺機械手能夠通過視覺相機對外界進(jìn)行視覺感知，能夠根據(jù)視覺系統(tǒng)進(jìn)行分析，能夠配合控制器給執(zhí)行機構(gòu)提供合理的執(zhí)行操作流程，從而能夠代替人工進(jìn)行各種任務(wù)的操作，促進(jìn)智能化的發(fā)展。

3 技術(shù)路線

果樹智能化全生命周期管理控制系統(tǒng)由履帶車+機械臂+控制系統(tǒng)+末端執(zhí)行部構(gòu)成?？梢葬槍Σ煌墓麑嵉能浻捕?、形狀等特征，按照功能要求設(shè)計用于不同功能的機械手執(zhí)行末端，從而實現(xiàn)一機多用，機器換人的作用。

圖1 整體機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

整套控制機構(gòu)還配備了視覺機構(gòu)、稱重機構(gòu)、執(zhí)行機構(gòu)以及動力機構(gòu)。視覺機構(gòu)配備了3d 視覺攝像頭，視覺攝像頭中集成了AI 系統(tǒng)，能夠?qū)鏄淅婀M(jìn)行尺寸大小測量、外表質(zhì)量識別等功能，能夠通過AI 系統(tǒng)算法按要求分析后有序配合執(zhí)行機構(gòu)操作任務(wù)；稱重機構(gòu)主要是配置了稱重傳感器，對摘取的梨果進(jìn)行稱重檢測，按照不同重量等級與執(zhí)行機構(gòu)配合進(jìn)行不同規(guī)格的梨果進(jìn)行分揀操作；動力機構(gòu)電動驅(qū)動裝置，內(nèi)置便攜式可拆卸鋰電池盒，能夠方便機器在果園中快速的穿行，而且還便于快速更換動力供給裝置；執(zhí)行機構(gòu)配置了針對于梨樹的生長周期所需要的機械手執(zhí)行器末端。

末端執(zhí)行部通過3D 建模，完成后進(jìn)行機械加工并實驗。整體操作流程先由視覺機構(gòu)對梨果進(jìn)行視頻采集，根據(jù)AI 系統(tǒng)對其識別，動力機構(gòu)及執(zhí)行機構(gòu)配合控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)操作，稱重機構(gòu)對執(zhí)行操作的任務(wù)進(jìn)行檢測，最終完成農(nóng)業(yè)機械化操作。

圖2 執(zhí)行部機構(gòu)模組示例

圖3 視覺檢測模組示例

控制方式：本機械手執(zhí)行部采用單片機的形式來進(jìn)行控制，單片機是在一塊半導(dǎo)體硅片上同時集成中央處理器CPU、定時器、存儲器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)總線和系統(tǒng)時鐘電路的微型計算機。它的體積非常小，而且功耗低，成本也低，相對于運用PLC控制單片機在戶外操作設(shè)備控制的優(yōu)勢更大，所以本次設(shè)計的執(zhí)行器控制機構(gòu)采用單片機的形式，且單片機的類型采用STM32 單片機。STM32 單片機擁有強大的用戶基礎(chǔ)，并且擁有極高的性能。

圖4 動力機構(gòu)模組示例

圖5 稱重機構(gòu)模組示例

4 對梨樹梨果生長周期所需配備的執(zhí)行器末端設(shè)計

4.1 疏花執(zhí)行器

在梨書開花的時候，果農(nóng)一般會給梨花進(jìn)行一次疏花的操作，目前大多數(shù)采用的是人工用剪刀剪去多余的花蕾，為了保證梨樹的生產(chǎn)質(zhì)量，果農(nóng)需要大量人員進(jìn)行疏花，但是由于人工的疏花可能導(dǎo)致疏花的效果不佳，經(jīng)常會導(dǎo)致疏花有漏疏等問題。

我們設(shè)計的機械手疏花疏果末端執(zhí)行工具主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。

4.2 授粉執(zhí)行器

目前果農(nóng)對梨樹進(jìn)行授粉一般是采用人工點授、撣授法以及液體噴霧等方法，傳統(tǒng)的人工授粉太過于麻煩。

我們設(shè)計的授粉執(zhí)行器主要以旋轉(zhuǎn)氣缸為基礎(chǔ)，在旋轉(zhuǎn)氣缸旁增加兩個限位氣缸。啟動旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)工作碰到兩個限位氣缸可實現(xiàn)反轉(zhuǎn)功能；在旋轉(zhuǎn)氣缸上固定一把毛刷（毛刷規(guī)格可自行規(guī)定）。毛刷通過旋轉(zhuǎn)氣缸的動作可實現(xiàn)人工授粉的要求。

4.3 疏果執(zhí)行器

當(dāng)梨花結(jié)小果后，果農(nóng)一般為了追求高質(zhì)量的梨果，一般會進(jìn)行人工疏果操作。人工疏果是將統(tǒng)一區(qū)域或枝干上的多余的梨果進(jìn)行剪出，防止同一枝干上果實過多導(dǎo)致梨果生長不均衡。

我們設(shè)計的機械手疏花蔬果末端執(zhí)行主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉多余的弱花和畸形果。視覺系統(tǒng)中設(shè)置了標(biāo)準(zhǔn)花果形態(tài)規(guī)格，機械手執(zhí)行器會根據(jù)視覺系統(tǒng)鏡頭對不合格的花果進(jìn)行處理。疏花疏果最主要的目的是保證產(chǎn)量，提高品質(zhì)。

4.4 套保護紙袋執(zhí)行器

當(dāng)梨果生長定型之后，為了防止各種害蟲對梨果表皮進(jìn)行侵害，果農(nóng)一般會給梨果套上保護袋，防止害蟲對表皮進(jìn)行破壞。

我們設(shè)計的套袋執(zhí)行器為圓形手爪，在圓形手爪下面安裝一個底座用來裝紙袋；我們利用氣缸的伸縮來控制機械環(huán)形伸縮裝置。并且在執(zhí)行上安裝充氣裝置,避免袋口變形套袋失敗。在套袋前提前將袋充氣，使全袋膨膠起來，兩底角的出水氣孔張開。在袋口下2-3 厘米處，套上果實,從中間向兩側(cè)依次折疊袋口。綁口時不能把袋口綁成喇叭狀，以免積存藥液流入袋內(nèi)，每花序套1 個果。我們在套袋執(zhí)行器的上方安裝扎口執(zhí)行器，當(dāng)套袋完成后對其封口進(jìn)行扎口，扎口由鐵絲扎口釘通過對封口進(jìn)行夾緊，鐵絲釘對其封口夾緊后完成自動套袋操作。

4.5 去保護紙袋執(zhí)行器

首先，一般梨果套袋后比不套袋梨果的含糖量下降很多，所以一般果農(nóng)會在梨果完全成熟前一兩周將保護袋去掉，讓梨果吸收更多的陽光，從而增加梨果的含糖量及梨果的水分。而且對于梨果成熟后，去掉保護袋的梨果在采摘的同時就能對其梨果進(jìn)行稱重分揀的操作。

我們設(shè)計的機械手去保護袋末端執(zhí)行工具與疏花疏果執(zhí)行器為同一個，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠去掉保護袋。

4.6 采摘執(zhí)行器

在果實成熟后，果農(nóng)會根據(jù)不同品質(zhì)按照級別進(jìn)行選擇性的采摘，并且現(xiàn)場進(jìn)行裝箱等操作。在挑選梨果的要求是非常高的，畸形果、傷果、小果等都是不符合要求的，果農(nóng)需要按果實大小形狀進(jìn)行分級。

我們設(shè)計的采摘執(zhí)行器主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制剪刀緊和松的動作；通過搖桿來控制手臂到達(dá)相應(yīng)的位置再來控制氣缸從而使得能夠剪下梨果的枝藤。在剪刀執(zhí)行器下方安裝柔性6 爪執(zhí)行器，收集摘取的梨果后裝入收集箱。

4.7 視覺分揀執(zhí)行器

采摘后需要根據(jù)梨果的大小品質(zhì)對其分揀，梨外觀等級規(guī)格指標(biāo)分為特等、一等、二等，特等梨要求最高，個頭要求大，形狀要求不能有歪斜，整體形狀保持正圓，外表皮不能有一點損傷，顏色為白里透黃，且放至平面能夠穩(wěn)定不移動。一等的梨果個頭要求比特等的形狀規(guī)格小，但表皮依舊是不能有半點破損，二等梨果要求較低，只要梨果表皮無蟲害及損傷則為二等。

我們設(shè)計的視覺分揀機械手執(zhí)行部，機械手設(shè)有6 根柔性軟爪，主要是以傳統(tǒng)的氣缸為基礎(chǔ)，利用氣缸的伸縮來控制軟爪緊和松的動作；通過視覺相機對梨進(jìn)行圖像采集，根據(jù)梨的大小通過視覺檢測系統(tǒng)對其進(jìn)行分類，再通過視覺分揀機械手執(zhí)行部將梨按照分類裝入到相應(yīng)規(guī)格收集箱中。

4.8 自動套保護網(wǎng)執(zhí)行器

在梨采摘分揀后需要將梨套一層保護網(wǎng)，防止在運輸過程中磕碰對梨造成損壞。我們選擇的保護網(wǎng)為珍珠棉泡沐網(wǎng)材質(zhì)。保護網(wǎng)尺寸按照梨的規(guī)格選擇3 款規(guī)格保護網(wǎng)，分別為：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我們設(shè)計的自動套保護網(wǎng)機械手執(zhí)行機構(gòu)，機械手設(shè)有4 根弧形柔性軟爪，執(zhí)行部裝有翻轉(zhuǎn)機構(gòu)。機械手根據(jù)機器視覺系統(tǒng)對梨的規(guī)格確定后，機械手選擇相應(yīng)尺寸的保護網(wǎng)后，執(zhí)行機構(gòu)移動到梨的上方，機械手4 爪進(jìn)行翻轉(zhuǎn)操作，將保護網(wǎng)套中梨后4 爪再翻回完成套保護網(wǎng)操作。

4.9 套網(wǎng)后自動計重裝箱

自動計重裝箱操作是通過碼垛機械手執(zhí)行器將不同外形尺寸的包裝貨物，整齊、自動地碼在托盤上。由于梨果的形狀為橢圓形，且裝箱抓取環(huán)境位置為不規(guī)則，所以我們在分揀梨果的時候只能單個進(jìn)行分揀操作。

自動計重裝箱執(zhí)行器機械手采用6 爪執(zhí)行器, 為減少抓取起來的梨掉落,在機械執(zhí)行器手抓上面設(shè)有橡膠涂層，增大機械執(zhí)行器手爪與瓜類的摩擦力。并且我們在6 爪執(zhí)行器上安裝了拉力傳感器，拉力傳感器會產(chǎn)生細(xì)微拉伸,通過拉力傳感器的細(xì)微拉伸距離從而判定梨的重量。

5 結(jié)論

在我國，目前果樹種植依舊是以人力為主，整個農(nóng)果的生長培育等操作大部分是靠人工進(jìn)行，從而經(jīng)常導(dǎo)致農(nóng)作物無標(biāo)準(zhǔn)化等諸多問題。通過本設(shè)計的機械手執(zhí)行機構(gòu)，能夠減少8-15 人的人員投入，從而可以大大提高效率，也能進(jìn)一步推動我國農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展。