黃煜宸，李陽瑞，朱彤天，季嘉佳*，楊 燕，顧 巖

（1.江蘇省鎮(zhèn)江第一中學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.江蘇省鎮(zhèn)江中學(xué),江蘇 鎮(zhèn)江 212017）

0 引 言

我國設(shè)施番茄種植面積世界第一，產(chǎn)量大，采摘環(huán)境惡劣，人工采收成本高[1-3]。番茄采摘機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘、提高采摘效率、降低人工成本的重要手段，同時(shí)也是目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

日本與歐美等發(fā)達(dá)國家較早展開了相關(guān)研究，各種采摘機(jī)器人已經(jīng)投入使用。東京大學(xué)HIROAKI YAGUCHI 等[4]研發(fā)的番茄采摘機(jī)器人，由雙目立體相機(jī)識(shí)別后，末端執(zhí)行器通過夾持扭轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)果實(shí)收獲，平均采摘時(shí)間提高到23 s。國內(nèi)雖然起步較晚，但已取得了不錯(cuò)的進(jìn)展。中國臺(tái)灣宜蘭大學(xué)CHIU 等[5-7]提出一種剪叉可升降式番茄采摘機(jī)器人，通過相機(jī)的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)不同位置番茄的檢測定位，實(shí)現(xiàn)番茄的采摘。

本文針對江蘇設(shè)施番茄種植園設(shè)施農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種溫室番茄采摘機(jī)器人，對其視覺識(shí)別系統(tǒng)、末端執(zhí)行器、機(jī)械臂、底盤、輔助照明機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)等進(jìn)行詳細(xì)的介紹，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，為番茄采摘的機(jī)械化提供技術(shù)支撐。

1 番茄生長環(huán)境

本文針對江蘇設(shè)施番茄種植園培育的番茄果實(shí)進(jìn)行研究，設(shè)施栽培具有陽光充足、日照時(shí)間長、冬暖夏涼、便于機(jī)械化收獲等優(yōu)勢，如圖1 所示，壟高15～25 cm，壟面寬80 cm，壟底寬1 m，壟間距80～100 cm，便于底盤的行走，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采摘作業(yè)。一壟雙行，行距40 cm，株距30～35 cm。

圖1 設(shè)施番茄生長環(huán)境

2 采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

番茄采摘機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示，番茄采摘機(jī)器人由視覺系統(tǒng)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、升降機(jī)構(gòu)、底盤、控制系統(tǒng)等組成。

圖2 番茄采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.1 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)是番茄采摘機(jī)器人的關(guān)鍵組成部分，識(shí)別準(zhǔn)確性直接影響了番茄采摘的成功率。本文基于YOLOv5 的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，采用ZED 2i 雙目立體相機(jī)為載體，實(shí)現(xiàn)對番茄果實(shí)的識(shí)別定位。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型

YOLO 網(wǎng)絡(luò)模型[8]是最為經(jīng)典的one-stage 目標(biāo)檢測算法代表，主要分為輸入端、Backbone 基準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)、Neck 網(wǎng)絡(luò)、Head 輸出端4 個(gè)部分[9]，其在速度和精度上都比較出色，因此被較多的應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測領(lǐng)域。該類算法只需要將目標(biāo)圖片傳入網(wǎng)絡(luò)一次，便能夠得到相應(yīng)預(yù)測框的位置和類別等信息。

2.1.2 視覺系統(tǒng)識(shí)別

YOLOv5 算法的檢測框如圖3 所示，設(shè)坐標(biāo)A為（xA,yA），坐標(biāo)B 為（xB,yB）,則番茄中心O 點(diǎn)的二維坐標(biāo)可用式（1）、（2）表示：

圖3 番茄深度信息計(jì)算原理圖

其中：x0表示番茄中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)，y0表示番茄中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)。

檢測框可看作是一個(gè)正方形，q 點(diǎn)和w 點(diǎn)為番茄輪廓與檢測框的左右交點(diǎn)，O 為番茄中心點(diǎn)，R 為番茄半徑。記q 點(diǎn)坐標(biāo)為（Xq，Yq，Zq），w 點(diǎn)坐標(biāo)為（Xw，Yw，Zw），則番茄中心點(diǎn)O 的坐標(biāo)（X，Y，Z）可表示為:

2.2 末端執(zhí)行器

末端執(zhí)行器是與番茄果實(shí)直接接觸的重要執(zhí)行元件。針對番茄表面脆弱易損傷的特性，設(shè)計(jì)并制作一種具有軟手指的電動(dòng)三爪柔性末端執(zhí)行器，步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)精準(zhǔn)控制，使得手指張開的角度可以控制，壓力傳感器貼合于手指輪廓上，控制夾取番茄的力度[10]。末端執(zhí)行器總長為190 mm，手爪長度為98 mm，夾取直徑為8～176 mm，抓取頻率小于40 次/min，抓取質(zhì)量小于3 kg，末端執(zhí)行器本身質(zhì)量為548 g，如圖4 所示。

圖4 末端執(zhí)行器

2.3 機(jī)械臂

本文機(jī)械臂為六自由度機(jī)械臂，自身質(zhì)量為25 kg，末端負(fù)載為5 kg，可以承受末端執(zhí)行器質(zhì)量。機(jī)械臂最大作業(yè)距離為875 mm，可以實(shí)現(xiàn)溫室大棚番茄任意高度的采摘。機(jī)械臂的工作電壓為48 V，由自身電池供電。機(jī)械臂的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 機(jī)械臂主要相關(guān)參數(shù)

2.4 底盤

根據(jù)測得的番茄行間距設(shè)計(jì)底盤的尺寸，底盤長為960 mm、寬為700 mm、高為320 mm。底盤采用履帶式，履帶材料為優(yōu)質(zhì)橡膠內(nèi)嵌凱夫拉纖維，具有一定的防滑能力和韌性。由于要承受控制系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、機(jī)械臂以及末端執(zhí)行器等質(zhì)量，所以底盤設(shè)計(jì)載重為80 kg。由于溫室大棚地面不是完全平整的，所以采用履帶底盤，具有一定的越障和爬坡能力，底盤采用48 V 直流無刷電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最大越障為150 mm，最大爬坡為30°，且底盤距地高度為75 mm，防止在越障時(shí)底盤與地面接觸磨損。

2.5 輔助照明機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)在大面積下能夠較好地均勻照明且能夠使相機(jī)捕捉到的物體輪廓較為清晰，本文選擇LED 燈，采用明場平行正面照明的方式為視覺系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)光。在光源布置上，采用矩形均勻布置方法，光源支架由規(guī)格為15 mm×15 mm 的鋁型材切段拼接而成，矩形框尺寸為500 mm×500 mm，將LED 燈條安置在矩形框上，如圖5 所示。

圖5 補(bǔ)光照明光源布置

2.6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

番茄采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)由視覺系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)組成，如圖6 所示。工控機(jī)負(fù)責(zé)番茄采摘機(jī)器人整體的控制，視覺系統(tǒng)與底盤系統(tǒng)通過交換機(jī)與工控機(jī)相連，機(jī)械臂與末端執(zhí)行器通過I/O 信號(hào)板和工控機(jī)相連，完成采摘機(jī)器人整體協(xié)調(diào)運(yùn)作。

圖6 采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)組成

3 采摘機(jī)器人工作流程

采摘機(jī)器人的工作流程：系統(tǒng)開啟后，底盤移動(dòng)到采摘區(qū)，安裝在機(jī)械臂的雙目立體視覺系統(tǒng)開始工作，通過視覺系統(tǒng)算法識(shí)別作業(yè)區(qū)域內(nèi)是否有待采摘的成熟番茄，當(dāng)系統(tǒng)檢測到采摘對象時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)，視覺系統(tǒng)進(jìn)一步對番茄進(jìn)行精確定位，最終獲取成熟番茄準(zhǔn)確的空間位置，機(jī)械臂根據(jù)定位信息引導(dǎo)末端執(zhí)行器到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，從而對果實(shí)進(jìn)行夾持和采摘，并將果實(shí)放入收獲籃中，機(jī)械臂復(fù)位，采摘掃描區(qū)域內(nèi)下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，完成此次采摘作業(yè)后機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn)，直至再次掃描到成熟番茄，繼續(xù)采摘作業(yè)，直至移動(dòng)到終點(diǎn)完成采摘程序，工作流程如圖7 所示。

圖7 采摘機(jī)器人工作流程

4 試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證番茄采摘機(jī)器人的識(shí)別與采摘效果，在實(shí)驗(yàn)室對采摘機(jī)器人進(jìn)行模擬采摘試驗(yàn)。番茄采用模擬果代替，對放置不同位置的番茄進(jìn)行了100次的抓取試驗(yàn)，識(shí)別抓取試驗(yàn)如圖8 所示。結(jié)果表明，采摘機(jī)器人能成功抓取番茄果實(shí)的次數(shù)為88次，成功率為88%。從相機(jī)識(shí)別目標(biāo)果實(shí)到完成采摘，平均耗時(shí)18 s。造成采摘失敗的主要原因有：①視覺識(shí)別時(shí)，由于光照的影響或者背景的干擾會(huì)使視覺識(shí)別存在誤差或檢測不到的情況，導(dǎo)致采摘失敗。②末端執(zhí)行器與定位坐標(biāo)存在誤差，會(huì)造成無法準(zhǔn)確采摘。

圖8 識(shí)別抓取試驗(yàn)

5 結(jié) 論

（1）通過試驗(yàn)測試，基于VOLOv5 算法，可以實(shí)現(xiàn)對成熟番茄果實(shí)識(shí)別定位，末端執(zhí)行器、機(jī)械臂與視覺系統(tǒng)等各模塊通信良好，可以有效地實(shí)現(xiàn)對番茄果實(shí)的采摘。

（2）實(shí)驗(yàn)室模擬臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表明，對單果番茄的采摘平均耗時(shí)為18 s，成功率達(dá)88%。

（3）該研究對設(shè)施番茄采摘的機(jī)械具有較重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的技術(shù)借鑒意義。