基于足式移動(dòng)的果蔬采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

劉富成　田壯

摘要：一種基于足式移動(dòng)的果蔬采摘機(jī)器人，移動(dòng)方式為足式，適合在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上進(jìn)行果蔬采摘，具有較好的靈活性，且機(jī)身下板有矩形排布的傳感器，可按照預(yù)定軌跡行進(jìn)，機(jī)械臂上安裝有視覺(jué)識(shí)別模塊，增加采摘準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了可在相對(duì)不平坦地形按設(shè)定軌跡，自行采摘的目的。

關(guān)鍵詞：足式移動(dòng) 采摘機(jī)器人

引言

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的不斷發(fā)展，農(nóng)民越來(lái)越需要一種可適應(yīng)復(fù)雜地面環(huán)境并且可精確采摘果蔬的智能裝備，為實(shí)現(xiàn)一種可適應(yīng)崎嶇地面的果蔬采摘機(jī)器人，本文介紹了一種可以在崎嶇路面穩(wěn)定行走的多足果蔬采摘機(jī)器人，其主要由足式移動(dòng)系統(tǒng)和視覺(jué)采摘收集系統(tǒng)兩部分組成。

1機(jī)器人系統(tǒng)組成部分

1.1足式移動(dòng)系統(tǒng)

根據(jù)實(shí)際使用需求，設(shè)計(jì)足式移動(dòng)機(jī)器人，通過(guò)離散的點(diǎn)接觸地面對(duì)環(huán)境的破壞程度也較小可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)對(duì)崎嶇地形的適應(yīng)性強(qiáng)，六足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)，它可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿關(guān)節(jié)的角度保持機(jī)身水平，不易翻倒穩(wěn)定性更高。

其正視圖和俯視圖如圖1，其由機(jī)身與機(jī)械腿組成，足式移動(dòng)系統(tǒng)包含六只機(jī)械腿機(jī)械腿均為由三個(gè)大功率舵機(jī)構(gòu)成具有兩段機(jī)體、兩個(gè)關(guān)節(jié)的仿生腿。機(jī)械腿可按照程序運(yùn)動(dòng)至相應(yīng)位置，使機(jī)身可以精確的沿直線(xiàn)大步前進(jìn)、大步后退、小步前進(jìn)、小步后退，自身軸線(xiàn)與所走直線(xiàn)形成的偏角大于預(yù)定值時(shí)，也可以進(jìn)行角量彌補(bǔ)調(diào)整。

1.2視覺(jué)采摘收集系統(tǒng)

視覺(jué)采摘收集系統(tǒng)由采摘機(jī)械臂、視覺(jué)識(shí)別模塊與收集箱組成。采摘機(jī)械臂包括可旋轉(zhuǎn)底盤(pán)、兩關(guān)節(jié)機(jī)械臂、采摘抓手，可旋轉(zhuǎn)底盤(pán)與兩關(guān)節(jié)機(jī)械臂之間、兩關(guān)節(jié)機(jī)械臂與采摘抓手之間均為大功率舵機(jī)相連接，底盤(pán)可使機(jī)械臂和抓手繞豎直軸旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂可調(diào)整抓手的高低位置，方便采摘不同位置的蔬菜或者果實(shí)，抓手可調(diào)整其抓取裝置的仰角和展角，方便其在盡量保證果蔬完整性的條件下采摘。

視覺(jué)識(shí)別部分由openmv構(gòu)成，置于采摘機(jī)械臂的第二段機(jī)體，在機(jī)械臂調(diào)整姿態(tài)過(guò)程中，會(huì)隨機(jī)械臂隨時(shí)記錄攝像頭前的圖像，觀察到所采摘果實(shí)會(huì)向控制板反應(yīng)特殊信號(hào);收集箱為由木質(zhì)骨架和塑料構(gòu)成的輕質(zhì)立方體狀的箱子，收集箱分為兩個(gè)，放置在采摘機(jī)械臂兩側(cè)，同置于機(jī)身上板上方，前側(cè)收集箱放置水果，后側(cè)收集箱放置蔬菜。

2控制電路及傳感器部分

機(jī)身所包括的三塊控制板，兩塊為舵機(jī)控制板，一塊與六只機(jī)械腿相連，用于編寫(xiě)并存放機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中機(jī)械腿的動(dòng)作與形態(tài)，另一塊與采摘機(jī)械臂相連，用于編寫(xiě)并存放機(jī)器人采摘過(guò)程中機(jī)械臂的動(dòng)作與形態(tài)，第三塊控制板為arduin0 2560，與兩塊舵機(jī)控制板相連接，用于編寫(xiě)并存放機(jī)器人行進(jìn)、調(diào)整、采摘的主函數(shù)，控制線(xiàn)路板為自行設(shè)計(jì)的方便控制板、傳感器、電機(jī)等電路元件相連接的合理排布排針排母的電路板，供電電源分別為機(jī)械腿、傳感器和機(jī)械臂、視覺(jué)模塊供電。

傳感器排布板如圖2，其由14個(gè)灰度傳感器圍成一個(gè)80mmxlOOrnm的矩形檢測(cè)范圍的板子，其具體排布形式如圖2，單個(gè)灰度傳感器檢測(cè)區(qū)域的寬度約為8mm，會(huì)時(shí)時(shí)將地面規(guī)劃好的路跡反饋至主控板。

陀螺儀傳感器放置在機(jī)身上實(shí)時(shí)向主控板發(fā)送位置及速度信息，協(xié)同灰度傳感器共同工作，使機(jī)器人根據(jù)所反饋信息精準(zhǔn)地按照預(yù)定軌跡行走。

3機(jī)器人具體工作流程

足式移動(dòng)的果蔬采摘機(jī)器人在由白色24mm的反光條制成的預(yù)定軌跡上行走，根據(jù)多路傳感器反饋的信號(hào)情況，進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整使機(jī)身軸線(xiàn)始終與軌跡線(xiàn)重合，遇到由白色反光條構(gòu)成的十字標(biāo)，會(huì)從前行狀態(tài)轉(zhuǎn)至立正姿態(tài)，然后再通過(guò)多路傳感器反饋的信號(hào)情況，使機(jī)身形心盡量靠近十字標(biāo)交點(diǎn)，然后執(zhí)行采摘，采摘完畢繼續(xù)前行，遇到轉(zhuǎn)彎相關(guān)標(biāo)記則變化機(jī)械腿的姿態(tài)以另一種形式在轉(zhuǎn)完后的路跡上前行，整個(gè)機(jī)身不發(fā)生方位變化，在沒(méi)有十字標(biāo)而有白色路跡線(xiàn)的停滯點(diǎn)的路線(xiàn)上，機(jī)器人根據(jù)陀螺儀所反饋的信息自動(dòng)調(diào)整位置，使其沿預(yù)定軌跡行走機(jī)器人會(huì)根據(jù)視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)反饋的結(jié)果進(jìn)行采摘，在沒(méi)有白色路跡線(xiàn)只有十字標(biāo)的路線(xiàn)上，機(jī)器人會(huì)根據(jù)導(dǎo)航模塊按預(yù)先設(shè)定的路線(xiàn)行進(jìn)，在十字標(biāo)處停滯進(jìn)行采摘。

4結(jié)語(yǔ)

目前果蔬采摘機(jī)器人多為輪式或履帶式機(jī)器人，但大多數(shù)實(shí)際采摘地地形不規(guī)則且崎嶇不平，輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制。在這種背景下本設(shè)計(jì)方案中，足式移動(dòng)的果蔬采摘機(jī)器人具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，本設(shè)計(jì)方案解決在相對(duì)不平坦路面精確循跡和準(zhǔn)確采摘果實(shí)或者蔬菜的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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