智能化草莓采摘機器人

韓冰 張連壯 田皓宇 王雪偉 李國昭 趙艷霞

摘要：目前農(nóng)業(yè)上的草莓采摘只是依靠人工，勞動強度高，而現(xiàn)在的智能采摘智能停留在理論層次。該草莓采摘機器人可在一定范圍內(nèi)基于機器視覺識別成熟草莓位置和精準定位，并以夾持、扭轉(zhuǎn)果柄的方式摘取果實，從而實現(xiàn)草莓的無損傷采摘。設(shè)計的采摘機器人由五自由度機械手臂，用伺服電機作為動力源，根據(jù)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖信號，三菱fx3n PLC控制系統(tǒng)，視覺識別系統(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采摘算法。

關(guān)鍵詞：草莓、采摘機器人、機器視覺。

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、溝深并非采取標準尺寸，且可能比標準尺寸更小;同時溝面不平整。因此，在溝面不平整的溫室中采用跨壟式或者懸掛式移動機構(gòu)，而在比較標準的溫室中可以采用四輪驅(qū)動行走機構(gòu)。

本設(shè)計采用跨壟四輪行走機構(gòu)，。本體設(shè)計以步進電機作為動力裝置，根據(jù)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖信號驅(qū)動機器人沿溝壟前進。在機身的上方是五自由度機械手臂，用伺服電機作為動力源，根據(jù)驅(qū)動器發(fā)出的脈沖信號，使機械手臂達到指定位置。同時在機械手下方安裝一個小框，用于放置草莓果實，在設(shè)定好的時間內(nèi)裝滿后，由工作人員更換小框。整個執(zhí)行機構(gòu)都安裝在小車上，可以進行固定距離的移動。

基于具體的采摘要求，機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。果實采摘過程中，機械手能避開障礙物。

（3）機械手設(shè)計合理。在滿足要求的前提下，采用特殊機構(gòu)的機械手機構(gòu)，使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。

（4）農(nóng)業(yè)機器人要求操作簡單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機構(gòu)簡單的形式。

機械手的手臂是采摘機器人的主要執(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。由于機械手臂的重量比較大，受力比較復(fù)雜，在采摘草莓時受到腕部、手爪和草莓的靜（動）載荷，引起電位準確性。機械手手臂的機構(gòu)形式的設(shè)計要根據(jù)機器人的運動形式、抓取草莓的重量，自由度以及運動精度來決定。因此設(shè)計機械手手臂考慮了幾個要點：

1）手臂的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)該滿足采摘草莓時作業(yè)空間的要求。作業(yè)空間的形狀和大小與手臂的長度、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，合理選擇手臂的材料;

3）機械手手臂的運動速度要高，慣性要小。

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

參考文獻：

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