草莓采摘機(jī)器人的系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

徐明東，邱立濤，曲文浩，冀年源，于楊青

(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

0 引 言

隨著草莓栽培技術(shù)的突破，國內(nèi)草莓種植面積急劇增加，并且在一些地區(qū)草莓種植已經(jīng)成為主要的經(jīng)濟(jì)來源，由于草莓果實(shí)成熟期短暫、果實(shí)特殊、草莓采摘必須在早上和晚上，導(dǎo)致工作勞動強(qiáng)度較大，所需經(jīng)濟(jì)成本較高，約占草莓種植總生產(chǎn)成本的25%。采摘期，勞動力不足，嚴(yán)重限制了草莓種植產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。通過研究設(shè)計(jì)相應(yīng)的機(jī)器人來代替人工完成這項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的采摘工作，實(shí)現(xiàn)采摘到裝盒過程的一體化，不僅可以提高采摘的效率，還可以降低人們的勞動強(qiáng)度，有利于推廣更大面積的草莓種植。

目前，我國草莓采摘工作基本依靠人工，采摘效率低，成本占比逐年上升。據(jù)調(diào)查，近年來草莓的種植面積逐年增加，因此研究采摘草莓機(jī)器人具有重要意義。筆者重點(diǎn)通過對國內(nèi)外采摘機(jī)器人的研究和雙目立體識別技術(shù)的分析，設(shè)計(jì)出一套草莓采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，對于減少傳統(tǒng)大棚草莓采摘的人力投入和完成傳統(tǒng)轉(zhuǎn)型有著至關(guān)重要的意義。

1 國內(nèi)外草莓采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀

早在1968年美國的Schertz和Brown[1]首次提出果蔬采摘機(jī)器人,但由于受到當(dāng)時(shí)的工業(yè)控制水平的制約，美國的果蔬采摘機(jī)器人只停留在半自動化階段。隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，提高了果蔬采摘機(jī)器人的自動化水平。許多國家開展大量研究，成功研究出僅適用于簡單工作環(huán)境的果蔬采摘機(jī)器人。我國的果蔬采摘機(jī)器人發(fā)展較晚，于20世紀(jì)90年代首次提出果蔬采摘機(jī)器人，但在多家院校、學(xué)者的共同努力下，我國果蔬采摘機(jī)器人的研究取得了許多成果。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)張鐵中[2]提出了基于BP視覺網(wǎng)絡(luò)的草莓圖像分割法，但此方法需要通過大量的樣本訓(xùn)練才能將輸入圖像通過計(jì)算機(jī)權(quán)值獲得所期望的輸出圖像。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了“采摘童一號”草莓采摘機(jī)器人，但該款機(jī)器人僅適用于高架草莓的采摘，目前還沒有生產(chǎn)出一款能應(yīng)用于實(shí)際農(nóng)業(yè)中的草莓采摘設(shè)備。周云山和李強(qiáng)等研究蘑菇采摘機(jī)器人，該系統(tǒng)主要由蘑菇傳送帶、攝像機(jī)、采摘機(jī)器手、三自由度氣動伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)器手抓取控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。但目前的果蔬采摘機(jī)器人還是不成熟的，仍存在果實(shí)識別率、定位精度低，果實(shí)損傷率較高，果蔬采摘機(jī)器人采摘周期長等問題，造成一些果實(shí)成熟不及時(shí)采摘而腐爛的現(xiàn)象。

2 總體方案結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決目前草莓采摘機(jī)器人果實(shí)識別率低、定位精度低、果實(shí)損傷率較高和采摘周期長的問題，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的“采摘童一號”草莓采摘機(jī)器人的基礎(chǔ)上，提出了一套適用于大棚中的草莓采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)思路，其總體方案布局如圖1所示，與以往的采摘機(jī)器人相比，此次設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)通過主軸上的滑塊與導(dǎo)軌來帶動機(jī)械手，讓機(jī)械手的運(yùn)動范圍更廣泛，采摘面積更大。并設(shè)計(jì)了草莓的運(yùn)輸裝置和存儲裝置，實(shí)現(xiàn)采摘、運(yùn)輸、裝盒一體化的過程，大大降低了人們的勞動強(qiáng)度。圖像識別系統(tǒng)運(yùn)用了雙目立體識別技術(shù)能夠更好的提高果實(shí)的定位精度，控制機(jī)械手來實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的采摘。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)在于：如何正確識別成熟草莓、快速準(zhǔn)確和高效率的采摘草莓機(jī)械手設(shè)計(jì)、采摘草莓的中間運(yùn)輸過程和儲存問題、采摘裝置的準(zhǔn)確快速運(yùn)動和定位。

圖1 總體方案布局

2.1 采摘機(jī)器手與存儲裝置

該機(jī)構(gòu)主要是由旋轉(zhuǎn)裝置、滑動導(dǎo)軌、伸縮活塞、機(jī)械手指等幾部分構(gòu)成，其采摘機(jī)械手三維模型如圖2所示。該裝置主要用于采摘成熟草莓，滑動裝置與旋轉(zhuǎn)裝置通過過盈配合連接在一起，旋轉(zhuǎn)裝置軸承連接主軸上，機(jī)械手與伸縮活塞相連接一同固定在滑塊上，可跟隨滑塊在導(dǎo)軌上做滑動。該裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于采摘的范圍較大，能夠采摘到以主軸為圓心、導(dǎo)軌為半經(jīng)的圓形面積范圍內(nèi)的草莓。該機(jī)械手設(shè)計(jì)了四根機(jī)械手指，深度模仿了人抓取物體時(shí)的場景。

用兩個CCD攝像機(jī)定位裝置確定成熟草莓的位置和采摘點(diǎn)，主軸帶動機(jī)械手旋轉(zhuǎn)、滑塊在滑軌上運(yùn)動帶動機(jī)械手運(yùn)動到草莓的正上方，此時(shí)活塞伸長，帶動機(jī)械手下降，氣動馬達(dá)伸長，機(jī)械手指張開，切斷草莓果莖，成功采摘到草莓后、氣動馬達(dá)縮回，機(jī)械手整體縮回并旋轉(zhuǎn)到固定的位置，機(jī)械手指松開，把草莓放到存儲裝置中，存儲裝置如圖3所示，連續(xù)重復(fù)上述采摘過程30次，將存儲裝置裝滿后，然后把已經(jīng)采摘的草莓從外圍支撐板運(yùn)送到提升裝置，提升裝置上升，到達(dá)存儲箱體的空余位置，然后把存儲裝置運(yùn)出到存儲箱體的固定位置，接著提升裝置向下運(yùn)動到下一次，通過同步帶從下一次運(yùn)出空的草莓盒子，接著把空的存儲裝置運(yùn)送到剛才地方，等待下一次的運(yùn)送。

圖2 采摘機(jī)械手 圖3 存儲裝置

2.2 草莓運(yùn)送裝置

該結(jié)構(gòu)主要是使用絲杠螺母和皮帶的結(jié)合，通過皮帶摩擦把草莓盒子運(yùn)送到提升裝置上，經(jīng)過絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動提升裝置把裝滿的草莓盒子運(yùn)送到存儲箱對應(yīng)高度的位置，使用旋轉(zhuǎn)裝置把裝滿草莓的草莓盒子轉(zhuǎn)到空的箱體位置，然后再通過皮帶把草莓盒子傳送到存儲箱相對應(yīng)的位置。此裝置是通過電機(jī)的帶動軸的轉(zhuǎn)動，嚙合的齒輪，實(shí)現(xiàn)在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)將草莓存儲盒帶到該水平高度想要的位置的功能，此裝置再與提升裝置相配合就能在水平高度上運(yùn)動，這樣一來，極大的增加了運(yùn)動的范圍，可以更方便的將儲存箱送到想要的位置，其草莓運(yùn)輸及相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)裝置如圖4所示。

圖4 運(yùn)輸裝置三維模型

2.3 同步嚙合帶參數(shù)設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)中涉及到同步嚙合帶來傳送草莓盒子和運(yùn)輸空草莓盒子，同步嚙合帶的具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

在此次設(shè)計(jì)當(dāng)中同步帶的工作環(huán)境為低速，輕載，所以同步帶的型號可以任意選取，現(xiàn)選取周節(jié)制，型號為H，查表得節(jié)距pb=12.7 mm，齒形角2β=40°，齒根厚s=6.12 mm，齒高h(yuǎn)t=2.29 mm，帶高h(yuǎn)s=4.3 mm，帶寬度bs=76.2 mm，齒根圓角半徑=齒頂圓角半徑rr=ra=1.02 mm。

根據(jù)以上公式計(jì)算后查表選用規(guī)格為260 H的帶，節(jié)線長度為LP=660.40 mm，則：

2.4 圖像識別系統(tǒng)

物體的運(yùn)動算法大多采用傳統(tǒng)的單目識別技術(shù)，單目識別技術(shù)對于靜止的物體很容易實(shí)現(xiàn)識別，精度較高。但單目識別技術(shù)只具有有限的觀測范圍，移動的物體很容易超出這個觀測范圍，并且不能識別出物體的三維坐標(biāo)，更不能判斷出物體的形狀和大小。

草莓的種植環(huán)境一般位于大棚之中，大棚的環(huán)境條件為地壟截面呈等腰梯形，壟頂寬L1=400 mm, 壟底寬L2=600 mm, 壟高L3=250 mm，壟溝寬度L4=150～200 mm，草莓果實(shí)長出后伏在壟的側(cè)面，果梗上方與壟壁有 10～20 mm的間隙。

采摘機(jī)器人的圖像識別系統(tǒng)是基于單目識別的基礎(chǔ)上并結(jié)合草莓的種植環(huán)境提出了改進(jìn)的雙目立體識別技術(shù)。雙目立體識別技術(shù)是一種模擬人眼從兩個不同的視野來更加準(zhǔn)確的采集物體形狀、位置、大小等信息的技術(shù)，用兩個攝像頭在不同位置去觀察物理，運(yùn)動的物體運(yùn)動出一個攝像頭的監(jiān)控范圍，另一個攝像頭還可以對物體進(jìn)行監(jiān)控，跟單目識別技術(shù)相比，雙目識別技術(shù)監(jiān)控的范圍更廣泛，采集信息更準(zhǔn)確，也能采集單目識別技術(shù)采集不了的深度信息，再通過計(jì)算機(jī)準(zhǔn)確的計(jì)算出其三維模型。其原理主要是由兩個參數(shù)彼此一致的攝像頭，其光軸平行且垂直于基線，雙目立體識別技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 雙目立體識別技術(shù)原理圖

2.5 提升系統(tǒng)

提升裝置主要利用運(yùn)輸裝置上螺母在絲杠上運(yùn)動起到提升的作用，其原理圖如圖6所示。

設(shè)計(jì)方案利用滾珠絲杠的優(yōu)點(diǎn)在于：由于滾珠絲杠副的絲杠軸和絲杠螺母之間有許多滾珠滾動，可以獲得較高的運(yùn)動效率。與以往的滑絲杠副相比，驅(qū)動力矩小于1/3，即實(shí)現(xiàn)相同運(yùn)動結(jié)果所需的功率為滑絲杠副的1/3，又有助于節(jié)省電力。并且滾珠絲杠副由于利用滾珠運(yùn)動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運(yùn)動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。

圖6 滾珠絲杠三維圖

3 設(shè)計(jì)可行性分析

通過以上設(shè)計(jì)及對各個部分原理的分析，最后通過三維軟件建模進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，生成完整的動畫，所設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人能夠完成所預(yù)期的采摘、裝盒、運(yùn)輸動作，其各個動作如圖7～9所示。

圖7 采摘動作 圖8 裝盒動作 圖9 運(yùn)輸動作

分別對關(guān)鍵零部件齒輪、軸承等進(jìn)行了強(qiáng)度校核且均滿足要求。此草莓采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對后續(xù)的實(shí)體制作、設(shè)備調(diào)試具有一定的指導(dǎo)意義。

此次設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，相比其他的采摘機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于制造和維護(hù)。主要零部件選用均按最優(yōu)化原則設(shè)計(jì)，達(dá)到消耗最少，污染最少的情況下完成生產(chǎn)，并且可以直接外購。提升系統(tǒng)部分采用絲杠螺母傳動的形式，效率較高，能量損失較少，同時(shí)傳動平穩(wěn)，使得機(jī)械系統(tǒng)在傳動過程中的噪聲降低到一定程度。草莓采摘機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要采用電機(jī)傳動、齒輪、皮帶和氣缸傳動，基本上沒有污染物和垃圾排放。其次采摘效率高，機(jī)構(gòu)簡單，易于維護(hù)，操作簡單，制造成本低，在一定程度上最大可能的降低了成本，提高了性價(jià)比。

4 結(jié) 語

介紹了國內(nèi)外的采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀，結(jié)合了草

莓種植的環(huán)境，對草莓采摘機(jī)器人的采摘機(jī)械手、存儲裝置、旋轉(zhuǎn)裝置和提升系統(tǒng)部分進(jìn)行了類比設(shè)計(jì)，又結(jié)合了草莓的種植生長環(huán)境提出了改進(jìn)的雙目立體識別技術(shù)，完成了有關(guān)運(yùn)輸裝置的同步嚙合帶的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人目前處于研發(fā)向推廣使用的過渡階段，對于采摘機(jī)器人投入到農(nóng)民手中使用還有較長的路要走，仍需要大量學(xué)者的共同努力，進(jìn)行深入的研究，不斷的改進(jìn)和完善現(xiàn)有的采摘機(jī)器人和開發(fā)其新功能，深入到機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃、運(yùn)動控制和機(jī)器后期維護(hù)與保養(yǎng)方面的研究。相信在諸多學(xué)者的共同努力之下，在不久的未來，采摘機(jī)器人會從實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)農(nóng)民的田地中，采摘機(jī)器人技術(shù)也會越來越成熟并最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。