基于視覺分揀系統(tǒng)中機械手執(zhí)行部的設(shè)計

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遠落后。

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行疏花以及梨果授粉后進行疏果；中期需要在梨果定型時對梨果進行保護袋套袋操作以及果實成熟后進行去保護帶操作；后期在果實完全成熟后對梨果進行選擇性采摘，根據(jù)梨果的品質(zhì)進行分揀，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行設(shè)置程序。在當(dāng)今的社會發(fā)展進程中，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行視覺感知，能夠根據(jù)視覺系統(tǒng)進行分析，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行各種任務(wù)的操作，促進智能化的發(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墓麑嵉能浻捕取⑿螤畹忍卣?，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，對摘取的梨果進行稱重檢測，按照不同重量等級與執(zhí)行機構(gòu)配合進行不同規(guī)格的梨果進行分揀操作；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)進行相應(yīng)操作，稱重機構(gòu)對執(zhí)行操作的任務(wù)進行檢測，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行扎口，扎口由鐵絲扎口釘通過對封口進行夾緊，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)按照級別進行選擇性的采摘，并且現(xiàn)場進行裝箱等操作。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行圖像采集，根據(jù)梨的大小通過視覺檢測系統(tǒng)對其進行分類，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)生細微拉伸,通過拉力傳感器的細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，也能進一步推動我國農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展。