獼猴桃采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

王佳虹, 王迪, 葉宏寶, 朱國(guó)宏, 晏毓

(1.杭州喬戈里科技有限公司, 浙江 杭州 310051; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)裝備研究所, 浙江 杭州 310021)

采摘作業(yè)在整個(gè)獼猴桃生產(chǎn)中占據(jù)很大比例,完整的獼猴桃種植生產(chǎn)過(guò)程中約有35%的時(shí)間被采摘占據(jù), 并且獼猴桃進(jìn)入適采期后必須盡快采摘, 盛果期采摘作業(yè)量驟增[1], 提高獼猴桃采摘的自動(dòng)化程度對(duì)于提高整個(gè)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。

2000 年以來(lái), 世界各地都將農(nóng)業(yè)研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了農(nóng)產(chǎn)品自動(dòng)化[2-6]。草莓采摘機(jī)器人由東京大學(xué)的學(xué)者們率先研發(fā)成功, 隨之問(wèn)世的是荷蘭研究者研發(fā)的采摘機(jī)器人[7], 主要針對(duì)當(dāng)?shù)氐狞S瓜采摘, 中國(guó)科學(xué)家也研發(fā)出針對(duì)草莓[8]、茄子[9-10]、番茄[11]、蘋果[12]等采摘機(jī)器人。隨著農(nóng)業(yè)自動(dòng)化程度的不斷加深, 關(guān)于獼猴桃采摘的機(jī)械自動(dòng)化研究成果也越來(lái)越多, 但現(xiàn)存研究成果仍存在機(jī)械采摘易受損傷、機(jī)器人自動(dòng)化程度低、采摘效率低等問(wèn)題。

針對(duì)上述獼猴桃機(jī)械采摘的一系列問(wèn)題, 本文針對(duì)獼猴桃生長(zhǎng)和采收特點(diǎn)對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn), 研制了搭載無(wú)損采摘末端的整體采摘機(jī)器人樣機(jī), 并進(jìn)行果園實(shí)地采摘實(shí)驗(yàn)。

1 采摘機(jī)器人系統(tǒng)組成及工作原理

獼猴桃屬落葉藤類植物, 我國(guó)獼猴桃多種植在露天果園環(huán)境中 (圖1), 獼猴桃果樹藤架高約180 cm, 兩排果樹間距為200～300 cm, 可作為采摘機(jī)器人的行走通道, 獼猴桃果實(shí)分布較為集中,適采期果實(shí)多從頂端樹冠垂下, 分布在地面向上150～170 cm 處至藤架。鑒于獼猴桃的農(nóng)藝管理特點(diǎn)和生長(zhǎng)特點(diǎn), 采摘機(jī)器人在兩排果樹中間移動(dòng),能夠保證采摘絕大部分果實(shí)。

圖1 獼猴桃果園種植環(huán)境

獼猴桃采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示, 主要由履帶式移動(dòng)底盤、控制裝置、雙目相機(jī)、承載裝置、升降座、托架、氣泵、真空控制器等組成,其中控制裝置由工控機(jī)、GPS 接收器、溫濕度傳感器、調(diào)壓閥和控制電路等組成。

圖2 獼猴桃采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采摘機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中可以完成自主導(dǎo)航,當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測(cè)到自身行走到目標(biāo)果樹位置后, 上位機(jī)發(fā)送命令控制履帶底盤停止前進(jìn), 并通過(guò)Ethernet 向機(jī)械臂發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令, 控制機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)位置進(jìn)行圖像采集工作, 上位機(jī)接收到圖像數(shù)據(jù)后生成適采期果實(shí)位置數(shù)據(jù), 進(jìn)一步對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃生成機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)指令。當(dāng)機(jī)械臂到達(dá)預(yù)定位置后, 上位機(jī)通過(guò)PLC 控制末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取果實(shí)。當(dāng)前位置的果實(shí)采摘結(jié)束后, 機(jī)械臂恢復(fù)初始設(shè)定位姿, 上位機(jī)控制機(jī)器人繼續(xù)前進(jìn),重復(fù)上述步驟。機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中若遇到障礙物,上位機(jī)通過(guò)雙目視覺相機(jī)給出的深度信息控制機(jī)器人躲避, 若無(wú)法躲避則停在原地并發(fā)出警報(bào)。獼猴桃采摘機(jī)器人實(shí)物圖如圖3 所示。

圖3 獼猴桃采摘機(jī)器人實(shí)物圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件控制

整個(gè)軟件系統(tǒng)基于ROS 框架開發(fā)完成, 其程序流程圖如圖4 所示, 程序流程簡(jiǎn)述如下:

圖4 上位機(jī)軟件流程圖

(1) 各系統(tǒng)設(shè)備初始化。

(2) 初始化完成后, 導(dǎo)航系統(tǒng)開始通過(guò)串口采集RTK 技術(shù)解析的當(dāng)前機(jī)器人經(jīng)緯度位置信息和航向角信息, 同時(shí)通過(guò)雙目攝像機(jī)采集機(jī)器人周邊環(huán)境信息, 上位機(jī)提取并分析當(dāng)前路面信息用于導(dǎo)航?jīng)Q策, 進(jìn)而生成導(dǎo)航控制數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人自主行走。

(3) 上位機(jī)控制導(dǎo)航機(jī)器人行走的同時(shí), 雙目攝像機(jī)采集周圍果樹位置圖像, 生成位置信息指導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)果樹邊, 之后雙目相機(jī)繼續(xù)掃描適采期果實(shí), 并保存果實(shí)中心點(diǎn)位置信息, 上位機(jī)利用這些位置信息對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)學(xué)求解。

(4) 機(jī)械臂按照上位機(jī)規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)順序到達(dá)預(yù)設(shè)位置后, 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)PLC 接收上位機(jī)的指令進(jìn)行果實(shí)抓取動(dòng)作, 當(dāng)前果實(shí)采摘完成后重復(fù)上述步驟直至當(dāng)前范圍內(nèi)果實(shí)全部被采摘。

(5) 采摘機(jī)器人不斷重復(fù)前進(jìn)和采摘步驟,當(dāng)視覺系統(tǒng)檢測(cè)到果樹特征消失后, 執(zhí)行轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)器人到達(dá)預(yù)設(shè)終點(diǎn)時(shí), 采摘任務(wù)結(jié)束。

2.2 硬件控制

智能移動(dòng)采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)控制器、下位機(jī)控制器和傳感器系統(tǒng)等部分組成,硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示。

其中末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)由支撐板、驅(qū)動(dòng)裝置、控制裝置、夾爪和相機(jī)組成, 如圖6 所示, 能夠以?shī)A持果實(shí)的方式摘取獼猴桃。相機(jī)位于支撐板外側(cè), 用于將待采摘的水果位置信號(hào)傳遞給連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械臂, 可以有效保證水果采摘過(guò)程的自主精確定位及抓取; 驅(qū)動(dòng)裝置安裝在支撐板上, 并連接固定件, 同時(shí)固定件上安裝3 個(gè)柔性氣動(dòng)夾爪, 通過(guò)控制外接氣泵的氣體使柔性?shī)A爪膨脹并發(fā)生彎曲, 進(jìn)而貼合果實(shí)表面握緊果實(shí), 保證了抓牢果實(shí)完成折斷的過(guò)程中不對(duì)果實(shí)造成傷害; 驅(qū)動(dòng)裝置可以推動(dòng)魚眼軸承帶動(dòng)固定件發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 進(jìn)而使得安裝在固定件上的多個(gè)夾爪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng), 夾爪抓取采摘水果在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程折斷水果果蒂完成采摘?jiǎng)幼? 內(nèi)部中空的管筒形固定件的上端安裝夾爪, 在其下端安裝連接柔性兜袋并延伸至柔性收集箱, 夾爪抓取水果完成采摘后可松開將水果直接從中空的管筒形固定件滑入收集容器, 提高了采摘效率, 也避免了末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械臂的往返移動(dòng), 降低了對(duì)樹體枝葉損傷的概率。

圖6 末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)果與分析

采摘機(jī)器人能否高效準(zhǔn)確地完成采摘任務(wù)主要由兩個(gè)指標(biāo)決定, 首先在于識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于獼猴桃果實(shí)識(shí)別的準(zhǔn)確率, 其次在于識(shí)別成功后機(jī)械系統(tǒng)能否成功采摘, 故本文設(shè)計(jì)了兩方面的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證采摘機(jī)器人的性能。

3.1 識(shí)別定位試驗(yàn)

試驗(yàn)于2022 年9 月15—30 日開展, 采摘試驗(yàn)地點(diǎn)為浙江省杭州市富陽(yáng)獼猴桃種植園, 試驗(yàn)對(duì)象為移栽獼猴桃, 獼猴桃品種為海沃德。通過(guò)在一天中的不同時(shí)段進(jìn)行識(shí)別實(shí)驗(yàn), 測(cè)試機(jī)器人在不同光照情況下的識(shí)別準(zhǔn)確率, 識(shí)別結(jié)果如表1 所示。

表1 識(shí)別定位試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知, 識(shí)別系統(tǒng)在較暗、正常和較亮3種情況下的識(shí)別成功率分別為86.7%、97.7%和94.2%。由該結(jié)果可知, 該系統(tǒng)在較暗的環(huán)境下識(shí)別性能相對(duì)較差, 在環(huán)境光線正常和較亮的情況下識(shí)別準(zhǔn)確率均達(dá)到了94%以上, 結(jié)合采摘機(jī)器人多為日間工作的實(shí)際應(yīng)用情況, 其工作場(chǎng)景下絕大部分時(shí)間光線充足, 故該采摘識(shí)別系統(tǒng)可滿足獼猴桃采摘需求, 部分識(shí)別結(jié)果如圖7 所示。

圖7 3 種光照識(shí)別結(jié)果圖

3.2 采摘試驗(yàn)

采摘末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝于六軸機(jī)械臂上, 并在機(jī)械臂末端搭載雙目視覺相機(jī), 機(jī)械臂的最大線速度和最大線加速度分別設(shè)為2 m·s-1和2 m·s-2,最大角速度和最大角加速度不超過(guò)180 (°) ·s-1和180 (°) ·s-2, 采摘時(shí)機(jī)械臂在雙目視覺的引導(dǎo)下將柔性?shī)A爪對(duì)準(zhǔn)并貼近獼猴桃表面, 然后執(zhí)行采摘操作, 獼猴桃在夾爪閉合過(guò)程中被夾爪向末端執(zhí)行器方向拉拽, 當(dāng)夾住果實(shí)后擺動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng), 將獼猴桃果梗與果實(shí)分離。最終測(cè)得采摘機(jī)器人的采摘成功率和單果采摘時(shí)間等數(shù)據(jù), 如表2 所示。

表2 采摘試驗(yàn)結(jié)果

由表2 可知, 在準(zhǔn)確識(shí)別視野內(nèi)的獼猴桃果實(shí)的基礎(chǔ)上, 3 個(gè)時(shí)間點(diǎn)下采摘成功率均達(dá)到了85%以上, 單果平均采摘時(shí)間為3.01 s, 可滿足實(shí)際生產(chǎn)的技術(shù)要求。

4 結(jié)論與討論

針對(duì)獼猴桃機(jī)械采摘時(shí)果實(shí)易受損傷的情況,搭載柔性?shī)A爪設(shè)計(jì)末端采摘機(jī)構(gòu), 通過(guò)控制氣壓大小實(shí)現(xiàn)獼猴桃果實(shí)的無(wú)損采摘。

設(shè)計(jì)了獼猴桃采摘的整體控制系統(tǒng), 從硬件和軟件兩方面實(shí)現(xiàn)采摘系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化, 實(shí)現(xiàn)了履帶車移動(dòng)底盤、采摘機(jī)械臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)及采后水果收集等一系列動(dòng)作的協(xié)調(diào)統(tǒng)一, 推進(jìn)了獼猴桃采摘的智能化和機(jī)械化進(jìn)程。