溫室剔補苗并聯(lián)機器人設(shè)計與試驗分析

王南竹，朱夢嵐，莫吾乙，朱志燃，楊啟志

（江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

穴盤育苗技術(shù)是我國溫室育苗的主要形式，在移栽前進行剔補苗工作可以有效地減少缺苗、病弱苗等情況，極大地提高后期移栽成功率和移栽質(zhì)量。但目前我國剔補苗工作主要是由人力進行，工作效率低下，穴盤幼苗損傷率高、質(zhì)量難以保證，且人工費用昂貴[1]。我國目前對剔補苗機械化的研究很少，更多的是對移栽機械的研究，且大部分不具備視覺系統(tǒng)，因此研究溫室穴盤苗剔補苗并聯(lián)移栽機器人不僅保證了穴盤苗的完整性和成熟度，還推動了我國溫室育苗向機械化、自動化、工廠化、集約化方向快速發(fā)展[2]。國外的一些農(nóng)機專家專門對移栽機的研發(fā)作了大量研究，但都是按照國外的溫室種植模式和要求進行設(shè)計，無法適應(yīng)國內(nèi)溫室穴盤苗移栽的需要。2005 年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的強麗慧等[3]設(shè)計了生菜自動移栽機，2007 年，沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)田素博等[4]設(shè)計了一種基于PLC 系統(tǒng)的缽苗移栽機械爪，江蘇大學(xué)馬履中等[5]第一次以并聯(lián)機構(gòu)為主體設(shè)計了溫室穴盤苗自動移栽機，2013—2016 年，浙江大學(xué)蔣煥煜等[6]設(shè)計開發(fā)了一種溫室缽苗自動移栽裝備樣機，但是目前國內(nèi)的移栽機只適合標準化的種植模式和栽培方式，需要精確的穴盤橫向進給系統(tǒng)[7]。

針對這些問題，本文在詳盡了解研究對象的基礎(chǔ)上，結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)運動速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)的精準定位、降低移栽的失誤率、動態(tài)性能平穩(wěn)可靠等一系列優(yōu)點，設(shè)計一款以并聯(lián)機構(gòu)為主體的剔補苗機構(gòu)系統(tǒng)。

1 并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)存在問題

與傳統(tǒng)串聯(lián)溫室剔補苗機構(gòu)相比，穴盤苗剔補苗并聯(lián)機器人具有結(jié)構(gòu)簡單、速度快、定位精度高、震動小、三自由度移動等特點[8]，適合在我國的中小型溫室育苗模式推廣使用。定位精度工作的順利完成主要受移栽機構(gòu)設(shè)計的影響，該剔補苗機構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)為Delta 并聯(lián)機構(gòu)，通過對并聯(lián)機構(gòu)進行優(yōu)化可提高機器人機構(gòu)的剛度和靈活度[9]。

本文研究的第一代溫室并聯(lián)移栽機器人主要分為3 個部分：動平臺、三條支鏈和靜平臺，并由3RRC 三平移并聯(lián)機構(gòu)推演出該并聯(lián)機器人主體機構(gòu)。

但是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，對于支鏈B 和支鏈C來說，其所需要轉(zhuǎn)動的3 個關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動副所用材料橫截面積過小，導(dǎo)致徑向支撐力不足，極大地降低運動的平穩(wěn)性，另外從動臂采用單桿連接，導(dǎo)致抵抗受外力變形的能力不夠，從而導(dǎo)致并聯(lián)機構(gòu)整體運動精度降低[10]；支鏈A 的驅(qū)動力臂長度過長，使得剔補苗機構(gòu)平穩(wěn)性降低，從而導(dǎo)致并聯(lián)移栽機器人力學(xué)性能較差，移栽時的精確度較低。

1.2 并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖1 所示，對于支鏈B、支鏈C 來說，將主動臂更換為橫截面積較大、力學(xué)性能較好的金屬材料，將鏤空的機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計改為圓柱形，下端連接的細單連桿改為平行桁架結(jié)構(gòu)的雙連桿結(jié)構(gòu)，從一個轉(zhuǎn)動副連接增加到兩個轉(zhuǎn)動副連接，此設(shè)計通過增大轉(zhuǎn)動副與連桿直接接觸面積，達到獲得較大徑向支撐力的效果，進而增強整個支鏈抵抗外力變形的能力。通過減少支鏈A 的驅(qū)動力臂的長度，增大支鏈A的剛度。所述的3 條支鏈與動平臺通過球鉸連接，在伺服電機的驅(qū)動下，動平臺在空間中完成高速、高頻、高精度的三平移運動。

在移栽過程中，對稱結(jié)構(gòu)可以提高投苗的精準度，因此為了進一步完善剔補苗機器人的對稱性，機器人材料：靜平臺、支鏈電機座和驅(qū)動臂材料選用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的45 號鋼，支鏈球鉸結(jié)構(gòu)材料選用7075 鋁合金，支鏈的連桿結(jié)構(gòu)材料選用碳纖維桿[11]，確保工作空間范圍為平行長方體。

2 并聯(lián)機器人軌跡規(guī)劃

剔補苗機器人的主要功能是將被培育的穴盤苗中的壞苗、病弱苗剔除并將裝滿健康幼苗供苗盤中的幼苗補充回空缺區(qū)域[12]。對于溫室穴盤苗移栽工作來說，幼苗穴盤密度大且幼苗莖葉脆弱易受到損傷，因此要求剔補苗機構(gòu)具有較高的平穩(wěn)性、精確性、結(jié)構(gòu)鋼性。

2.1 并聯(lián)機構(gòu)的構(gòu)成

如圖2 所示，并聯(lián)機器人由機架、靜平臺、3 條支鏈、動平臺和末端執(zhí)行器組成。靜平臺上安裝有3臺伺服電機，每臺伺服電機分別控制1 條支鏈，每條支鏈包含1 條主動臂和1 條從動臂，伺服電機和主動臂連接在靜平臺上并控制其作旋轉(zhuǎn)運動，帶動從動臂驅(qū)使動平臺在工作空間內(nèi)作三自由度運動，在整個工作過程中，動平臺和靜平臺保持平行狀態(tài)。

圖3 實際移栽軌跡

2.2 輸送裝置工作流程

在取苗、移苗、植苗3 個過程中，要確保穴盤苗完整、平穩(wěn)地栽植到穴盤中。在剔補苗機器人工作時需要降低末端取苗爪所受的沖擊力與振動力；以辣椒幼苗為例，在并聯(lián)機構(gòu)工作的一個周期中，要避免周圍的辣椒幼苗對被移栽對象造成干涉；另外，整個過程末端執(zhí)行器運動要求高精度、高效率完成栽植苗過程。

該剔補苗機器人在一個移苗周期內(nèi)需要完成抓、投兩個動作指令，需要在供苗盤中抓取健康的辣椒幼苗，上升到高度H，接著按照平行運動軌跡移動到植苗盤的空穴，然后進行下降投苗。如圖4 所示，本文中機器人主要實現(xiàn)穴盤苗點對點剔除、栽植。在移苗過程中經(jīng)過拐點處會產(chǎn)生較大的沖擊力，可能會導(dǎo)致缽苗盤根破碎，如圖5 所示，在拐點處設(shè)計適合作業(yè)要求的圓弧形過渡[10]，可以減少因慣性帶來的沖擊。對末端執(zhí)行器的運動進行合理的軌跡規(guī)劃，可以提高移栽穩(wěn)定性，減小系統(tǒng)運動沖擊，有效地保證缽苗的完整性。

圖4 移栽過程

圖5 穴盤苗的移栽軌跡

剔補苗機器人與輸送裝置集成后，輸送裝置通過驅(qū)動電機驅(qū)動鏈條運轉(zhuǎn)，現(xiàn)以供苗盤工作一側(cè)為例，演示其在穴盤苗進入到離開輸送裝置的工作過程[12]。

（1）剔補苗機器人執(zhí)行工作前：苗盤未進入輸送裝置，定位氣缸活塞處于伸長狀態(tài)，如圖6（a）所示。

圖6 輸送裝置工作流程

（2）剔補苗機器人開始工作時：苗盤進入輸送裝置，到達氣缸活塞位置時停止，此時苗盤進入工作區(qū)域，剔補苗機器人開始進行剔補苗作業(yè)，如圖6（b）所示。

（3）當(dāng)此苗盤被檢查完畢時：定位氣缸的活塞收縮，苗盤隨輸送裝置向前移動，如圖6（c）所示.

（4）當(dāng)氣缸活塞收縮時：新的苗盤被放入輸送裝置，如圖6（d）所示。

（5）當(dāng)已完成剔補的苗盤離開輸送裝置時：已完成剔補的苗盤的前端擋住光電傳感器，定位氣缸的活塞伸長，如圖6（e）所示，輸送裝置繼續(xù)工作，按照步驟（1）剔補苗機器人開始重新工作，如圖6（f）所示。

3 圖像識別方法研究

近年來，隨著工業(yè)視覺技術(shù)的發(fā)展，以農(nóng)作物為對象進行視覺特征識別方面的研究不斷深入，本文為了實現(xiàn)對穴盤幼苗生長狀態(tài)的實時檢測，設(shè)計了一種基于PLC 控制的信息采集系統(tǒng)[13]，通過分析幼苗葉片圖像，以實現(xiàn)對缺苗、病弱苗的精確識別。如圖7 所示，通過工業(yè)相機對幼苗進行識別，圖像經(jīng)過處理后傳送給PLC 控制器，進而完成剔補作業(yè)。

圖7 圖像采集系統(tǒng)

圖8 圖像處理

3.1 工業(yè)相機的選擇

機器視覺系統(tǒng)的核心部件，工業(yè)相機的選擇對于穴盤苗狀態(tài)的識別起著決定性作用，對于本實驗中，要求相機具備高分辨率、動態(tài)范圍大等特點。

CCD 和CMOS 傳感器是目前最常見用于工業(yè)生產(chǎn)的感光傳感器，CMOS 信號讀取十分簡單，還能同時處理各單元的圖像信息，速度也比CCD 快很多。但CCD 采用PN 結(jié)構(gòu)或二氧化硅（SiO2）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量比CMOS 高。CCD 相機的ISO感光度、分辨率、噪點要優(yōu)于CMOS 相機，COMS 相機邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強，其集成度、功耗、成本相較于CCD 更優(yōu)。隨著CMOS 成像技術(shù)的不斷發(fā)展，有越來越多的公司可以提供高品質(zhì)的CMOS 成像芯片。 本實驗選用?？低昅V-CE060-10UC。表1 為所選取的工業(yè)相機的相關(guān)參數(shù)。

表1 工業(yè)相機參數(shù)

3.2 圖像處理方法

穴盤苗生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)都對蔬菜生長起到?jīng)Q定性作用。目前我國的剔補苗工作主要由人工進行，工人通過肉眼識別幼苗的生長狀態(tài)，判別是否為病弱苗，但是缺乏系統(tǒng)性，主觀的判別在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生誤差，精確度低[14]，因此開展數(shù)字化判別技術(shù)研究、建立數(shù)字化判別基準是極為重要的。

圖像處理流程如圖9 所示，利用open cv 的ndarray 切片方式，截取圖像；利用open cv 進行圖像灰度化、圖像去噪、圖像分割等圖像處理環(huán)節(jié)；使用canny 邊緣檢測算法提取辣椒苗莖稈輪廓，根據(jù)參照物像素大小求出辣椒苗莖稈實際尺寸。

圖9 圖像處理流程

根據(jù)對幼苗固定生長周期的多盤穴盤苗進行統(tǒng)計分析，設(shè)定莖粗健康值范圍，若幼苗固定生長期的莖粗在范圍之外，判定為不健康幼苗，莖粗為0 時，為缺苗[15]。

4 并聯(lián)剔補苗機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

對于本剔補苗機器人的控制系統(tǒng)主要基于PLC系統(tǒng)，這種開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以滿足實驗要求。本文中剔補苗并聯(lián)機器人主要任務(wù)是將培育穴盤中的缺苗、病弱苗識別出來，并將病弱苗剔除，同時把供苗盤中的健康幼苗移栽到育苗盤中，根據(jù)所給的穴盤苗擬運動軌跡完成剔補苗移栽任務(wù)。所述并聯(lián)剔補苗機器人共有3 條驅(qū)動支鏈，每條驅(qū)動支鏈分別被伺服電機控制并帶動末端執(zhí)行器進行取苗工作，這需要控制系統(tǒng)具有進行多軸控制并聯(lián)機器人的能力[10]，其總體控制方案見圖10。

圖10 控制系統(tǒng)示意圖

基于并聯(lián)機器人的剔補工作特點，以及可以適應(yīng)不同的工作模式。本控制系統(tǒng)將基于PC 機搭建一套開放式的控制系統(tǒng)，如圖11 所示，由PLC 系統(tǒng)進行控制[16]，PLC 系統(tǒng)是以計算機為核心實現(xiàn)對伺服系統(tǒng)以及其他傳感的控制。PLC 控制器控制伺服電機驅(qū)動主動臂動作，進而控制電磁閥和末端執(zhí)行器動作。

圖11 PLC 控制系統(tǒng)

5 結(jié) 論

（1）本文設(shè)計了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的用于溫室穴盤剔補苗的并聯(lián)機器人，將第一代的并聯(lián)機器人結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，增加其工作時的平穩(wěn)性，使并聯(lián)機器人可以適應(yīng)高速剔補苗工作。

（2）本文明確指出溫室穴盤剔補苗機器人的路徑規(guī)劃、圖像處理、視覺識別，接下來對剔補苗機器人的研究具有參考作用。