軟棗獼猴桃全自動采摘機器人設計①

叢 闖, 梁秋艷,*, 劉德江, 陳懷洋, 張敏慧, 王雪雨, 趙 敏

(佳木斯大學a.機械工程學院,b.生物與農業學院,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

我國的軟棗獼猴桃種植量呈現出逐年增加的趨勢,軟棗獼猴桃種植面積逐年上升,產業發展日益壯大。采摘作為整個軟棗獼猴桃生產環節中最重要的組成部分,所用勞動力約占整個生產過程所用勞動力的35%～45%,以人工采摘為主,作業強度大、勞動力經費高,影響我國林果產業的進一步發展。目前我國大多數采摘機器人應用視覺技術,屬于半自動機器人,不具備自動巡航的能力,需要手動輸入指令實現對軟棗獼猴桃的采摘。由于智能方面欠缺,采摘通常大部分時間都會是閑置狀態,不具備其他作用,每年啟用時還需進行維修。目前果蔬采摘器人在生產效率和投入產出比方面仍不如人工作業,農業機器裝備的研發、創新有限,存在類型規格少、水平較低而且可靠性差等問題[1]。設計一款軟棗獼猴桃全自動采摘機器人,配有自動導航避障裝置,能夠精準識別方位并控制行進路線,實現收獲精準自動化,極大地降低采摘損耗和人工成本。

1 整體設計方案與工作原理

如圖1所示,軟棗獼猴桃全自動采摘機器人配置的超聲波測距儀器和周圍的紅外測距儀器,可以將實時采集到的數據,通過Arduino開發板對其進行處理,然后對相應的障礙物形狀進行判斷,最后按照程序進行相應的避障路線,從而實現對障礙物的準確避讓?？刂乒裢ㄟ^單雙目相機對軟棗獼猴桃進行拍照,圖像處理和識別成熟的果實。識別后傳輸給控制柜,由控制柜控制升降臺上的滑輪帶動車體到指定位置,再由升降平臺上裝有的機械臂進行采摘。機械臂上主臂控制小臂對樹上的果實進行定位,小臂裝有機械手腕實現精準定位。機械手腕通過機械臂接口裝有采摘機械手,機械手內的切割裝置固定果實,左右側設有連接仿生弧面的圓弧抓手,圓弧抓手內含有刀片和傳感器對固定的果實進行精準采摘,每次采摘力度相同達到降低果實的損耗的效果。采摘下的果實通過機械手下方軟管接口接入的波紋軟管進入機器下方儲存筐。軟棗獼猴桃通過儲存筐達到一定重量后進入自動傳送分揀裝置。由傳送帶運輸進入前端設有的分揀裝置,通過相應大小的孔徑進入儲存筐,從而實現自動傳送分揀。同時機械手不停止對軟棗獼猴桃進行采摘,當面前果實采摘完成后可通過旋轉底座控制機械手臂進行旋轉擴大采摘范圍,效率相對于人工有顯著的提高,且每次采摘力度相同,節省時間與勞動力的同時實現機械化自動快速收獲果實。

2 硬件設計

2.1 升降裝置設計

升降裝置結構由升降平臺、升降裝置、底座滑道、緊鎖裝置、底座、底座液壓缸、驅動器、車輪、模板滑道、模板液壓缸以及穿銷孔組成。摘取系統安裝于升降裝置的升降平臺,并通過摘取系統得的軟棗獼猴桃高處數據傳送到升降系統的驅動器來控制舵機進行升降控制,最后通過底座液壓缸來帶動升降裝置抬高使摘取裝置去摘更高處的軟棗獼猴桃。如圖2所示。

圖1 整體設計原理圖

圖2 升降裝置圖

2.2 機器臂設計

所設計的機械手操作系統,采用越疆公司研制的Dobot四軸高精度輕型桌面級機械手[2],它是在Arduino平臺上進行開發的,它的 I/O擴展接口有13個,可以進行二次開發,重復精度達到0.2 mm,它可以通過內置的Dobot Studio軟件以及Python代碼調用API來進行操作,非常適用于機械手的控制程序,并且它的吸盤末端最大承載重量為500 g,并且它的多自由度,工作范圍大,能夠充分滿足這一系列機械手操作系統的需求。如圖3所示。

2.3 機器手設計

機械手主要由仿生弧形面的抓手固定軟棗獼猴桃以及裝有剪刀可進行剪切的切割裝置兩部分組成。其工作的具體流程是將軟棗獼猴桃摘取裝置連接固定于前端,使摘取部分獲得更多的自由度,在剪切果柄獲得軟棗獼猴桃后,“抓”取軟棗獼猴桃的裝置,即可松開軟棗獼猴桃使軟棗獼猴桃個體,順著整個摘取裝置的中心空洞沿波紋軟管滾下掉落到采摘手正下方的收集裝置中。其控制系統系統以西門子S7-200型PLC為硬件核心設計,還包括外接繼電器、接觸器、開關、報警指示燈、電氣適配件等。此外,在具體的PLC電氣控制回路配置上,應在接線中嚴格檢查各傳感器、電磁閥、氣路氣管、輸入輸出控制端子的連接密封情況,確保柔性手爪的循環采摘作業質量[3]。

圖3 機器臂結構圖

機器手兩側采用一對對射式紅外開關傳感器進行果實位置檢測,中心位置安裝有壓力傳感器檢測夾持力。內襯有厚度為5mm與軟棗獼猴桃仿生弧形面相適應的軟硅膠材料,起到緩沖作用,保證在夾持時避免剛性過大對果實造成損傷,也增強了夾持的可靠性。該切割器以直流電動機為動力源,通過軟管線傳動,帶動機械主臂和機械小臂進行一圈轉動,從而對手指圓周方向上任何位置的軟棗獼猴桃柄進行切割。該方法省去了果實軸向定位、末端執行器定位等繁瑣步驟,大大提高了果實的收獲效率。同時,刀刃也是圓形的,這樣在切水果的時候,可以讓水果的柄部和刃部產生滑移,從而更容易切下,提高了收獲的成功率。其整體結構圖如圖4所示。

2.4 紅外避障模塊

紅外避障模塊所用的傳感器是Arduino UNO紅外避障傳感器[4]。該傳感器能夠適應強光線,它的工作原理是發射管會發射出高頻率的紅外線,遇到障礙物則會反射回來,并通過接收管對它進行接收,然后比較處理。這時綠色指示燈則會亮起,同時信號輸出接口會輸出一個低電平的數字信號,可通過電位器旋鈕調節檢測距離,其工作電壓為3.3V～3.5 V。

2.5 果實自動分揀裝置設計

機器手采摘軟棗獼猴桃后從空洞沿波紋軟管順下至收獲箱,收獲箱滿后將其倒入提升機料斗中,將其輸送至傳送帶上方,由小到大,以適當順序的孔徑落入儲存籃,由倒料口排出,這樣就可以完成大小多種規格均勻分開,分級孔徑可調整[5]。如圖5所示,該設備由四個部分構成,分別是傳送帶、儲存籃、傳送裝置及飾板。裝置采用抗拉、抗撕裂、抗老化硅膠材質,其工作原理采用了喇叭口式從小慢慢變大的構想。當果實在前進時,上方還配備了一個擋料棒,使得橫放在傳送帶上的果實被撥成順向,可以使分類的效果更加精確,從而達到預期的效果。

圖4 機器手結構圖

圖5 果實自動分揀裝置

3 軟件設計

3.1 圖像采集設備數據處理

利用雙目相機拍攝得到的圖片形成的三維圖像、相機坐標系和獲得的軟棗獼猴桃所處高度數據,可知目標果實的大小、三維形狀等[6],通過圖像處理模塊與PC機數據庫中的成熟果實顏色樣本進行比較,從而判斷出目標果實的成熟度,對成熟果實實施準確采摘命令,相機坐標系和軟棗獼猴桃所處高度數據反饋給AGX鎖定,將鎖定信息反饋給Linux嵌入式平臺[9],計算參數信息后導入控制信號給控制柜對舵機進行升降控制,從而控制機械臂對軟棗獼猴桃的精準摘取,將機器人的坐標以及待摘軟棗獼猴桃的坐標數據通過矩陣計算運轉,使舵機控制抓取部分去接近成熟軟棗獼猴桃中心區域,直至使軟棗獼猴桃碰觸到抓取部分的感受器,兩側圓弧狀的爪子收緊來實現抓住軟棗獼猴桃,進而機械爪上的剪刀將莖剪短使軟棗獼猴桃脫落,抓取軟棗獼猴桃的裝置松開,使其順著整個摘取裝置的中心空洞滾下掉落到升降裝置的頂面模板,模板上面放入一個收集裝置,隨后軟棗獼猴桃進入裝置內。頂面模板在承受一定量的軟棗獼猴桃時,摘取裝置停止工作,同時升降裝置開始下降,將摘取的軟棗獼猴桃箱子放下,如圖6所示。

圖6 控制系統原理圖

3.2 路徑規劃精準避障處理

航跡規劃主要包括信息的收集和處理。信息采集是以小車前面的超聲波測距模塊和周圍的4個紅外測距模塊為基礎的,通過Arduino開發板對實時采集到的數據進行處理,然后對對應的障礙物形狀進行判斷,最后按照程序進行相應的避障路徑,從而實現對障礙物的精確避障[7-8]。

在整個采摘過程中,果樹內部的障礙信息是不斷變化的,綜合考慮了全局的已知障礙和隨機的障礙,利用超聲波和四個周圍的紅外測距模塊來探測前方的移動障礙。將柵格法、蟻群算法、C空間方法以及Dijkstra算法相結合,實現了整個采收過程中,整個采收過程的全過程規劃。如圖7所示,采摘機器人按照規劃的路徑向前推進,同時,它還會持續地利用紅外傳感器接收到移動前方的其他的動態障礙物。當它與機器人的前進速度相結合,判斷是否存在碰撞的可能性時,就會調用路徑規劃的算法,再一次進行路徑規劃。這樣,它就會自動地避開前方的障礙物,從而實現對前進道路的軌跡規劃。

圖7 采摘機器人路徑規劃原理圖

4 結 語

針對市面上軟棗獼猴桃全自動采摘機器人的不足,本文設計的采摘機器人在機械手臂上安裝的傳感器極大地降低了果實的破損率;通過添加的紅外避障模塊,實現了自動巡航功能,同時,采摘果實時遇到障礙物可以自動規劃路線,從而實現精準避障;增加自動傳送和分類功能,可在果實采摘完成后直接進入傳送和分類裝置中,將果實按大小進行分類。本設計實現了采摘收集分類全自動化,極大的減少了果實的損耗,解放了人力。