馮光

摘 要 設(shè)計(jì)一種機(jī)器人，用來(lái)移動(dòng)水果和采摘水果的智能產(chǎn)物。該機(jī)器人由尾端執(zhí)行器、采摘機(jī)械臂、橫向的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、智能移動(dòng)平臺(tái)以及相關(guān)的控制系統(tǒng)組成，由C語(yǔ)言程序編寫(xiě)的控制程序，開(kāi)發(fā)人機(jī)能夠相互交流的界面。整個(gè)系統(tǒng)工作性能較為穩(wěn)定，對(duì)成熟果實(shí)的正確識(shí)別率為81.5%，成功采摘率為87.1%，每個(gè)水果的采摘耗時(shí)平均為9.45s。

關(guān)鍵詞 采摘機(jī)器人 機(jī)器視覺(jué) 移動(dòng)平臺(tái) 水果

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言

歷年來(lái)，水果生產(chǎn)中，水果采摘一直是最費(fèi)力最耗時(shí)的環(huán)節(jié)之一，它所需全部生產(chǎn)過(guò)程的大約40%左右的勞動(dòng)力。為了使更多的果農(nóng)從復(fù)雜的采摘作業(yè)中得到充分的解放以及提高果實(shí)采摘的效率，一直都有很多國(guó)內(nèi)外的專家以及學(xué)者專心投入對(duì)采摘機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)和研究。

1工作原理與總體結(jié)構(gòu)

1.1工作原理

該機(jī)器人在果園作業(yè)時(shí)是這樣實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的：首先是主體控制器對(duì)由雙目攝像機(jī)采集的果樹(shù)行間的路面圖像進(jìn)行處理，通過(guò)分析得出導(dǎo)航路徑，然后再由串口1收集DGPS位姿信號(hào)，將其與視覺(jué)導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的自主導(dǎo)航。當(dāng)機(jī)器人行進(jìn)至目標(biāo)果樹(shù)位置時(shí)，主控制器將會(huì)發(fā)出使移動(dòng)平臺(tái)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)的指令，然后再通過(guò)RS232向采摘機(jī)械臂發(fā)出控制指令，使機(jī)械臂移動(dòng)到各個(gè)圖像采集位姿。當(dāng)對(duì)果樹(shù)的圖像采集完成后，主控制器還會(huì)對(duì)成熟果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位，然后通過(guò)RS232向末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，末端執(zhí)行器便抓取果實(shí)。采摘完成后，各級(jí)機(jī)械臂回到導(dǎo)航初始位置，重復(fù)執(zhí)行以上采摘作業(yè)。

1.2總體結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人是履帶式的，主要由控制系統(tǒng)及其機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)組成。機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)如圖1所示，主要包括橫向滑移機(jī)構(gòu)，末端執(zhí)行器，采摘機(jī)械臂，移動(dòng)平臺(tái)等?？刂葡到y(tǒng)主要包括雙目攝像機(jī)，數(shù)據(jù)采集卡，機(jī)械臂控制器，末端采集控制器，運(yùn)動(dòng)控制卡，GPS，1394轉(zhuǎn)換卡，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及各傳感器和各個(gè)控制電路等。移動(dòng)平臺(tái)包括固定平臺(tái)，機(jī)架，履帶式行走裝置等。

2工作主要部件

2.1橫向的滑移機(jī)構(gòu)

在前期的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)果實(shí)的采摘有兩種漏摘現(xiàn)象：（1）當(dāng)果實(shí)與攝像機(jī)的距離低于0.85m時(shí)，攝像機(jī)不能準(zhǔn)確的對(duì)果實(shí)進(jìn)行立體匹配；（2）當(dāng)機(jī)械臂基坐標(biāo)系原點(diǎn)與果實(shí)距離超過(guò)1.75m時(shí)，果實(shí)將超出機(jī)械臂采摘范圍。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2所示的橫向滑移機(jī)構(gòu)，將機(jī)械臂底座固定安裝在滑移機(jī)構(gòu)的滑臺(tái)上，使機(jī)械臂與果樹(shù)之間的距離以及攝像機(jī)與果樹(shù)間的距離均能方便調(diào)節(jié)，很好地解決了漏摘的問(wèn)題。

2.2末端執(zhí)行器與采摘機(jī)械臂

末端執(zhí)行器采用的是由德國(guó)SCHUNK公司生產(chǎn)的型號(hào)為EVG55HUB100的產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該執(zhí)行器的抓取動(dòng)作是由滑覺(jué)傳感器和力傳感器的信號(hào)決定的。

采摘機(jī)械臂采用的是由日本安川公司生產(chǎn)的MOTOMAN-SSF2000型的工業(yè)機(jī)器人。其額度負(fù)載為6kg，采摘半徑為1378mm，度2403mm，機(jī)械臂底座距離地面的高度為1200mm。

2.3履帶式的移動(dòng)平臺(tái)

為了可以準(zhǔn)確獲取障礙物的距離和行駛路徑等信息，此次設(shè)計(jì)采用了減振性能較好的橡膠履帶。為了避免鋼制驅(qū)動(dòng)輪與橡膠履帶配合造成橡膠履帶磨損過(guò)快的缺陷，驅(qū)動(dòng)輪采用了超高分子聚乙烯材料。移動(dòng)平臺(tái)的行走裝置采用了安川電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，這種電動(dòng)機(jī)只需改變驅(qū)動(dòng)器設(shè)置，便可實(shí)現(xiàn)交流與直流間的供電切換，這樣便減少了有些果園沒(méi)有三相交流電的使用限制。

3機(jī)器的視覺(jué)系統(tǒng)

3.1果實(shí)的定位與識(shí)別

定位系統(tǒng)和果實(shí)識(shí)別的硬件主要由1394轉(zhuǎn)換卡，雙目攝像機(jī)和主控制器組成。先由攝像機(jī)采集果樹(shù)圖像，然后通過(guò)1394轉(zhuǎn)換卡將采集到的果樹(shù)圖像傳輸?shù)街骺刂破?，在主控制器中采用各種圖像處理算法對(duì)果樹(shù)圖像進(jìn)行處理，從而識(shí)別出成熟的果實(shí)，解算出果實(shí)在機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

3.2果實(shí)的圖形采集

由于攝像機(jī)的視野有限，只采集一幅圖片是不能對(duì)整棵果樹(shù)進(jìn)行覆蓋的，所以采集圖像時(shí)機(jī)械臂需要在多個(gè)不同的位姿進(jìn)行采集。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，大部分果樹(shù)需要采集6幅圖片方可覆蓋。系統(tǒng)每采集一幅圖，就會(huì)對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別和定位處理，并且對(duì)該圖片中成熟果實(shí)的位姿信息進(jìn)行保存，然后由上位機(jī)根據(jù)成熟果實(shí)的位姿信息對(duì)機(jī)械臂采摘路徑作出規(guī)劃。當(dāng)一幅圖像中的成熟果實(shí)采集完畢后，機(jī)械臂自行運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)圖像采集位姿，并重復(fù)以上圖片的采集過(guò)程，直至6幅圖片中所有被識(shí)別的成熟果實(shí)采集完畢。

4控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

這個(gè)采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由上、下位機(jī)控制器和傳感系統(tǒng)等部分組成，該硬件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

4.2下位機(jī)和上位機(jī)的控制器

該控制系統(tǒng)采用的是上、下位機(jī)兩層結(jié)構(gòu)，下位機(jī)控制器包括：末端執(zhí)行器控制器，機(jī)械臂控制器及移動(dòng)平臺(tái)控制器。上位機(jī)控制器采用研華IPC610-H型工控機(jī)，其主頻為2.66GHZ，CPU為Core2雙核。機(jī)械臂控制器由RS232與上位機(jī)控制器連接進(jìn)行通信。末端執(zhí)行控制器也是如此通信，該控制器用來(lái)控制末端執(zhí)行器手指閉合和張開(kāi)的位置與速度。移動(dòng)平臺(tái)控制器采用研華PCI1240U，該控制器通過(guò)PCI總線與上位機(jī)控制器，進(jìn)行通信，該控制器能控制4個(gè)自由度，移動(dòng)平臺(tái)只要其中兩軸即可，其他兩軸可用來(lái)作為功能拓展。

4.3傳感器的系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)主要由滑覺(jué)傳感器、力傳感器、GPS和雙目攝像機(jī)組成。攝像機(jī)采用的是Point Grey Research公司的bumblebee2型攝像機(jī)，其基線長(zhǎng)120mm，焦距為3.8mm。

攝像機(jī)通過(guò)1394轉(zhuǎn)接卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPS采用JAVAD公司所生產(chǎn)的機(jī)器，其接收機(jī)天線型號(hào)為GPS702-GG。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確測(cè)向和定位?；X(jué)傳感器與力傳感器的型號(hào)分別為FSR-406和FSR-402。

4.4軟件的系統(tǒng)

整個(gè)控制系統(tǒng)軟件是在VC++6.0中開(kāi)發(fā)完成的，其程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述如下：（1）系統(tǒng)設(shè)備初始化。（2）主控制器首先通過(guò)1394轉(zhuǎn)接卡采集雙目攝像機(jī)所拍攝的路面圖像，通過(guò)RS232采集GPS航向信息及位置坐標(biāo)。然后主控制器對(duì)導(dǎo)航圖像進(jìn)行處理，并提取視覺(jué)導(dǎo)航參數(shù)。最后主控制器再根據(jù)GPS采集位置和航向信息以及坐標(biāo)導(dǎo)航圖像信息進(jìn)行決策分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的自主導(dǎo)航。（3）主控制器通過(guò)1394轉(zhuǎn)接卡采集雙目攝像機(jī)拍攝的果樹(shù)圖像，對(duì)成熟果實(shí)進(jìn)行識(shí)別與定位。并將攝像機(jī)坐標(biāo)系下目標(biāo)果實(shí)的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到采摘機(jī)械臂的基坐標(biāo)系下。再由主控制器根據(jù)果實(shí)位置坐標(biāo)對(duì)機(jī)械臂采摘路徑進(jìn)行規(guī)劃。（4）當(dāng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)姿位后，主控制器通過(guò)RS232向末端執(zhí)行控制器發(fā)出指令，是末端執(zhí)行器抓取果實(shí)。（5）重復(fù)以上四個(gè)步驟直到機(jī)械臂采摘范圍內(nèi)的果實(shí)采摘完畢。（6）機(jī)械臂回到導(dǎo)航的初始位姿，并重復(fù)以上自主導(dǎo)航和自主采摘過(guò)程。

5采摘機(jī)械臂的路徑規(guī)劃

機(jī)械臂的路徑規(guī)劃是果實(shí)采摘的關(guān)鍵問(wèn)題之一。這個(gè)智能采摘機(jī)器人針對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)狀況及果枝分布的特點(diǎn)，采用了多段路徑規(guī)劃來(lái)完成了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制。

如圖6所示，XYZ為機(jī)械臂的基坐標(biāo)系，O為坐標(biāo)原點(diǎn)，F(xiàn)為果實(shí)中心，F(xiàn)？ 為果實(shí)中心在XOY面內(nèi)的投影。A、B、C、D分別為采摘機(jī)械臂處于不同位姿時(shí)其末端執(zhí)行器的對(duì)稱中心點(diǎn)。因?yàn)閳D像采集位姿在采摘之前就已經(jīng)給定了，所以B點(diǎn)的坐標(biāo)是已知的，D點(diǎn)的坐標(biāo)可由雙目視覺(jué)系統(tǒng)求得，故要完成整個(gè)路徑規(guī)劃，必須求出C點(diǎn)的坐標(biāo)，設(shè)C點(diǎn)與D點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)，試驗(yàn)中確定L的長(zhǎng)度為0.5m，由以上已知條件可求得C點(diǎn)的坐標(biāo)。

雙目攝像機(jī)完成圖像采集后，機(jī)械臂腰關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至與Y軸夾角%a 處。。水果采摘時(shí)，機(jī)械臂在由點(diǎn)FOF？構(gòu)成的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，考慮到機(jī)械運(yùn)動(dòng)的平順性，A到B及B到C之間路徑采用的是PTP圓弧插補(bǔ)方式的運(yùn)動(dòng)。C到D之間軌跡采用的是PTP直線插補(bǔ)方式的運(yùn)動(dòng)，末端執(zhí)行器只在FOF？平面上作直線平移，這樣對(duì)應(yīng)果實(shí)采摘所需空間變小，末端執(zhí)行器碰到的樹(shù)枝等障礙的幾率變小，從而保證了果實(shí)采摘的成功率。果實(shí)采摘成功后，先由D回到C，再有C回到果實(shí)收集箱的上方，然后末端執(zhí)行器夾持手指松開(kāi)，果實(shí)下落到收集箱內(nèi)。

6結(jié)論

（1）根據(jù)果樹(shù)智能化的采摘要求，設(shè)計(jì)了智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人，該機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活等優(yōu)點(diǎn)。（2）在VC++6.0中編寫(xiě)了智能移動(dòng)水果采摘機(jī)器人系統(tǒng)控制程序，開(kāi)發(fā)了人機(jī)交互界面。（3）整個(gè)系統(tǒng)將末端執(zhí)行器，傳感器系統(tǒng)，采摘機(jī)械臂，圖像處理算法和移動(dòng)平臺(tái)等部分關(guān)鍵技術(shù)融合在了一起，實(shí)現(xiàn)了末端執(zhí)行器摘取，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，移動(dòng)平臺(tái)導(dǎo)航及水果裝箱等關(guān)鍵動(dòng)作的智能協(xié)調(diào)控制，從而真正實(shí)現(xiàn)了水果采摘的無(wú)人化與智能化。

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