劉志剛,王風(fēng)燕,魏　純

( 1.南昌大學(xué)，南昌　330031；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)　473000；4.武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢　430212)

?

精密草莓采摘機(jī)器人優(yōu)化設(shè)計(jì)
—基于光程調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)

劉志剛1,2,王風(fēng)燕3,魏純4

( 1.南昌大學(xué)，南昌330031；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng)473000；4.武漢東湖學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，武漢430212)

摘要：在機(jī)器人草莓采摘過(guò)程中，由于草莓果實(shí)比較脆弱，加上其體積較小，因此存在較高的破碎率和漏采率，這都與草莓采摘機(jī)器人的定位精度有關(guān)。為了提高草莓采摘過(guò)程的定位精度，在采集機(jī)器人定位系統(tǒng)的引入了一種新的光定位結(jié)果，并提出了一種用于真空懷特池光程調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，利用該機(jī)構(gòu)的反饋源信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)采摘機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的精密草莓采摘機(jī)器人的可靠性，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的草莓采摘試驗(yàn)，并對(duì)其破碎率和漏采率進(jìn)行了測(cè)試。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該裝置可以有效地降低草莓采摘的破碎率和漏拾率，且采摘耗時(shí)低、效率高，可以滿足草莓采摘實(shí)際生產(chǎn)的需要。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人；光程調(diào)節(jié)；懷特池；破碎率；漏摘率

0引言

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各國(guó)的重視，許多發(fā)達(dá)國(guó)家投入了大量的人力物力，并取得了一定的成果。國(guó)外對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)已經(jīng)比較成熟，主要包括番茄機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人及黃瓜采摘機(jī)器人等。國(guó)內(nèi)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究比較晚，起步于20世紀(jì)90年代，相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)落后很多，但是發(fā)展速度較快，很多院校和研究研究所已經(jīng)成功地研制了許多類(lèi)型的機(jī)器人，并且智能控制水平得到了很大幅度的提高。隨著農(nóng)業(yè)人口的減少，為了適應(yīng)農(nóng)業(yè)規(guī)?；?、多樣化、精確性的發(fā)展方向，必須加強(qiáng)機(jī)器人方面的研究。

1整體設(shè)計(jì)

與普通作物的采摘不同，草莓采摘過(guò)程具有很多要求，這與其栽培的地形地貌有關(guān)。草莓栽培溫室具有溫度高、溝壟窄而面不平整、壟面低矮等特點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)溫室溝壟略寬且平整，壟面也略高一些，因此采摘機(jī)器人需要具有一定的特點(diǎn)。根據(jù)草莓采摘的特點(diǎn)，采用跨壟四輪行走機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人，其三維模型如圖1所示。

圖1　草莓采摘機(jī)器人三維模型

該機(jī)器人動(dòng)力裝置為步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器使用脈沖信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手采用無(wú)自由度機(jī)械臂。其中，控制器的功能包括運(yùn)行導(dǎo)航、果實(shí)識(shí)別定位、機(jī)械臂控制及末端執(zhí)行器控制，草莓采摘機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1懷特池反饋源信號(hào)

一般情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)光源可方便地改變?nèi)肷涔馐奈恢谩?duì)于偏轉(zhuǎn)角的調(diào)節(jié)，普通懷特池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可直接微調(diào)改變偏轉(zhuǎn)角度；但在真空懷特池系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)自身的密封性，使得這一過(guò)程難以實(shí)現(xiàn)。為此，本文提出了一種用于真空懷特池光程調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)。

圖2　機(jī)器人整體設(shè)計(jì)方案

圖3為懷特池結(jié)構(gòu)原理圖。在真空懷特池設(shè)計(jì)時(shí)，首先在真空罐體上靠近凹球面鏡A1、A2的一側(cè)安裝兩組法蘭式實(shí)心軸磁流體密封件，并在其軸外端各安裝一個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕，如圖4所示。

圖3　懷特池結(jié)構(gòu)原理圖

1.旋鈕　2.法蘭式實(shí)心軸磁流體密封件　3.真空罐體

當(dāng)需調(diào)節(jié)光程時(shí)，在真空罐外配合轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)旋鈕，扭矩通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳遞給絲桿，再轉(zhuǎn)化為滑塊的移動(dòng)副，使與之對(duì)應(yīng)的凹球面鏡繞其旋轉(zhuǎn)中心運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了凹球面鏡的偏轉(zhuǎn)角的調(diào)整，光程也隨之發(fā)生改變。

圖5為草莓采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)。一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括圖像采集、圖像處理和分析、輸出或顯示單元。本文在實(shí)際采集系統(tǒng)中引入了真空懷特池光程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可以提高圖像采集的精度。

圖5　機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

圖6為利用真空懷特池光程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)得到的高清圖像。利用機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行處理，得到識(shí)別率很高的二值圖，從而提高機(jī)器人的采摘精度，降低破碎率和漏采率。

圖6　草莓圖像處理結(jié)果

2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人系統(tǒng)硬件由輪式移動(dòng)平臺(tái)、關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械臂、雙耳視覺(jué)相機(jī)、柔性末端執(zhí)行器、人機(jī)交互模塊及系統(tǒng)控制器等6部分構(gòu)成，如圖7所示。系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)控制算法運(yùn)行及控制信號(hào)接收發(fā)送，從而協(xié)調(diào)控制各功能部件。

1.移動(dòng)平臺(tái)　2.聲納傳感器　3采摘機(jī)械臂

運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)用于局部范圍內(nèi)精密調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器和采摘目標(biāo)的相對(duì)位置，包含3個(gè)平動(dòng)自由度和1個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，如圖8所示。

1.電動(dòng)機(jī)1　2.橫梁　3.電動(dòng)機(jī)2　4.絲杠導(dǎo)軌模組1

由圖8可知：在電動(dòng)機(jī)l的驅(qū)動(dòng)下，絲杠導(dǎo)軌模組2隨滑塊1沿x方向平動(dòng)；在電動(dòng)機(jī)2的驅(qū)動(dòng)下，整個(gè)絲杠導(dǎo)軌模組2和電動(dòng)機(jī)4一同相對(duì)于滑塊2沿y方向平動(dòng)；在電動(dòng)機(jī)3的驅(qū)動(dòng)下，絲杠導(dǎo)軌模組3可相對(duì)于滑塊3沿z方向平動(dòng)。

末端執(zhí)行器由機(jī)械手、攝像頭、刀片和光纖傳感器組成(見(jiàn)圖9)，能夠以剪切并夾持果柄的方式摘取草莓。攝像頭位于機(jī)械手正下方，用于判斷采摘目標(biāo)與末端執(zhí)行器在x、y方向上的位置偏差。

1.機(jī)械手　2.手鉗a　3.光纖傳感器a　4.光纖傳感器b

2.3電機(jī)控制PID反饋模型

對(duì)于三相繞組電動(dòng)機(jī)，在忽略了內(nèi)部繞組電容的前提下，其電壓矢量和磁鏈?zhǔn)噶靠梢员硎緸?/p>

(1)

其中，Us為定子電壓矢量；Rs和Ls分別表示定子電阻和定子電感；ψs和ψr分別表示定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?；Is表示定子電流。由此可以得到永磁同步電機(jī)三相繞組的電壓回路方程為

(2)

其中，UA、UB、UC為各相繞組端電壓；iA、iB、iC為各相繞組電流；ψA、ψB、ψC為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在定子繞組中產(chǎn)生的交鏈；p為微分算子d/dt。

(3)

另外，對(duì)于星形接法的三相繞組，根據(jù)基爾霍夫(Kirchhoff)定律有

iA+iB+iC=0

(4)

通過(guò)整理可以得到

(5)

因此，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓來(lái)對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶亢娃D(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶?，控制機(jī)器人的輸出。

圖10為草莓采摘機(jī)器人的PID控制系統(tǒng)。為了提高機(jī)器人的定位精度，采用PID調(diào)節(jié)器來(lái)降低機(jī)器人的定位精度，從而提高采摘效果。

圖10　PID控制器

3多信道路由花生精量播種機(jī)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的高精度草莓采摘機(jī)器人的采摘效果，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的草莓采摘試驗(yàn)，其草莓識(shí)別部分采用光程調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。試驗(yàn)裝置和采摘過(guò)程如圖11所示。

圖11　草莓采摘過(guò)程示意圖

為了測(cè)試機(jī)器人的采摘效果，以漏采率、破碎率及空穴率作為試驗(yàn)指標(biāo)，其統(tǒng)計(jì)計(jì)算公式分別為

(6)

(7)

其中，T表示田地草莓的總量；y1表示漏拾的數(shù)目；y2表示破碎的數(shù)目。

圖12為破碎率隨時(shí)間的變化曲線。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人的采摘效果，將傳統(tǒng)機(jī)器人和本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比。由圖12可以看出：本文設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人的采摘破碎率明顯比傳統(tǒng)的機(jī)器人低，并且采摘的破碎率比較穩(wěn)定，不隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生大的波動(dòng)，采摘效果較好。

圖12　破碎率隨采摘時(shí)間變化曲線

表1為對(duì)本文設(shè)計(jì)的高精度草莓采摘機(jī)器人機(jī)械測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果。由表1可以看出：在長(zhǎng)度為10m的單行采摘任務(wù)上，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人僅需要1min左右，而傳統(tǒng)機(jī)器人需要5min左右才能完成；對(duì)漏采率進(jìn)行6次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：其漏采率較低，最大漏采率僅為0.72%，滿足草莓采摘的需求，從而驗(yàn)證了機(jī)器人的機(jī)械作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

表1　采摘時(shí)間和漏采率實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

4結(jié)論

1)為了提高草莓采摘機(jī)器人的定位精度，在圖像采集和定位系統(tǒng)中使用了一種新的可調(diào)式真空懷特池調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并采用簡(jiǎn)單的機(jī)械原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便，只需在真空罐外轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕即可完成調(diào)節(jié)。實(shí)踐驗(yàn)證表明，該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。

2)為了驗(yàn)證機(jī)器人的草莓采摘效果，對(duì)草莓采摘機(jī)器人進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。結(jié)果表明：本設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)器人的采摘破碎率明顯比傳統(tǒng)的機(jī)器人低，且采摘的破碎率比較穩(wěn)定，不隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生大的波動(dòng)；漏采率較低，最大漏采率僅為0.72%，滿足草莓采摘的需求，從而驗(yàn)證了機(jī)器人的機(jī)械作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋志強(qiáng),倪家升,尚盈,等.光纖藕合結(jié)構(gòu)長(zhǎng)光程懷特池氣體傳感器[J].光電子激光,2012,23(6):1082-1085.

[2]劉文彬,謝品華,司福祺,等.便攜式差分吸收光譜氣體監(jiān)測(cè)儀的研究[J].光學(xué)技術(shù),2008,34(S1):103-105.

[3]White J U. Long optical paths of large aperture[J]. J Opt Soc Am,1942,32:285-288.

[4]Chernin S M, Barskaya E G. Optical multipass matrix systems[J]. Appl Opt, 1991,30(1):51-58.

[5]Herriott D, Kogelnik H, Kompfner R. Off-axis path in spherical mirror interferometers[J]. Appl Opt,1964,3(4): 523-526.

[6]張正周,鄭旗,李娟,等.草莓果實(shí)采后無(wú)害化保鮮技術(shù)研究進(jìn)展[J].保鮮與加工，2013, 13(2): 53-57.

[7]謝志勇,張鐵中,趙金英.基于Hough變換的成熟草莓識(shí)別技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007,38(3):106-110.

[8]張凱良,楊麗,張鐵中.草莓采摘位置機(jī)器視覺(jué)與激光輔助定位方法木[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(4):151-156.

[9]馮青春,鄭文剛,姜?jiǎng)P,等.高架栽培草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(7):122-126.

[10]張凱良,楊麗,王糧局,等.高架草莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2012, 43(9):165-172.

[11]高銳.草莓收獲機(jī)器人的初步研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[12]徐麗明,張鐵中.我國(guó)草莓生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)特點(diǎn)探討[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2006(5):102-106.

[13]謝志勇,張鐵中.基于RGB彩色模型的草莓圖像色調(diào)分割算法[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,1l(1):84-86.

[14]宋健,張鐵中,徐麗明.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006,37(5):158-162.

[15]周天娟,張鐵中．果蔬采摘機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展和分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械,2006(11):38-39.

[16]吳子岳,高煥文,張晉國(guó).玉米秸稈切斷速度和切斷功耗的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2002,32(2):38-41.

[17]何偉, 陳彬, 張玲. DSP/BIOS 在基于 DM642 的視頻圖像處理中的應(yīng)用[J].信息與電子工程,2006, 4(1): 60-62.

[18]龔菲,王永驥.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)自整定與實(shí)時(shí)控制[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002, 30(10): 298-305.

[19]趙望達(dá),魯五一,徐志勝,等. PID控制器及其智能化方法探討[J].化工自動(dòng)化及儀表，1999,26(6):45-48.

[20]谷傳綱,閻防,王彤.采用改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)離心通風(fēng)機(jī)性能的研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(3):43-47.

[21]郭艷兵,齊古慶,王雪光.一種改進(jìn)的BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2002,26(2):13-14.

[22]趙星星,羅克露.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程,2007,33(17):90-92.

[23]馬德新,徐鵬民.實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)pC/OS一11調(diào)度算法的研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(6):73-74.

Optimization Design of Precision Strawberry-picking Robot—Based on Optical Path Adjustment Structure

Liu Zhigang1,2, Wang Fengyan3, Wei Chun4

(1.Nanchang University,Nanchang 330031,China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology, Nanchang 330108,China; 3.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000,China; 4.School of Electronic and Information Engineering,Wuhan Donghu University, Wuhan 430211, China)

Abstract：In the process of strawberry picking robots, because strawberry fruit is fragile, and its volume is small, so the breakage and leakage rate is high, which are related to strawberry picking robot positioning accuracy. In order to improve the positioning accuracy of strawberry picking process, in the acquisition robot localization system introduced a new kind of optical positioning results, and puts forward the vacuum for a white Cell optical path adjustment structure, using the feedback of the signal, realizes the optimization design of picking mechanism. In order to verify the reliability of the design precision of strawberry picking robots, the design of the robot strawberry picking experiment, and the breakage and leakage rate were tested, by testing found that the device can effectively reduce the breakage and leakage of strawberry picking up rate, and lower picking time, high efficiency and can meet the needs of the strawberry picking the practical production.

Key words：picking robot; optical path adjustment; white cell; the broken rate; leakage rate picked

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0016-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.93；TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：劉志剛(1980-)，男，湖北天門(mén)人，副教授，博士。通訊作者：魏純(1983-)，女，武漢人,講師，碩士，(E-mail)weichun1983@yeah.net。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-05-06