基于標(biāo)準(zhǔn)化果園采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)

田壯 劉富成

摘 要：隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器人逐漸走進(jìn)人們的生活。果實(shí)成熟后，對(duì)果實(shí)進(jìn)行采摘往往需要農(nóng)民付出很大的勞動(dòng)量。因此，采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中就顯得十分重要[1]。本文設(shè)計(jì)了一種標(biāo)準(zhǔn)化種植果園的采摘機(jī)器人，詳細(xì)介紹了其機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程以及其工作特點(diǎn)分析，為采摘機(jī)器人的自動(dòng)化、高效化研究提出了一種新的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);機(jī)器人;果蔬采摘

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.099

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著廣闊的種植面積和廣大的農(nóng)民群眾，每年生產(chǎn)的糧食以及果蔬產(chǎn)量極大。這就要求農(nóng)民們?cè)谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中投入很大的勞動(dòng)力，傳統(tǒng)的耕作以及收獲方式是以人力為動(dòng)力的方式，但果實(shí)的收獲必須要做到及時(shí)以保證果實(shí)質(zhì)量，這就要求農(nóng)民在短時(shí)間內(nèi)收獲大量果實(shí)，顯然存在很大困難。為了解決這一問(wèn)題，采摘機(jī)器人便逐漸進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

農(nóng)業(yè)采摘的自動(dòng)化是如今采摘作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，但由于如今人工智能技術(shù)還不夠成熟，當(dāng)今農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展還沒(méi)有做到任意地點(diǎn)全自動(dòng)化，很難做到在一個(gè)完全陌生的環(huán)境下工作，這就要求大規(guī)模的農(nóng)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)規(guī)范種植、標(biāo)準(zhǔn)種植。減少機(jī)器人由于種植不規(guī)范而造成的誤動(dòng)作[2]。本文所設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人便是在標(biāo)準(zhǔn)化果園里進(jìn)行采摘作業(yè)的，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化種植果園內(nèi)的高效、精準(zhǔn)采摘，為農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人進(jìn)一步的自動(dòng)化、高效化研究提出了一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，采摘機(jī)器人由底盤(pán)、傳感器固定架、紅外傳感器、兩個(gè)球狀萬(wàn)向輪、支撐柱、驅(qū)動(dòng)輪、車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)、收集箱、舵機(jī)、傾斜底板、機(jī)械臂、底部固定架、視覺(jué)模塊以及主控板組成。

1.2 各部件裝配關(guān)系

第一球狀萬(wàn)向輪和第二球狀萬(wàn)向輪分別通過(guò)相應(yīng)的支撐柱固定在底盤(pán)上;第二球狀萬(wàn)向輪的支撐柱短于第一球狀萬(wàn)向輪的支撐柱。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪對(duì)稱(chēng)設(shè)置于底盤(pán)后部左右兩側(cè)，分別與相應(yīng)的車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接，如驅(qū)動(dòng)輪采用橡膠輪;車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別通過(guò)相應(yīng)的電機(jī)固定架固定在傳感器固定架和底盤(pán)上。

收集箱頂部開(kāi)口，底部設(shè)置有一個(gè)從后部向前部?jī)A斜的傾斜底板，前部設(shè)置有收集箱門(mén)，收集箱門(mén)由舵機(jī)控制其開(kāi)合。采摘臂包括底部固定架、第一臂桿、第二臂桿和機(jī)械手，底部固定架可轉(zhuǎn)動(dòng)地設(shè)置在底盤(pán)上以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)360°旋轉(zhuǎn);第一臂桿一端與底部固定架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端與第二臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接以實(shí)現(xiàn)所述采摘臂豎直平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng);機(jī)械手可轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)置在第二臂桿的外端，第二臂桿上靠近機(jī)械爪的部分還設(shè)置有攝像頭。

底部固定架與底盤(pán)之間設(shè)置有舵機(jī)，第一臂桿一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與底部固定架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另一端通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與第二臂桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接;機(jī)械手通過(guò)舵機(jī)與第二臂桿的外端連接。本設(shè)計(jì)，底部固定架總體呈圓柱形框架結(jié)構(gòu)，底部固定架的底平面上固定舵機(jī)，底部固定架的頂平面上固定有一對(duì)第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，底座固定架位于兩個(gè)車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的中間位置。

2 機(jī)器人的工作過(guò)程

工作時(shí)，視覺(jué)模塊會(huì)建立空間坐標(biāo)系，將目標(biāo)位置數(shù)據(jù)的坐標(biāo)反饋給主控板，主控板給電機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，控制機(jī)器人行進(jìn)至目標(biāo)位置，進(jìn)行采摘?jiǎng)幼?。另外，果園內(nèi)部地面上應(yīng)設(shè)有相關(guān)采摘點(diǎn)標(biāo)識(shí)，當(dāng)機(jī)器人的傳感器識(shí)別到果園內(nèi)相關(guān)標(biāo)識(shí)時(shí)，機(jī)器人發(fā)出信號(hào)，使得車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制轉(zhuǎn)速，使車(chē)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)降低轉(zhuǎn)速，直到視覺(jué)模塊識(shí)別到所要采摘的位置時(shí)停止。

機(jī)械臂的舵機(jī)會(huì)根據(jù)接受的信號(hào)，控制底部固定架旋轉(zhuǎn)一定角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)根據(jù)接受的信號(hào)旋轉(zhuǎn)一定角度，使第一臂桿轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)會(huì)根據(jù)接受的信號(hào)，控制第二臂桿轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，當(dāng)機(jī)械爪移動(dòng)到果實(shí)所在位置時(shí)，攝像頭會(huì)識(shí)別前方有沒(méi)有果實(shí)，如果有，會(huì)發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，控制機(jī)械爪將果實(shí)抓取，抓取果實(shí)之后，會(huì)發(fā)送信號(hào)給舵機(jī)、第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)、第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將物體送至收集箱。

在機(jī)器人不在卸載區(qū)時(shí)，舵機(jī)會(huì)鎖死收集箱門(mén)，使其承受果實(shí)壓力而緊閉，當(dāng)達(dá)到卸載區(qū)時(shí)，機(jī)器人發(fā)出信號(hào)給舵機(jī)，讓其轉(zhuǎn)動(dòng)，控制收集箱門(mén)打開(kāi)，收集箱底部有一個(gè)從后部向前部?jī)A斜的傾斜底板，使得卸載果實(shí)時(shí)，利用果實(shí)的自重，讓其自然滑落。

3 機(jī)器人的工作特點(diǎn)分析

用了舵機(jī)控制收集箱門(mén)，收集箱底部采用了傾斜底板，使得收集的物體自動(dòng)卸載;采用攝像頭視覺(jué)技術(shù)，可以準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)處有無(wú)物體，使用方便，自動(dòng)化程度高，可以代替人工進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間采摘工作，節(jié)省人力物力。但所有采摘工作的前提是在滿足此機(jī)器人工作的標(biāo)準(zhǔn)化果園內(nèi)進(jìn)行。

4 總結(jié)

由于人工智能技術(shù)水平的限制，如今的采摘機(jī)器人只能在標(biāo)準(zhǔn)化的果園內(nèi)進(jìn)行采摘作業(yè)[3]。本文從機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作過(guò)程以及其工作特點(diǎn)三個(gè)方面介紹了一種新型的采摘機(jī)器人，為采摘機(jī)器人的自動(dòng)化、高效化研究提出了一種新的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法。相信在不遠(yuǎn)的未來(lái)，通過(guò)科學(xué)家們不懈的努力，采摘機(jī)器人將更加普遍、更加高效地運(yùn)用在農(nóng)業(yè)科學(xué)中，切實(shí)的幫助農(nóng)民完成采摘作業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]伍錫如，雪剛剛，劉英璇.基于深度學(xué)習(xí)的水果采摘機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2020，42（02）：177-182+188.

[2]楊玉，王政博.基于雙目視覺(jué)的采摘機(jī)器人[J].電子世界，2019（07）：47-48.

[3]張莎，馮聰利，趙培.水果采摘裝置的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（07）：84-85.