蘋(píng)果采摘機(jī)器人整體設(shè)計(jì)概論

吳旭陽(yáng)

摘 要 在蘋(píng)果果實(shí)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，采摘過(guò)程中是最耗時(shí)、耗力的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果可以在蘋(píng)果的生產(chǎn)環(huán)節(jié)采用性能可靠、功能多元的自動(dòng)機(jī)械裝置，對(duì)于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展有重大意義，故對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械臂、輪式底盤(pán)、視覺(jué)系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、灰度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人原型機(jī)的搭建

關(guān)鍵詞 機(jī)械臂;視覺(jué)系統(tǒng);采摘機(jī)器人

近幾年，蘋(píng)果采摘機(jī)器人是受果農(nóng)喜愛(ài)的一種智能、專業(yè)的采摘設(shè)備，可高效完成采摘作業(yè)，因?yàn)椴烧h(huán)境過(guò)于復(fù)雜，就需要一款適應(yīng)能力強(qiáng)、運(yùn)行性能可靠的采摘裝置，在此情況下，對(duì)蘋(píng)果采摘裝置開(kāi)展深入研究既表現(xiàn)出重大的實(shí)踐意義，還能推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像處理技術(shù)的發(fā)展。

1蘋(píng)果采摘機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人主要由五由度機(jī)械臂、輪式底盤(pán)、灰度檢測(cè)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)與深度距離檢測(cè)系統(tǒng)組成。輪式底盤(pán)、機(jī)械臂構(gòu)成了水果采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)單元，視覺(jué)系統(tǒng)就是采摘機(jī)器人的眼睛對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理得到目標(biāo)的平面坐標(biāo)。深度檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢測(cè)目標(biāo)位置與視覺(jué)相機(jī)的距離。

2控制器

2.1 上位機(jī)

計(jì)算機(jī)作為采摘機(jī)器人的上位機(jī)，是圖像處理與跟蹤控制的核心系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)控制CCD攝像頭采集蘋(píng)果圖像，計(jì)算機(jī)運(yùn)行在Windows平臺(tái)，使用Linkboy作人機(jī)交互界面，計(jì)算機(jī)對(duì)攝像頭進(jìn)行設(shè)置修改相應(yīng)的參數(shù)確保攝像頭清晰成像，計(jì)算機(jī)自動(dòng)保存單目相機(jī)采集的圖像。

2.2 下位機(jī)

下位機(jī)的主板是核心處理器是ATmega2560，Arduino 2560具備雙重供電系統(tǒng)，有USB口供電和外部電池供電，這兩種供電系統(tǒng)會(huì)根據(jù)特定的情況進(jìn)行自動(dòng)切換，Arduino 2560開(kāi)發(fā)板外部供電的額定電壓為7～12V，在7V以下時(shí)I/O口無(wú)法正常工作，在高于12V時(shí)很容易燒壞設(shè)備，因此，本設(shè)計(jì)選用的是9V電池供電。在本文設(shè)計(jì)中下位機(jī)Arduino 2560能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輪式底盤(pán)和機(jī)械臂的控制。

3單目相機(jī)及深度檢測(cè)系統(tǒng)

單目視覺(jué)就像是蘋(píng)果采摘機(jī)器人的眼睛，對(duì)其捕捉到的信息進(jìn)行計(jì)算分析和處理，得到目標(biāo)物體在世界坐標(biāo)系當(dāng)中的位置，本設(shè)[1-2]計(jì)選用的單目相機(jī)是北京維視圖像公司的MV-USB2.0系列相機(jī)中的MV-500 SM工業(yè)相機(jī)，本型號(hào)的相機(jī)結(jié)構(gòu)比較緊湊，小巧輕便、堅(jiān)固耐用、通過(guò)USB接口 傳輸信號(hào)，使用安裝比較方便，同時(shí)可以輸出閃光燈同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)與補(bǔ)光的精確同步。單目相機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)一個(gè)平面內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行定位，但是無(wú)法進(jìn)行在任意空間的位置進(jìn)行確定，設(shè)計(jì)過(guò)程中在單目視覺(jué)系統(tǒng)的正上方安裝了一個(gè)激光測(cè)距傳感器，最遠(yuǎn)測(cè)量距離可達(dá)到兩米。

4輪式底盤(pán)

為了裝載蘋(píng)果采摘機(jī)器人的機(jī)械臂、單目相機(jī)以及其他的檢測(cè)系統(tǒng)，論文的設(shè)計(jì)利用了一輪式底盤(pán)，采用的是實(shí)心鋁板作為輪式底盤(pán)的骨架，尺寸為60cm*40cm*10cm，選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，直流電機(jī)具有響應(yīng)快，力矩大，有較大的過(guò)載能力，同時(shí)噪聲也比較小。

為了方便采摘方便在蘋(píng)果樹(shù)兩側(cè)均粘貼運(yùn)行軌跡表示，實(shí)現(xiàn)本功能利用灰度傳感器[3]。

5機(jī)械臂與末端執(zhí)行器

采摘機(jī)器人具有五自由度，其中第一自由度是由步進(jìn)電機(jī)組成，二、三、四、五自由度和執(zhí)行末端由模擬舵機(jī)組成。采摘機(jī)器人的機(jī)械臂能夠快速的運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)所在的位置，將其末端執(zhí)行器調(diào)到正確的位置姿態(tài)，由于對(duì)機(jī)械臂精度要求比較高，利用步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂的第一個(gè)自由度的控制電機(jī)來(lái)對(duì)方向進(jìn)行控制和利用模擬舵機(jī)作為機(jī)械臂關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，模擬舵機(jī)的信號(hào)線與Arduino 2560上的PWM信號(hào)輸出端相連接。

在論文中步進(jìn)電機(jī)作為器械臂的第一個(gè)自由度，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)具有精準(zhǔn)性、扭矩大等特點(diǎn)，在實(shí)際操作中，只要調(diào)整繞組通電順序，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就會(huì)發(fā)生變化，因此只需對(duì)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)控便可達(dá)到預(yù)期的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)效果。

不過(guò)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)無(wú)法在直流電源環(huán)境下正常運(yùn)行，需另行配置步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，而本文選擇的驅(qū)動(dòng)是由美國(guó)IMS公司生產(chǎn)的M415驅(qū)動(dòng)器。

所選用舵機(jī)的型號(hào)為MG995型[4]，它是一種位置伺服的器，當(dāng)接收到控制信號(hào)時(shí)，便輸出一定的角度，非常適用于需要角度不斷發(fā)生變化，并且可以保持的控制系統(tǒng)，主要由舵盤(pán)、減速齒輪組，位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)和控制電路板組成。

6結(jié)束語(yǔ)

論文主要對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的硬件組成進(jìn)行了介紹，包括了機(jī)械臂與末端執(zhí)行器、控制器、單目相機(jī)、激光測(cè)距傳感器、碰撞傳感器等器件的選型，還介紹了上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信方式，以及控制器與步進(jìn)電機(jī)模擬舵機(jī)之間的連接，根據(jù)蘋(píng)果采摘機(jī)器人的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)器人硬件平臺(tái)的搭建，為后期蘋(píng)果采摘機(jī)器人的研究打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 周毛等.基于雙目視覺(jué)的農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2018.

[2] 王輝.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在果園自動(dòng)化中的應(yīng)用研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2011.

[3] 殷留留，韓森，王芳，等.基于 L298N 的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].信息技術(shù)，2017（6）：104-106，111.

[4] 蒙清華，王忠慶.基于松下FP0-PLC的MG995舵機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2011（14）：135-136.