基于視覺驅動的自動嫁接機樣機系統

張健，趙暉，賈靖，張成浩，俞晨良，喻擎蒼*

(1.浙江理工大學 信息學院，浙江 杭州 310018； 2.浙江省農業科學院 蔬菜研究所，浙江 杭州 310021)

隨著我國社會發展和人民生活水平的提高，蔬菜的需求量日趨增加，人們對蔬菜質量提出了更高的要求。2010—2015年，全國蔬菜種植面積及產量穩步提高，蔬菜種植面積增幅為2%～4%，產量增幅為2.5%～3.3%，各省蔬菜種植面積及產量發展不均衡[1]。由于可輪作田塊的減少，農藥使用限量標準的出臺[2]，嫁接成為客服土傳病、保障果蔬增產的主要途徑之一[3]，蔬菜嫁接機的使用受到越來越多的關注[4]。

為應對多樣、繁雜的農作物對象和作業環境，機器視覺在農業自動化中的研究日趨深入，如利用機器視覺識別穴盤苗子葉方向、苗徑和位置信息[5-7]，以及進行移栽作業[8]。機器視覺代替人工，實現對外界環境的感知和對作業對象的識別，驅動運動部件可根據機器視覺數據進行相應的動作調整，較為精準地完成預設動作，以適應作物的不規整性。機器視覺已成為實現農業生產自動化和智能化的有效手段。

1 嫁接機樣機的機構與空間分析

1.1 總體設計

穴盤苗自動嫁接機一般有進苗、上苗、切削、嫁接和固定等一系列過程和相應機構[9]，針對此設計不同的系統，各系統之間緊密配合、相互依賴，構成有機整體。各系統流程如圖1所示。

圖1 嫁接機各系統的流程

進苗系統是以合適的速度將穴盤苗運送到嫁接操作區域，本系統采取帶有步進電機的滑軌來實現接穗及砧木的運輸；上苗系統采用攝像頭智能識別接穗及砧木子葉方向及位置信息，實現智能上苗，代替人工操作；嫁接操作系統采用5臺機械臂配合末端夾手及視覺裝置來實現；工位旋轉系統是嫁接整個環節的流程控制系統，需要有效確保各系統操作步驟的一致性，滿足5個工位進行嫁接作業，5個工位分別對應不同的操作過程，需在每次完成后進行工位變換。樣機整體框架是由鋁型材搭建，中間高度480 mm區域作為嫁接工作區。總體結構設計如圖2所示。

圖2 嫁接機的總體設計

1.2 空間結構

1.2.1 機械臂

機械臂是由連桿及連桿的關節組成，關節有1個或多個自由度，機械臂前端在三維空間的任意位置上移動至少需要3個自由度[10]。機械臂結構如圖3所示，以底部旋轉電機軸線與底面交點為參考點，機械臂水平方向運動范圍為172～442 mm，豎直方向運動范圍為150.6～322.7 mm。

圖3 嫁接機機械臂的結構模型

1.2.2 進苗系統

根據樣機總體設計，進苗系統的兩路滑軌分別輸送砧木苗及接穗苗，其結構如圖4所示。進苗操作空間寬度為1 000 mm，滑軌長度 900 mm，機械臂底座電機中心到穴盤近端邊緣140 mm，到遠端邊緣水平距離420 mm，步進電機底座距離地面180 mm，穴盤上平面距地面140 mm，電機底座平面與穴盤上平面垂直距離差40 mm，根據圖3機械臂結構，機械臂的水平操作范圍大于50穴穴盤寬度，配合進苗電機的徑向運動，機械臂操作范圍能覆蓋整個穴盤。

圖4 嫁接機進苗系統的空間結構

1.2.3 上苗系統

上苗系統主要是采用3自由度Dobot機械臂模擬人工進行操作，通過Solidworks設計機械臂末端嫁接夾及視覺裝置安裝在機械臂末端，共同完成整個自動上苗系統的操作，其結構模型如圖5所示。

圖5 嫁接機上苗系統的結構模型

工位夾距離地面高度為240 mm，距穴盤上表面為100 mm，工位夾到步進電機工作臺垂直距離為80 mm，機械臂中心到工位夾末端水平距離為280 mm，工位夾不干涉進苗。同時2臺上苗機械臂底座中心間距1 000 mm，2臺機械臂可互不干擾地同時執行砧木和接穗的上苗操作。

1.2.4 傳動系統

傳動系統主要是通過工位盤的轉動實現接穗及砧木在不同工作臺上進行嫁接操作，其結構的俯視圖如圖6所示意。

圖6 嫁接機傳動系統的空間結構分析

1、2號工位執行自動上苗操作，3號工位執行砧木及接穗的切削操作，4號工位執行上嫁接夾操作，5號工位執行回栽操作。中心到工位盤邊緣最近距離d1為280 mm，根據進苗系統空間結構特點，該距離大于穴盤邊緣到工作臺中心距離，因此，工位盤的空間尺寸不會影響自動上苗系統對接穗及砧木的抓取。1、2、3、5號工作臺采用對稱設計，操作距離d2為300 mm，4號工作臺操作距離d3為280 mm，均滿足機械臂的參數要求。由于機械臂僅操作1個工位，5個工作臺上機械臂之間運動互相不受干擾。

2 夾持機構設計

機械臂末端夾持機構如圖7所示，夾頭前端預留海綿安裝位置，保證在夾取苗的過程中對苗徑的保護。接穗苗夾持機構預留刀片安裝孔，在上苗過程對接穗進行斷根夾持，砧木苗夾持機構則不安裝刀片。機械臂加持機構兩側的圓形孔用以固定彈簧，保證夾持機構的復位并保持一定夾持力。夾持機構后側安裝滾輪，其正上方安裝雙向自保持電磁鐵，電磁鐵末端根據需求設計特定的推塊結構。

圖7 嫁接機機械臂末端夾持的機構

工位夾的主要任務是接收機械臂末端夾持機構夾取過來的砧木及接穗，并通過固定在架子上的轉向系統運送至下一個操作點(圖8)。設計的整個上苗系統在工位盤上5個工位點(一周期)可以實現一顆苗完整的嫁接任務。

圖8 嫁接機工位夾持的機構

3 驅動系統設計及樣機試制

3.1 驅動系統集成設計

機械臂電氣控制系統是有效控制機械臂，保證控制的效率與精度，影響嫁接機樣機順利運行的關鍵[11]。本研究選取Arduino DUE作為機械臂的主控制器，雙路輸出DRV8825作為步進電機驅動器。為了提高系統可維護性，通過制作PCB中間板完成對主控制器、電機驅動器及所需電路的線路布局，完成電氣控制系統的集成，PCB板線路布局如圖9所示。機械臂電氣控制系統如圖10所示。

圖9 嫁接機PCB線路的布局

圖10 嫁接機的機械臂電氣控制系統

傳統的圖像處理主要在PC機上進行開發，本自動嫁接機的設計目標是結構簡單、系統集成度高，因此選用Raspberry pi與USB攝像頭進行整合，完成對嫁接苗信息的獲取與處理，并將視覺驅動裝置與電氣控制系統進行整合(圖11)，通過圖像處理所獲取的子葉方向等信息指導機械臂的運動，共同完成自動上苗任務。

圖11 嫁接機的集成控制系統

3.2 嫁接機樣機試制

根據嫁接機總體設計所初步完成的樣機如圖12所示。進苗系統是通過雙路滑臺模擬傳送帶來進行砧木及接穗的傳送，滑臺長度為800 mm；旋轉系統由57步進，2個同步輪齒比設計為4∶1，同步帶寬度為15 mm，旋轉控制系統需要同時參考5個操作工位及機械臂運動來設置轉速；自動上苗系統由電氣控制模塊、末端夾持機構及圖像采集裝置組成，其中電氣控制模塊主要負責機械臂的運動控制及末端夾持機構的開閉，圖像采集裝置主要負責對接穗以及砧木生長狀態和位置信息的采集與判斷，從而精確的指導機械臂的運動。

圖12 嫁接機的樣機

4 小結

本研究設計了1種基于視覺驅動的自動嫁接機樣機，采用多臺低價的桌面機器人來實現一種具有柔性通用的嫁接機，可以通過對機械臂終端夾持機構的更換來更好的適應不同的嫁接對象。本嫁接機針對嫁接所需步驟設計了5個工位，滿足嫁接所需整個步驟，并針對工位所需機械臂設計了能同時控制4路步進電機的電氣控制系統，滿足對單個機械臂的運動控制需求，同時視覺驅動裝置能對自動上苗機械臂進行運動指導，各系統間的協調運作是完成對穴盤苗的嫁接任務的關鍵。本自動嫁接機能進一步提升蔬菜供給量，節省人力物力成本，實現蔬菜嫁接自動化。