基于機器視覺的競賽授粉機器人的研究

林豐山 王龍寧

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

機器人競賽是近年來國內外迅速開展起來的高科技競賽活動。開設授花粉機器人競賽項目，旨在吸引廣大學者、專家關注自動化授花粉技術，激發學生對授花粉機器人技術的研發熱情，為授花粉機器人的發展添磚加瓦。然而，目前具有授花粉功能的機器人寥寥無幾。故為了給授花粉機器人的發展提供科研數據和經驗，設計用于競賽的授花粉機器人勢在必行。

目前，國內的農作物產業中授粉方法一般采用人工方式，同時也依靠風媒和昆蟲授粉。這就對天氣環境有所要求，且必須投入大量的人力、物力、財力，使得授花粉成為整個農業生產中較為費時費力的環節。另一方面，授花粉也是相當重要的一個環節，這將直接影響產量。因此，對于授花粉機器人的需求以及設計制造相當必要，通過運用授花粉機器人來降低生產成本，對于提高產量也有一定幫助。

授花粉機器人底盤，采用基于麥克納姆輪的底盤，由于每個車輪上單獨有電機控制，適應不同的地形進行自適應調節。針對平坦地形噴藥機器人具有兩種典型的行進方式，前進和橫移[1]。機器人上半部分負責授花粉動作執行，包括機械臂和機器視覺模塊[2]，其中機械臂由四個舵機控制，可進行旋轉角度以及高低位置的調整，以便使機器視覺模塊靠近識別雄雌花，針對雄雌花的形狀特征和顏色特征進行識別[3]，若成功識別為雌花，機器人控制系統將控制機械臂靠近執行授粉動作。

1 授花粉機器人的機械結構

下圖1為基于機器視覺的授花粉競賽機器人的結構示意圖，該機器人由麥克納姆輪底盤、機械臂、機器視覺模塊和末端執行機構組成。

圖1 基于機器視覺的授花粉競賽機器人

如圖1，該種用于競賽的授花粉機器人，其特征在于，包括底盤及設置在所述底盤上的機械臂，所述機械臂的末端設置有攝像頭和模擬授粉棒，所述模擬授粉棒通過管狀彈性夾被夾持安裝在所述機械臂的末端；所述底盤上設置有四個麥克納姆輪，且每個麥克納姆輪均由各自的驅動電機驅動，所述麥克納姆輪與所述底盤之間還設置有減震彈簧。

其中所述機械臂包括轉動云臺、大臂和小臂，所述轉動云臺設置在所述底盤上且由云臺舵機驅動，所述大臂通過大臂舵機與所述轉動云臺轉動連接，所述小臂通過小臂舵機與所述大臂轉動連接，所述小臂末端通過腕部舵機與安裝架轉動連接，所述攝像頭和模擬授粉棒設置在所述安裝架上。

圖2 小車底盤

圖3 小車上部機械臂

總體來說，所述攝像頭位于所述模擬授粉棒上方；所述大臂和小臂的主體部分均采用碳纖維板制成；所述轉動云臺與所述底盤通過長螺栓及防松螺母連接；所述底盤包括上板和下板，所述上、下板之間通過若干立柱連接；所述下板下方還設置有傳感器安裝板以安裝識別路標的傳感器。所述傳感器安裝板通過若干銅柱與所述下板連接；所述底盤的基本架構呈中心對稱結構，所述機械臂設置在所述底盤的中央。所述上板、下板、傳感器安裝板均采用亞克力板，所述立柱采用鋁型材制成。

具體地看， 對于該競賽用授粉機器人，云臺舵機采用20KG、270度舵機，大臂舵機23采用60KG、270度舵機，小臂舵機采用20KG、270度舵機，腕部舵機采用20KG、180度舵機；攝像頭位于模擬授粉棒上方，如圖所示。攝像頭識別雄雌花，模擬授粉棒模擬授粉動作。

2 授粉機器人的運動方式

2.1 授粉機器人運動方式機理

在機器人進行工作之前，需要對賽道進行評估，同時對控制系統編入相應的程序以適應不同的需要。工作時，在機器人啟動前先調整減震彈簧彈力適應不同的地面達到穩定底盤的作用；在整體機器人啟動之前，需要將小車車頭擺正并使機器人整體盡量處于道路正中央，以免造成位置誤差。同時觀察賽道寬窄適當調整彈簧夾調節授粉棒的長度以適應不同賽道。底盤和機械臂的控制系統啟動后，機器人行走并識別各個授粉點；機器人在授粉點停車后，控制系統通過控制各舵機工作，機械臂開始動作并移動至雄雌花識別位置，通過機器視覺模塊進行識別后，若識別成功為雌花，則由舵機帶動機械手執行授粉動作；若識別為雄花或者雌雄同體花，則機械臂收回準備進行對下一朵花進行識別，由此實現定點、精確授粉。每當機器人授粉動作完畢或者未進行授粉動作都會回復至初始動作，該初始動作為進行識別動作的準備動作。當機器人行駛出一個區域時，由機器人底盤底部傳感器可識別賽道十字標，麥克納姆輪驅動小車總體橫移并前往下一區域，由于麥克納姆輪的特點，整體車身并不需要做旋轉運動進行轉向，而是直接平移過渡。不同的區域小車有不同的停車點，相應地機械臂執行相應的授粉動作。

2.2 運動方式特點分析

該機器人識別路標的傳感器、機器視覺模塊和麥克納姆輪，能準確的識別行駛路線和完成授粉動作，可以解決大多授粉機器人在車體轉向過程中造成的車體偏移路線問題以及由此引起的授粉動作不準確的問題；減震彈簧可通過調整彈簧彈力使得底盤不受機械臂等執行機構重心的影響，對于起伏不平的地面也有很強的適應性；另外，模擬授粉棒固定于管狀彈性夾中空部位，可靈活調整模擬授粉棒的伸出長度適應不同的識別距離。總體來說，機器人整體結構緊湊，機械臂重量輕，重心平穩，平衡性好，行駛路線較為準確，不偏移中心，機械臂識別、授粉動作精確執行。

3 結論

基于機器視覺的授花粉機器人在具體應用過程中，控制機械臂的多舵機協同工作保證了工作的靈活性，機器視覺模塊保證了授粉動作的準確性，另外根據受力實驗可精準確定基于麥克納姆輪的授粉機器人底盤運動軌跡，橫移運動方式使基于麥克納姆輪的噴藥機器人底盤可更高效地完成授粉作業，保證了車體運行的穩定性。隨著基于底盤的噴藥機器人不斷完善，實現崎嶇路面上的精準前行，為人類提供更加高效精準的授粉工作將逐步成為可能。整體來說，相比現有的非智能化搬運機器人，其操作簡便、自動化程度高、節省人力、高效便捷，為手眼協調授花粉機器人的進一步智能化研究提供參考。