一種基于STM32單片機的并聯采摘機器人

陳毅豪 冷俊男

(西北農林科技大學，陜西 楊凌 712100)

0 引言

由于蘋果在樹上分布的不規律性，蘋果采摘目前仍然依靠人力進行采摘，效率低下且人力成本較高。又因為蘋果在我國分布面積較大，總產量高。因此，有必要發明一種自動采摘蘋果的機械裝置。如此以來不僅可以降低人力成本，提高個人必要勞動時間，而且可以進一步增加企業或者果農的利潤，解放勞動力和提高生產力。為此，本文提出一種基于STM32單片機的并聯采摘機器人和采摘方法。

1 并聯采摘機器人的組成部分

一種基于STM32單片機的并聯采摘機器人的俯視圖如圖1所示，由視覺模塊、控制模塊、機械臂模塊和驅動模塊4個部分組成。

圖1 并聯采摘機器人的俯視圖

1.1 視覺模塊

視覺模塊包括雙目攝像頭和Opencv。雙目攝像頭固定在采摘口附近，通過識別蘋果的顏色來判斷蘋果是否成熟，如果判斷蘋果成熟，獲取其三維坐標，并將果實的坐標傳遞給并聯機器人的主控板STM32單片機。

1.2 控制模塊

控制模塊的主控板為STM32單片機。控制板接收視覺模塊發送的三維坐標，通過并聯機器人主控板已經封裝的函數對坐標進行姿態解算得出每個電機需要轉動的角度，并對其進行路徑優化，然后向電機驅動器發送脈沖，使電機驅動器驅動電機轉動，控制與其相連的主動桿件，帶動從動桿件使采摘口運動。主控板判斷4個直流電機停止轉動后，啟動涵道，涵道加速果實周圍空氣的流動從而引起果實周圍產生足夠的壓強差將果實吸取下來完成對果實的采摘。

1.3 機械臂模塊

機械臂模塊包括主動桿件、從動桿件和涵道。從動桿件與主動桿件之間以球副相連接。涵道固定在從動桿件中間的圓心處。4個主動桿件呈“十”字型對稱分布，一端與電機連接，另一端與從動桿件連接。4個從動桿另一端與采摘口相連，采摘口具有3個自由度，可以在三維空間中移動。采摘口通過可伸縮管道與涵道相通，涵道結構如圖2所示，涵道產生的負壓吸力通過采摘口將蘋果吸下。

圖2 涵道結構圖

1.4 驅動模塊

驅動模塊包括4個直流電機驅動器和涵道電機驅動器，分別控制4個直流電機涵道電機。

2 并聯采摘機器人的工作過程

并聯機器人的工作流程如圖3所示。

圖3 并聯機器人的工作流程圖

雙目攝像頭啟動工作，識別到蘋果后根據顏色判斷其是否成熟，若成熟，則對其進行定位，并將果實的三維坐標傳遞給STM32單片機。STM32單片機進行姿態解算將果實位于圖像中的空間位置反解，進而將所得結果進行正解轉化成4個直流電機分別需要轉動的角度，并對其進行路徑規劃，找出最優路徑。隨后將需要轉動的數值通過pwm波傳遞給4個電機。4個電機分別轉動至STM32單片機需要的位置后，攝像頭模塊再次確定是否要進一步轉動，形成閉環控制。確定不再需要4個直流電機轉動后，單片機控制涵道開始工作，涵道產生負壓吸力將果實從樹上吸取下來，果實通過采摘口落入伸縮管道底部，底部有緩沖收集裝置，上面安裝有壓力傳感器，壓力傳感器感受到蘋果的重力，閥門打開，蘋果落入收集箱，完成一個果實的采摘。Opencv解算空間坐標是將一張圖像上所有的果實位置全部判斷出來，并且全部計算出其各自所具有的3維空間坐標系。整個圖像中所有的果實采摘完畢后，雙目攝像頭進行下一步工作，重新拍攝一幅圖像，返回第一步進行工作，如此循環往復直到所有的果實全部采摘完畢為止。

3 結束語

本文介紹了一種基于STM32單片機的并聯采摘機器人，其對成熟的蘋果進行定位后，涵道可以產生負壓吸力，將蘋果吸下，使其落入管道進入收集箱。與傳統的機械手采摘式機器人不同，本文介紹的機器人可以避免果皮損傷，保證果實的質量，從而保證了經濟效益。