高檔名優(yōu)綠茶仿生采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)研制*

劉俊鋒，潘志剛，陳勇，肖宏儒，韓余，郝淼

(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京市，210037；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

采茶勞動(dòng)力緊缺和人工成本高是名優(yōu)綠茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。然而市場對于名優(yōu)綠茶的需求越來越大，導(dǎo)致了名優(yōu)綠茶的供需不平衡。目前，大宗茶的采摘已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，市場上普遍使用采茶機(jī)將茶樹冠部全部剪切收集，這種采摘方式對葉片造成了不同程度的損壞，大大降低了茶葉的品質(zhì)[1]，存在芽葉破碎、混雜老梗老葉等問題。對于高檔名優(yōu)綠茶一芽一葉、一芽兩葉的采摘標(biāo)準(zhǔn)，這種剪切式的采茶機(jī)并不適用。因此，研發(fā)適用于名優(yōu)綠茶新梢的采摘裝置是解決當(dāng)前茶產(chǎn)業(yè)勞動(dòng)力緊缺問題的關(guān)鍵。

近年來，已有學(xué)者開始了名優(yōu)綠茶智能化采摘的研究。浙江工業(yè)大學(xué)[2-4]將機(jī)器視覺應(yīng)用于乘坐式采茶機(jī)上，識別新梢后機(jī)器自動(dòng)調(diào)整割刀的高度，使其與所采新梢高度相對應(yīng)。南京林業(yè)大學(xué)[5-8]基于機(jī)器視覺、光譜分析、并聯(lián)機(jī)器人等技術(shù)，研發(fā)了對新梢有選擇性采摘的機(jī)器人。安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)[9-10]開展了履帶式智能采茶機(jī)的研究，利用自動(dòng)感應(yīng)切割深度的篩選板，可根據(jù)新梢長度、葉張幅寬及茶蓬高度來調(diào)節(jié)切割器采摘高度。臺灣大學(xué)[11-12]利用深度學(xué)習(xí)來完成采茶機(jī)導(dǎo)航和茶葉采摘點(diǎn)的定位。另外，文獻(xiàn)檢索表明，國內(nèi)外尚未研制出適用于名優(yōu)綠茶智能化采摘的末端執(zhí)行器。

針對現(xiàn)有的采茶機(jī)對新梢采摘缺乏選擇性，且專門用于高檔名優(yōu)綠茶的采摘設(shè)備尚處于探索階段的問題。本文創(chuàng)新性地研制用于采茶機(jī)器人的仿生采摘指，通過固定、提拉等動(dòng)作將新梢的莖拉斷，其效果如同人工“提手采”，重點(diǎn)開展采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行采摘試驗(yàn)。

1 仿生采摘整體方案

采茶機(jī)器人在待采摘區(qū)域利用機(jī)器視覺對茶蓬表面的新梢進(jìn)行識別，然后機(jī)器人上的線性模組將仿生采摘指送至采摘點(diǎn)。采摘指模仿人工“提手采”的動(dòng)作，對名優(yōu)綠茶新梢實(shí)現(xiàn)成功采摘，在該區(qū)域識別出的新梢采摘完成后，機(jī)器人移動(dòng)至下一個(gè)待采摘區(qū)域進(jìn)行采摘作業(yè)。

1.1 新梢識別方案

實(shí)現(xiàn)采茶機(jī)器人的自動(dòng)化采茶，首先要解決茶樹新梢識別問題。新梢與老葉、枝干、土壤等背景的顏色特征具有一定差異性，因此在顏色空間中提取新梢圖像的R、G、B分量，利用像素分布法和因子迭代法確定三個(gè)分量的關(guān)系式，可有效劃分新梢與背景區(qū)域[13]。分割處理后圖像采用連通域標(biāo)記的面積濾波法過濾提取，保留較為完整可采摘的茶樹新梢，便于采摘指進(jìn)行采摘。新梢識別效果如圖1所示。

(a)原始圖像

1.2 采摘指整體結(jié)構(gòu)

本文以采摘新梢中一芽一葉為例，在新梢芽和葉之間設(shè)定A、B兩個(gè)夾持點(diǎn)，兩點(diǎn)間距稱第一節(jié)間距，如圖2所示。

圖2 茶葉新梢示意圖

根據(jù)對品種為“龍井43”茶樹新梢的形態(tài)特性和力學(xué)參數(shù)實(shí)地測量，結(jié)合人工“提手采”動(dòng)作要領(lǐng)分析及測量結(jié)果，設(shè)計(jì)了仿生采摘指的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖3所示。上夾爪和下夾爪分別通過氣缸活塞桿帶動(dòng)連桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對A點(diǎn)、B點(diǎn)位置的夾持和松開動(dòng)作。待上夾爪和下夾爪完成對新梢的夾持后，升降機(jī)構(gòu)通過氣缸活塞桿推出帶動(dòng)整個(gè)里層套結(jié)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)，使被夾緊的A點(diǎn)向上移動(dòng)，完成一芽一葉的采摘。

圖3 采摘指整體結(jié)構(gòu)圖

2 采摘指控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘指控制系統(tǒng)采用STM32為主控芯片，控制光耦合器的通斷使繼電器吸合或釋放，進(jìn)而控制電磁換向閥的兩個(gè)出氣口有序開啟，來實(shí)現(xiàn)氣缸活塞桿的推出和退回，使采摘指進(jìn)行新梢采摘。

2.1 采摘指控制系統(tǒng)氣路設(shè)計(jì)

根據(jù)采摘指的控制要求，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)氣路如圖4所示。氣源裝置產(chǎn)生高壓氣體通過PU管輸送到氣動(dòng)三聯(lián)件中，對氣體進(jìn)行過濾干燥。過濾后的氣體進(jìn)入調(diào)壓閥中進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，以滿足執(zhí)行元件的氣壓要求。調(diào)節(jié)后的高壓氣體經(jīng)過油霧器，與霧化油滴混合對執(zhí)行元件內(nèi)部進(jìn)行潤滑提高采摘?jiǎng)幼髁鲿承浴１疚耐ㄟ^十字四涌接頭，將高壓氣體分為三路，分別驅(qū)動(dòng)上夾爪氣缸、下夾爪氣缸和升降氣缸。

圖4 采摘指控制系統(tǒng)氣路圖

以上夾爪控制氣路為例，如圖5所示：當(dāng)高壓氣體進(jìn)入電磁換向閥進(jìn)氣口P后，控制信號接通電磁閥A1，此時(shí)電磁閥芯通過電磁力向左移動(dòng)接通P-A和B-S口。高壓氣體從P-A口流出，進(jìn)入單向節(jié)流閥I的進(jìn)氣口。經(jīng)過節(jié)流閥I對氣體流量的調(diào)節(jié)后，降低了氣體推動(dòng)氣缸活塞的速度，防止夾爪運(yùn)動(dòng)過快對新梢造成損傷。此時(shí)氣缸右腔氣體受到活塞推動(dòng)，從電磁閥排氣口排出。氣缸活塞桿隨活塞一起向右推出，通過氣缸桿連接支架帶動(dòng)芯軸運(yùn)動(dòng)，驅(qū)使上夾爪內(nèi)連桿與外連桿運(yùn)動(dòng)，使對稱的一對上夾爪進(jìn)行夾持動(dòng)作。完成夾持后電磁閥失電，由于電磁閥具有中位自鎖功能，保證了新梢與莖稈分離前，上夾爪對新梢的穩(wěn)定夾持。

圖5 上夾爪控制氣路圖

當(dāng)新梢與莖稈分離后，控制信號接通電磁閥A2，此時(shí)電磁閥芯向右移動(dòng)接通P-B和A-R口。高壓氣體通過P-B口從電磁閥流出，再通過單向節(jié)流閥Ⅱ限流后進(jìn)入到氣缸右腔，推動(dòng)氣缸活塞向左移動(dòng)，氣缸左腔氣體受到擠壓從電磁閥左腔排氣口排出。此時(shí)氣缸活塞桿退回，帶動(dòng)夾爪松開新梢，復(fù)位到初始位置。

2.2 采摘指氣路元件選型設(shè)計(jì)

為了便于采摘指的控制和對新梢的穩(wěn)定夾持，本文將選用三個(gè)同樣規(guī)格的雙作用氣缸作為氣動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件。根據(jù)氣缸的理論輸出力計(jì)算公式，可以確定氣缸內(nèi)徑。

(1)

(2)

式中：η——?dú)飧棕?fù)載率；

F——?dú)飧棕?fù)載力；

F0——?dú)飧桌碚撦敵隽Γ?/p>

D——?dú)飧變?nèi)徑；

d——?dú)飧谆钊麠U直徑；

p——?dú)飧坠ぷ鲏毫Α?/p>

根據(jù)對新梢力學(xué)特性的研究[14]，升降氣缸需滿足負(fù)載力為40 N。取η=0.5，活塞桿直徑d=0.2D，可得氣缸內(nèi)徑D=15.55 mm。考慮到氣缸內(nèi)徑均為整數(shù)，取D=16 mm。

氣缸的選型還需確定氣缸行程：升降氣缸行程要保證新梢與莖稈完全分離，上夾爪和下夾爪氣缸行程則要滿足采摘指夾爪的張開距離。為防止夾持新梢時(shí)夾到其他葉片和合攏時(shí)間過長，取夾爪張開距離為50 mm。由于夾爪是左右對稱的，所以左右部分進(jìn)行夾持動(dòng)作各需移動(dòng)25 mm，即取氣缸行程L=25 mm。綜上分析，本文選用的氣缸型號為CDJ2B16-25，氣缸規(guī)格參數(shù)：氣缸內(nèi)徑為16 mm，行程為25 mm，使用壓力范圍0.06～0.7 MPa，符合要求。

氣缸耗氣量是氣路中其他元件選型的重要依據(jù)，其計(jì)算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中：V1——活塞伸出時(shí)排氣量；

V2——活塞退回時(shí)排氣量。

氣缸活塞往復(fù)一次所耗壓縮空氣量

(5)

單個(gè)氣缸每分鐘工作次數(shù)為N，則每分鐘活塞運(yùn)動(dòng)的耗氣量

V′=V×N

(6)

采摘指完成一次采摘?jiǎng)幼鞯臅r(shí)間是可調(diào)節(jié)的，為了便于進(jìn)行采摘試驗(yàn)，初步設(shè)定完成一個(gè)新梢采摘時(shí)間為1.5 s，則N=40。根據(jù)式(5)、式(6)，可得V′=0.389 36 L/min。采摘指完成一次新梢采摘，需要3個(gè)氣缸共同工作，因此采摘指工作時(shí)每分鐘耗氣量為1.116 808 L。

結(jié)合上述分析及氣動(dòng)控制要求，完成了氣路中氣源裝置、氣動(dòng)三聯(lián)件、電磁換向閥和節(jié)流閥的選型。

2.3 采摘指控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用STM32F103單片機(jī)作為仿生采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)的微處理器，STM32F103具有37個(gè)I/O引腳，能夠很好地實(shí)現(xiàn)控制要求。通過STM32F103單片機(jī)PA0～PA5輸出控制信號，利用繼電器的吸合和釋放來控制電磁換向閥兩個(gè)出氣口的有序開啟，進(jìn)而控制氣缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)方向。為了增加系統(tǒng)安全性，在電路中加入了EL817光耦合器，將控制信號與工作信號相隔離。采摘指控制系統(tǒng)硬件電路如圖6所示。

以上夾爪電磁換向閥控制為例，當(dāng)采摘指上夾爪夾持新梢時(shí)，PA0輸出低電平，EL817光耦合器導(dǎo)通，三極管MMMBT5551導(dǎo)通，電磁繼電器吸合，接通電磁換向閥A1。同時(shí)PA1輸出高電平，EL817光耦合器截止，三極管MMMBT5551截止，電磁繼電器斷電，電磁換向閥A2失電，此時(shí)高壓氣體經(jīng)過電磁閥，將上夾爪氣缸活塞桿推出。同樣當(dāng)PA0輸出高電平，PA1輸出低電平時(shí)，上夾爪氣缸活塞桿退回。

當(dāng)采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)接通上夾爪電磁換向閥A1和下夾爪電磁換向閥B1，氣缸活塞桿推出帶動(dòng)上夾爪和下夾爪閉合，對新梢進(jìn)行夾持。接著單片機(jī)接通升降電磁換向閥C1，升降氣缸活塞桿推出帶動(dòng)里層套向上運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新梢與莖稈的分離。然后，單片機(jī)接通上夾爪電磁換向閥A2和下夾爪電磁換向閥B2，上夾爪和下夾爪氣缸活塞桿退回實(shí)現(xiàn)夾爪復(fù)位。最后，單片機(jī)接通升降電磁換向閥C2，升降氣缸活塞桿退回，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)新梢的采摘，如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3 采摘試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置與材料

在仿生采摘指實(shí)物樣機(jī)的基礎(chǔ)上，搭建采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，如圖8所示。

圖8 仿生采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺

試驗(yàn)材料為“龍井43”新梢枝條，分兩次采摘于江蘇鑫品茶葉有限公司，每組樣本數(shù)量為60個(gè)，采摘后立即返回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行一芽一葉采摘試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

因?yàn)槟壳半A段機(jī)器視覺裝置尚未與仿生采摘指集成一個(gè)完整系統(tǒng)，所以由人工手持新梢枝條放入采摘指，采摘指自動(dòng)進(jìn)行新梢的采摘以測試其仿生效果。采摘過程如圖9所示，從圖9可以看出采摘指有效實(shí)現(xiàn)了新梢與莖稈的分離，單次平均采摘時(shí)間為1.59 s，與設(shè)定時(shí)間基本符合。采摘試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，仿生采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)對一芽一葉采摘成功率達(dá)90%，采摘效果較好。

(a)夾持完成

表1 采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)采摘試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

采摘試驗(yàn)中發(fā)生了一些采摘失敗的結(jié)果：(1)錯(cuò)采一芽兩葉和芽葉分離；(2)新梢未能與莖稈發(fā)生分離，但莖稈部分發(fā)生夾損。其主要原因有：(1)少數(shù)新梢第一節(jié)間距較小，由于夾爪指尖有一定的寬度，兩對夾爪難以在第一節(jié)間距內(nèi)對新梢進(jìn)行夾持；(2)采摘指機(jī)械結(jié)構(gòu)存在一定的加工誤差，導(dǎo)致一對夾爪閉合時(shí)發(fā)生錯(cuò)位。

4 結(jié)論

1)利用像素分布法和因子迭代法識別新梢，并通過模仿人工“提手采”的方式，設(shè)計(jì)了采摘指的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2)根據(jù)控制要求，對采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用STM32為主控芯片，通過光耦合器和繼電器使電磁閥兩個(gè)出氣口有序開啟，來控制氣缸活塞桿的推出與退回，實(shí)現(xiàn)新梢的采摘。

3)仿生采摘試驗(yàn)成功率達(dá)90%，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期動(dòng)作。后續(xù)研究將開展田間試驗(yàn)，進(jìn)一步完善仿生采摘指氣動(dòng)控制系統(tǒng)，提高采摘成功率；與機(jī)器視覺裝置集成，實(shí)現(xiàn)名優(yōu)綠茶采摘機(jī)器人的自動(dòng)化采摘。