一種新型草莓自動采摘機的設計與試驗

李玉青，劉寧，隋秀梅，張茂云

1.長春職業技術學院機電學院（長春 130022）；2.長春理工大學機電工程學院（長春 130022）

隨著水果產量逐年增加，水果采摘的工作量成倍增長。農業機械化可有效代替人力完成各項作業，極大提高效率。

國內研發的水果采摘成型機器人尚未見報道。中國農業大學張鐵中等在草莓果實目標識別和提取上己經取得一些成果，其視覺系統為針對特定的呈倒三角形狀的草莓進行了研究，并且由于其攝像機標定方法所限，只能確定標定平面上的草莓的位置信息，其視覺系統識別草莓和確定果梗采摘點仍舊難以實現[1]。

以草莓為采摘對象，針對草莓視覺識別過程復雜、定位精度不高等問題，提出基于Core-XY收集機構配合機器視覺、應用末端執行器同時工作的草莓自動采摘機，解決原有采摘機器采摘效率低、損傷率較高的問題，降低農民重復購買機具的成本。

1 整體設計

1.1 整體結構

該小車由整體框架、雙目視覺定位部分、五自由度機構和收集裝置組成。采用人力推動便攜式草莓采摘小車，整體框架由鋁型材搭建而成，小車上帶有低成本的雙目視覺攝像頭，能夠快速識別并定位草莓梗[2]。采摘機構共有5個自由度，能實現采摘所需要的位置和姿態。前2個自由度由Core-XY機構構成，能提供水平面內的二維運動，保證其在平面內做高精度運動，第3個自由度由垂直于平面的絲杠導軌組成，與Core-XY機構配合構成三維運動機構，第4、第5個自由度由舵機驅動使機械臂采摘末端自由轉動以適應草莓的不同采摘角度。2個6 mm寬的2GT同步帶緊密貼合在同步輪帶動下相向運動夾緊草莓莖端，運動過程中借助前端刀片將草莓莖部切斷，草莓繼續在同步帶的帶動下向后運動，掉落在沖擊力小的棉布上，沿傳送帶進入收集盒內循環收集，在設計產品同時，充分考慮國內外設計不足，設計技術指標外形尺寸為長度×寬度×高度分別800 mm×220 mm×600 mm；采摘角度為俯仰角±45°、橫滾角±40°；單次停留采摘空間為長度×寬度×高度分別500 mm×300 mm×150 mm，如圖1所示[3]。

圖1 裝置整體機構圖

2 運動設計方案

2.1 Core-XY機構運動模型

小車通過視覺標定確定草莓位置，要實現將工作末端執行器運動到目標位置，需要保證整個運動過程中準確無誤地達到目標位置并且保持機器的平衡性[4]。Core-XY機構輕巧、控制簡單、本身平穩性好，故采用Core-XY機構與絲杠傳動裝置配合實現平穩準確的三維坐標控制。如圖2所示。

圖2 Core-XY機構

2.2 Core-XY機構運動原理

Core-XY的工作原理是由雙馬達控制X、Y方向移動，馬達工作方向一致時，該機構運到X軸；相反，則移動到Y軸。與單個馬達控制相比，雙馬達效率更高、運行更穩定，從而減輕工作臺上的質量。

在X軸上的移動是由2個馬達牽引同步帶動，并且與執行元件的右側方向是一致的且靠右。在Y方向移動時，ΔA帶動同步帶方向在執行元件的上方且向上，ΔB方向朝下[5]。

2.3 Core-XY機構平衡性分析

用Inventor測量Core-XY的負載部分的質量約2.5 kg，掛載所占用位置面積為321 394mm2，所占體積為891 441 mm3，該機構負載如圖3[6]。

圖3 Core-XY機構負載部件

為保證Core-XY機構在啟動和停止過程中不丟步，采用2個57步進電機來驅動Core-XY機構，如表1所示。

表1 Core-XY電機參數

在程序中設定Core-XY機構線速度最大為10 cm/s停止時間最短為0.1 s，慣性力F為

Inventor測量Core-XY的負載部分的質量約2.456 kg，代入式（3）可得F≈2.456 N。

2個電機均攤負載（步進電機同步輪直徑R=13 mm，摩擦力3 N）情況下：

代入數據得出M=0.035 4 N·m。

M小于上圖中的1.2 N·m，步進電機的扭矩足夠提供負載的慣性力，在實際運行過程中沒有出現丟步的情況，所以選用的電機能夠很好滿足Core-XY機構的精確度要求。

2.4 滾珠絲杠電機驅動機構分析

在空間Z軸方向上位置坐標確定，采用絲杠電機驅動裝置，使用42/57線性滾珠導軌滑臺，滑臺導程為4 mm，杠直徑12 mm，有效行程300 mm。如圖4所示。

圖4 絲杠運動簡圖

2.5 絲杠力學分析

由于絲杠垂直安裝，采用CBX滾珠絲杠中的1204型號，垂直載重10 kg。直線導軌承重與導向，步進電機直接驅動，假設承重最大負載1 kg（包含滑塊草莓在內），無徑向負載[7]，不考慮徑向切削力，根據采摘草莓時的實際情況，設綜合摩擦力μ為0.1。

式中：F為軸向載荷；f為絲杠的徑向切削力；μ為導件的綜合摩擦系數；N為重量。

假設進給絲杠效率為0.94（根據統計數據資料查詢），扭矩計算如式（6）。

式中：T為驅動扭矩；L為絲杠導程；而42步進電機的扭矩為0.42 N·m，結合計算所得，采用的絲杠電機驅動裝置能夠達到效果。

2.6 Core-XY機構與絲杠滑臺連接件應力分析

為保證X、Y、Z坐標的統一協調性，在Core-XY機構與絲杠滑臺需要一個非常穩固的連接件，保證能夠協調運作[8]。連接件的材料為鋁合金1060，上下表面固定，中間絲杠導通，假設絲杠滑臺與采摘手末端質量為1.5 kg，估算要給連接件與絲杠滑臺接觸表面給一個均勻分布的外部載荷0.1 N·m，兩側面給均勻分布的外部載荷0.01 N·m，得到其應力變形分布圖如圖5所示。

圖5 連接件應力分布圖

Core-XY結構與絲杠滑臺的連接件，零件將承受較大的應力，利用Soildworks軟件對零件進行受力分析，結構強度足夠滿足運動要求，同時實物制作過程中，這個零件也能穩定的連接滑臺和Core-XY機構，減小誤差[9]。

2.7 Core-XY機構與絲杠滑臺運動控制策略

scale=4.897/10*2 #13 mm同步輪

scale_z=5 #50步1 mm

global temp_x

#global pos_x

global temp_y

#gLobal pos_y

global temp_z

D_X=pos_x-temp_x

D_Y=pos_y-temp_yl

D_A_MOTOR=int ((D_X+D_Y)*scale)

D_B_MOTOR=int ((D_X-D_Y)*scale)

D_z_MOTOR=int (pos_z-temp_z)*scale_z

if pos_x＞1000 or pos_y＞4000 or pos_z＞2000:

print (“out of x_range !”)

else: #1000步63 mm

if temp_x !=pos_x or temp_y !=pos_y:

#pos_x=int (pos_x*15.0)

Data_negative (ex65, exe, D_A_MOTOR)

#cv2.putText (img1_rectified, str (pos_x-temp_x),(500, 250), font, 1, (255, temp_x=pos_x

data_negative (0x05, 0x01, D_B_MOTOR)

#cv2.putText (img1_rectified, str (pos_y-temp_y),(500, 350), font, 1, (255,

temp_y=pos_y

if temp_z !=pos_z:

3 視覺識別系統

3.1 攝像頭標定

樹莓派通過USB接收攝像頭的圖像，經過圖像處理識別定位后，計算出路徑和各個關節的角度，通過串口發送16進制數據到STM32下位機，下位機發送多路脈沖信號來控制各個舵機的角度和步進電機的步數，工作流程圖如圖6所示。利用機械臂回原點的功能，用于對齊機械手坐標系和基坐標系，Core-XY機構和步進電機絲杠機構的行程邊緣均有碰觸開關，用于回原點的反饋。采用MATLAB的立體視覺標定箱來獲取單個攝像頭的內參，切線畸變和徑向畸變系數，以及2個攝像頭之間的旋轉關系和平移關系，便于之后的雙目定位[10-11]（如圖7所示）。

圖6 控制流程圖

圖7 MATLAB立體攝像頭標定箱

3.2 視覺定位系統

Haar特征是一種反映圖像的灰度變化的，像素分模塊求差值的一種特征[12-13]。它分為3類：邊緣特征、線性特征、中心特征和對角線特征。用黑白兩種矩形框組合成特征模板，在特征模板內用黑色矩形像素和減去白色矩形像素和表示這個模版的特征值。機器人采用OpenCV3跨平臺計算機視覺庫，用Python語言進行編寫，綜合運用機器學習與機器視覺技術，在實驗室中通過拍照采集2 000張成熟草莓各個角度的圖片，來進行Haar訓練，也就是說，程序能夠認識草莓的形態，不再通過簡單的顏色區分來判別草莓，大幅提高低照度和高亮度情況下的草莓識別率，提高草莓識別的魯棒性。開發的程序能夠同時識別多個草莓，也開發草莓姿態預估的功能，能夠傳遞數據給機械手橫滾角的大小，提高草莓采摘的適用性[14-15]。雙目視覺識別定位程序為獨立完成，平均坐標采樣頻率5次/s，深度精度±3 mm，通過比較成熟顏色的面積與草莓整體輪廓面積之比確定是否要摘取果實；對于多果密集分布的情況，根據不同的深度來進行區分；果實采摘點張通過雙目視覺定位得到（如圖8所示）。

圖8 視覺定位系統

4 結果與分析

通過草莓采摘試驗，實際測量草莓果實大小，如表2所示。

表2 草莓大小參數

草莓大小是實驗關鍵數據之一，是評價采摘效率重要指標，通過表2可知，草莓平均質量在16 g左右，大小適中，采用該草莓用于后面草莓采摘工作效率實驗，如表3所示。

表3 草莓采摘實驗結果

由表3可知，采用雙目視覺識別定位，識別采摘草莓成熟程度為90%，按照草莓平均質量16 g估算，采摘速度為325.6顆/h，采摘成功率為88%。采摘不成功原因主要來自草莓分布不均勻、有的甚至被頸部葉子遮蓋，視覺系統無法精確定位，末端執行器無法采摘，通過人力彎腰去輔助采摘，進而增加勞力，降低工作效率，為此對手推采摘小車進行優化設計。

5 優化建議

設計采摘小車時也考慮到農民使用產品的舒適性，保證在長時間作業范圍內，不容易疲勞。通過查詢資料，根據人體工程學，人在直立行走時手臂的高度在1 050～1 450 mm之間最為舒適，所以將小車推手末端設計為高度距離地面高度為1 200 mm，同時，推手傾角可調，更加方便農民采摘。如圖所示，推手角度通過一個帶有豁口的連桿調節，豁口可以卡在3個凸起位置，來達到不同的推手角度（如圖9所示）。

圖9 優化位置和加工后實物

6 結論

該文重點對Core-XY機構的草莓自動采摘機進行設計與研究，以此驗證使用低成本Core-XY機構運動裝置可以負載2.5 kg的質量，在利用Soildworks對Core-XY結構與絲杠滑臺的連接件進行應力分析，以滿足強度校核，對末端執行器和控制系統進行設計，并且制作出實物樣機，通過對采摘小車采摘草莓試驗數據分析可知，該小車體積小、效率高，減少由于人力彎腰采摘帶來的不便，使果農采摘草莓更加便捷。根據使用感受及人體工程學設計原理，進行了二次優化，增加了工作效率，有很高的市場前景和市場推廣價值。