水果采摘機器人運動控制系統的設計與實現

高強

摘要：農業生產需要投入大量人力，但是過高的人工成本又會影響農業經濟發展。而且，水果是季節性產品，需要在短時間內要求大量人參與到采摘工作，在其他時間則不需要這么多人力。為此，需要積極摸索機械生產，降低水果采摘所需的人力支出。本文從水果采摘這一農業生產需求出發，對于機器人運動控制系統展開設計，旨在為我國農業經濟發展貢獻力量。

關鍵詞：水果采摘;機器人運動控制;系統設計

前言：傳統人工采摘水果，需要在幾天內支付勞動者大量資金，影響水果種植盈利空間。為有效降低成本支出，采摘機器人已經變成農業發展關注要點。對于水果采摘，要求在樹枝中識別成熟水果，將其采摘，并在不同果樹之間進行移動，是一項系統性工作。本文針對機器人運動這一模塊進行設計，希望可以為更多機器人研發企業提供研發思路。

1運動控制機械機構

對于水果采摘，主要涉及到在水果采摘與果園移動兩個部分。對于采摘部分，使用可以實現提升、中軸旋轉的機械臂，在控制器引導下，可以讓機械臂在樹枝之間順利采摘水果，而不對果樹造成過多影響。而且，在機械臂的末端需要設計剪斷莖干的剪刀，并使用氣缸對剪刀開合進行控制。先由夾子固定水果，再完成果實采摘。而移動部分則要考慮不同水果的果樹高度會存在差異，而且果實高度也會存在差異。所以，需要利用傳感器檢測距離機器人最近的果實位置，并驅動機器人移動至果實下方。將機器人負責移動的四個輪子構成矩形，以對角線的交叉位置設置成原點，以此構建直角坐標系。同時，需要在輪子上增加傳感器，保證機器人在移動時可以依照坐標系完成多角度移動。例如輪子的初始位置是0°，即機器人停止當前運動;在輪子角度為正90°，則會發生反向旋轉，從而達到機器人移動目的。

2水果采摘機器人運動控制系統設計

2.1 GPS定位

為在水果采摘過程中，實時掌握機器人當前位置，需要通過GPS定位系統獲取相應數據。數據傳輸則要以GPS信息格式為準，從而對機器人位置信息采集，對數據進行處理。在該系統的數據協議中涉及到幀頭、幀尾、數據信息、位置檢測四個部分，需要于系統內預先經過智能化處理，才能讓數據傳輸保持較高效率，降低干擾信息影響。所以，采集數據需要先串口數據傳輸情況進行判定，如果是失敗，需要從程序中退出，如果是成功，需要在幀頭位對GPS標識符檢測;然后，對已接收字符進行循環，判別標識符內位置信息是否有效，有效會繼續等待其他幀傳輸，無效會終止當前行為;在對接收數據后，認定該內容是幀尾位，則會返回數據。如果不是幀尾位，會在已接收數據轉移至緩沖區的同時，繼續接收剩余數據內。GPS系統在檢測數據完整性時，發現數據和字節標準不符，需要舍棄數據。

2.2超聲波測量

超聲波測量系統是由機械臂前端傳感器和水果測量兩者之間距離，并把超聲波通過反射測量獲得距離信息運輸給數據單元。測量數據除水果和傳感器位置外，也涉及到機器人的移動速度、機械臂角速度等數據，并以數據幀方式于系統內傳輸。在發送數據幀前，需要判斷數據發送情況，無數據傳送時，需要等待數據;而已經開始進行傳輸數據，需要對幀頭真實性判斷，只有符合系統預測信息的數據，才能將其轉移至緩沖區內，并根據緩沖數據對傳感器與水果完成距離運算。如果不符合要求，則會將接收到數據丟棄，等待其他數據進入系統。

2.3視圖系統

對于視圖系統，這是機器人采摘設計最重要內容。其目的是處理傳感器收集到的圖像信息，并對采摘目標進行準確處理。視圖系統需要保證數據信息真實，并在視圖系統中判斷采摘對象，完成超聲波測距后，進行機械臂的采摘動作。基本原理是由機械臂前端的攝像頭對果實收集圖像信息，從而確定果實實際方位，由超聲波測距確定具體采摘位置，在系統中控制機械臂的高度，設定采摘角度，并合理調節運動速度，通過設置剪刀、夾子的執行器負責采摘工作。對于視圖系統的設計過程，需要保證對操作目標檢測其是否存在，以分析其具體空間位置，確定坐標，利用機器人與執行器距離，借助視圖導航，完成機器人行為引導。

3基本功能測試

負責輔助機器人在果園內移動的GPS定位系統，與確定果實在樹上具體位置的超聲波測距系統，兩者在實際應用時都可以將誤差值控制在較低范圍內。少數測試時可以達到精確采摘水果效果。為提升采摘準確度，需要通過視圖系統識別果實模型。在測試時主要以果實規格、邊緣特性等和周邊樹枝、樹葉進行區分。例如圓形蘋果與扁平狀樹葉，機器人則是處理前者，避開后者。如果是水果規格過小，機器人分辨準確度會有所下降。對于常見的幾種水果測試后，例如蘋果、桃子等，其識別效率均在98%以上，如表1所示。

結論：本文對于采摘機器人僅涉及到運動模塊，若要正式投入應用，還需要對圖像識別、障礙物判定等多種系統模塊進行研究。所以，在參考本文內容時，請依據實際水果采摘條件為主，優化設計工作。避免出現直接照搬本文內容，影響機器人實際工作效果。

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作者簡介：1997年10月生，男，漢族，寧夏固原人，研究方向：智能控制技術

課題：寧夏大學生創新創業項目“自動化水果采摘機器人”（2018-D26）