智能化草莓采摘機器人

韓冰 張連壯 田皓宇 王雪偉 李國昭 趙艷霞

摘要：目前農業上的草莓采摘只是依靠人工，勞動強度高，而現在的智能采摘智能停留在理論層次。該草莓采摘機器人可在一定范圍內基于機器視覺識別成熟草莓位置和精準定位，并以夾持、扭轉果柄的方式摘取果實，從而實現草莓的無損傷采摘。設計的采摘機器人由五自由度機械手臂，用伺服電機作為動力源，根據驅動器發出的脈沖信號，三菱fx3n PLC控制系統，視覺識別系統組成，并采用面向對象編程工具C#編寫了控制終端及視覺自動采摘算法。

關鍵詞：草莓、采摘機器人、機器視覺。

為了提高生產效率，溫室的草莓種植情況，如壟面寬、壟溝寬、溝深并非采取標準尺寸，且可能比標準尺寸更小;同時溝面不平整。因此，在溝面不平整的溫室中采用跨壟式或者懸掛式移動機構，而在比較標準的溫室中可以采用四輪驅動行走機構。

本設計采用跨壟四輪行走機構，。本體設計以步進電機作為動力裝置，根據驅動器發出的脈沖信號驅動機器人沿溝壟前進。在機身的上方是五自由度機械手臂，用伺服電機作為動力源，根據驅動器發出的脈沖信號，使機械手臂達到指定位置。同時在機械手下方安裝一個小框，用于放置草莓果實，在設定好的時間內裝滿后，由工作人員更換小框。整個執行機構都安裝在小車上，可以進行固定距離的移動。

基于具體的采摘要求，機械手要具有較好的采摘能力。包括：

（1）最優的工作空間。工作空間越大，采摘范圍越廣，通用性好。

（2）具有較好額避障能力。果實采摘過程中，機械手能避開障礙物。

（3）機械手設計合理。在滿足要求的前提下，采用特殊機構的機械手機構，使相鄰運動副的軸線相互平行或正交。

（4）農業機器人要求操作簡單，成本低廉，因此盡量采用冗余度少，機構簡單的形式。

機械手的手臂是采摘機器人的主要執行元件，其作用是支撐末端執行器和腕部并改變末端執行器在空間的位置。由于機械手臂的重量比較大，受力比較復雜，在采摘草莓時受到腕部、手爪和草莓的靜（動）載荷，引起電位準確性。機械手手臂的機構形式的設計要根據機器人的運動形式、抓取草莓的重量，自由度以及運動精度來決定。因此設計機械手手臂考慮了幾個要點：

1）手臂的結構和尺寸應該滿足采摘草莓時作業空間的要求。作業空間的形狀和大小與手臂的長度、關節轉角的范圍密切相關;

2）根據手臂承受的載荷和結構的特點，合理選擇手臂的材料;

3）機械手手臂的運動速度要高，慣性要小。

在草莓采摘過程中，圖像的識別尤為重要，我們基于機器視覺原理利用圖像的成像，利用雙目攝像頭的成像進行標定，之后傳輸數據庫，進行數據的分析和采集，形成數字圖像，之后進行圖像二值化處理，圖像索貝爾邊緣處理，之后確定出草莓的特征點，與草莓果實立體匹配，根據數據處理，再由攝像頭進行草莓果實的三維計算，最后輸出給機械手指令，機械手進行動作和定位，進行草莓的抓取和采摘。

參考文獻：

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山東協和學院 山東濟南 250000