一種基于嵌入式STM32的草莓采摘機(jī)器人

周亞鵬 張連壯 王宇彤 張仲婕 楊雅嫻

摘要：人工采摘草莓需要彎腰工作，長(zhǎng)期彎腰工作容易造成合并胸廓畸形、膈肌活動(dòng)受限、內(nèi)臟受壓、胸腹相貼等，極大影響人體的呼吸、循環(huán)以及消化功能。

關(guān)鍵詞：采摘機(jī)器人;STM32

1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外自動(dòng)化采摘設(shè)備發(fā)展十分迅速。自從1983年在美國(guó)誕生了第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人，采摘機(jī)器人的開發(fā)和研究已經(jīng)有二十多年的歷史，期間摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等機(jī)器人相繼在日本和歐美等多家研制成功。

對(duì)于草莓采摘機(jī)器人的研究，目前處于初級(jí)階段。

日本Kondo等人針對(duì)草莓的不同栽培模式（高架栽培模式和傳統(tǒng)栽培模式）研制出了相應(yīng)得采摘機(jī)器人。高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來越多地采用，該機(jī)器人采用5自由度采摘機(jī)械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)器人類似，機(jī)械手采用真空系統(tǒng)和切割器組成。收貨時(shí)，由視覺系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定位置，機(jī)械手向下移動(dòng)直到把草莓吸入;由光電開關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗進(jìn)入指定位置，由切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。

國(guó)內(nèi)草莓選果機(jī)。板木縣農(nóng)業(yè)試驗(yàn)場(chǎng)開發(fā)了非常實(shí)用的草莓選果機(jī)。該設(shè)備可根據(jù)每一個(gè)草莓的含糖量和果實(shí)大小進(jìn)行選擇，并可以把選好的草莓裝入塑料袋內(nèi)，整個(gè)過程是全自動(dòng)作業(yè)，每小時(shí)可分選草莓5300多公斤。

南京農(nóng)業(yè)大學(xué)運(yùn)用雙目立體視覺技術(shù)，對(duì)圖像的二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹、去除小團(tuán)塊，用擬合曲線實(shí)現(xiàn)彩色圖像的分割，既而分離果實(shí)，并將二維圖像恢復(fù)成三維坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了果實(shí)定位”。

目前國(guó)內(nèi)外采摘草莓的方式90%為人工采摘，機(jī)器人采摘提出了理念和實(shí)施，但目前，草莓采摘機(jī)器人的智能水平還很有限，不管是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的草莓采摘機(jī)器人，離商品化和實(shí)用化還有一定的差距。差距如下：

（1）沒有設(shè)計(jì)出合理的末端執(zhí)行器，抓取過程中容易損傷草莓的果皮;

（2）沒有設(shè)計(jì)出理想的機(jī)械手，很難達(dá)到有效的采摘范圍;

（3）采摘效率不高，誤差大。

2、設(shè)計(jì)方案

全方位避障系統(tǒng)，視覺傳感器與光電傳感器相結(jié)合實(shí)現(xiàn)全方位避障。

神經(jīng)形態(tài)Al，TrueNorth芯片，在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，其能效可達(dá)傳統(tǒng)中央處理器的數(shù)百倍，首次與人腦的大腦皮層有了可比之處。神經(jīng)形態(tài)芯片計(jì)算能力顯著提高，能耗和體積卻要小得多，更為智能的小型機(jī)器或?qū)⒁I(lǐng)計(jì)算機(jī)微型化和人工智能的下一階段。

軟性末端執(zhí)行器，軟性末端執(zhí)行器搭配壓力傳感器，保證果實(shí)的完好。

圖像采集與分割，運(yùn)用K—means算法，使重疊目標(biāo)中分離出單個(gè)目標(biāo)，保證97%的成功率。

六自由度輕量化手臂，輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，除去不必要結(jié)構(gòu)，與同類機(jī)械手臂相比更加靈敏，反應(yīng)速度更快，采集速度達(dá)至4秒。

3、工作流程

該機(jī)器人采用嵌入式STM32，通過計(jì)算機(jī)軟件控制。

具體流程：視覺傳感器進(jìn)行圖像檢測(cè)，信號(hào)傳入嵌入式STM32運(yùn)用K—means算法進(jìn)行圖像分割處理，分析出果實(shí)所在位置并進(jìn)行定位。隨后控制機(jī)械手臂移至定位處，氣味檢測(cè)裝置進(jìn)行二次檢測(cè)確保果實(shí)的成熟（成熟果實(shí)，進(jìn)行采摘命令;果實(shí)不成熟，取消命令），采摘之后的果實(shí)放置傳送帶，傳送至機(jī)器人儲(chǔ)藏箱。

4、結(jié)論

通過智能草莓采摘機(jī)器人，提升采摘的效率，解決了草莓采摘現(xiàn)存的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]梁麗娟.草莓采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)[碩士論文].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué). 2007.5

[2]馮青春，鄭文剛，姜?jiǎng)P，等.高架栽培草莓采摘機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì).農(nóng)機(jī)化研究，2012：123—124重慶蔬菜信息.農(nóng)業(yè)機(jī)械. 日本的果蔬采摘機(jī)器人.2005.12.14