基于機器視覺的百香果采摘分級機器人平臺的設計

黃才貴

（南寧學院，廣西壯族自治區 南寧 530200）

百香果維生素含量豐富且藥用價值高，發出的濃郁香味多達十幾種，目前很受很多人的喜愛。目前，我國的百香果產地主要在兩廣、云南和臺灣等氣候溫暖的南方地區[1-5]。目前在南方作為重要的農民脫貧致富的農作物[6]。隨著百香果種植面積加大，采摘的勞動量隨之加大，目前采摘的方式主要還是人工的方式，再加上百香果的品質分級勞動強度大，目前就需要機械化采摘和分級裝置來解決這些問題。

1 機器人平臺的總體方案及原理

1.1 總體結構方案

百香果采摘機器人平臺的總體設計圖見圖1，包括機器視覺模塊、采摘執行機械手模塊、控制模塊、移動平臺模塊、機器人本體模塊。其總體結構連接關系為：末端采摘執行機械手模塊固定安裝在伸縮臂的最前端，工業相機固定安裝在伸縮臂最前端的頂部，機器人本體模塊轉動安裝在移動平臺模塊的導向座上。

圖1 總體設計結構圖Fig.1 Overall design structure

1.2 采摘工作原理和優點

采摘工作流程見圖2。工作時，工業相機收集到百香果的圖像信息并傳至控制器進行識別處理，控制器根據圖像信息識別后進行分析判斷，得出百香果的具體位置信息，然后控制移動平臺模塊、機器人本體模塊協調運動，使得末端采摘執行機械手模塊移動到百香果的具體位置。接著末端采摘執行機械手模塊中的末端執行驅動電機工作拉動拉環，根據關節二和傳動部分的傳動關系，首先克服彈簧A 的彈力作用，通過傳動部分拉動3個關節二內移向百香果夾持，當百香果觸碰到接觸板時，則驅動關節二內部的連桿機構，進而驅動3 個關節一從上往下轉動從而夾持百香果頂部，整個過程使得百香果得以穩定夾持，以保證后續采摘。

圖2 采摘工作流程圖Fig.2 Picking work flow chart

開發的采摘平臺所具備的優點為：末端采摘執行機械手模塊通過聯動的方式，只需拉動拉環以及接觸板對百香果的夾持即可實現關節一和關節二的夾持動作，結構巧妙合理，能耗低。且通過采摘機械手關節及內部結構的設計，兩處采用彈簧設置，即彈簧A、B，可實現一定的柔性夾持，保護百香果避免采摘時由于壓力過大而損壞，同時也保證保證采摘果實過程中的穩定性。

2 各關鍵部件的結構設計

2.1 采摘執行機械手模塊的結構設計

采摘執行機械手模塊的結構，見圖3，包括關節一、關節二、接觸板、支撐盤、支撐架、傳動部分。其中，關節一的底部與關節二上部連接，接觸板的上端鉸接于外框左側上端，關節二底部一側與支撐盤形成滑動連接，可內外滑動于支撐盤上，支撐盤底部固定安裝在支撐架上，該模塊的傳動部分分別與關節二和支撐架連接。支撐盤設置有導槽，滑塊滑動安裝在支撐盤的導槽內，滑塊可在導槽內滑動。支撐盤的導槽和滑塊之間還設置有彈簧B，彈簧B 在自然狀態下可頂住滑塊，使滑塊保持在導槽右側。

圖3 采摘執行機械手模塊的結構圖Fig.3 Structure diagram of picking execution manipulator module

其中傳動部分包括拉環、連桿A、末端執行驅動電機、齒條、驅動齒輪和導向槽，連桿A 上端鉸接于滑塊左側，連桿A下端與拉環連接，拉環底部固定安裝有齒條，驅動齒輪和齒條形成嚙合關系，驅動齒輪安裝在末端執行驅動電機的輸出軸上，末端執行驅動電機固定安裝在外部連接套上，導向槽底端固定安裝在外部連接套內部底端，齒條插入導向槽內形成滑動連接，齒條可在導向槽內前后移動。拉環中設置有圓柱拉桿、彈簧A；圓柱拉桿穿過支撐架的中心孔和拉環頂部的中心孔形成滑動連接；彈簧A 設置在拉環內部頂端和圓柱拉桿底端之間，連桿A 下端鉸接于圓柱拉桿上端，圓柱拉桿通過連桿A 與滑塊連接；在拉動拉環時，克服彈簧A 的彈力作用，使圓柱拉桿向與拉環相同的運動方向運動。

2.2 機器人本體模塊的結構設計

機器人本體模塊的結構見圖4，包括相機連接架、伸縮臂、調節臂、鉸支座A、支撐臂、支撐臂底座、旋轉調節電機、主動齒輪、從動齒輪、旋轉支軸、鉸支座B、鉸支座C。相機連接架固定安裝在伸縮臂的伸縮桿前端，伸縮臂下端固定設置有鉸支座C，伸縮臂后端鉸接于鉸支座A，鉸支座A 固定安裝在支撐臂上端，支撐臂固定安裝在支撐臂底座上面，從動齒輪與支撐臂底座同軸安裝，主動齒輪和從動齒輪形成嚙合關系，主動齒輪安裝在旋轉調節電機輸出軸上。支撐臂中上部還固定設置有鉸支座B，調節臂上下端分別鉸接于鉸支座C和鉸支座B 上。伸縮臂的伸縮調節可以調整采摘執行機械手模塊的具體前進位置，調節臂的伸縮調節可以調整伸縮臂和支撐臂之間的角度，整個機器人本體模塊的旋轉調節由旋轉調節電機驅動齒輪傳動進行調整。

圖4 機器人本體模塊的結構Fig.4 Structure of robot body module

2.3 移動平臺模塊的結構設計

移動平臺模塊的結構見圖5，包括電機架、底座、主動同步帶輪、同步帶、前進調節電機、附加支座、連接架、從動同步帶輪、帶輪轉軸、導向桿、導向座。電機架底部固定連接在導向座上，導向座滑動安裝在兩根導向桿上形成滑動連接，兩根導向桿兩端分別固定安裝在底座上。附加支座固定連接在底座的一側，其中一端固定安裝有前進調節電機，前進調節電機輸出軸安裝有主動同步帶輪，從動同步帶輪轉動安裝在帶輪轉軸上，主動同步帶和從動同步帶分別通過同步帶嚙合連接，連接架兩端分別固定連接著導向座和同步帶。同步帶在傳動過程中，可以驅動導向座及安裝在上方的機器人本體模塊移動。

圖5 移動平臺模塊的結構Fig.5 Structure of mobile platform module

3 機器視覺采摘分級控制方案

基于機器視覺的采摘分級系統組成包括圖像采集部分、圖像處理部分、PLC 控制器、執行機構、傳送帶、分級部分和收集部分，硬件框架結構見圖6。整個系統的工作流程為：首先通過光源調整得到合適的對比度，完成系統標定并儲存像素和百香果圖像之間的對應關系以便進行識別分析；對百香果進行識別分析之后，即可通過PLC 對執行機構進行控制，實現百香果的抓取并放置到輸送帶上，然后進入分級和收集。

圖6 移動平臺模塊的結構Fig.6 Structure of mobile platform module

4 結構的模態分析

在工作過程中，該采摘平臺需要在室外進行田間作業，所以會受到地面對整個平臺的非對稱載荷的作用，會容易激發平臺結構的異向彎曲模態或彎曲扭轉組合模態。由路面不平衡導致的激勵振動頻率為1～20 Hz，由輪胎動不平衡導致的激勵振動頻率通常小于5 Hz[7]。對整體結構進行細節處理之后，再經過求解分析，得到前六階模態分析變形云圖見圖7。

圖7 前6階模態分析結果Fig.7 First six order modal analysis results

根據結果可知，前6階模態的固有頻率分別為31.589 Hz、54.198 Hz、94.202 Hz、127.16 Hz、183.53 Hz、83.61 Hz，與外部激振頻率相差較遠，所產生的的共振可能性小，說明符合設計要求。

5 結語

通過對百香果采摘分級機器人的總體結構設計，分析其視覺識別和控制方案，最后針對實際使用的場合進行整個平臺的模態分析，避開實際激振頻率，減小共振的可能性。經過設計和有限元分析，表明設計的合理性，這為之后百香果采摘分級的機械化打下基礎。