智能花椒采摘機的設計研究*

蔡芳蘭

（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101）

0 引言

目前我國花椒栽培的主產(chǎn)區(qū)在甘肅、陜西、四川、河南、河北、山西和山東等省，據(jù)2016年資料統(tǒng)計，甘肅花椒種植面積突破27萬hm2，居全國種植面積首位，在甘肅花椒種植地區(qū)，花椒是大部分農(nóng)戶的主要經(jīng)濟來源?；ń凡烧绞揭允止橹?，采摘工作效率低，花椒生有皮刺，采摘速度慢、難度大、用工多，人工采摘已成為制約花椒產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個限制因素，特別是近年來花椒采摘工價不斷攀升，2020年高達12元/kg，用工費用占近1/3的花椒產(chǎn)值，致使花椒生產(chǎn)“豐產(chǎn)不豐收”，廣大椒農(nóng)的利益得不到保障，嚴重制約了花椒產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展[1-2]。我國花椒采摘科研起步晚、力量分散，在許多地區(qū)的研究還不夠深入。

花椒采摘智能化、一體化的實現(xiàn)，采摘機輕量化、便攜帶、易操作、可靠性等方面的性能提升及降低對果品和枝葉損傷方面的研究，能夠提高椒農(nóng)對采摘機的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的問題。隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化建設的推進，椒農(nóng)以中老年人居多，采摘機的創(chuàng)新設計進一步減緩了農(nóng)村勞動力缺乏與用工需求增加之間的矛盾，符合當前花椒產(chǎn)業(yè)省力化、機械化、智能化栽培的要求[3-4]。

1 智能花椒采摘機的工作原理及設計步驟

1.1 工作原理

智能花椒采摘機主要應用于大面積種植花椒的農(nóng)田，采用四輪履帶式底盤設計，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性；同時，四條履帶在轉(zhuǎn)彎的時候可以減少與地面的摩擦面積從而降低履帶的磨損程度，節(jié)約生產(chǎn)成本。機械臂采用二節(jié)式手臂，底座應用滾動軸承和步進電機來實現(xiàn)機械臂360°精準旋轉(zhuǎn)；第一節(jié)手臂是連桿機構，便于快速地伸縮，提高機械臂的工作效率以及減少其工作時間；第二節(jié)手臂頂端配備了一枚攝像頭，可以實時監(jiān)控本機器運動狀態(tài)并采集信息；同時，采用的是拼裝結構，可以通過拼裝連接機械爪或裝有裁剪部件來實現(xiàn)一機多用，機械爪采用關節(jié)式結構以達到精準進行抓取的目的[5]。

主控采用STM32單片機搭配openMV模塊實現(xiàn)。首先，openMV完成花椒的識別和定位，然后，將花椒的位置信息發(fā)送給STM32主控芯片；芯片根據(jù)收到的位置信息控制機械手臂運行，將花椒摘下，摘下后的花椒由機械抓手送入收集袋。

首先由openMV將攝像頭拍攝到的不同形狀、不同相對位置的花椒照片存儲于openMV內(nèi)置存儲卡中，形成模板庫。然后，在識別和定位時利用模塊特征點提取函數(shù)，將實時拍攝到的照片與模板進行匹配，達到閾值后，則匹配成功；再利用色塊識別函數(shù)完成對花椒顏色的識別，當其LAB值在預期范圍內(nèi)，識別成功[6]。將以上兩者的識別結果和匹配結果求交集都滿足時，才為識別成功，大大降低了識別的錯誤率。

當識別成功時，機械手臂動作到openMV返回的坐標位置。其動作由STM32單片機在空間柱坐標系中求逆解獲得運動軌跡后，控制電機實現(xiàn)。當機械手臂運動到指定位置時，連桿夾緊機構動作，利用連桿端部刀具將花椒根部切斷[7]?；ń凡烧瓿珊?，機械

手臂運動到收集箱位置，連桿夾緊機構松開，花椒送到收集箱。由此完成一個周期的工作。

1.2 設計步驟的主要內(nèi)容

1）底盤結構設計：采用四輪履帶式底盤設計，與一般的兩條履帶模式相比，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性。小車底盤采用鋁合金材質(zhì)或亞克力板等材料，達到了硬度和輕量化的需求，同時，加裝1020鋁型材為車架，增強整體車身載重能力；分別設計履帶直線行走、轉(zhuǎn)向及原地自轉(zhuǎn)；底部履帶直流電機的選?。涸O底盤的移動速度為v1，承受正壓力F1，摩擦系數(shù)f=Fm/F1，F(xiàn)m為摩擦力，則計算電機功率

①整體懸掛分析：對于載重小車來說，懸掛系統(tǒng)十分重要。其主要功能是傳遞作用在車輪和車架之間的力和力矩，同時，緩解車輛在多種復雜路面運行時給車身、車架帶來的沖擊，并衰減由此引起的震動，以保證車輛平順行駛。然而，由于小車需要適用于多種地形，因此采用了坦克上扭桿式懸掛。

扭桿懸掛工作原理：扭桿實際上也是彈簧，但它通過金屬結構的扭轉(zhuǎn)運動，從而獲得彈性力。一般來說，小車的負重輪通過肘節(jié)與扭桿連接，當負重輪上下運動時，肘節(jié)把運動轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)扭桿的運動，使扭桿的彈性力產(chǎn)生緩沖作用。扭桿式懸掛特點：一是扭矩大，彈性力強；二是運行路程大，扭轉(zhuǎn)幾乎不占空間，這要比彈簧好得多；三是結構比彈簧組件更加簡單而且更加牢固，可靠性更高；四是整體占地空間很小。

②直線行走原理：直流電機在地面驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動，只要選用的直流電機的功率足夠大，就可以輕松驅(qū)動履帶轉(zhuǎn)動，所以履帶在各種地形上就像在平地上一樣順利地行走。履帶的特殊性，使得對機器人前進的分析比較復雜，為了簡化分析過程，假定一個非常柔軟的帶子作為機器人行走的履帶，每一節(jié)履帶都作為一個點。設履帶相對于機器人的轉(zhuǎn)動速率為Vx，履帶隨機體一同前進的牽連速率為Vq，履帶上的某一點的絕對速率Vj應為相對速率和牽連速率的向量和，如式（1）所示。

③轉(zhuǎn)向原理：履帶機器人轉(zhuǎn)向時，機體做平面運動，兩組履帶之間產(chǎn)生差速，從而使機體平面繞某一點旋轉(zhuǎn)。用縱向速度，側向速度v2、角速度可以完全描述機體的運動。在機體轉(zhuǎn)動的任一時間，機體的平面運動都可以當作機體繞該平面的某一點做旋轉(zhuǎn)運動，這個點就是機器人的轉(zhuǎn)動圓心。履帶和地面接觸部分與地面之間的運動關系決定了轉(zhuǎn)動過程當中墻面和履帶之間的作用力（水平面內(nèi)），所以對于履帶的運動，主要分析履帶和地面接觸部分的運動[9]。

轉(zhuǎn)彎運動學分析履帶機器人轉(zhuǎn)向過程中履帶和地面接觸部分的運動，履帶和地面接觸部分的運動是機體運動和履帶卷繞運動的復合。機體的運動為繞轉(zhuǎn)動圓心的旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)動角速度為ω，履帶和地面接觸部分的任意一點的牽連速率如式（2）所示：

④原地自轉(zhuǎn)原理：當小車遇到前方障礙物過大時，需要大角度調(diào)節(jié)自身位置，兩邊電機便可反向旋轉(zhuǎn)，讓小車兩條履帶反方向轉(zhuǎn)動，可以達到原地360°旋轉(zhuǎn)的效果。履帶驅(qū)動成熟簡單，增大接觸面，能很好地分散壓力，更大的優(yōu)點是履帶式機器人的行走重心更平穩(wěn)，重心能最大限度地貼近地面，從而減小機械誤差。

2）對機器要用到的直流電機、步進電機、舵機等的功率進行計算；設計可調(diào)控伸縮桿；步進電機選用兩相步進電機驅(qū)動，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，通過3位撥碼開關選擇7擋細分控制，通過3位撥碼開關選擇8擋電流控制。適合驅(qū)動57型、42型兩相、四相混合式步進電機。驅(qū)動電機能達到低振動、小噪聲、高速度的效果。機械臂采用二節(jié)式手臂，底座應用滾動軸承和步進電機來實現(xiàn)機械臂360°精準旋轉(zhuǎn)。手臂自由度的計算：首先采用的是兩節(jié)式手臂，底部有一個平面180°旋轉(zhuǎn)，中間有上下120°旋轉(zhuǎn)，手爪有一個捏合，手臂有三個活動構件，則F2=3n-(2pl+ph)=3*3-(2*2+1)=4，所以手臂自由度為4。

3）手爪攝像頭的選?。簲z像頭鏡頭規(guī)格為F2.0光圈、110°廣角；分辨率為1 920*1 080（1 080 P），夜視距離可達9 m；具有防抖功能以解決機械臂抖動時拍攝不清的問題。

4）控制單元：編寫主控S T M 3 2單片機及openMV模塊控制程序；openMV以STM32F767CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，在小巧的硬件模塊上，用C語言高效地實現(xiàn)了核心機器視覺算法，提供Python編程接口?；贏RM? Cortex?-M4的STM32F4系列單片機（MCU）采用了意法半導體的NVM工藝和ART加速器，在180 MHz的工作頻率下通過閃存執(zhí)行指令時可實現(xiàn)225 DMIPS/608 CoreMark的性能。STM32F4系列包括11條兼容的數(shù)字信號控制器（DSC）產(chǎn)品線，是MCU實時控制功能與DSP信號處理功能的完美結合體。采用藍牙模塊，是一種集成藍牙功能的PCBA板，用于短距離無線通信，按功能分為藍牙數(shù)據(jù)模塊和藍牙語音模塊。

5）組裝及功能測試流程如表1所示。

表1 組裝及功能測試流程

2 智能花椒采摘機的創(chuàng)新點

1）借助高速圖像識別模塊，識別準確率高、速度快；2）采用了四輪履帶式底盤設計，這種結構能更好地適應不同地形，擁有更高的機動性、靈活性；3）移動式底盤和可調(diào)控伸縮桿設計滿足機械臂工作高度和移動的需求，使采摘機對花椒樹干的大小有很強的適應性，能在樹干間自由工作，降低了損傷花椒果莖和葉子的可能性[10]；4）機械臂平臺應用步進電機和滾動軸承來實現(xiàn)360°精準轉(zhuǎn)動，同時，使用關節(jié)式結構實現(xiàn)準確定位；5）生產(chǎn)成本低，自動化程度高，人工干預少；6）采用藍牙控制，并預留GPS和4G接口，方便遠程部署和調(diào)度。

3 結語

花椒采摘智能化、輕量化、便攜帶、易操作、可靠性等方面的提升及降低對果品和枝葉損傷方面的研究，能夠提高種植戶對花椒采摘機的使用率，改善人工采摘成本高、工作繁重及操作高危等方面的問題。采摘機的智能化設計進一步減緩了農(nóng)村勞動力缺乏與用工需求增加之間的矛盾，符合當前花椒產(chǎn)業(yè)機械化、智能化栽培的要求。