獼猴桃采摘機器人設計及試驗

王佳虹, 王迪, 葉宏寶, 朱國宏, 晏毓

(1.杭州喬戈里科技有限公司, 浙江 杭州 310051; 2.浙江省農業科學院 農業裝備研究所, 浙江 杭州 310021)

采摘作業在整個獼猴桃生產中占據很大比例,完整的獼猴桃種植生產過程中約有35%的時間被采摘占據, 并且獼猴桃進入適采期后必須盡快采摘, 盛果期采摘作業量驟增[1], 提高獼猴桃采摘的自動化程度對于提高整個產業的經濟效益至關重要。

2000 年以來, 世界各地都將農業研究重點轉向了農產品自動化[2-6]。草莓采摘機器人由東京大學的學者們率先研發成功, 隨之問世的是荷蘭研究者研發的采摘機器人[7], 主要針對當地的黃瓜采摘, 中國科學家也研發出針對草莓[8]、茄子[9-10]、番茄[11]、蘋果[12]等采摘機器人。隨著農業自動化程度的不斷加深, 關于獼猴桃采摘的機械自動化研究成果也越來越多, 但現存研究成果仍存在機械采摘易受損傷、機器人自動化程度低、采摘效率低等問題。

針對上述獼猴桃機械采摘的一系列問題, 本文針對獼猴桃生長和采收特點對采摘機器人進行設計和試驗, 研制了搭載無損采摘末端的整體采摘機器人樣機, 并進行果園實地采摘實驗。

1 采摘機器人系統組成及工作原理

獼猴桃屬落葉藤類植物, 我國獼猴桃多種植在露天果園環境中 (圖1), 獼猴桃果樹藤架高約180 cm, 兩排果樹間距為200～300 cm, 可作為采摘機器人的行走通道, 獼猴桃果實分布較為集中,適采期果實多從頂端樹冠垂下, 分布在地面向上150～170 cm 處至藤架。鑒于獼猴桃的農藝管理特點和生長特點, 采摘機器人在兩排果樹中間移動,能夠保證采摘絕大部分果實。

圖1 獼猴桃果園種植環境

獼猴桃采摘機器人的結構示意如圖2 所示, 主要由履帶式移動底盤、控制裝置、雙目相機、承載裝置、升降座、托架、氣泵、真空控制器等組成,其中控制裝置由工控機、GPS 接收器、溫濕度傳感器、調壓閥和控制電路等組成。

圖2 獼猴桃采摘機器人結構簡圖

采摘機器人在作業過程中可以完成自主導航,當視覺系統檢測到自身行走到目標果樹位置后, 上位機發送命令控制履帶底盤停止前進, 并通過Ethernet 向機械臂發送運動指令, 控制機械臂到達目標位置進行圖像采集工作, 上位機接收到圖像數據后生成適采期果實位置數據, 進一步對機械臂運動路徑進行規劃生成機械臂運動指令。當機械臂到達預定位置后, 上位機通過PLC 控制末端執行機構抓取果實。當前位置的果實采摘結束后, 機械臂恢復初始設定位姿, 上位機控制機器人繼續前進,重復上述步驟。機器人前進過程中若遇到障礙物,上位機通過雙目視覺相機給出的深度信息控制機器人躲避, 若無法躲避則停在原地并發出警報。獼猴桃采摘機器人實物圖如圖3 所示。

圖3 獼猴桃采摘機器人實物圖

2 控制系統設計

2.1 軟件控制

整個軟件系統基于ROS 框架開發完成, 其程序流程圖如圖4 所示, 程序流程簡述如下:

圖4 上位機軟件流程圖

(1) 各系統設備初始化。

(2) 初始化完成后, 導航系統開始通過串口采集RTK 技術解析的當前機器人經緯度位置信息和航向角信息, 同時通過雙目攝像機采集機器人周邊環境信息, 上位機提取并分析當前路面信息用于導航決策, 進而生成導航控制數據, 實現采摘機器人自主行走。

(3) 上位機控制導航機器人行走的同時, 雙目攝像機采集周圍果樹位置圖像, 生成位置信息指導機器人到達果樹邊, 之后雙目相機繼續掃描適采期果實, 并保存果實中心點位置信息, 上位機利用這些位置信息對機械臂運動路徑進行規劃和運動學求解。

(4) 機械臂按照上位機規劃的運動順序到達預設位置后, 末端執行機構通過PLC 接收上位機的指令進行果實抓取動作, 當前果實采摘完成后重復上述步驟直至當前范圍內果實全部被采摘。

(5) 采摘機器人不斷重復前進和采摘步驟,當視覺系統檢測到果樹特征消失后, 執行轉彎動作。當導航系統檢測到機器人到達預設終點時, 采摘任務結束。

2.2 硬件控制

智能移動采摘機器人的控制系統主要由上位機控制器、下位機控制器和傳感器系統等部分組成,硬件結構框圖如圖5 所示。

其中末端執行機構由支撐板、驅動裝置、控制裝置、夾爪和相機組成, 如圖6 所示, 能夠以夾持果實的方式摘取獼猴桃。相機位于支撐板外側, 用于將待采摘的水果位置信號傳遞給連接執行機構的機械臂, 可以有效保證水果采摘過程的自主精確定位及抓取; 驅動裝置安裝在支撐板上, 并連接固定件, 同時固定件上安裝3 個柔性氣動夾爪, 通過控制外接氣泵的氣體使柔性夾爪膨脹并發生彎曲, 進而貼合果實表面握緊果實, 保證了抓牢果實完成折斷的過程中不對果實造成傷害; 驅動裝置可以推動魚眼軸承帶動固定件發生轉動, 進而使得安裝在固定件上的多個夾爪發生轉動, 夾爪抓取采摘水果在轉動過程折斷水果果蒂完成采摘動作; 內部中空的管筒形固定件的上端安裝夾爪, 在其下端安裝連接柔性兜袋并延伸至柔性收集箱, 夾爪抓取水果完成采摘后可松開將水果直接從中空的管筒形固定件滑入收集容器, 提高了采摘效率, 也避免了末端執行機構機械臂的往返移動, 降低了對樹體枝葉損傷的概率。

圖6 末端執行機構結構示意圖

3 結果與分析

采摘機器人能否高效準確地完成采摘任務主要由兩個指標決定, 首先在于識別系統對于獼猴桃果實識別的準確率, 其次在于識別成功后機械系統能否成功采摘, 故本文設計了兩方面的實驗來驗證采摘機器人的性能。

3.1 識別定位試驗

試驗于2022 年9 月15—30 日開展, 采摘試驗地點為浙江省杭州市富陽獼猴桃種植園, 試驗對象為移栽獼猴桃, 獼猴桃品種為海沃德。通過在一天中的不同時段進行識別實驗, 測試機器人在不同光照情況下的識別準確率, 識別結果如表1 所示。

表1 識別定位試驗結果

由表1 可知, 識別系統在較暗、正常和較亮3種情況下的識別成功率分別為86.7%、97.7%和94.2%。由該結果可知, 該系統在較暗的環境下識別性能相對較差, 在環境光線正常和較亮的情況下識別準確率均達到了94%以上, 結合采摘機器人多為日間工作的實際應用情況, 其工作場景下絕大部分時間光線充足, 故該采摘識別系統可滿足獼猴桃采摘需求, 部分識別結果如圖7 所示。

圖7 3 種光照識別結果圖

3.2 采摘試驗

采摘末端執行機構安裝于六軸機械臂上, 并在機械臂末端搭載雙目視覺相機, 機械臂的最大線速度和最大線加速度分別設為2 m·s-1和2 m·s-2,最大角速度和最大角加速度不超過180 (°) ·s-1和180 (°) ·s-2, 采摘時機械臂在雙目視覺的引導下將柔性夾爪對準并貼近獼猴桃表面, 然后執行采摘操作, 獼猴桃在夾爪閉合過程中被夾爪向末端執行器方向拉拽, 當夾住果實后擺動氣缸轉動, 將獼猴桃果梗與果實分離。最終測得采摘機器人的采摘成功率和單果采摘時間等數據, 如表2 所示。

表2 采摘試驗結果

由表2 可知, 在準確識別視野內的獼猴桃果實的基礎上, 3 個時間點下采摘成功率均達到了85%以上, 單果平均采摘時間為3.01 s, 可滿足實際生產的技術要求。

4 結論與討論

針對獼猴桃機械采摘時果實易受損傷的情況,搭載柔性夾爪設計末端采摘機構, 通過控制氣壓大小實現獼猴桃果實的無損采摘。

設計了獼猴桃采摘的整體控制系統, 從硬件和軟件兩方面實現采摘系統的自動化和智能化, 實現了履帶車移動底盤、采摘機械臂、末端執行機構及采后水果收集等一系列動作的協調統一, 推進了獼猴桃采摘的智能化和機械化進程。