衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王勝 巫少龍 周明安 劉文軍

引言

目前對(duì)于智能控制技術(shù)、嵌入式控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)等應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的起步還稍晚，但是通過(guò)近幾年行內(nèi)專家學(xué)者的研究與創(chuàng)新取得了一定的可借鑒的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)施方案，部分研究成果已經(jīng)達(dá)到國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)水平，但也存在一些不全面性和創(chuàng)新性不足的問(wèn)題，這些研究為本項(xiàng)目的開(kāi)展提供了保證和借鑒。

南京工業(yè)大學(xué)孫承平等[1]設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人視覺(jué)測(cè)量與避障控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的識(shí)別功能，但未能在模擬實(shí)踐中進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)用性和推廣性有待考量。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)熊俊濤等[2]研究了荔枝、柑橘的視覺(jué)識(shí)別定位方法，以及機(jī)械手的行為控制方法，進(jìn)行了荔枝、柑橘的采摘作業(yè)試驗(yàn)，該款機(jī)器人制作成本高、且主要針對(duì)的是以串型水果為主的采摘，品種具有局限性。齊齊哈爾大學(xué)蔣超等[3]研究了基于傳感器的自動(dòng)識(shí)別水果采摘機(jī)。適用于大多數(shù)果園采摘，能高效、快速地采摘水果，極大程度上減少了勞動(dòng)力，提高了采摘效率。東北林業(yè)大學(xué)孫雪等[4]提出了一種球形水果采摘機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)方案，該機(jī)器人的主要特點(diǎn)是能夠適應(yīng)惡劣的地面環(huán)境、對(duì)果實(shí)傷害小、采摘效率高，能夠?yàn)檫M(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)實(shí)用型水果采摘機(jī)器人提供基礎(chǔ)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)董芒等[5]設(shè)計(jì)了一種輪式智能移動(dòng)采摘平臺(tái)，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和防撞梁機(jī)構(gòu)，該移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度和剛度較高，運(yùn)動(dòng)精度高，符合實(shí)際工作要求。廣東海洋大學(xué)曾嘉煜等[6]一種實(shí)用性高的無(wú)線遙控式高果采摘器。通過(guò)對(duì)已有的水果采摘器結(jié)構(gòu)原理和使用步驟進(jìn)行分析研究，結(jié)合紅外遙控原理，由微型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用可動(dòng)機(jī)械爪結(jié)構(gòu)，同時(shí)手柄部分采用可調(diào)伸縮桿結(jié)構(gòu)，對(duì)高果采摘器結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。南京航空航天大學(xué)朱霞等[7]設(shè)計(jì)了一種用于智能水果采摘機(jī)器人的識(shí)別系統(tǒng)。該識(shí)別系統(tǒng)為后期果實(shí)的采摘提供了比較精確的參考。

目前國(guó)內(nèi)的果蔬采摘機(jī)器人很大一部分是利用機(jī)械線纜機(jī)構(gòu)方式驅(qū)動(dòng)，在抓取果實(shí)應(yīng)用中使用氣動(dòng)方式，鮮見(jiàn)有利用高低自由伸縮及可分離采摘機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)，結(jié)合影像識(shí)別技術(shù)定位果實(shí)，完成懸掛果的無(wú)損采摘。因此，一種便攜式、無(wú)線遙感控制的高效梨果采摘裝置的研制和應(yīng)用，將降低懸掛果采摘作業(yè)的難度，促進(jìn)我國(guó)農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化水平的發(fā)展。

1 裝置研制技術(shù)分析

1.1 自由伸縮可分離機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析及穩(wěn)定性控制

設(shè)計(jì)便攜式智能高效的懸掛果采摘裝置。需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)仿真和實(shí)際調(diào)試，最終將實(shí)物制作大致分為：機(jī)械手裝置、采摘部件、嵌入式控制模塊、多視覺(jué)傳感器模塊、位置傳感器模塊等五大核心部分。通過(guò)UG 軟件的三維設(shè)計(jì)分析功能，利用虛擬樣機(jī)的仿真設(shè)計(jì)及動(dòng)靜力學(xué)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的采摘?jiǎng)幼髀窂揭?guī)劃及動(dòng)力平衡，確保采摘過(guò)程的穩(wěn)定性。

1.2 機(jī)械手與末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析及平穩(wěn)性存在的關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)計(jì)出用于采摘智能控制技術(shù)的整體裝置結(jié)構(gòu)，研究嵌入式模塊控制的優(yōu)化構(gòu)建與采摘穩(wěn)定性的驗(yàn)證技術(shù)。建立懸掛果采摘裝置的實(shí)際制作及優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方法與驗(yàn)證手段。從智能制造技術(shù)制作完成樣機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性、連接桿與連接板的結(jié)合點(diǎn)處的速度及位移的變化曲線、從運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性及高效性角度出發(fā)，探索新型懸掛果采摘裝置的切除執(zhí)行機(jī)構(gòu)及采摘穩(wěn)定性的因素。

1.3 采摘裝置末端切除執(zhí)行機(jī)構(gòu)分析及視覺(jué)定位方法

對(duì)末端的切除采摘機(jī)構(gòu)，采用可分離高低兩用的原則，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、通用性更強(qiáng)的末端執(zhí)行器。通過(guò)較少的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，依靠無(wú)線控制模塊和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)正常工作。該采摘末端執(zhí)行器能根據(jù)橘樹(shù)樹(shù)干、枝葉和果實(shí)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)期望的抓取功能，易于控制，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)損采摘。主要包括手持采摘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、力學(xué)分析、控制過(guò)程分析、抓取試驗(yàn)等。

1.4 智能高清影像定位識(shí)別技術(shù)的無(wú)線傳感控制優(yōu)化理論的實(shí)現(xiàn)

圖1 智能水果采摘裝置原理圖

探索基于高清影像識(shí)別定位的嵌入式無(wú)線控制模塊感知方法，檢測(cè)智能水果采摘裝置實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)等。初步完成相應(yīng)裝置的多運(yùn)動(dòng)傳感器的設(shè)置及仿真，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方案的規(guī)劃，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集仿真分析驗(yàn)證，開(kāi)展試驗(yàn)采摘實(shí)踐，并實(shí)現(xiàn)懸掛果類智能便攜式采摘裝置的高效穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程。

1.5 建立采摘機(jī)械裝置的虛擬樣機(jī)初期設(shè)計(jì)模型

圖2 采摘裝置虛擬樣機(jī)初期設(shè)計(jì)圖

如圖2 所示，多傳感器融合了多品種高果采摘裝置，設(shè)計(jì)有視覺(jué)傳感器、位移傳感器、顏色傳感器等多傳感器控制的機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)多品種多形狀水果的定位并采摘。在虛擬仿真設(shè)計(jì)中，采用機(jī)身穩(wěn)定裝置對(duì)整體裝置進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，合理編排傳感器安裝的位置及固定方式，采用移動(dòng)式機(jī)身穩(wěn)定裝置設(shè)計(jì)，使得整個(gè)裝置更加穩(wěn)定，充分地融合嵌入式控制模塊，提高高空水果采摘的智能化及精準(zhǔn)性。設(shè)計(jì)便攜式可分離的柔性可調(diào)節(jié)采摘剪切器，實(shí)現(xiàn)懸掛果的全地形高效智能采摘效果。

2 結(jié)論

便攜智能高效采摘裝置是對(duì)水果智能采摘機(jī)研制的技術(shù)革新，所研制的裝置可推廣到各個(gè)行業(yè)，滿足農(nóng)戶及家庭合作社對(duì)采摘機(jī)的需求，服務(wù)農(nóng)業(yè)具體工作。分析驗(yàn)證表明，裝置能實(shí)現(xiàn)手持電動(dòng)剪切部件的采摘效果，效率高、靈活、操控性非常強(qiáng)，達(dá)到高效率采摘低空的懸掛果。設(shè)計(jì)的無(wú)線遙控裝置控制區(qū)的無(wú)線傳感按鈕，模擬實(shí)現(xiàn)剪切裝置的快速剪切動(dòng)作，達(dá)到遠(yuǎn)距離、高空控制的高效率水果的采摘。能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)采摘規(guī)定尺寸范圍內(nèi)的各類品種球形水果，實(shí)現(xiàn)高低空水果的柔性化采摘的效果。