陳振鵬

摘?要：水果產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)業(yè)，也是提高人民生活水平、保持社會(huì)穩(wěn)定的重要產(chǎn)業(yè)。針對(duì)傳統(tǒng)人工采摘水果效率低下、經(jīng)濟(jì)成本高的問(wèn)題，說(shuō)明了自動(dòng)采摘水果機(jī)器人研究的必要性，并給出了果樹(shù)采摘機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)主要方式，對(duì)主要的技術(shù)參數(shù)作出了試驗(yàn)驗(yàn)證方法與思路。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè);果樹(shù)采摘機(jī)器人;功能;技術(shù)實(shí)現(xiàn);試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP241文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.013

隨著生活水平的提升，水果已成為我國(guó)人民生活中必不可少的食品，我國(guó)蘋(píng)果、梨、橘子等眾多水果產(chǎn)量位居世界前列。對(duì)于現(xiàn)階段的水果生產(chǎn)而言，大規(guī)模果園的生產(chǎn)耗費(fèi)了大量的人力資源，且采摘過(guò)程的經(jīng)濟(jì)成本很高，尤其對(duì)于水果采摘來(lái)說(shuō)，更是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且很多水果具有明顯的時(shí)令性，快速采摘也成為了保證其高品質(zhì)銷(xiāo)售的基礎(chǔ)。針對(duì)這一問(wèn)題，我國(guó)對(duì)于水果采摘機(jī)器的研究也投入了大量的人力物力，相關(guān)的研究已達(dá)30年以上，現(xiàn)階段對(duì)于蘋(píng)果、橘子、西紅柿等的采摘機(jī)器人理論研究已十分豐富，相信相關(guān)機(jī)具的普及也會(huì)很快實(shí)現(xiàn)。

1?果樹(shù)采摘機(jī)器人的研究情況

我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人的研究多來(lái)自于科研院所及各大高校的農(nóng)機(jī)專(zhuān)業(yè)，相關(guān)研究重點(diǎn)在于采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行、果實(shí)識(shí)別、自動(dòng)導(dǎo)航行駛等方面。研究的難點(diǎn)問(wèn)題包括：（1）自動(dòng)識(shí)別技術(shù)受環(huán)境影響較大，光照條件、樹(shù)葉遮擋、果實(shí)形狀顏色不同都會(huì)影響視覺(jué)識(shí)別的準(zhǔn)確性;（2）采摘方式的柔性化。由于采摘不能破壞水果表面，對(duì)于脆嫩、形狀各異、位置不同的水果，需要實(shí)現(xiàn)無(wú)害化的采摘;（3）機(jī)械手需具備良好的避障能力。在滿(mǎn)足高效率采摘的過(guò)程中，機(jī)械手執(zhí)行動(dòng)作還必須避開(kāi)樹(shù)枝的遮擋，避免對(duì)機(jī)械手造成損壞，或?qū)Σ烧乃斐晒蝹?/p>

目前來(lái)看，水果采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展已比較成熟，但是智能識(shí)別技術(shù)、水果識(shí)別算法、避障技術(shù)的研究還需突破關(guān)鍵技術(shù)，才能保證水果采摘機(jī)器人技術(shù)得到全面提升，并為未來(lái)產(chǎn)業(yè)化提供足夠的技術(shù)保證。

2?關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式

2.1?基本結(jié)構(gòu)

果樹(shù)采摘機(jī)器人由三大部分組成，分別為移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂、識(shí)別及控制系統(tǒng)，如圖1所示。移動(dòng)平臺(tái)是采摘機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)，采摘機(jī)器人的行駛動(dòng)力和運(yùn)轉(zhuǎn)電能均來(lái)自于移動(dòng)平臺(tái)。通常情況下移動(dòng)平臺(tái)包括了常規(guī)底盤(pán)結(jié)構(gòu)，如傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、車(chē)輪或履帶和功能部件安裝架體，能夠在實(shí)現(xiàn)行使功能的同時(shí)為控制系統(tǒng)和機(jī)械手臂提供充足的安裝位置，并具有一定的功能擴(kuò)展能力。機(jī)械臂安裝于移動(dòng)平臺(tái)上，能夠?qū)崿F(xiàn)升降、旋轉(zhuǎn)、伸縮等多種功能，以保證采摘手在特定空間范圍內(nèi)到達(dá)任意位置，滿(mǎn)足對(duì)果實(shí)的采摘要求。識(shí)別及控制系統(tǒng)主要用來(lái)定位目標(biāo)水果位置，控制采摘機(jī)器人行駛至目標(biāo)附近，并由機(jī)械手臂完成采摘工作。

2.2?關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.2.1?機(jī)械臂的動(dòng)作執(zhí)行

隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)也越來(lái)越科學(xué)化，其形式和功能也多種多樣，本次研究采用了典型的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)作執(zhí)行的相關(guān)要求。圖2為機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，其主要包括了電動(dòng)推桿、伺服電機(jī)、臂體、扭轉(zhuǎn)電機(jī)、座板等幾大部分，電動(dòng)推桿主要實(shí)現(xiàn)伸縮的功能，而伺服電機(jī)起到豎直方向位置的調(diào)節(jié)，扭轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，以此實(shí)現(xiàn)空間范圍上使采摘手到達(dá)指定區(qū)域的任意位置，以便于通過(guò)采摘手夾持水果并利用電動(dòng)刀具實(shí)現(xiàn)梁柄切割。除此之外，機(jī)械臂整體可以在移動(dòng)平臺(tái)上通過(guò)氣缸升高，以滿(mǎn)足不同高度果實(shí)采摘的需求。

2.2.2?移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)與功能

移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)有兩種方案，分別為傳統(tǒng)輪式移動(dòng)平臺(tái)和橡膠履帶式移動(dòng)平臺(tái)，為適應(yīng)果園地形的復(fù)雜要求，橡膠履帶式移動(dòng)平臺(tái)具有更好的適應(yīng)能力，應(yīng)用可靠性更高。橡膠履帶具有很長(zhǎng)的使用壽命，通常能達(dá)到5000 h以上，由于履帶結(jié)構(gòu)與地面接觸面積大，能顯著的減少運(yùn)行過(guò)程的振動(dòng)，同時(shí)有利于保護(hù)果園的地表狀態(tài)，在濕潤(rùn)泥濘的路面行駛能力強(qiáng)，有利于作業(yè)速度的提升。移動(dòng)平臺(tái)上層架體結(jié)構(gòu)具備了安裝機(jī)械臂固定座、氣缸體、水果收集筐、控制系統(tǒng)裝置和視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)裝置的接口，可實(shí)現(xiàn)快速裝配要求，同時(shí)，架體上還預(yù)留了技術(shù)升級(jí)的空間位置，供后續(xù)功能升級(jí)使用。

2.2.3?自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括三大部分，分別為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，控制系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)設(shè)計(jì)如圖3所示。

（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括以下幾大主要功能部件：一是位于平臺(tái)中部的雙攝像頭視覺(jué)傳感器，用以獲取果樹(shù)的具體信息，通過(guò)高清攝像頭獲取圖像，分析并獲得目標(biāo)位置;二是位于視覺(jué)傳感器下方的定位傳感器，用于確定目標(biāo)與機(jī)器人的相對(duì)位置，為系統(tǒng)線(xiàn)路規(guī)劃提供位置數(shù)據(jù);三是位于機(jī)械臂采摘手上的觸覺(jué)傳感器和壓力傳感器，通過(guò)力敏電阻技術(shù)精確監(jiān)測(cè)采摘目標(biāo)果實(shí)的受力狀態(tài)，當(dāng)夾持壓力達(dá)到預(yù)設(shè)值，可控制刀具將果柄切斷，完成采摘要求。

（2）數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)通過(guò)主控計(jì)算機(jī)分析特定數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃、圖像處理、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算、伺服控制、反饋信息和傳感器信息的處理等功能。相關(guān)程序有專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員編制，以滿(mǎn)足對(duì)不同水果、不同品種之間的差異化要求?？刂七^(guò)程采用了臺(tái)達(dá)交流伺服系統(tǒng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)器配合，能可靠實(shí)現(xiàn)位置、速度、轉(zhuǎn)矩的控制要求，通過(guò)RS-422串行通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)信息和故障情況傳遞給主監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)便捷的狀態(tài)觀(guān)察和故障維護(hù)。

（3）輔助系統(tǒng)有以下幾部分組成：一是動(dòng)力電源，為控制和行駛、機(jī)械臂動(dòng)作提供能源支持;二是氣泵，為升降功能的氣缸提供氣動(dòng)支持;三是報(bào)警指示燈，為可能出現(xiàn)的故障問(wèn)題提供警報(bào);四是人工手動(dòng)遙控器，可實(shí)現(xiàn)人工近距離對(duì)機(jī)器人的控制。

3?試驗(yàn)研究

采摘試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，采用塑料仿真果樹(shù)代替真實(shí)果樹(shù)，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性，采摘試驗(yàn)共進(jìn)行10次，分別對(duì)于不同位置的蘋(píng)果進(jìn)行識(shí)別、定位、采摘與收集。試驗(yàn)中通過(guò)筆記本電腦監(jiān)控識(shí)別與決策過(guò)程，實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示，采摘過(guò)程共識(shí)別蘋(píng)果62個(gè)，成功完成采摘56次，成功率較高。

對(duì)于采摘失敗的原因進(jìn)行分析，可能原因包括：（1）蘋(píng)果生長(zhǎng)位置附近環(huán)境因素較復(fù)雜，枝葉干擾過(guò)多易引起機(jī)械手受力而偏離采摘方向，導(dǎo)致采摘任務(wù)的失敗;（2）光影的變化導(dǎo)致果實(shí)實(shí)際位置的判斷存在偏差，使機(jī)械手采摘時(shí)的預(yù)判位置錯(cuò)誤，導(dǎo)致末端執(zhí)行器不能捕獲目標(biāo)果實(shí);（3）移動(dòng)平臺(tái)在行駛中無(wú)法到達(dá)預(yù)期采摘位置，導(dǎo)致采摘行為無(wú)法執(zhí)行;（4）測(cè)距傳感器在執(zhí)行采摘過(guò)程中檢測(cè)到機(jī)械臂進(jìn)入距離警戒值，發(fā)出警報(bào)，導(dǎo)致采摘過(guò)程中斷。

室內(nèi)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程與實(shí)際果園環(huán)境仍存在較大差異，但也具有一定的指導(dǎo)意義，經(jīng)分析當(dāng)械手末端位置滿(mǎn)足采摘要求時(shí)，成功率很高，未來(lái)采摘機(jī)器人的優(yōu)化應(yīng)重視通過(guò)性能和避障性能的研究，以進(jìn)一步提升果樹(shù)采摘機(jī)器人的工作能力。

4?結(jié)論

通過(guò)介紹果樹(shù)采摘機(jī)器人的應(yīng)用及功能實(shí)現(xiàn)方法，闡述了現(xiàn)代化技術(shù)在果樹(shù)采摘機(jī)器人上的應(yīng)用情況，說(shuō)明了現(xiàn)階段實(shí)際應(yīng)用面臨的難題，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證盡管水果采摘成功率較高，但成功與否仍受環(huán)境影響較大。對(duì)采摘機(jī)器人的進(jìn)一步研究應(yīng)以實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境為試驗(yàn)對(duì)象，從而提升機(jī)具的應(yīng)用能力和適用性，保證相關(guān)產(chǎn)品能更好的應(yīng)用于市場(chǎng)。

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