賀增民 游 挺 李念軒 李 婧 翟文多 曹有為

(東北農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 藍(lán)莓識(shí)別采摘控制系統(tǒng)

藍(lán)莓識(shí)別采摘控制系統(tǒng)是本機(jī)器人控制系統(tǒng)中最為重要的系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

目前市場(chǎng)上的單片機(jī)種類很多，性能也有很大差異，在選用單片機(jī)類型的時(shí)候，主要考慮設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜程度。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜程度，綜合分析所選單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線寬度、尋址能力、中斷能力、指令系統(tǒng)和執(zhí)行效率等功能能否保證任務(wù)的順利完成[1]。本系統(tǒng)中，選用STM32系列單片機(jī)。

2 視覺(jué)識(shí)別

2.1 針對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的識(shí)別硬件

成熟藍(lán)莓果實(shí)識(shí)別的關(guān)鍵在于將其和周圍背景分離后分析其在圖像平面上的數(shù)字特征，從而得到有效信息。其中最為關(guān)鍵的是MiniPC和USB相機(jī)模塊。USB相機(jī)模塊負(fù)責(zé)以高幀率收集圖像信息，MiniPC負(fù)責(zé)成熟藍(lán)莓果實(shí)識(shí)別。

2.2 針對(duì)藍(lán)莓果實(shí)的識(shí)別原理

對(duì)于成熟的藍(lán)莓果實(shí)，由于其獨(dú)特的顏色常常不會(huì)和環(huán)境顏色相重合，采用RGB顏色分離，效果較為理想。對(duì)成熟藍(lán)莓果實(shí)的通道值按照式變換，做二值化篩選[2]。

其RGB通道特征不明顯，常常和環(huán)境融為一體，若是采用RGB通道分離，識(shí)別效果不理想。但其對(duì)于光線照射的反應(yīng)較為敏感，考慮采用HSV通道分離[3]。根據(jù)式將RGB顏色空間映射至HSV顏色空間，按照式變換，做二值化篩選。其滿足下式。

V=Cmax

篩選后進(jìn)行高斯濾波平滑部分圖像過(guò)渡，隨后進(jìn)行適當(dāng)腐蝕和膨脹提取輪廓信息，最后依照成熟藍(lán)莓果實(shí)的幾何特征進(jìn)行幾何篩選。

圖2 藍(lán)莓果實(shí)顏色圖(HSV)

圖3 識(shí)別效果圖

3 采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)方案的確定

根據(jù)矮叢藍(lán)莓的特點(diǎn)，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，緊湊[4]。本文采用多關(guān)節(jié)機(jī)器人，多關(guān)節(jié)機(jī)器人的坐標(biāo)系是通過(guò)相鄰運(yùn)動(dòng)部件間的相對(duì)角位移來(lái)確定的。該機(jī)器人臂可以達(dá)到大部分球形體積。機(jī)器人的形狀取決于具有不同坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的特性[5]。

根據(jù)藍(lán)莓采摘機(jī)械手的特點(diǎn)和使用要求[4]，采用機(jī)器人結(jié)構(gòu)為多關(guān)節(jié)機(jī)器人。

采摘機(jī)械手組成部分為連接部分、腰部、大臂、小臂、腕部以及機(jī)械手爪組成，分為兩個(gè)連桿系統(tǒng)：前面的3個(gè)自由度分別是腰、大臂和小臂，這叫做主連桿系統(tǒng)；后面的3個(gè)自由度尺寸比較小，來(lái)完成末端執(zhí)行器的姿態(tài)，這叫做次連桿系統(tǒng)，即手腕；選擇由6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成的六自由度機(jī)械手，6個(gè)自由度分別是腰的回轉(zhuǎn)、大臂的擺動(dòng)、小臂的擺動(dòng)、小臂的扭轉(zhuǎn)、腕部的扭轉(zhuǎn)和手爪的旋轉(zhuǎn)。其中，腰的回轉(zhuǎn)、大臂的擺動(dòng)、小臂的扭轉(zhuǎn)、腕部的扭轉(zhuǎn)和手爪的旋轉(zhuǎn)均由舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

整個(gè)機(jī)械手通過(guò)舵機(jī)帶動(dòng)，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其連接著的舵盤會(huì)帶動(dòng)主動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，從而滑臂就會(huì)滑動(dòng)，因?yàn)楣廨S的限制，滑臂會(huì)沿著光軸平動(dòng)，實(shí)現(xiàn)使機(jī)械爪平動(dòng)，從而控制機(jī)械爪的夾緊與松開(kāi)。當(dāng)采摘單顆藍(lán)莓時(shí)，可以通過(guò)機(jī)械爪上橡膠塊的部分去夾持果實(shí)實(shí)現(xiàn)采摘，當(dāng)采摘成簇的藍(lán)莓時(shí)，可通過(guò)機(jī)械爪上端刀片部分剪斷這一簇果實(shí)的莖，同時(shí)機(jī)械爪下面橡膠部分會(huì)夾緊莖被剪斷處的下端，從而夾住這一簇果實(shí)實(shí)現(xiàn)采摘。

考慮到矮叢藍(lán)莓的生長(zhǎng)環(huán)境以及分布密度，選擇履帶式行走機(jī)構(gòu)。

(1)履帶傳動(dòng)屬于鏈傳動(dòng)，鏈傳動(dòng)沒(méi)有彈性滑動(dòng)與打滑現(xiàn)象，平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)比接近于1，效率高達(dá)98%，傳動(dòng)功率大。

(2)彈簧減震：減震器使用彈性支撐來(lái)降低系統(tǒng)對(duì)外部刺激的反應(yīng)能力。將振動(dòng)源與基礎(chǔ)之間的剛性連接改變?yōu)閺椥赃B接，可以隔離或削弱振動(dòng)能量的傳遞，從而達(dá)到減少振動(dòng)和噪音的目的。有主動(dòng)隔振和被動(dòng)隔振。前者是對(duì)振動(dòng)源設(shè)備采取隔振措施，以防止將振動(dòng)傳遞給其它場(chǎng)合。后者是為害怕受到振動(dòng)干擾的設(shè)備，儀器或人員采取隔振措施，以防止外部振動(dòng)的影響。通過(guò)在適當(dāng)?shù)膹椥栽O(shè)備上安裝機(jī)械來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離機(jī)械振動(dòng)傳遞。下圖為通過(guò)彈簧來(lái)實(shí)現(xiàn)減震的設(shè)計(jì)方案。

圖4 彈簧減震設(shè)計(jì)圖

4 收集裝置的設(shè)計(jì)

藍(lán)莓單果的收集裝置，它通過(guò)真空泵的作用，使裝置內(nèi)外產(chǎn)生壓力差，通過(guò)空心圓柱管，使藍(lán)莓單果進(jìn)入收納盒內(nèi)部。通過(guò)可拆卸的螺釘連接收納盒與圓形盒蓋，相對(duì)密封，保證收納盒內(nèi)外壓力差，方便藍(lán)莓單果倒出，之后再通過(guò)螺釘連接，完成藍(lán)莓單果的取出。收集空心圓柱管兩側(cè)有兩個(gè)小支管，兩個(gè)小支管分別與兩個(gè)橡膠管相連，兩個(gè)橡膠管另一端分別與兩個(gè)真空泵相連保證裝置內(nèi)外的壓力差，通過(guò)粘合劑使真空泵固定在圓形盒蓋外表面上，使真空泵位置固定。