胡裕庚

(貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

草莓是薔薇科草莓屬的草本植物，原產(chǎn)于智利。我國草莓種植面積達(dá)150萬余畝，主要分布?xì)夂蛳矞兀饰?、疏松中性或微酸性土壤居多的河北省、山東省和南方省市。草莓果實(shí)呈鮮紅色，質(zhì)地較柔軟，含有大量維生素C、果膠及花青素，對壞血病、動(dòng)脈硬化、冠心病有一定預(yù)防功效，還含有胺類物質(zhì)，對白血病、再生障礙性貧血有一定療效?，F(xiàn)階段，我國草莓多采用地膜附壟作式大棚種植，草莓莖葉高10～40厘米，葉三出，長3～7厘米，寬2～6厘米，生長習(xí)性獨(dú)特，株與株之間分布龐雜，果實(shí)分布不均，且草莓成熟時(shí)間分布較長[1-3]。目前我國草莓主要靠人工采摘，采摘工人需彎腰連續(xù)采摘，勞動(dòng)量大且破損率高，而現(xiàn)有草莓采摘機(jī)械裝置多為輔助人工采摘，未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘。

王糧局[4]等采用雙目視覺圖像處理技術(shù)針對高壟種植的草莓研制了一種草莓識別機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了草莓的識別和定位。郭峰[5]等人采用兩個(gè)CCD攝像機(jī)拍攝獲取草莓生長位置的圖像，用激光傳感器測量草莓生長位置與采摘機(jī)械手爪的距離，并用汽壓驅(qū)動(dòng)采摘機(jī)械爪切割、抓取草莓莖。針對國內(nèi)外草莓種植、收獲現(xiàn)狀，本設(shè)計(jì)對適用于我國高壟種植的采摘機(jī)器進(jìn)行研究，發(fā)展適合于我國高壟種植草莓情況的草莓采摘機(jī)器技術(shù)、研制出能夠完成草莓位置與成熟度識別、采摘一體化的采摘機(jī)器，實(shí)現(xiàn)草莓采摘的自動(dòng)化。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

本草莓自動(dòng)采摘機(jī)主要由行走裝置、采摘裝置、檢測裝置及草莓箱組成，草莓自動(dòng)采摘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 草莓自動(dòng)采摘機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1.行走裝置；2.檢測裝置；3.采摘裝置；4.草莓箱

本裝置采用圖像識別檢測，機(jī)械手進(jìn)行采摘，可適應(yīng)草莓生長分布高低不均以及成熟期不一致的情況，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化采摘，解決了人工采摘工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高的缺點(diǎn)。

1.2 采摘裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采摘裝置運(yùn)動(dòng)過程包括靠近草莓的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、采摘草莓的抓取運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的分功能解析：當(dāng)草莓采摘盒運(yùn)動(dòng)至草莓下方時(shí)草莓采摘盒沿壟坡向上提起，在提升過程中草莓莖被采摘盒前端刀具割斷，草莓落入盒中，采摘盒繼續(xù)上升至草莓收集盒高度后停止，進(jìn)行下一步運(yùn)動(dòng)。上下運(yùn)動(dòng)采用的結(jié)構(gòu)為齒輪齒條機(jī)構(gòu)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動(dòng)精準(zhǔn)，且所能傳動(dòng)的力較大，齒輪采用鋼材料可以承受較大的圓周力。為保證采摘草莓的效率，采摘草莓速度較快，而齒輪齒條的傳動(dòng)方式特點(diǎn)就是適用于快速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)齒輪齒條在運(yùn)動(dòng)時(shí)噪音低，不會(huì)影響操作者的狀態(tài)，所以選擇齒輪齒條為上下運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。

抓取運(yùn)動(dòng)的分功能解析：當(dāng)行走裝置行進(jìn)到有草莓處時(shí)，草莓采摘盒需要運(yùn)動(dòng)至草莓下端，由遠(yuǎn)及近，需要左右運(yùn)動(dòng)，考慮到高度方向上的空間問題，使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)同步帶傳動(dòng)，同步帶傳動(dòng)的特點(diǎn)為傳動(dòng)精確，機(jī)構(gòu)簡單，并且價(jià)格不昂貴。不過同步帶傳動(dòng)不能承受徑向力，而且不能起定向的作用，所以利用兩根光杠進(jìn)行導(dǎo)向，使草莓采摘機(jī)械手臂可以定向移動(dòng)。同時(shí)，兩根光杠可以承受草莓采摘手臂的重力，使同步帶傳動(dòng)不受影響。采摘裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采摘裝置(虛線為采摘盒運(yùn)動(dòng)軌跡)1.X向步進(jìn)電機(jī)；2.同步帶；3.滑臺；4.Y向步進(jìn)電機(jī)；5.齒條；6.滑塊；7.導(dǎo)軌；8.連接塊；9.采摘盒

1.3 工作原理

本裝置包括采摘裝置、行走裝置、檢測裝置。裝置在壟間前進(jìn)，圖像識別系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測到壟的距離，行走裝置通過差速調(diào)節(jié)使裝置沿壟直線行駛。行駛過程中圖像識別系統(tǒng)檢測到有成熟草莓時(shí)，采摘裝置的X向步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)采摘盒向壟平移，當(dāng)采摘盒貼著壟時(shí)X向、Y向步進(jìn)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使采摘盒沿壟斜坡上升，同時(shí)將成熟草莓裝入采摘盒。采摘盒到底壟坡頂后X向步進(jìn)電機(jī)停止，Y向步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒條使整個(gè)機(jī)械手向上運(yùn)動(dòng)，在上升的過程中采摘盒前端刀片將草莓莖割斷。采摘盒收割到草莓后X向步進(jìn)電機(jī)向反方向運(yùn)動(dòng)，到達(dá)草莓收集盒位置后，采摘盒底部打開將草莓放到漏斗中，然后掉到草莓收集盒中。

2 控制系統(tǒng)

2.1 驅(qū)動(dòng)選取

直線運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來源一般有液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種方式，與液壓驅(qū)動(dòng)相比電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有加速性能好、啟動(dòng)快、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小等優(yōu)點(diǎn)，其次，電機(jī)驅(qū)動(dòng)在高速、高精度、小型化、節(jié)能等方面更能滿足草莓采摘系統(tǒng)的需要，故采摘機(jī)械手采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

2.2 控制方案

通過圖像采集裝置采集草莓圖像，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)接收到圖像后進(jìn)行分析，判斷草莓是否成熟和草莓生長位置并作出控制策略，將控制信號輸出給驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使采摘盒靠近草莓后提升割斷草莓莖，并將草莓裝入收集盒中完成采摘工作。該自動(dòng)采摘系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)根據(jù)圖像采摘裝置采集的草莓信息，通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)草莓的自動(dòng)采摘功能。根據(jù)控制系統(tǒng)所要完成功能的需求，整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

3 采摘機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性分析

由于通過步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，因此步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度特性是采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)性能好壞的重要影響因素。在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程中，機(jī)械手啟停時(shí)加速度突然變化會(huì)影響其穩(wěn)定性，因此在加減速過程中，電機(jī)需要盡可能平穩(wěn)地從一個(gè)速度過渡到另一個(gè)速度。故需構(gòu)建步進(jìn)電機(jī)速度規(guī)律變化曲線，保證采摘機(jī)械手在運(yùn)行過程中具有較高度柔性，避免沖擊。

3.1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度特性分析

傳統(tǒng)的加減速運(yùn)動(dòng)曲線有指數(shù)加速和直線加速兩種構(gòu)成方法[12-13]，這兩種加減速構(gòu)造方法比較容易實(shí)施，但因?yàn)殡姍C(jī)達(dá)到高速區(qū)時(shí)會(huì)造成輸出扭矩下降，而對應(yīng)機(jī)械采摘手要求電機(jī)在運(yùn)送與加減速階段都需提供相同扭矩。傳統(tǒng)的指數(shù)加速和直線減速構(gòu)造方法在加減速過程不連續(xù)，存在柔性沖擊。為避免柔性沖擊的出現(xiàn)，加速度必須是連續(xù)的，且要滿足一定的邊界條件以便保證機(jī)械手過渡平穩(wěn)，故運(yùn)動(dòng)速度曲線至少要二階連續(xù)。近年來出現(xiàn)采用三角函數(shù)構(gòu)造加減速曲線的柔性加減速算法，該方法在電機(jī)速度變化中速度、加速度均連續(xù)，使運(yùn)動(dòng)部件具有高度柔性，有效避免了柔性沖擊。

在運(yùn)動(dòng)變速之初始與速度變化結(jié)束時(shí)速度與目標(biāo)速度一致且保持穩(wěn)定性，并且在運(yùn)動(dòng)過程中速度加減速變化平穩(wěn)、連續(xù)是構(gòu)造加減速曲線必須滿足的基本要求。三角函數(shù)構(gòu)造法中余弦函數(shù)具有無限階導(dǎo)數(shù)，且其一階導(dǎo)數(shù)也滿足連續(xù)可導(dǎo)，故從速度v1到vmax的速度函數(shù)可使用余弦函數(shù)在半個(gè)周期內(nèi)的變換構(gòu)造。

(1)

化簡得：

(2)

式中：tm為加減速時(shí)間；t為時(shí)間變量，0≤t≤tm；t′=t/tm。

對式(2)求導(dǎo)得到加速度函數(shù)為：

(3)

對式(2)積分得到位移函數(shù)為：

(4)

求導(dǎo)得：

(5)

當(dāng)t=0時(shí)：

v(t)=v1·a(tm)=0

(6)

當(dāng)t=tm時(shí)：

v(tm)=v2，a(tm)=0

(7)

且式(5)連續(xù)，故所構(gòu)建速度函數(shù)滿足要求。

3.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中將機(jī)械手運(yùn)動(dòng)速度劃分為加速段、勻速段和減速段3個(gè)階段。在加速階段速度由v1逐漸平穩(wěn)增加到vmax，在勻速階段保持最大速度vmax勻速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間，在勻速階段后平穩(wěn)減速至v2。

3.2.1 加速段

由上述構(gòu)造函數(shù)可建立如下加速段運(yùn)動(dòng)模型：

(8)

(9)

(10)

3.2.2 勻速段

該系統(tǒng)中機(jī)械手總運(yùn)動(dòng)距離大于加速段和減速段之和，故勻速段時(shí)間為：

(11)

則：

v(tc)=vmax

(12)

a(tc)=0

(13)

s(tc)=vmaxt

(14)

3.2.3 減速段

由上述構(gòu)造函數(shù)可建立如下減速段運(yùn)動(dòng)模型：

(15)

(16)

(17)

通過速度傳感器監(jiān)測機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程，速度隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。從圖4數(shù)據(jù)可知，在0～3 s內(nèi)機(jī)械手迅速平穩(wěn)從0加速至20 m/s，3～6.9 s內(nèi)保持20 m/s速度高速運(yùn)行，7～10 s內(nèi)平穩(wěn)減速至0。加速度曲線如圖5所示。

綜上分析，說明所構(gòu)建的函數(shù)可以保證機(jī)械手啟停時(shí)速度平滑過渡，從而避免加速度突變對平臺體造成的沖擊。機(jī)械手加速度變化平緩，具有高度柔性，有效避免了柔性沖擊，并且其反應(yīng)迅速，符合機(jī)械手快速采摘的功能需求。

4 模擬采摘試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)采摘草莓的可行性，以及采摘的速率、準(zhǔn)確率以及破損率，采用搭建模擬平臺進(jìn)行采摘試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)國內(nèi)草莓起壟數(shù)據(jù)搭建一條長5 m，底寬600 mm，頂寬400 mm，高300 mm的壟，壟兩邊分別隨機(jī)分布50顆成熟草莓與10顆未成熟草莓。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

模擬采摘試驗(yàn)共10組，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

本次試驗(yàn)結(jié)果表明平均準(zhǔn)確率為99.49%，平均無損率為97.55%，平均采摘速度為246顆/h。本次試驗(yàn)設(shè)備僅制作一組采摘機(jī)械手跨一條壟進(jìn)行采摘試驗(yàn)，若采用多組采摘機(jī)械手跨多條壟同時(shí)進(jìn)行采摘可大大提高采摘效率。

5 結(jié)論

所構(gòu)建的速度運(yùn)動(dòng)函數(shù)可以保證機(jī)械手啟停時(shí)速度平滑過渡，加速度變化平緩，具有高度柔性，有效避免了柔性沖擊，。

本草莓自動(dòng)采摘機(jī)可實(shí)現(xiàn)草莓的自動(dòng)采摘，且具有高準(zhǔn)確率(99.49%)與無損率(97.55%)。