《农业果树采摘机器人功能实现与试验》
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摘 要：水果产业是农业生产的经济型产业,也是提高人民生活水平、保持社会稳定的重要产业.针对传统人工采摘水果效率低下、经济成本高的问题,说明了自动采摘水果机器人研究的必要性,并给出了果树采摘机器人功能实现主要方式,对主要的技术参数作出了试验验证方法与思路.
关键词：农业;果树采摘机器人;功能;技术实现;试验
中图分类号：TP241文献标识码：A
doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.06.013
随着生活水平的提升,水果已成为我国人民生活中必不可少的食品,我国苹果、梨、橘子等众多水果产量位居世界前列.对于现阶段的水果生产而言,大规模果园的生产耗费了大量的人力资源,且采摘过程的经济成本很高,尤其对于水果采摘来说,更是费时费力,且很多水果具有明显的时令性,快速采摘也成为了保证其高品质销售的基础.针对这一问题,我国对于水果采摘机器的研究也投入了大量的人力物力,相关的研究已达30年以上,现阶段对于苹果、橘子、西红柿等的采摘机器人理论研究已十分丰富,相信相关机具的普及也会很快实现.
1果树采摘机器人的研究情况
我国现阶段对果树采摘机器人的研究多来自于科研院所及各大高校的农机专业,相关研究重点在于采摘动作执行、果实识别、自动导航行驶等方面.研究的难点问题包括：（1）自动识别技术受环境影响较大,光照条件、树叶遮挡、果实形状颜色不同都会影响视觉识别的准确性;（2）采摘方式的柔性化.由于采摘不能破坏水果表面,对于脆嫩、形状各异、位置不同的水果,需要实现无害化的采摘;（3）机械手需具备良好的避障能力.在满足高效率采摘的过程中,机械手执行动作还必须避开树枝的遮挡,避免对机械手造成损坏,或对采摘的水果造成刮伤.
目前来看,水果采摘机器人的机械结构和自动化技术发展已比较成熟,但是智能识别技术、水果识别算法、避障技术的研究还需突破关键技术,才能保证水果采摘机器人技术得到全面提升,并为未来产业化提供足够的技术保证.
2关键技术实现方式
2.1基本结构
果树采摘机器人由三大部分组成,分别为移动平台、机械臂、识别及控制系统,如图1所示.移动平台是采摘机器人运行的基础,采摘机器人的行驶动力和运转电能均来自于移动平台.通常情况下移动平台包括了常规底盘结构,如传动结构、车轮或履带和功能部件安装架体,能够在实现行使功能的同时为控制系统和机械手臂提供充足的安装位置,并具有一定的功能扩展能力.机械臂安装于移动平台上,能够实现升降、旋转、伸缩等多种功能,以保证采摘手在特定空间范围内到达任意位置,满足对果实的采摘 要求.识别及控制系统主要用来定位目标水果位置,控制采摘机器人行驶至目标附近,并由机械手臂完成采摘工作.
2.2关键技术的实现
2.2.1机械臂的动作执行
随着技术的进步,机械臂的设计也越来越科学化,其形式和功能也多种多样,本次研究采用了典型的机械臂结构以实现动作执行的相关要求.图2为机械臂结构,其主要包括了电动推杆、伺服电机、臂体、扭转电机、座板等几大部分,电动推杆主要实现伸缩的功能,而伺服电机起到竖直方向位置的调节,扭转电机实现水平方向的转动,以此实现空间范围上使采摘手到达指定区域的任意位置,以便于通过采摘手夹持水果并利用电动刀具实现梁柄切割.除此之外,機械臂整体可以在移动平台上通过气缸升高,以满足不同高度果实采摘的需求.
2.2.2移动平台的结构与功能
移动平台设计有两种方案,分别为传统轮式移动平台和橡胶履带式移动平台,为适应果园地形的复杂要求,橡胶履带式移动平台具有更好的适应能力,应用可靠性更高.橡胶履带具有很长的使用寿命,通常能达到5000 h以上,由于履带结构与地面接触面积大,能显著的减少运行过程的振动,同时有利于保护果园的地表状态,在湿润泥泞的路面行驶能力强,有利于作业速度的提升.移动平台上层架体结构具备了安装机械臂固定座、气缸体、水果收集筐、控制系统装置和视觉识别系统装置的接口,可实现快速装配要求,同时,架体上还预留了技术升级的空间位置,供后续功能升级使用.
2.2.3自动控制系统技术设计
自动控制系统主要包括三大部分,分别为数据采集系统、数据分析处理系统和辅助系统,控制系统技术路线设计如图3所示.
（1）数据采集系统包括以下几大主要功能部件：一是位于平台中部的双摄像头视觉传感器,用以获取果树的具体信息,通过高清摄像头获取图像,分析并获得目标位置;二是位于视觉传感器下方的定位传感器,用于确定目标与机器人的相对位置,为系统线路规划提供位置数据;三是位于机械臂采摘手上的触觉传感器和压力传感器,通过力敏电阻技术精确监测采摘目标果实的受力状态,当夹持压力达到预设值,可控制刀具将果柄切断,完成采摘 要求.
（2）数据分析处理系统通过主控计算机分析特定数据实现路径规划、图像处理、机械臂运动学计算、伺服控制、反馈信息和传感器信息的处理等功能.相关程序有专业技术人员编制,以满足对不同水果、不同品种之间的差异化要求.控制过程采用了台达交流伺服系统与交流伺服驱动器配合,能可靠实现位置、速度、转矩的控制要求,通过RS-422串行通信技术,实现了将机器人运行状态信息和故障情况传递给主监控系统,以实现便捷的状态观察和故障维护.
（3）辅助系统有以下几部分组成：一是动力电源,为控制和行驶、机械臂动作提供能源支持;二是气泵,为升降功能的气缸提供气动支持;三是报警指示灯,为可能出现的故障问题提供警报;四是人工手动遥控器,可实现人工近距离对机器人的控制.
3试验研究
采摘试验在室内进行,采用塑料仿真果树代替真实果树,为保证试验数据的合理性,采摘试验共进行10次,分别对于不同位置的苹果进行识别、定位、采摘与收集.试验中通过笔记本电脑监控识别与决策过程,实际试验数据如下表所示,采摘过程共识别苹果62个,成功完成采摘56次,成功率较高.
对于采摘失败的原因进行分析,可能原因包括：（1）苹果生长位置附近环境因素较复杂,枝叶干扰过多易引起机械手受力而偏离采摘方向,导致采摘任务的失败;（2）光影的变化导致果实实际位置的判断存在偏差,使机械手采摘时的预判位置错误,导致末端执行器不能捕获目标果实;（3）移动平台在行驶中无法到达预期采摘位置,导致采摘行为无法执行;（4）测距传感器在执行采摘过程中检测到机械臂进入距离警戒值,发出警报,导致采摘过程中断.
室内仿真实验过程与实际果园环境仍存在较大差异,但也具有一定的指导意义,经分析当械手末端位置满足采摘 要求时,成功率很高,未来采摘机器人的优化应重视通过性能和避障性能的研究,以进一步提升果树采摘机器人的工作能力.
4结论
通过介绍果树采摘机器人的应用及功能实现方法,阐述了现代化技术在果树采摘机器人上的应用情况,说明了现阶段实际应用面临的难题,通过试验验证尽管水果采摘成功率较高,但成功与否仍受环境影响较大.对采摘机器人的进一步研究应以实际生产环境为试验对象,从而提升机具的应用能力和适用性,保证相关产品能更好的应用于市场.
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