智能移動水果采摘機器人的設計
應用研究
作者：馮光
摘 要 設計一種機器人，用來移動水果和采摘水果的智能產物。該機器人由尾端執行器、采摘機械臂、橫向的移動機構、智能移動平台以及相關的控製係統組成，由C語言程序編寫的控製程序，開發人機能夠相互交流的界麵。整個係統工作性能較為穩定，對成熟果實的正確識別率為81.5%，成功采摘率為87.1%，每個水果的采摘耗時平均為9.45s。
關鍵詞 采摘機器人 機器視覺 移動平台 水果
中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A
0前言
曆年來，水果生產中，水果采摘一直是最費力最耗時的環節之一，它所需全部生產過程的大約40%左右的勞動力。為了使更多的果農從複雜的采摘作業中得到充分的解放以及提高果實采摘的效率，一直都有很多國內外的專家以及學者專心投入對采摘機器人的實驗和研究。
1工作原理與總體結構
1.1工作原理
該機器人在果園作業時是這樣實現自主導航的：首先是主體控製器對由雙目攝像機采集的果樹行間的路麵圖像進行處理，通過分析得出導航路徑，然後再由串口1收集DGPS位姿信號，將其與視覺導航信息進行融合，進而實現該機器人移動平台的自主導航。當機器人行進至目標果樹位置時，主控製器將會發出使移動平台電機停止轉動的指令，然後再通過RS232向采摘機械臂發出控製指令，使機械臂移動到各個圖像采集位姿。當對果樹的圖像采集完成後，主控製器還會對成熟果實進行識別和定位，然後通過RS232向末端執行機構發出指令，末端執行器便抓取果實。采摘完成後，各級機械臂回到導航初始位置，重複執行以上采摘作業。
1.2總體結構
此次設計的機器人是履帶式的，主要由控製係統及其機械執行係統組成。機械執行係統，主要包括橫向滑移機構，末端執行器，采摘機械臂，移動平台等。控製係統主要包括雙目攝像機，數據采集卡，機械臂控製器，末端采集控製器，運動控製卡，GPS，1394轉換卡，電機驅動器以及各傳感器和各個控製電路等。移動平台包括固定平台，機架，履帶式行走裝置等。
2工作主要部件
2.1橫向的滑移機構
在前期的實驗過程中，發現果實的采摘有兩種漏摘現象：（1）當果實與攝像機的距離低於0.85m時，攝像機不能準確的對果實進行立體匹配；（2）當機械臂基坐標係原點與果實距離超過1.75m時，果實將超出機械臂采摘範圍。為此，我們設計了橫向滑移機構，將機械臂底座固定安裝在滑移機構的滑台上，使機械臂與果樹之間的距離以及攝像機與果樹間的距離均能方便調節，很好地解決了漏摘的問題。
2.2末端執行器與采摘機械臂
末端執行器采用的是由德國SCHUNK公司生產的型號為EVG55HUB100的產品。該執行器的抓取動作是由滑覺傳感器和力傳感器的信號決定的。
采摘機械臂采用的是由日本安川公司生產的MOTOMAN-SSF2000型的工業機器人。其額度負載為6kg，采摘半徑為1378mm，度2403mm，機械臂底座距離地麵的高度為1200mm。
2.3履帶式的移動平台
為了可以準確獲取障礙物的距離和行駛路徑等信息，此次設計采用了減振性能較好的橡膠履帶。為了避免鋼製驅動輪與橡膠履帶配合造成橡膠履帶磨損過快的缺陷，驅動輪采用了超高分子聚乙烯材料。移動平台的行走裝置采用了安川電動機來驅動，這種電動機隻需改變驅動器設置，便可實現交流與直流間的供電切換，這樣便減少了有些果園沒有三相交流電的使用限製。