溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn).pdf

農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 第 55卷 增刊1 2 0 2 4 年 12 月 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 王亞薇 1 2 何津立 1 2 林熙淼 1 2 陸文武 1 馬锃宏 1 3 杜小強(qiáng) 1 4 1 浙江理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 杭州 310018 2 浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310018 3 全省農(nóng)業(yè)智能感知 與機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310018 4 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東南丘陵山地農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 部省共建 杭州 310018 摘要 針對(duì)番茄采摘環(huán)境復(fù)雜 可移動(dòng)空間小等問(wèn)題 設(shè)計(jì)了一種適用于寬溝窄畦溫室種植模式下高效率采摘的番茄自主 采摘機(jī)器人 采摘機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)由四自由度伸縮機(jī)械臂 多位姿腕關(guān)節(jié)及三指扭轉(zhuǎn)采摘末端手構(gòu)成 通過(guò)分析番茄的 生長(zhǎng)情況和作業(yè)環(huán)境 設(shè)計(jì)了一種繩排式可伸縮移動(dòng)關(guān)節(jié) 減少伸縮機(jī)構(gòu)的尺寸 針對(duì)實(shí)際番茄采摘時(shí)的動(dòng)作 采用三指 式扭轉(zhuǎn)采摘末端執(zhí)行器 增加多位姿腕關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)多位姿多方位的扭轉(zhuǎn)采摘 采摘控制系統(tǒng)基于ROS集成采摘 規(guī)劃等策 略 控制機(jī)械臂完成采摘功能 基于寬溝窄畦種植模式下番茄溫室的可移動(dòng)空間 設(shè)計(jì)了一款四轉(zhuǎn)四驅(qū)移動(dòng)底盤(pán) 可實(shí)現(xiàn) 在番茄種植壟間的移動(dòng)和轉(zhuǎn)向 研制了番茄采摘機(jī)器人樣機(jī) 在番茄設(shè)施溫室中進(jìn)行了實(shí)地采摘試驗(yàn) 果實(shí)采摘成功率達(dá) 到88 7 采摘周期時(shí)間為13 4 s 個(gè) 具有較高的采摘作業(yè)效率和采摘成功率 滿足溫室番茄采摘要求 關(guān)鍵詞 番茄 采摘機(jī)器人 伸縮式機(jī)械臂 溫室 寬溝窄畦種植模式 中圖分類號(hào) S225 92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1000 1298 2024 S1 0018 11 Design and Experiment of Tomato Picking Robot Based on Telescopic Robotic Arm WANG Yawei 1 2 HE Jinli 1 2 LIN Ximiao 1 2 LU Wenwu 1 MA Zenghong 1 3 DU Xiaoqiang 1 1 School of Mechanical Engineering Zhejiang Sci Tech University Hangzhou 310018 China 2 Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology of Zhejiang Province Hangzhou 310018 China 3 Zhejiang Key Laboratory of Intelligent Sensing and Robotics for Agriculture Hangzhou 310018 China 4 Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Areas in Southeastern China Co construction by Ministry and Province Ministry of Agriculture and Rural Affairs Hangzhou 310018 China Abstract The development of intelligent agriculture is the future trend in the agricultural field and the development of intelligent harvesting equipment is a key issue in promoting the transformation and upgrading of the farming industry Given the complexity of the tomato picking environment small mobile space and other issues an autonomous tomato picking robot suitable for high efficiency picking under the wide trench and narrow ridge greenhouse planting mode was designed The actuator of the picking robot consisted of a four degree of freedom telescopic robotic arm a multi positional wrist joint and a three finger twisting picking end hand By analyzing the growth of tomatoes and the operating environment a rope row type of retractable mobile joint was designed to reduce the size of the retractable mechanism For the actual tomato picking action a three finger twist picking end effector was used and a multi position wrist joint was added to achieve multi position multi directional twist picking The picking control system was based on ROS integrated picking planning and other strategies to control the robotic arm to complete the picking function Based on the movable space of tomato greenhouses under the planting mode of wide trench and narrow ridge a four rotation and four wheel drive mobile chassis was designed which can realize the movement and steering between tomato planting rows Finally a prototype tomato picking robot was developed and a field picking test was carried out in a greenhouse and the fruit picking success rate reached more than 85 and the picking cycle time was 13 4s which had a high picking operation efficiency and picking success rate and met the requirements of tomato picking in greenhouses Key words tomatoes picking robot telescopic robotic arm greenhouse wide trench narrow ridge cultivation mode doi 10 6041 j issn 1000 1298 2024 S1 003 收稿日期 2024 07 20 修回日期 2024 09 20 基金項(xiàng)目 浙江省自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目 LD24E050006 作者簡(jiǎn)介 王亞薇 2000 女 碩士生 主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究 E mail 1138427411 通信作者 杜小強(qiáng) 1978 男 教授 博士 主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究 E mail xqiangdu 增刊1 王亞薇 等 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 0 引言 我國(guó)是目前世界上番茄種植面積最大的國(guó)家 1 番茄以其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值廣受歡迎 種植面積及產(chǎn)量逐 年上升 但目前國(guó)內(nèi)番茄采摘仍以人工為主 用工整體 老齡化 同時(shí)設(shè)施溫室環(huán)境作業(yè)強(qiáng)度大 機(jī)械化水平低 采摘效率低 2 4 人工采摘成本的增加促進(jìn)了采摘機(jī)器人的研究 美國(guó)華盛頓州立大學(xué)的DAVIDSON等 5 開(kāi)發(fā)了一款6自 由度機(jī)械臂和三指末端執(zhí)行器的蘋(píng)果采摘機(jī)器人 該機(jī) 器人通過(guò)3D相機(jī)獲取果實(shí)坐標(biāo)信息 在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下 果實(shí)的采摘成功率為56 江蘇大學(xué)趙德安團(tuán)隊(duì) 6 同 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院張小超團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)了一 款5自由度的蘋(píng)果采摘機(jī)器人 具有整體升降和小臂伸 縮功能 在實(shí)驗(yàn)室條件下的抓取成功率為80 采摘周 期為15 s 針對(duì)丘陵果園地形環(huán)境 鮑秀蘭等 7 設(shè)計(jì)了 一種可以自適應(yīng)調(diào)平平臺(tái)的柑橘采摘機(jī)器人 結(jié)合剪切 夾持一體化的末端執(zhí)行器降低果實(shí)的損傷 國(guó)外率先 開(kāi)展了對(duì)番茄采摘機(jī)器人的研究 第一臺(tái)番茄采摘機(jī)器 人由美國(guó)研制 8 國(guó)內(nèi)高校和研究中心對(duì)番茄采摘機(jī) 器人的研究起步較晚 馮青春 梁喜鳳 劉繼展等團(tuán) 隊(duì) 9 15 相繼開(kāi)展了對(duì)番茄采摘機(jī)器人的研究 構(gòu)建的番 茄采摘機(jī)器人樣機(jī)多采用工業(yè)機(jī)械臂進(jìn)行采摘試驗(yàn) 近年來(lái) 隨著技術(shù)的發(fā)展 國(guó)內(nèi)外針對(duì)番茄采摘機(jī) 器人進(jìn)行了進(jìn)一步的研究 針對(duì)日光溫室番茄采摘 于 豐華等 16 設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)巡檢 采摘 收集 的番茄采摘機(jī)器人 李興旭等 17 采用四軸協(xié)作機(jī)械臂 基于級(jí)聯(lián)視覺(jué)檢測(cè)流程搭建機(jī)器人系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了在日光 溫室場(chǎng)景中的檢測(cè) 采摘試驗(yàn) SU等 18 設(shè)計(jì)了一種應(yīng) 用于番茄棚架栽培生長(zhǎng)環(huán)境的溫室番茄采摘底盤(pán) 具有 較好的路徑巡航功能和定位精度 為了降低采摘過(guò)程 中對(duì)果柄和主莖的損傷 ZHENG等 19 提出了一種嵌套 采摘的方法 應(yīng)用于番茄采摘機(jī)器人系統(tǒng) 采摘周期時(shí) 間為14 9 s 由于視覺(jué)技術(shù)的限制 傳統(tǒng)的檢測(cè)方法針對(duì)果實(shí)遮 擋的番茄目標(biāo)識(shí)別準(zhǔn)確率不高 從而導(dǎo)致機(jī)器人的采摘 成功率下降 隨著深度學(xué)習(xí)的研究深入 被廣泛應(yīng)用于 果蔬識(shí)別中 HU等 20 提出了一種結(jié)合深度學(xué)習(xí)和邊緣 輪廓檢測(cè)的成熟番茄檢測(cè)方法 用來(lái)區(qū)分開(kāi)重疊的番 茄 為了檢測(cè)植物上高遮擋的未成熟番茄 MU等 21 使 用深度學(xué)習(xí)模型自動(dòng)檢測(cè)得到完整的綠色番茄 檢測(cè)的 平均精度達(dá)到了87 83 張勤等 22 提出了一種基于實(shí) 例分割的番茄串視覺(jué)定位與采摘姿態(tài)估算方法 實(shí)現(xiàn)果 梗姿態(tài)識(shí)別和采摘點(diǎn)精準(zhǔn)定位 并基于果梗姿態(tài)確定末 端執(zhí)行器的采摘姿態(tài) 提高番茄采摘成功率 本文針對(duì)寬溝窄畦種植模式下的番茄生長(zhǎng)環(huán)境 同 時(shí)為了滿足采摘機(jī)器人在田間的高效作業(yè)效率 設(shè)計(jì)了 一種可在該環(huán)境中移動(dòng)和自主采摘的番茄采摘機(jī)器人 該機(jī)器人的采摘機(jī)械結(jié)構(gòu)基于伸縮式機(jī)械臂和多自由 度末端執(zhí)行器 底盤(pán)結(jié)構(gòu)根據(jù)種植農(nóng)藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)尺寸 采用四輪獨(dú)轉(zhuǎn)獨(dú)驅(qū)的電力驅(qū)動(dòng)方式 1 采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 采摘作業(yè)環(huán)境分析 傳統(tǒng)的溫室番茄種植主要采用寬畦窄溝 雙行種植 的栽培模式 不利于進(jìn)行機(jī)械化作業(yè) 寬溝窄畦栽培模 式可以改善植株外部光照條件和通風(fēng)條件 降低病害發(fā) 生率 提高番茄精品果的質(zhì)量 通過(guò)番茄采摘的機(jī)械化 作業(yè) 可提高勞動(dòng)效率 23 為了方便農(nóng)機(jī)采摘作業(yè) 同 時(shí)減少人為機(jī)械損傷 試驗(yàn)在浙江省溫州市蒼南縣直勇 陽(yáng)光農(nóng)場(chǎng)寬溝窄畦種植模式下的溫室番茄中進(jìn)行 目前 該農(nóng)場(chǎng)番茄采摘方式均采用人工采摘 溫室內(nèi)栽培畦 上底寬60 cm 下底寬80 cm 行與行之間的壟間距為 90 cm 采用單行種植 此外 番茄之間的株距為40 cm 番茄植株平均高度180 cm 番茄的主要生長(zhǎng)范圍為30 120 cm 番茄栽培模式如圖1所示 兩種模式下溫室番 茄栽培模式數(shù)據(jù)如表1所示 如表1所示 寬溝窄畦栽培模式下溫室番茄壟間區(qū) 域相較于傳統(tǒng)栽培模式下壟間距擴(kuò)大50 cm 可以滿足 小型的移動(dòng)底盤(pán)在壟間行走 針對(duì)溫室番茄這種果實(shí) 空間密集分布 壟間間距狹窄的特點(diǎn) 采摘機(jī)器人一般 采用行走 檢測(cè) 停止 采摘的方式進(jìn)行果實(shí)采摘 這就 要求機(jī)械臂有很大的作業(yè)空間 且具有較小尺寸結(jié)構(gòu) 多級(jí)伸縮的結(jié)構(gòu)為機(jī)器人采摘提供了更多的可能 1 2 伸縮式機(jī)械臂 1 2 1 工作原理 采摘機(jī)器人多采用通用型工業(yè)機(jī)械臂 這種通用型 圖1 寬溝窄畦栽培模式 Fig 1 Wide furrow and narrow bed cultivation pattern 表1 溫室番茄不同栽培模式 Tab 1 Different cultivation patterns of greenhouse tomatoes 栽培模式 寬畦窄溝 寬溝窄畦 栽培畦寬 cm 上底 60 90 下底 80 110 溝寬 cm 90 40 株距 cm 40 45 種植方式 單行種植 雙行種植 19 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4年 工業(yè)機(jī)械臂會(huì)影響機(jī)器人 操作環(huán)境和拾取對(duì)象之間的 協(xié)調(diào) 也會(huì)帶來(lái)操作和維護(hù)方面的缺點(diǎn) 24 在滿足工作 空間的情況下 通用型工業(yè)機(jī)械臂存在結(jié)構(gòu)龐大 難以 輕量化等問(wèn)題 SASIADEK 25 提出的伸縮式機(jī)械手具 有結(jié)構(gòu)緊湊 重量輕的優(yōu)點(diǎn) 在溫室番茄生長(zhǎng)環(huán)境中有 著明顯的優(yōu)勢(shì) ARIKAPUDI等 26 提出了一種伸縮式機(jī) 械手來(lái)實(shí)現(xiàn)線性水果可達(dá)性 但其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和緩慢的 運(yùn)動(dòng)限制了其在水果采摘領(lǐng)域的應(yīng)用 此外 在這些情 況下 有效負(fù)載 工作空間和控制并沒(méi)有針對(duì)果園應(yīng)用 進(jìn)行全面優(yōu)化 針對(duì)采摘作業(yè)環(huán)境中番茄果實(shí)的分布范圍 壟間空 間小等情況 機(jī)械臂設(shè)計(jì)需要滿足大工作空間 小體積 及輕量化等要求 本文設(shè)計(jì)了一種4自由度的伸縮式采 摘機(jī)械臂 包括2個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與2個(gè)平移關(guān)節(jié) 可以控制 機(jī)械臂到達(dá)目標(biāo)預(yù)采摘點(diǎn)的位置 如圖2所示 為了滿 足采摘要求 本文將關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)3設(shè)置為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 擴(kuò) 大機(jī)械臂在X軸和Y軸方向上的運(yùn)動(dòng)空間 以此來(lái)采摘 不同高度和范圍下的番茄果實(shí) 同時(shí)有助于果實(shí)的收集 工作 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在不擴(kuò)大移動(dòng)關(guān)節(jié)2和 移動(dòng)關(guān)節(jié)4的條件下提升機(jī)械臂高度行程 同時(shí)受到工 作空間的限制 關(guān)節(jié)4需采用多級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)以滿足大行 程 小體積的要求 伸縮軸的作用是能夠快速地移動(dòng)末端抓手到指定 位置進(jìn)行抓取 實(shí)現(xiàn)番茄采摘收集工作 從而提高機(jī)械 臂作業(yè)效率 寬溝窄畦栽培模式下的溫室番茄生長(zhǎng)范 圍較大 采用普通單級(jí)伸縮型機(jī)械臂難以滿足要求 末 端關(guān)節(jié)振動(dòng)問(wèn)題更會(huì)大大影響機(jī)械臂定位精度 為實(shí) 現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行 伸縮關(guān)節(jié)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 控制方便 重 量輕 體積小 行程大等特點(diǎn) 繩排式伸縮機(jī)構(gòu)控制簡(jiǎn) 單 成本低 能夠體現(xiàn)最佳的輕量化和緊湊的設(shè)計(jì)方案 因此 機(jī)械臂伸縮關(guān)節(jié)采用繩排式三級(jí)同步伸縮結(jié)構(gòu)方 案 相比單級(jí)的伸縮機(jī)構(gòu)能夠提升采摘速度 縮小伸縮 臂的體積 圖3為本文設(shè)計(jì)的繩排式多級(jí)同步伸縮機(jī)構(gòu) 原理圖 為實(shí)現(xiàn)高精度與高速的伸縮運(yùn)動(dòng) 使用同步帶 替代繩索陣列 同步伸縮臂主要由3級(jí)臂組成 結(jié)構(gòu)相對(duì) 液壓驅(qū)動(dòng)更加小巧 中間不存在液壓缸 在縮小體積的 同時(shí)更加容易實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì) 使得結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固 1 2 2 伸縮臂關(guān)節(jié)尺寸確定 由于伸縮軸完全伸縮時(shí)整體為懸臂梁結(jié)構(gòu) 其末端 的變形與截面形狀 尺寸都有較大的影響 為使得伸縮 軸整體更加輕盈且具有可靠的穩(wěn)定性 材質(zhì)采用碳纖維 板 同時(shí) 為了保證機(jī)械臂整體的運(yùn)動(dòng)精度 其末端精度 應(yīng)控制在0 5 mm內(nèi) 其兩級(jí)伸縮末端撓度應(yīng)在 0 5 mm 內(nèi) 番茄平均質(zhì)量為0 5 kg 為了防止機(jī)械臂與番茄枝 干發(fā)生碰撞 將末端受力設(shè)置為100 N 最終根據(jù)以上設(shè) 計(jì)要求對(duì)材料截面寬度以及厚度進(jìn)行計(jì)算求解 將各 級(jí)截面近似為槽型截面 如圖4所示 截面慣性矩計(jì)算式為 I x BH 3 bh 3 12 1 式中 I x 截面慣性矩 B 截面外部寬度 H 截面外部高度 b 截面內(nèi)部寬度 h 截面內(nèi)部高度 三級(jí)臂需完全縮進(jìn)入二級(jí)臂內(nèi)部 同時(shí)二級(jí)臂需能 收入至一級(jí)臂內(nèi)部 各級(jí)臂之間均取上級(jí)臂寬度 厚度 的0 8倍 計(jì)算以二級(jí)臂為起點(diǎn) 由 I x BH 3 B t H 2t 3 12 2 可得 I x3 0 409 6I x2 3 式中 t 截面厚度 I x3 三級(jí)臂截面慣性矩 I x2 二級(jí)臂截面慣性矩 兩級(jí)臂完全伸出時(shí)其變形量為 F 1 L 3 1 3EI 1 F 2 L 3 2 3EI 2 4 式中 變形量 F 1 一級(jí)臂受到的力 a 關(guān)節(jié)示意圖 b 三維模型 圖2 伸縮式機(jī)械臂關(guān)節(jié) Fig 2 Schematics of joints of telescopic robotic arm 圖3 同步帶繩排多級(jí)同步伸縮機(jī)構(gòu)原理圖 Fig 3 Schematic of synchronous belt rope row multi stage synchronous expansion mechanism a 槽型截面示意圖 b 伸縮關(guān)節(jié)變形 圖4 截面與關(guān)節(jié)變形 Fig 4 Cross sectional and joint deformation 20 增刊1 王亞薇 等 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) L 1 一級(jí)臂長(zhǎng)度 F 2 二級(jí)臂受到的力 L 2 二級(jí)臂長(zhǎng)度 E 楊氏模量 I 1 一級(jí)臂截面慣性矩 由于兩級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)存在 作用在二級(jí)臂上的力矩與 一級(jí)臂相關(guān) 一級(jí)臂固定點(diǎn)位于中點(diǎn)處 為方便計(jì)算將 其簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁集中力矩至連接點(diǎn) F 1 0 64G L 2 HB B t H 2t L 2 2L 1 L 2 F 2 2L 2 2L 1 L 2 0 5L L 1 5 式中 L 三級(jí)臂長(zhǎng)度 G 重力 伸縮臂密度 表2為已知參數(shù) 將已知參數(shù)代入式 4 可得總變 形量與截面參數(shù)關(guān)系式為 根據(jù)末端負(fù)載初步優(yōu)化各級(jí)槽型寬度B 高度H 厚 度t以最小化末端變形量 576 2Bt tH 2t 2 20 8 1 725 10 10 BH 3 B t H 2t 3 6 4 7 065 6 10 9 BH 3 B t H 2t 3 6 在Matlab中進(jìn)行優(yōu)化求解 將 關(guān)于t與B的圖像在 Matlab中進(jìn)行繪制 根據(jù)圖5a可知截面的厚度與寬度對(duì) 末端的撓度都會(huì)產(chǎn)生較大的影響 其結(jié)果并非是正相關(guān) 的 因此選取撓度在0 5 mm范圍內(nèi)的B t作為設(shè)計(jì)初 值 編寫(xiě)Matlab程序求出在當(dāng)前撓度范圍內(nèi)的質(zhì)量最小 值 結(jié)果如圖5b所示 根據(jù)計(jì)算結(jié)果即可得到二級(jí)臂尺寸參數(shù) 如表3所 示 其截面寬度與高度選取0 065 m 厚度選取0 003 m 三級(jí)臂尺寸參數(shù)為二級(jí)臂0 8倍 其寬度與高度選取為 0 050 m 厚度也保持不變 基座關(guān)節(jié)同樣按照0 8倍標(biāo) 準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算 截面寬度與高度為0 085 m 厚度為0 004 m 一 二 三級(jí)臂長(zhǎng)度分別為0 5 0 4 0 4 m 1 3 三自由度末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器是機(jī)器人提高工作效率和 采摘成功率的關(guān)鍵 HOHIMER等 27 設(shè)計(jì)了一款氣動(dòng) 式柔性末端執(zhí)行器 能夠有效避免水果損傷 分離成功 率達(dá)到67 為了使末端執(zhí)行器適應(yīng)不同水果 LU 等 28 設(shè)計(jì)了3種不同幾何形狀的末端執(zhí)行器 并實(shí)驗(yàn)發(fā) 現(xiàn)直型末端執(zhí)行器性能最好 采摘成功率最高 三指抓 取的末端執(zhí)行器可以減少果實(shí)損傷率 適應(yīng)不同大小和 形狀果實(shí) 29 30 無(wú)損抓取目標(biāo)果實(shí)是農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人推廣應(yīng)用的 關(guān)鍵之一 采摘機(jī)械臂抓取的對(duì)象是果實(shí) 因此末端執(zhí) 行器既要滿足不損傷采摘對(duì)象也要在采摘過(guò)程中牢牢 抓住果實(shí) 即使是標(biāo)準(zhǔn)化種植的番茄 其果實(shí)的生長(zhǎng)姿 態(tài)也各不相同 水平靠近進(jìn)行抓取時(shí)抓手受力不同 受 力大的地方很容易在成熟的番茄內(nèi)部產(chǎn)生瘀傷 最終導(dǎo) 致整個(gè)番茄的潰爛 通過(guò)對(duì)番茄果實(shí)生長(zhǎng)姿態(tài)進(jìn)行識(shí) 別 設(shè)計(jì)姿態(tài)可調(diào)的末端執(zhí)行器沿果實(shí)生長(zhǎng)方向進(jìn)行抓 取采摘 能夠有效減少抓取過(guò)程中各手指之間的受力不 均 同時(shí) 番茄果梗連接較硬 姿態(tài)可調(diào)的末端執(zhí)行器 在抓取過(guò)程中可以沿果柄垂直方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 更加有利 于果實(shí)的脫落 也不會(huì)對(duì)果實(shí)造成過(guò)大的損傷 因此 采用一種三自由度腕關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器 圖6 采用3個(gè) 舵機(jī)串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)腕關(guān)節(jié)三自由度采摘姿態(tài)變化 使采 摘末端手能夠?qū)崿F(xiàn)大幅度的姿態(tài)調(diào)整 以適應(yīng)識(shí)別到的 各種果實(shí)采摘姿態(tài)來(lái)提高果實(shí)的采摘成功率 在具體 的采摘過(guò)程中 可以根據(jù)相機(jī)獲得的果實(shí)的位置線由機(jī) 械臂將腕關(guān)節(jié)末端執(zhí)行器送達(dá)果實(shí)預(yù)采摘點(diǎn)附近 再根 據(jù)獲得的果實(shí)姿態(tài)進(jìn)行腕關(guān)節(jié)姿態(tài)調(diào)整實(shí)施采摘 具有 結(jié)構(gòu)緊湊和靈活的優(yōu)點(diǎn) 三指節(jié)驅(qū)動(dòng)繩的連接方式種類較多 采用并聯(lián)的連 表2 伸縮關(guān)節(jié)參數(shù) Tab 2 Parameters of telescopic joint 參數(shù) 數(shù)值 g m s 2 9 8 kg m 3 2700 L 1 mm 400 L 2 mm 400 L mm 500 F 2 N 20 E GPa 69 a 變形量關(guān)于厚度和寬度的響應(yīng)面 b 質(zhì)量關(guān)于厚度與寬度的響應(yīng)面 圖5 變形量與質(zhì)量關(guān)系曲面 Fig 5 Deformation mass relationship 表3 二級(jí)臂參數(shù)計(jì)算結(jié)果 Tab 3 Calculated results 參數(shù) 數(shù)值 B m 0 063 8 T m 0 002 6 M g 716 379 6 m 0 502 7 21 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4年 接方式 其繩子在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后易磨損 且并聯(lián)方式三 指節(jié)只能同步運(yùn)行 因此 本文設(shè)計(jì)了一種單繩串聯(lián)的 方式 一根尼龍繩連接3個(gè)指節(jié)與驅(qū)動(dòng)器 每個(gè)指節(jié)相互 連接 同時(shí)又存在有一定的運(yùn)動(dòng)余量 如圖7b所示 當(dāng) 紅色起點(diǎn)與綠色終點(diǎn)環(huán)繞一圈后拉緊 驅(qū)動(dòng)繩將自動(dòng)匯 集于匯集點(diǎn)并保持形狀 各個(gè)指節(jié)件相互獨(dú)立且具有一 定的連接 圖8為優(yōu)化設(shè)計(jì)的末端夾爪實(shí)物圖 通過(guò)固 定在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)繩索的運(yùn)動(dòng)以控制3個(gè)指節(jié)的 抓取和松開(kāi) 夾爪閉合由驅(qū)動(dòng)舵機(jī)進(jìn)行控制 采用扭簧使夾爪在 張開(kāi)夾爪后自動(dòng)復(fù)位 保證了末端夾爪開(kāi)口大小與開(kāi)口 的一致性 1 4 底盤(pán)設(shè)計(jì) 在底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面 傳統(tǒng)的前轉(zhuǎn)后驅(qū)阿克曼轉(zhuǎn)向 底盤(pán)轉(zhuǎn)彎半徑較大 難以在狹窄的溫室大棚內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn) 向 換壟等操作 考慮到大棚番茄空間狹窄 采用四輪 獨(dú)轉(zhuǎn)獨(dú)驅(qū)的動(dòng)力系統(tǒng) 提高行走 轉(zhuǎn)向控制的靈活性 也 減小轉(zhuǎn)向半徑 通過(guò)調(diào)研寬溝窄畦栽培模式種植農(nóng)藝 實(shí)地測(cè)量壟寬 壟間距 種植高度等農(nóng)藝參數(shù) 確定移動(dòng) 底盤(pán)的基本尺寸大小 整個(gè)底盤(pán)系統(tǒng)主要由輪組 電池 組 控制系統(tǒng)組成 一個(gè)輪組通過(guò)兩個(gè)電機(jī)分別控制輪 子的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向 8個(gè)伺服電機(jī)支持每個(gè)輪組獨(dú)立高精 度控制 實(shí)現(xiàn)底盤(pán)運(yùn)動(dòng)自由 運(yùn)動(dòng)靈活 承載力強(qiáng)等特 點(diǎn) 底盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖9a所示 控制系統(tǒng)分別集成在車(chē)頭和 車(chē)尾部分 電池組模塊集成在整個(gè)底盤(pán)底部中間位置 便于給整個(gè)機(jī)器人其余系統(tǒng)供電 在底盤(pán)上預(yù)留多排 安裝孔位 以便之后二次開(kāi)發(fā)和升級(jí) 輪組結(jié)構(gòu)如圖9b 所示 采用模塊化設(shè)計(jì) 通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的安裝孔位將輪 組和底盤(pán)連接 這種一體式的模塊化設(shè)計(jì)便于整個(gè)輪 組拆卸 更換和維護(hù) 機(jī)器人底盤(pán)尺寸為1 000 mm 600 mm 400 mm 輪距為550 mm 車(chē)體僅為120 kg 該 底盤(pán)采用三元鋰電池進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 裝配4個(gè)型號(hào)為 MD60AIS113的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和4個(gè)MD57AIS77的轉(zhuǎn)向電 機(jī) 可以實(shí)現(xiàn)四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能 同時(shí)配有自 主剎車(chē)和防撞桿 適用于寬溝窄畦種植模式下狹小 環(huán)境 為了滿足不同地形及工作環(huán)境下的靈活需求 設(shè)計(jì) 多種轉(zhuǎn)向模式 圖10 斜向行駛模式提升橫向移動(dòng)穩(wěn) 定性 原地轉(zhuǎn)向模式方便窄距果園掉頭 四輪轉(zhuǎn)向模式 實(shí)現(xiàn)減小轉(zhuǎn)彎半徑 原地轉(zhuǎn)向模式根據(jù)4個(gè)轉(zhuǎn)向輪組均 可360 轉(zhuǎn)動(dòng) 根據(jù)底盤(pán)輪組至整體質(zhì)心距離計(jì)算輪組轉(zhuǎn) 動(dòng)至輪胎軸線的延長(zhǎng)線交叉于底盤(pán)的幾何中心 即可實(shí) 現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向 2 采摘機(jī)器人視覺(jué)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 1 視覺(jué)識(shí)別與定位系統(tǒng) 溫室番茄多呈簇狀生長(zhǎng) 每串?dāng)?shù)量為3 5個(gè) 果實(shí) 生長(zhǎng)密集且彼此相互粘連 不同果實(shí)的生長(zhǎng)姿態(tài)千變?nèi)f 化 基于番茄的生長(zhǎng)特性 本文基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和點(diǎn) 云處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)施溫室種植模式下番茄果實(shí)的識(shí)別 與檢測(cè) 具體過(guò)程包括圖像采集 番茄目標(biāo)檢測(cè) RGB D 信息融合和點(diǎn)云處理獲取番茄果實(shí)位姿 圖11 圖6 三自由度采摘末端執(zhí)行器 Fig 6 Three degree of freedom picking end effector a 并聯(lián)型 b 串聯(lián)型 圖7 多指節(jié)驅(qū)動(dòng)繩連接方式 Fig 7 Multi knuckle drive rope connection 圖8 多指節(jié)夾爪 Fig 8 Multi jointed jaws a 底盤(pán)裝配軸測(cè)圖 b 獨(dú)立模塊輪組 圖9 底盤(pán)結(jié)構(gòu)圖 Fig 9 Chassis structure diagrams 圖10 不同轉(zhuǎn)向模式示意圖 Fig 10 Schematic of different steering modes 22 增刊1 王亞薇 等 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 2 1 1 數(shù)據(jù)集構(gòu)建 Realsense L515相機(jī)配備有RGB傳感器和深度傳感 器 可以獲取到高質(zhì)量的彩色和深度圖像 用于后續(xù)的 圖像處理和特征提取 最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和定位 設(shè)施 溫室番茄的種植環(huán)境復(fù)雜 果實(shí)生長(zhǎng)密集 同簇果實(shí)的 成熟度不同 面臨著識(shí)別難的問(wèn)題 番茄采摘機(jī)器人需 要實(shí)現(xiàn)在一個(gè)深度模型中完成果實(shí)三維位姿和障礙物 快速準(zhǔn)確識(shí)別 為了提高果實(shí)位姿識(shí)別精度 本文構(gòu)建 了復(fù)雜溫室背景下關(guān)鍵點(diǎn)和語(yǔ)義分割數(shù)據(jù)集 如圖12所 示 圖12a為原始圖像 圖12b為制作的用關(guān)鍵點(diǎn)和邊 界框標(biāo)注的關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)集 圖12c為標(biāo)注主莖掩模的語(yǔ) 義分割數(shù)據(jù)集 圖12d為最終獲得的掩模標(biāo)簽 其中 若 番茄花萼可見(jiàn) 花萼中心被標(biāo)記為關(guān)鍵點(diǎn) 若因番茄姿 態(tài)花萼不可見(jiàn) 關(guān)鍵點(diǎn)標(biāo)記花萼與果軸交界處 若花萼 或交界處因遮擋不可見(jiàn) 則不標(biāo)記關(guān)鍵點(diǎn) 由于機(jī)器人 與番茄植株的主莖碰撞容易導(dǎo)致采摘失敗 并對(duì)機(jī)械臂 造成損壞 因此本文將番茄植株的主莖進(jìn)行分割 制作 為語(yǔ)義分割數(shù)據(jù)集 2 1 2 多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 番茄果實(shí)識(shí)別與檢測(cè)是采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)中的 關(guān)鍵部分 本文對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的番茄目標(biāo)位姿識(shí)別展 開(kāi)了研究 提出了一種多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 它可以在 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中同時(shí)完成番茄位姿檢測(cè)和莖稈語(yǔ)義分 割 實(shí)現(xiàn)采摘場(chǎng)景信息表征 通過(guò)融合多尺度特征并確 定語(yǔ)義分割分支位置 提出4種語(yǔ)義分割分支添加策略 提高莖稈分割能力 番茄果實(shí)識(shí)別算法采用端到端多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)同時(shí)完成語(yǔ)義分割 目標(biāo)定位和關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)任務(wù) 算 法基于YOLO v5s網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn) 增加語(yǔ)義分割分支 目 標(biāo)檢測(cè)和語(yǔ)義分割共享主干網(wǎng)絡(luò) 并在邊界框回歸中加 入關(guān)鍵點(diǎn)預(yù)測(cè)參數(shù) YOLO MCNN架構(gòu)如圖13所示 相比級(jí)聯(lián)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò) 此方法減少冗余計(jì)算 但帶來(lái) 兩個(gè)問(wèn)題 語(yǔ)義分割分支在網(wǎng)絡(luò)中的哪一個(gè)位置進(jìn)行添 加能達(dá)到最佳效果 在同一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)上執(zhí)行多個(gè)任務(wù) 是否會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確性 語(yǔ)義分割通過(guò)下采樣提取 目標(biāo)特征以增大感受野 并通過(guò)上采樣恢復(fù)圖像分辨率 便于分類 不同的語(yǔ)義分割策略如圖14所示 YOLO v5s主干網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像進(jìn)行了5次下采樣 C1 C5 分辨率 為原圖的1 32 第1次下采樣通過(guò)Focus模塊 接下來(lái)4 次通過(guò)Conv模塊 Neck部分完成了2次上采樣 將分辨 率恢復(fù)到1 8 特征融合能夠合并詳細(xì)特征并增大感受 野 淺層特征圖適合檢測(cè)小目標(biāo) 深度特征圖適合檢測(cè) 大目標(biāo) YOLO v5s僅融合了C3和C4級(jí)別的特征 由 于莖是小目標(biāo) 融合淺層C2特征有利于提高分割能力 但增加計(jì)算量 YOLO v5s的上采樣達(dá)到原圖的1 8 添 加語(yǔ)義分割的最佳位置是第16層Concat層或第17層C3 模塊 簇生番茄多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可視化結(jié)果如 圖15所示 2 1 3 點(diǎn)云處理 點(diǎn)云處理模塊由6部分組成 點(diǎn)云分割 體素下采 樣 去除異常值 歐氏顏色聚類 RANSAC球面擬合 關(guān) 鍵點(diǎn)索引 通過(guò)點(diǎn)云將獲得番茄質(zhì)心的3D位置和關(guān)鍵 點(diǎn)的3D位置 可用于確定番茄果實(shí)的3D姿態(tài) 本文采用深度相機(jī)實(shí)時(shí)獲取采摘環(huán)境的彩色圖信 息和深度圖信息 將彩色圖和深度圖像生成點(diǎn)云圖像進(jìn) 行分割處理 經(jīng)過(guò)訓(xùn)練 輸入一幅彩色圖模型會(huì)輸出番 茄目標(biāo)邊界框和果實(shí)關(guān)鍵點(diǎn) 將邊界框 關(guān)鍵點(diǎn)的二維 信息映射到點(diǎn)云圖上分割出番茄果實(shí)目標(biāo) 達(dá)到減少點(diǎn) 云數(shù)量的目的 從而加快點(diǎn)云處理時(shí)間 由于番茄果實(shí) 形狀為扁球型 花萼部分點(diǎn)云對(duì)RANSAC球擬合番茄果 圖11 番茄果實(shí)識(shí)別與檢測(cè)技術(shù)路線圖 Fig 11 Technical route of tomato fruit identification and detection 圖12 番茄數(shù)據(jù)集制作過(guò)程 Fig 12 Tomato dataset produced process 23 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4年 實(shí)點(diǎn)云獲取質(zhì)心具有一定不利影響 番茄果實(shí)和花萼 在顏色上有較大差距 通過(guò)顏色歐氏聚類可以將花萼 與番茄果實(shí)分開(kāi) 番茄果實(shí)點(diǎn)云去除花萼部分后更加 類似球形 有利于獲取更加準(zhǔn)確的扁球體果實(shí)質(zhì)心 深 度模型提供的關(guān)鍵點(diǎn)為二維點(diǎn) 需要在點(diǎn)云圖像中進(jìn)行 點(diǎn)云配準(zhǔn) 但相機(jī)本身獲取的點(diǎn)云容易缺失 所以需要 進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)索引 索引到的關(guān)鍵點(diǎn)三維位置和 RANSAC球擬合得到的番茄果實(shí)質(zhì)心三維位置進(jìn)行連 接 最終獲取到番茄果實(shí)位姿 點(diǎn)云處理過(guò)程的可視化 結(jié)果如圖16所示 2 2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 2 1 機(jī)械臂控制與仿真 為了充分發(fā)揮機(jī)器人的綜合性能 實(shí)現(xiàn)高效的采摘 作業(yè) 采摘機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)的匹配 圖14 不同的語(yǔ)義分割分支策略 Fig 14 Different branching strategies for semantic segmentation 圖13 多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) Fig 13 Multi task convolutional neural network architecture 圖15 簇生番茄多任務(wù)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可視化 Fig 15 Multi task convolutional neural network visualization of cluster tomatoes 24 增刊1 王亞薇 等 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 設(shè)計(jì)顯得尤為關(guān)鍵 目前 機(jī)械臂控制系統(tǒng)主要依賴于 4種核心技術(shù)方案 基于PC的控制解決方案 嵌入式系 統(tǒng)方案 結(jié)合工控機(jī)與數(shù)據(jù)采集卡及運(yùn)動(dòng)控制器的高級(jí) 方案 以及可靠的PLC控制系統(tǒng) 現(xiàn)有的幾種機(jī)械臂控 制系統(tǒng)大都只能根據(jù)給定的姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)的操作 難以 實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃的功能 而且 采摘機(jī)械臂的構(gòu)型也多種 多樣 各個(gè)機(jī)械臂的系統(tǒng)也各不相同 很難通用 即使是 同一種類型的機(jī)械臂控制系統(tǒng) 也會(huì)因?yàn)檐浖牡?新而產(chǎn)生沖突 傳統(tǒng)的機(jī)械臂控制器難以進(jìn)行二次開(kāi) 發(fā) ROS在機(jī)械臂控制的可移植性與通用性上具有很 大優(yōu)勢(shì) 內(nèi)部具有機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃功能 能夠快速的進(jìn) 行軟件的開(kāi)發(fā) 同時(shí)還具有多個(gè)中調(diào)試與仿真工具 對(duì) 于復(fù)雜的采摘運(yùn)動(dòng)規(guī)劃具有非常大的優(yōu)勢(shì) 因此 機(jī)械 臂控制系統(tǒng)由基于PC端上位機(jī)軟件 ROS 集成 上位機(jī)需要處理復(fù)雜算法 采集并長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 還需要提供圖形化界面供用戶操作 本文采用的上位 機(jī)硬件是基于Ubuntu系統(tǒng)的個(gè)人計(jì)算機(jī) 配備有高性能 的CPU 較大的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間 作為控制系統(tǒng)中的核 心部分 上位機(jī)與下位機(jī)之間可以通過(guò)各種通信接口進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換 本文采用RS485串行端口的Modbus工業(yè) 通信協(xié)議以實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)的互聯(lián)互通 上位機(jī)配有 Windows 10和Ubuntu 20 04兩個(gè)系統(tǒng) 首先在Windows 系統(tǒng)下對(duì)控制機(jī)械臂和夾爪的電機(jī)及舵機(jī)進(jìn)行調(diào)試安 裝 確定機(jī)械臂和夾爪的初始位置 保證Windows下機(jī) 械臂與上位機(jī)之間的通訊順暢 機(jī)械臂的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)控 制主要是在上位機(jī)的Ubuntu系統(tǒng)下進(jìn)行 借助MoveIt 在Rviz仿真環(huán)境下進(jìn)行仿真測(cè)試 圖17 并實(shí)現(xiàn)真實(shí)機(jī) 械臂運(yùn)動(dòng)控制 將機(jī)械臂和夾爪的Solidworks模型導(dǎo)出配置成 URDF模型 使用MoveIt 中的Setup Assistant工具生成 配置文件并建立機(jī)器人ROS驅(qū)動(dòng) 最終控制機(jī)器人進(jìn)行 自動(dòng)采摘 相機(jī)獲取到的圖像經(jīng)過(guò)視覺(jué)識(shí)別定位后得到 采摘目標(biāo)位置信息 在MoveIt 中完成運(yùn)動(dòng)規(guī)劃并將關(guān) 節(jié)軌跡發(fā)送到控制器中 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂到達(dá)采摘位置 在這個(gè)過(guò)程中控制器將機(jī)械臂的實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋到 MoveIt 中 Rviz動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前狀態(tài) 機(jī)械臂的采摘控制 系統(tǒng)集成在ROS系統(tǒng)中 節(jié)點(diǎn)之間的通訊如圖18所示 2 2 2 底盤(pán)控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的四轉(zhuǎn)四驅(qū)底盤(pán)通過(guò)Modbus控制8個(gè)電機(jī) 實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的運(yùn)動(dòng) 8個(gè)電機(jī)均可單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 其 中4個(gè)轉(zhuǎn)向電機(jī)采用位置控制 保證其轉(zhuǎn)向時(shí) 電機(jī)驅(qū) 動(dòng)整體輪組轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確性 4個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用速 度控制 跟蹤其速度變化設(shè)計(jì)模糊PID控制器 減小機(jī) 器人速度誤差 圖19為底盤(pán)軟件功能邏輯主要 架構(gòu) 圖16 三維姿態(tài)檢測(cè)可視化過(guò)程 Fig 16 Visualisation of 3D pose detection 圖17 Rviz仿真環(huán)境 Fig 17 Rviz simulation environment 圖18 ROS系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)架構(gòu) Fig 18 ROS system node architecture 25 農(nóng) 業(yè) 機(jī) 械 學(xué) 報(bào) 2 0 2 4年 底盤(pán)控制的方式包括遙控模式和上位機(jī)模式 遙 控模式下通過(guò)高低電平轉(zhuǎn)換模塊將接收到的不同遙控 器信號(hào)轉(zhuǎn)換為核心板所能識(shí)別的電平信號(hào) 執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控 制指令 上位機(jī)控制模式下采用TCP通訊 執(zhí)行控制指 令的人機(jī)交互界面如圖20所示 底盤(pán)各輪組獨(dú)立控制并 會(huì)將該模塊的負(fù)載信息傳遞至上位機(jī) 實(shí)現(xiàn)操作人員對(duì) 底盤(pán)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控 本文設(shè)計(jì)的底盤(pán)采用4個(gè)獨(dú)立的輪組經(jīng)由4個(gè)獨(dú)立 的轉(zhuǎn)向電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)向 其幾何中心運(yùn)動(dòng)速度方向與前輪 組轉(zhuǎn)動(dòng)角度相同 基于模糊PID控制將底盤(pán)橫向速度 縱向速度 轉(zhuǎn)動(dòng)角度誤差量和誤差變化率作為輸入量 由制定的模糊規(guī)則經(jīng)過(guò)模糊化 模糊推理和解模糊輸出 相應(yīng)的PID 3個(gè)比例修正參數(shù) 對(duì)整體控制增益進(jìn)行實(shí) 時(shí)調(diào)參 解決了傳統(tǒng)PID不能實(shí)時(shí)調(diào)整的缺點(diǎn) 3 番茄采摘試驗(yàn) 3 1 試驗(yàn)平臺(tái) 搭建了果園環(huán)境下機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)平臺(tái) 如圖21所 示 并進(jìn)行了番茄采摘的試驗(yàn) 果實(shí)采摘測(cè)試的目的是 評(píng)估機(jī)械臂在采摘水果時(shí)的表現(xiàn) 除了對(duì)成功或失敗的 收獲進(jìn)行評(píng)分外 該測(cè)試還應(yīng)測(cè)量完成采摘任務(wù)所花費(fèi) 的時(shí)間 在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試時(shí) 環(huán)境適應(yīng)性 識(shí)別精度 采 摘效率 機(jī)械臂工作空間 導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶交互便利性 是測(cè)試時(shí)的關(guān)鍵 本文使用采摘成功率P 1 采摘時(shí)間t作為主要指標(biāo) 來(lái)評(píng)估采摘機(jī)器人的性能 分別表征采摘精度 速度 采摘成功率是指機(jī)械手在一定的次數(shù)內(nèi)果實(shí)成功采收 的概率 采摘時(shí)間是指從相機(jī)視覺(jué)定位開(kāi)始到成功采 集果實(shí)放置到采集筐并開(kāi)始下一次視覺(jué)定位時(shí)的總 時(shí)間 如圖22所示 采摘過(guò)程中有4個(gè)狀態(tài) Home為初始 狀態(tài) 在識(shí)別到果實(shí)后機(jī)械臂切換狀態(tài) 進(jìn)入靠近果實(shí) 狀態(tài) 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至目標(biāo)點(diǎn) 再次識(shí)別定位果實(shí)位置 進(jìn)入采摘狀態(tài) 機(jī)械臂抓取果實(shí) 抓取成功后進(jìn)入返回 狀態(tài) 機(jī)械臂運(yùn)行至放置點(diǎn) 完成放置任務(wù)后機(jī)械臂回 到初始狀態(tài) 完成一次循環(huán) 多個(gè)果實(shí)采摘進(jìn)行多次 循環(huán) 遇到特殊情況時(shí)由狀態(tài)機(jī)切換機(jī)械臂運(yùn)行狀態(tài) 將復(fù)雜的問(wèn)題進(jìn)行分解 方便調(diào)試與控制 圖19 底盤(pán)軟件功能主要架構(gòu) Fig 19 Main structure of chassis software functions 圖20 上位機(jī)控制界面 Fig 20 Upper computer control interface 圖21 番茄采摘機(jī)器人樣機(jī) Fig 21 Tomato picking robot prototype 26 增刊1 王亞薇 等 溫室番茄采摘機(jī)器人伸縮式機(jī)械臂設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 3 2 采摘試驗(yàn)結(jié)果與分析 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)流程包括接近目標(biāo) 抓取果實(shí) 扭轉(zhuǎn)采 摘 移至收集點(diǎn) 打開(kāi)夾爪 移至等待點(diǎn)等流程 以采摘 第1個(gè)番茄目標(biāo)為例 機(jī)械臂需要進(jìn)行初始化位置來(lái)規(guī)范 機(jī)械臂的后續(xù)控制 當(dāng)機(jī)械臂