基于自动化的苹果采摘机器人

刘国栋 杨孟杰 张应红 孙元广

摘 要：苹果是具有长久的季节性的水果，且人工采摘的劳动强度大，风险高，成本高。解决人工采摘苹果的问题需要将农业与工业智能化的结合。为此设计一种五自由度，满足工作空间的基于自动化的苹果采摘机器人。该机器人通过工业摄像机、红外线探头采集外部环境信息，并传递到电源控制模块，从而控制以步进电机、舵机的源动力的驱动，进一步控制各个机械臂和机械手的转动调节，实现对苹果的自动化的采摘。

关键词：采摘苹果；自动化；工业摄像机；机械手

引言：随着农业生产的多样化和精确化、规模化，农业生产作业要求也正在逐渐提高，加速农业现代化进程，实施智能化农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证苹果适时采收，研究满足工作空间的自动化采摘机器人对实现农业自动化和提高经济效益具有重大的意义。

1.苹果采摘机器人的机械结构设计

1.1机器人的方案设计：

采摘机器人的机械结构图主要由底座、腰部，大臂，肘部，小臂，末端机械手等主要部分组成，其总体结构简图1.1所示。该机器人与传统的工业机器人类似，具有五个自由度的工作空间，分别是自由度1（腰部回转），自由度2（大臂旋转），自由度3（小臂旋转），自由度4（肘回转），自由度5（机械手旋转）。

1.2移动平台方案的确定：

在确定设计方案以后对机器人的移动载体采取分析并进行选择。

（1）履带式移动平台特点及存在问题

特点 a. 转向半径小，可实现原地转向。

b.支撑地面的面积大，下陷度小，滚动阻力大，越野机动性能好；在松软或者潮湿的土地环境中具有较好的越障能力。

c.履带支撑面上有很多履齿，行走时不容易打滑，附着性能好；。

存在问题： a.履带式移动平台的体积和重量大，速度慢，耗能高；。

b.履带容易磨损，需要经常性的检查

（2）轮式移动平台特点及存在问题

特点： a.轮式移动平台的能量损耗比较小。

b.相对于比较适合高速移动的场合。

存在问题： a.支撑面积小，滚动阻力小，越野机动性能不太理想，不太适合于环境恶劣的路面；果园作业不够灵活。

b.转向半径较大，需要较大的转向空间

c.容易打滑，附着性能不理想。

（3）智能移动平台最终方案确定

履带式移动平台适合于未加工的天然地面行走，它是轮式移动机构的拓展，履带本身起着给车轮连续铺路的作用。果园里的路面环境相对较差，尤其是雨后，路面很滑的情况下。采用履带式智能移动平台不仅有利于克服果园崎岖不平的 路边环境，而且在雨后更为恶劣的路面环境中仍有良好的通过性。

1.3 机械手结构 ：

采用的机械手为平行移动式机械手，如下图所示，以电机为动力，带动丝杆（3）转动，从而实现带动与丝杆（3）螺旋配合的滑块（5）前后移动，滑块通过连接件（4）带动左右机械手（1）进行平行移动，机械手左右端的的末端由销 钉（2）限制住机械手的 x 轴移动，根据三点确定一个平面的定理，使机械手只能进行左右平行移动。从而实现采摘末端执行器的抓取动作取决于力传感器和视觉传感器的信号。无论采摘的水果是大是小，只要数拢采集卡采集的力传感器 信号达到设定安全值，末端执行器的双指会停止运动。如果末端执行器抓取过程中视觉传感器检测到果实有滑动，则夹持双指便会自动增加夹持力，确保在果 实不被夹伤的情况下，不会从夹持双指中滑落。果园调研发现，苹果直径一般在 50mm-100mm 之间，因此所设计的末端执行器夹持手指之间距离为110mm。

1.4工作原理：

我们采用了图像处理的方法，在各种天气下采集果实的图像。采摘过程中，工业摄像机与红外线抬头进行果实的定位，机器人根据机器视觉系统、STM32 主控芯片以及其他传感器反馈的定位信息和避障信息来控制采摘机器人的各个部位的运动，机械手是采摘机器人的主要执行部分，要使机械手准确找到果实位置并采摘下来，需要得到熟苹果的位置。机械手两端附带压力传感器， 机械手夹住果实，压力达到苹果接近损坏的程度时，触发舵机开关，使机械手上端的剪切执行器会切断树枝。

1.5总体结构确定

综上所述：此次设计的机器人是履带式移动的，主要由控制系统及其机械执行系统组成，具有5个自由度。采摘机器人主要包括行走机构、控制系统、机械手结构、 图像信息处理系统等几大部分。如下图1.5所示，机械手是采摘机器人的主要执行部分，控制系统主要包括双目摄像机，数据采集卡，机械臂控制器，末端采集控制 器，电机驱动器以及各传感器和各个控制电路等。移动平台包括固定平台，底盘机架，履带式行走装置等。

2.系统控制方案设计

2.1整体控制方案

采摘机器人选用STM32F103C8T6为主控芯片，左右步进电机带动履带为采摘机器人提供动力以及方向控制，机械手臂的每一个自由度对应一个舵机，实现对机械手臂动作的控制，处理工业摄像机得到的数据后，再完成一系列采摘动作。

2.2主控芯片选择

STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，运行速度快，可利用DMA模式下处理数据，减轻负担，定时器在PWM模式能同时产生多路PWM波，实现多个舵机控制。系统框图如下：

2.3電源模块

12V锂电池作为主电源，可以多次充放电，高效且充电效率高。

单片机由于使用电压一般在3.3V～6.0V之间，利用降压模块将电压降到5V对舵机以及单片机供电。

2.4行走控制系统

步进电机由单片机控制，但所需要的驱动电流过大，单片机负荷不起，需要电机驱动模块来产生较大电流驱动电机，避免烧坏单片机。

2.5机械臂控制

舵机体积小，重量轻，扭矩大，常用于精确的角度控制。可以减少舵机占用空间，减轻机械手臂重量，使机械手臂能有较大的承重力，机械手能有足够的力夹紧水果，精确的角度控制能减少误差，避免重复定位，夹漏等失误操作主控芯片产生一个控制信号，控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

3.结束语

本文从机械结构的设计和机器的控制系统来对苹果采摘机器人的设计进行研究，确定其基础组成部分的结构设计和控制方法。在苹果采摘的定位信息上采用一种基于OpenCV的双目立体视觉技术，并反馈到由ARM+PC协同的控制系统，驱动五自由度的机械人进行采摘工作，并且配备履带式的移动平台，使其工作更加具有灵活性和实用性，对人类的未来智能农业发展具有深远意义。

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