基于机器视觉的竞赛授粉机器人的研究

林丰山 王龙宁

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100 )

0 引言

机器人竞赛是近年来国内外迅速开展起来的高科技竞赛活动。开设授花粉机器人竞赛项目，旨在吸引广大学者、专家关注自动化授花粉技术，激发学生对授花粉机器人技术的研发热情，为授花粉机器人的发展添砖加瓦。然而，目前具有授花粉功能的机器人寥寥无几。故为了给授花粉机器人的发展提供科研数据和经验，设计用于竞赛的授花粉机器人势在必行。

目前，国内的农作物产业中授粉方法一般采用人工方式，同时也依靠风媒和昆虫授粉。这就对天气环境有所要求，且必须投入大量的人力、物力、财力，使得授花粉成为整个农业生产中较为费时费力的环节。另一方面，授花粉也是相当重要的一个环节，这将直接影响产量。因此，对于授花粉机器人的需求以及设计制造相当必要，通过运用授花粉机器人来降低生产成本，对于提高产量也有一定帮助。

授花粉机器人底盘，采用基于麦克纳姆轮的底盘，由于每个车轮上单独有电机控制，适应不同的地形进行自适应调节。针对平坦地形喷药机器人具有两种典型的行进方式，前进和横移[1]。机器人上半部分负责授花粉动作执行，包括机械臂和机器视觉模块[2]，其中机械臂由四个舵机控制，可进行旋转角度以及高低位置的调整，以便使机器视觉模块靠近识别雄雌花，针对雄雌花的形状特征和颜色特征进行识别[3]，若成功识别为雌花，机器人控制系统将控制机械臂靠近执行授粉动作。

1 授花粉机器人的机械结构

下图1为基于机器视觉的授花粉竞赛机器人的结构示意图，该机器人由麦克纳姆轮底盘、机械臂、机器视觉模块和末端执行机构组成。

图1 基于机器视觉的授花粉竞赛机器人

如图1，该种用于竞赛的授花粉机器人，其特征在于，包括底盘及设置在所述底盘上的机械臂，所述机械臂的末端设置有摄像头和模拟授粉棒，所述模拟授粉棒通过管状弹性夹被夹持安装在所述机械臂的末端；所述底盘上设置有四个麦克纳姆轮，且每个麦克纳姆轮均由各自的驱动电机驱动，所述麦克纳姆轮与所述底盘之间还设置有减震弹簧。

其中所述机械臂包括转动云台、大臂和小臂，所述转动云台设置在所述底盘上且由云台舵机驱动，所述大臂通过大臂舵机与所述转动云台转动连接，所述小臂通过小臂舵机与所述大臂转动连接，所述小臂末端通过腕部舵机与安装架转动连接，所述摄像头和模拟授粉棒设置在所述安装架上。

图2 小车底盘

图3 小车上部机械臂

总体来说，所述摄像头位于所述模拟授粉棒上方；所述大臂和小臂的主体部分均采用碳纤维板制成；所述转动云台与所述底盘通过长螺栓及防松螺母连接；所述底盘包括上板和下板，所述上、下板之间通过若干立柱连接；所述下板下方还设置有传感器安装板以安装识别路标的传感器。所述传感器安装板通过若干铜柱与所述下板连接；所述底盘的基本架构呈中心对称结构，所述机械臂设置在所述底盘的中央。所述上板、下板、传感器安装板均采用亚克力板，所述立柱采用铝型材制成。

具体地看， 对于该竞赛用授粉机器人，云台舵机采用20KG、270度舵机，大臂舵机23采用60KG、270度舵机，小臂舵机采用20KG、270度舵机，腕部舵机采用20KG、180度舵机；摄像头位于模拟授粉棒上方，如图所示。摄像头识别雄雌花，模拟授粉棒模拟授粉动作。

2 授粉机器人的运动方式

2.1 授粉机器人运动方式机理

在机器人进行工作之前，需要对赛道进行评估，同时对控制系统编入相应的程序以适应不同的需要。工作时，在机器人启动前先调整减震弹簧弹力适应不同的地面达到稳定底盘的作用；在整体机器人启动之前，需要将小车车头摆正并使机器人整体尽量处于道路正中央，以免造成位置误差。同时观察赛道宽窄适当调整弹簧夹调节授粉棒的长度以适应不同赛道。底盘和机械臂的控制系统启动后，机器人行走并识别各个授粉点；机器人在授粉点停车后，控制系统通过控制各舵机工作，机械臂开始动作并移动至雄雌花识别位置，通过机器视觉模块进行识别后，若识别成功为雌花，则由舵机带动机械手执行授粉动作；若识别为雄花或者雌雄同体花，则机械臂收回准备进行对下一朵花进行识别，由此实现定点、精确授粉。每当机器人授粉动作完毕或者未进行授粉动作都会回复至初始动作，该初始动作为进行识别动作的准备动作。当机器人行驶出一个区域时，由机器人底盘底部传感器可识别赛道十字标，麦克纳姆轮驱动小车总体横移并前往下一区域，由于麦克纳姆轮的特点，整体车身并不需要做旋转运动进行转向，而是直接平移过渡。不同的区域小车有不同的停车点，相应地机械臂执行相应的授粉动作。

2.2 运动方式特点分析

该机器人识别路标的传感器、机器视觉模块和麦克纳姆轮，能准确的识别行驶路线和完成授粉动作，可以解决大多授粉机器人在车体转向过程中造成的车体偏移路线问题以及由此引起的授粉动作不准确的问题；减震弹簧可通过调整弹簧弹力使得底盘不受机械臂等执行机构重心的影响，对于起伏不平的地面也有很强的适应性；另外，模拟授粉棒固定于管状弹性夹中空部位，可灵活调整模拟授粉棒的伸出长度适应不同的识别距离。总体来说，机器人整体结构紧凑，机械臂重量轻，重心平稳，平衡性好，行驶路线较为准确，不偏移中心，机械臂识别、授粉动作精确执行。

3 结论

基于机器视觉的授花粉机器人在具体应用过程中，控制机械臂的多舵机协同工作保证了工作的灵活性，机器视觉模块保证了授粉动作的准确性，另外根据受力实验可精准确定基于麦克纳姆轮的授粉机器人底盘运动轨迹，横移运动方式使基于麦克纳姆轮的喷药机器人底盘可更高效地完成授粉作业，保证了车体运行的稳定性。随着基于底盘的喷药机器人不断完善，实现崎岖路面上的精准前行，为人类提供更加高效精准的授粉工作将逐步成为可能。整体来说，相比现有的非智能化搬运机器人，其操作简便、自动化程度高、节省人力、高效便捷，为手眼协调授花粉机器人的进一步智能化研究提供参考。