一种基于STM32单片机的并联采摘机器人

陈毅豪 冷俊男

(西北农林科技大学，陕西 杨凌 712100)

0 引言

由于苹果在树上分布的不规律性，苹果采摘目前仍然依靠人力进行采摘，效率低下且人力成本较高。又因为苹果在我国分布面积较大，总产量高。因此，有必要发明一种自动采摘苹果的机械装置。如此以来不仅可以降低人力成本，提高个人必要劳动时间，而且可以进一步增加企业或者果农的利润，解放劳动力和提高生产力。为此，本文提出一种基于STM32单片机的并联采摘机器人和采摘方法。

1 并联采摘机器人的组成部分

一种基于STM32单片机的并联采摘机器人的俯视图如图1所示，由视觉模块、控制模块、机械臂模块和驱动模块4个部分组成。

图1 并联采摘机器人的俯视图

1.1 视觉模块

视觉模块包括双目摄像头和Opencv。双目摄像头固定在采摘口附近，通过识别苹果的颜色来判断苹果是否成熟，如果判断苹果成熟，获取其三维坐标，并将果实的坐标传递给并联机器人的主控板STM32单片机。

1.2 控制模块

控制模块的主控板为STM32单片机。控制板接收视觉模块发送的三维坐标，通过并联机器人主控板已经封装的函数对坐标进行姿态解算得出每个电机需要转动的角度，并对其进行路径优化，然后向电机驱动器发送脉冲，使电机驱动器驱动电机转动，控制与其相连的主动杆件，带动从动杆件使采摘口运动。主控板判断4个直流电机停止转动后，启动涵道，涵道加速果实周围空气的流动从而引起果实周围产生足够的压强差将果实吸取下来完成对果实的采摘。

1.3 机械臂模块

机械臂模块包括主动杆件、从动杆件和涵道。从动杆件与主动杆件之间以球副相连接。涵道固定在从动杆件中间的圆心处。4个主动杆件呈“十”字型对称分布，一端与电机连接，另一端与从动杆件连接。4个从动杆另一端与采摘口相连，采摘口具有3个自由度，可以在三维空间中移动。采摘口通过可伸缩管道与涵道相通，涵道结构如图2所示，涵道产生的负压吸力通过采摘口将苹果吸下。

图2 涵道结构图

1.4 驱动模块

驱动模块包括4个直流电机驱动器和涵道电机驱动器，分别控制4个直流电机涵道电机。

2 并联采摘机器人的工作过程

并联机器人的工作流程如图3所示。

图3 并联机器人的工作流程图

双目摄像头启动工作，识别到苹果后根据颜色判断其是否成熟，若成熟，则对其进行定位，并将果实的三维坐标传递给STM32单片机。STM32单片机进行姿态解算将果实位于图像中的空间位置反解，进而将所得结果进行正解转化成4个直流电机分别需要转动的角度，并对其进行路径规划，找出最优路径。随后将需要转动的数值通过pwm波传递给4个电机。4个电机分别转动至STM32单片机需要的位置后，摄像头模块再次确定是否要进一步转动，形成闭环控制。确定不再需要4个直流电机转动后，单片机控制涵道开始工作，涵道产生负压吸力将果实从树上吸取下来，果实通过采摘口落入伸缩管道底部，底部有缓冲收集装置，上面安装有压力传感器，压力传感器感受到苹果的重力，阀门打开，苹果落入收集箱，完成一个果实的采摘。Opencv解算空间坐标是将一张图像上所有的果实位置全部判断出来，并且全部计算出其各自所具有的3维空间坐标系。整个图像中所有的果实采摘完毕后，双目摄像头进行下一步工作，重新拍摄一幅图像，返回第一步进行工作，如此循环往复直到所有的果实全部采摘完毕为止。

3 结束语

本文介绍了一种基于STM32单片机的并联采摘机器人，其对成熟的苹果进行定位后，涵道可以产生负压吸力，将苹果吸下，使其落入管道进入收集箱。与传统的机械手采摘式机器人不同，本文介绍的机器人可以避免果皮损伤，保证果实的质量，从而保证了经济效益。