基于视觉分拣系统中机械手执行部的设计

刘江彩 崔彪

（河北化工医药职业技术学院，河北 石家庄 050030）

1 设计的提出及主要任务

近年来，我国的水果价格不断上涨，全国各地越来越多的农民都想做果树种植。国家为了能够鼓励农民将土地资源高效的利用起来，相关部门也没少费力气对水果种植进行补贴。再加上我国政府大力支持农业机械化，在政策上也是出台了一系列的扶持政策，实行农业机械购置补贴以及加强农业机械化人才队伍建设。当前，根据有关数据统计，我国是全球果树种植数量最多、面积最广、产量最大的国家。但是尽管我国果树种植的规模巨大，我国的大部分果树种植的流程都是人工操作，机械化的操作流程水平还是远远落后。

由于我国果树种植的品种较多，我国种植果树的作业场景比较复杂，果树智能化种植管理一直没有实质性的进展。而且随着我国城市化的发展速度越来越快，农村大部分有劳动力的人都在往大城市流出，相对于现在的农村劳动力每年都在不断下降。我国农村劳动力人口大量减少，老龄化问题不断加剧，农村面临无劳动力雇佣，这对农业发展造成了较大的影响。所以农业发展需要加快智能化的普及。

本文以河北省种植面积最大的梨树为例，梨果的产出周期我们一共分为初期、中期、后期三个阶段。初期需要对梨树开花的花蕾进行疏花以及梨果授粉后进行疏果；中期需要在梨果定型时对梨果进行保护袋套袋操作以及果实成熟后进行去保护带操作；后期在果实完全成熟后对梨果进行选择性采摘，根据梨果的品质进行分拣，然后再对其梨果套保护网后根据要求计重装箱操作。河北省梨果年产量约占中国的三分之一。但目前仍然大部分梨果的培育过程依旧是以人工为主，因为产量巨大，经常会造成梨果的采摘不及时及分拣困难等问题。

综上所述，根据梨树梨果的生长周期，设计具有视觉分拣功能的机械手执行部，以应对梨果在不同生长周期的培育流程需求。根据需求设计整个梨树梨果的生命周期管理系统，整套管理控制系统由履带车+机械臂+视频控制系统+机械手末端执行器，本次的主要任务是根据梨树梨果的形状大小及性质的不同，针对不同梨果的软硬程度及形状，设计相应功能的机械手执行部。

2 基于视觉机械手的概述

随着我国新一代信息技术的发展，视觉技术在各行各业快速的渗透。作为“新基建”，核心领域之一，视觉系统在近年来的发展极为迅猛，让越来越多的设备拥有了感知物理世界的能力，视觉被广泛应用于智能制造、智慧农业、智慧城市、智慧交通、智慧安防等诸多领域。视觉主要是基于识别、定位、检测、测量这四大功能。识别对已知规律的物体进行分辨，比较容易的包含外形、颜色、图案、数字、条码和二维码等。当然也有信息量大或者更抽象的，比如人脸、指纹、虹膜等。定位是在识别出物体的基础上并精确给出物体的坐标和角度信息。定位在视觉应用中属于基础应用，一个软件的好坏很大程度取决于定位算法的能力。测量把获取的图像像素信息标定成常用的度量衡单位，然后在图像中精确的计算出需要的几何尺寸。检测主要指的各类外观缺陷，其种类繁杂。检测功能在机器视觉应用中处于相对难解决的应用。最常见的缺陷表面有装配缺陷（如漏装、错位、错色等）、表面印刷缺陷（如漏印、重印、拉丝、模糊等）、表面形状缺陷（如凸起、凹坑、磨损等）。

机械手是最早出现的工业机器人，它能够模仿人手臂的某些动作，从而通过这种功能进行设置程序。在当今的社会发展进程中，我国是制造业大国，目前正在以飞快的速度从传统的制造转向智能制造。机械手则为智能制造的最关键的执行机构。它能够代替人进行固定抓取、搬运等自动操作。尤其是在特殊的操作环境下，机器换人已经是大范围展开应用了。机械手能够根据设置好的程序精准有效的将操作执行，从而能够大大提高我们作业的效率。

基于视觉的机械手相当于是给机器人装上了眼睛，视觉机械手能够通过视觉相机对外界进行视觉感知，能够根据视觉系统进行分析，能够配合控制器给执行机构提供合理的执行操作流程，从而能够代替人工进行各种任务的操作，促进智能化的发展。

3 技术路线

果树智能化全生命周期管理控制系统由履带车+机械臂+控制系统+末端执行部构成。可以针对不同的果实的软硬度、形状等特征，按照功能要求设计用于不同功能的机械手执行末端，从而实现一机多用，机器换人的作用。

图1 整体机构结构图

整套控制机构还配备了视觉机构、称重机构、执行机构以及动力机构。视觉机构配备了3d 视觉摄像头，视觉摄像头中集成了AI 系统，能够对梨树梨果进行尺寸大小测量、外表质量识别等功能，能够通过AI 系统算法按要求分析后有序配合执行机构操作任务；称重机构主要是配置了称重传感器，对摘取的梨果进行称重检测，按照不同重量等级与执行机构配合进行不同规格的梨果进行分拣操作；动力机构电动驱动装置，内置便携式可拆卸锂电池盒，能够方便机器在果园中快速的穿行，而且还便于快速更换动力供给装置；执行机构配置了针对于梨树的生长周期所需要的机械手执行器末端。

末端执行部通过3D 建模，完成后进行机械加工并实验。整体操作流程先由视觉机构对梨果进行视频采集，根据AI 系统对其识别，动力机构及执行机构配合控制系统进行相应操作，称重机构对执行操作的任务进行检测，最终完成农业机械化操作。

图2 执行部机构模组示例

图3 视觉检测模组示例

控制方式：本机械手执行部采用单片机的形式来进行控制，单片机是在一块半导体硅片上同时集成中央处理器CPU、定时器、存储器、中断系统、系统总线和系统时钟电路的微型计算机。它的体积非常小，而且功耗低，成本也低，相对于运用PLC控制单片机在户外操作设备控制的优势更大，所以本次设计的执行器控制机构采用单片机的形式，且单片机的类型采用STM32 单片机。STM32 单片机拥有强大的用户基础，并且拥有极高的性能。

图4 动力机构模组示例

图5 称重机构模组示例

4 对梨树梨果生长周期所需配备的执行器末端设计

4.1 疏花执行器

在梨书开花的时候，果农一般会给梨花进行一次疏花的操作，目前大多数采用的是人工用剪刀剪去多余的花蕾，为了保证梨树的生产质量，果农需要大量人员进行疏花，但是由于人工的疏花可能导致疏花的效果不佳，经常会导致疏花有漏疏等问题。

我们设计的机械手疏花疏果末端执行工具主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作；通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉多余的弱花和畸形果。

4.2 授粉执行器

目前果农对梨树进行授粉一般是采用人工点授、掸授法以及液体喷雾等方法，传统的人工授粉太过于麻烦。

我们设计的授粉执行器主要以旋转气缸为基础，在旋转气缸旁增加两个限位气缸。启动旋转气缸旋转工作碰到两个限位气缸可实现反转功能；在旋转气缸上固定一把毛刷（毛刷规格可自行规定）。毛刷通过旋转气缸的动作可实现人工授粉的要求。

4.3 疏果执行器

当梨花结小果后，果农一般为了追求高质量的梨果，一般会进行人工疏果操作。人工疏果是将统一区域或枝干上的多余的梨果进行剪出，防止同一枝干上果实过多导致梨果生长不均衡。

我们设计的机械手疏花蔬果末端执行主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作；通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉多余的弱花和畸形果。视觉系统中设置了标准花果形态规格，机械手执行器会根据视觉系统镜头对不合格的花果进行处理。疏花疏果最主要的目的是保证产量，提高品质。

4.4 套保护纸袋执行器

当梨果生长定型之后，为了防止各种害虫对梨果表皮进行侵害，果农一般会给梨果套上保护袋，防止害虫对表皮进行破坏。

我们设计的套袋执行器为圆形手爪，在圆形手爪下面安装一个底座用来装纸袋；我们利用气缸的伸缩来控制机械环形伸缩装置。并且在执行上安装充气装置,避免袋口变形套袋失败。在套袋前提前将袋充气，使全袋膨胶起来，两底角的出水气孔张开。在袋口下2-3 厘米处，套上果实,从中间向两侧依次折叠袋口。绑口时不能把袋口绑成喇叭状，以免积存药液流入袋内，每花序套1 个果。我们在套袋执行器的上方安装扎口执行器，当套袋完成后对其封口进行扎口，扎口由铁丝扎口钉通过对封口进行夹紧，铁丝钉对其封口夹紧后完成自动套袋操作。

4.5 去保护纸袋执行器

首先，一般梨果套袋后比不套袋梨果的含糖量下降很多，所以一般果农会在梨果完全成熟前一两周将保护袋去掉，让梨果吸收更多的阳光，从而增加梨果的含糖量及梨果的水分。而且对于梨果成熟后，去掉保护袋的梨果在采摘的同时就能对其梨果进行称重分拣的操作。

我们设计的机械手去保护袋末端执行工具与疏花疏果执行器为同一个，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作；通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够去掉保护袋。

4.6 采摘执行器

在果实成熟后，果农会根据不同品质按照级别进行选择性的采摘，并且现场进行装箱等操作。在挑选梨果的要求是非常高的，畸形果、伤果、小果等都是不符合要求的，果农需要按果实大小形状进行分级。

我们设计的采摘执行器主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制剪刀紧和松的动作；通过摇杆来控制手臂到达相应的位置再来控制气缸从而使得能够剪下梨果的枝藤。在剪刀执行器下方安装柔性6 爪执行器，收集摘取的梨果后装入收集箱。

4.7 视觉分拣执行器

采摘后需要根据梨果的大小品质对其分拣，梨外观等级规格指标分为特等、一等、二等，特等梨要求最高，个头要求大，形状要求不能有歪斜，整体形状保持正圆，外表皮不能有一点损伤，颜色为白里透黄，且放至平面能够稳定不移动。一等的梨果个头要求比特等的形状规格小，但表皮依旧是不能有半点破损，二等梨果要求较低，只要梨果表皮无虫害及损伤则为二等。

我们设计的视觉分拣机械手执行部，机械手设有6 根柔性软爪，主要是以传统的气缸为基础，利用气缸的伸缩来控制软爪紧和松的动作；通过视觉相机对梨进行图像采集，根据梨的大小通过视觉检测系统对其进行分类，再通过视觉分拣机械手执行部将梨按照分类装入到相应规格收集箱中。

4.8 自动套保护网执行器

在梨采摘分拣后需要将梨套一层保护网，防止在运输过程中磕碰对梨造成损坏。我们选择的保护网为珍珠棉泡沐网材质。保护网尺寸按照梨的规格选择3 款规格保护网，分别为：6x10cm、7x12cm、7x14cm。

我们设计的自动套保护网机械手执行机构，机械手设有4 根弧形柔性软爪，执行部装有翻转机构。机械手根据机器视觉系统对梨的规格确定后，机械手选择相应尺寸的保护网后，执行机构移动到梨的上方，机械手4 爪进行翻转操作，将保护网套中梨后4 爪再翻回完成套保护网操作。

4.9 套网后自动计重装箱

自动计重装箱操作是通过码垛机械手执行器将不同外形尺寸的包装货物，整齐、自动地码在托盘上。由于梨果的形状为椭圆形，且装箱抓取环境位置为不规则，所以我们在分拣梨果的时候只能单个进行分拣操作。

自动计重装箱执行器机械手采用6 爪执行器, 为减少抓取起来的梨掉落,在机械执行器手抓上面设有橡胶涂层，增大机械执行器手爪与瓜类的摩擦力。并且我们在6 爪执行器上安装了拉力传感器，拉力传感器会产生细微拉伸,通过拉力传感器的细微拉伸距离从而判定梨的重量。

5 结论

在我国，目前果树种植依旧是以人力为主，整个农果的生长培育等操作大部分是靠人工进行，从而经常导致农作物无标准化等诸多问题。通过本设计的机械手执行机构，能够减少8-15 人的人员投入，从而可以大大提高效率，也能进一步推动我国农业智能化的发展。