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基于云计算技术的苹果采摘机器人系统

2017/5/16    来源:武汉职业技术学院    作者:石建华      
关键字:云计算  机器人  视觉系统  
我国作为世界上最大的水果产地,水果也成为国内主要的经济作物,对水果采摘机械化发展尤为重视,采摘机器人的应用对水果产业的发展产生直接的影响。
    引言
 
    我国作为世界上最大的水果产地,水果也成为国内主要的经济作物。现阶段,水果发展成为继粮食、蔬菜之后第三大农作物,在国民经济发展中占有重要位置。我国对水果采摘机械化发展尤为重视,采摘机器人的应用对水果产业的发展产生直接的影响。苹果采摘机器人是针对苹果设计,可完成其采摘、输送、装箱等作业的装备,是一种具有感知能力的自动化机械收获系统。水果自动采摘机器人作业对象为有机生物,其实施采摘作业时受作业环境、对象等因素的影响,而运用机器人视觉技术,能有效提升采摘作业效率和精度。因此,设计苹果采摘机器人必须解决识别和定位目标果实的问题,在不损害果实和植株的基础上,遵循一定的标准完成苹果采摘工作;同时,也要综合考虑其他因素的影响,要确保其成本不比所替代的人工成本高,有效提升苹果采摘效率。本文根据各地苹果生产种植和具体采摘情况,在云计算技术基础上对苹果采摘情况展开试验研究,设计出智能化的苹果采摘机器人样机,以期减轻劳动人员工作量、提升苹果采摘效率。
 
   1: 苹果采摘机器人总体设计方案
 
    进入21世纪,世界各国面临严重的人口老龄化问题,农业劳动力逐渐向其他各领域和行业转移,劳动力不仅具有成本高的特点,也不易找到充足的劳动力。果蔬采摘是其生产过程中最耗费时间、人力的环节,加之,采摘人员时常要弯腰或利用梯子登高,水果采摘成为劳动强度大、消耗时间长的作业模式。苹果是我国11大优势产品之一,近年来,我国对世界上苹果贡献率越来越高,如果一直采用人工采摘实在无法满足其发展需求。因此,研发苹果采摘机器人不仅能减轻劳动者工作强度,也能提高苹果采摘效率,从而拥有广阔的应用前景和发展空间。为满足形式各样的苹果园地面环境要求,本研究的机器人主要由机械结构和电气智能控制等部件组合而成:机械结构主要包括机械手臂、末端执行器及可移动载体等装置;电气智能控制系统包含微控制器、运动控制卡、数据采集卡及电动机驱动等部分,结构如图1所示。
 
    苹果采摘机器人配备的机械结构部分,有利于机器人准确判断已经成熟的果实,并为准确摘取操作打下良好的基础。机器人配置的其它部件的功能有一定的差异,各配件相互结合共同完成苹果自动采摘操作。
 
    可移动载体作为苹果采摘机器人最基本的部件,也是其它采集系统的主要平台,且执行信号采集及智能控制等均要借助移动载体完成。可移动载体使用腹带行走的方式,这种移动载体与地面接触面、受力面积较大,极易在松软的路面进行操作。机器人机械手臂使用多关节机械手臂,设计3个主自由度,能够实现转动、移动等操作。同时,自动采摘机器人配置的机械手臂具有韧性强、灵活性高等优点,便于及时到达所指定的位置,在整个采摘操作中稳定运行。夹持器作为采摘苹果过程中发挥最大作用的部件,苹果整个收获操作完全依靠夹持器完成。本次设计的夹持器最大工作角度为88°,采摘闭合时间设定为2s;设计的装置极为简便,采摘耗费时间短、力度适中,不会对目标水果带来不良的影响。
 
1.系统控制仓 2.红外对管 3.电源仓 4.移动载体
    1.系统控制仓 2.红外对管 3.电源仓 4.移动载体 5.网络摄像头
6.Wifi 7.舵机 8.机械管 9.舵机 10.机械手
图1 苹果采摘机器人结构图
 
    2: 苹果采摘机器人硬件、软件设计
 
    采摘机器人硬件系统主要由采摘机械臂、果实识别定位及可移动平台等模块组成,因此主要介绍苹果采摘机器人进行采摘作业时的软硬件部分设计情况。
 
    2.1 采摘机器人硬件设计
 
    2.1.1 设计视觉定位系统
 
    视觉定位系统主要由计算机、图像采集卡及CCD摄像机等部分组成。该系统所用的双目摄像头固定在支架上,为机械手提供准确的目标定位。选用我国大恒公司生产的双通道彩色视频采集卡,对苹果这类水果进行视觉识别及定位研究,其定位流程如图2所示。
 
    2.1.2 末端执行器
 
    苹果采摘机器人执行采摘作业时,由末端执行器与苹果相接触,因苹果园采摘环境比较复杂,末端执行器的设计一直被认为农业类机器人的主要技术之一。苹果采摘系统末端执行机构如图3所示。这个末端执行器要求通过对苹果果梗的夹持,在不损伤果实的基础上成功采摘苹果。
 
苹果采摘机器人视觉识别定位流程图
图2 苹果采摘机器人视觉识别定位流程图
 
 末端执行器简图
 
    1.直流电机 2.蜗轮蜗杆机构 3.钢丝软管传动 4.刀架与刀片 5.刀架转轮
6.碰触传感器 7.光电开关 8.手指 9.限位开关 10.压力传感器 11.视觉传感器
12.薄型双作用气缸 13.固定件 14.机械臂连接件
图3 末端执行器简图
 
    2.1.3 设计合理的能源箱
 
    依据机器人系统不同元件的供电参数要求,本设计采用220V交流电源控制不同关节伺服电动机及计算机供电。同时,选取24V直流电源对末端执行器电动机进行供电。在机器人上安装的视觉摄像头所需能源由计算机端口进行供应,通过测算,整个采摘机器人系统总能耗量约为1.5kW。
 
    2.2 采摘机器人系统软件设计
 
    苹果采摘机器人采用开环式控制结构,建立基于云计算技术的评估采摘控制系统,整个系统基于Windows XP平台上完成操作,采用RS232总线与运动控制器实现通信。因控制系统对使用者具有全开放性,因此可在平台上对机器人实施操作和在线调试,利用不同控制算法和图像处理算法,促使其满足苹果采摘要求。为方便操作,设计了图形化的用户界面,用户可在界面上调整摄像机及伺服驱动器等参数,也可实时监控电动机具体运行情况。
 

责任编辑:李欢
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