智能化草莓采摘机器人

韩冰 张连壮 田皓宇 王雪伟 李国昭 赵艳霞

摘要：目前农业上的草莓采摘只是依靠人工，劳动强度高，而现在的智能采摘智能停留在理论层次。该草莓采摘机器人可在一定范围内基于机器视觉识别成熟草莓位置和精准定位，并以夹持、扭转果柄的方式摘取果实，从而实现草莓的无损伤采摘。设计的采摘机器人由五自由度机械手臂，用伺服电机作为动力源，根据驱动器发出的脉冲信号，三菱fx3n PLC控制系统，视觉识别系统组成，并采用面向对象编程工具C#编写了控制终端及视觉自动采摘算法。

关键词：草莓、采摘机器人、机器视觉。

为了提高生产效率，温室的草莓种植情况，如垄面宽、垄沟宽、沟深并非采取标准尺寸，且可能比标准尺寸更小;同时沟面不平整。因此，在沟面不平整的温室中采用跨垄式或者悬挂式移动机构，而在比较标准的温室中可以采用四轮驱动行走机构。

本设计采用跨垄四轮行走机构，。本体设计以步进电机作为动力装置，根据驱动器发出的脉冲信号驱动机器人沿沟垄前进。在机身的上方是五自由度机械手臂，用伺服电机作为动力源，根据驱动器发出的脉冲信号，使机械手臂达到指定位置。同时在机械手下方安装一个小框，用于放置草莓果实，在设定好的时间内装满后，由工作人员更换小框。整个执行机构都安装在小车上，可以进行固定距离的移动。

基于具体的采摘要求，机械手要具有较好的采摘能力。包括：

（1）最优的工作空间。工作空间越大，采摘范围越广，通用性好。

（2）具有较好额避障能力。果实采摘过程中，机械手能避开障碍物。

（3）机械手设计合理。在满足要求的前提下，采用特殊机构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。

（4）农业机器人要求操作简单，成本低廉，因此尽量采用冗余度少，机构简单的形式。

机械手的手臂是采摘机器人的主要执行元件，其作用是支撑末端执行器和腕部并改变末端执行器在空间的位置。由于机械手臂的重量比较大，受力比较复杂，在采摘草莓时受到腕部、手爪和草莓的静（动）载荷，引起电位准确性。机械手手臂的机构形式的设计要根据机器人的运动形式、抓取草莓的重量，自由度以及运动精度来决定。因此设计机械手手臂考虑了几个要点：

1）手臂的结构和尺寸应该满足采摘草莓时作业空间的要求。作业空间的形状和大小与手臂的长度、关节转角的范围密切相关;

2）根据手臂承受的载荷和结构的特点，合理选择手臂的材料;

3）机械手手臂的运动速度要高，惯性要小。

在草莓采摘过程中，图像的识别尤为重要，我们基于机器视觉原理利用图像的成像，利用双目摄像头的成像进行标定，之后传输数据库，进行数据的分析和采集，形成数字图像，之后进行图像二值化处理，图像索贝尔边缘处理，之后确定出草莓的特征点，与草莓果實立体匹配，根据数据处理，再由摄像头进行草莓果实的三维计算，最后输出给机械手指令，机械手进行动作和定位，进行草莓的抓取和采摘。

参考文献：

[1]面向机器人采摘的樱桃番茄力学特性研究[J].熊征，李惠玲，侯露，陈金奇，薛坤鹏，黎业钲.现代农业装备.2020（03）

[2]高架草莓移栽机控制系统设计与试验[J].李男，刘继展.农机化研究.2019（11）

[3]智能草莓采摘机器人设计及试验[J].凌轩刘江涛梁超越王旭东，现代农业装备.2021，42（01）

山东协和学院 山东济南 250000